第2章 轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)(自).

1、第第1篇篇直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng) 運動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)直流電動機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速 式中 n轉(zhuǎn)速（r/min）; U電樞電壓（V）； I電樞電流（A）； R電樞回路總電阻(）； 勵磁磁通（Wb）； Ke 由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。eUI RnK 調(diào)節(jié)直流電動機轉(zhuǎn)速的方法 （1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓； （2）減弱勵磁磁通； （3）改變電樞回路電阻。自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)以變壓調(diào)速以變壓調(diào)速為主為主。第第2章章 轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 電力拖動自動控制系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng) 運動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)內(nèi) 容 提 要 直流調(diào)速系統(tǒng)用的

2、可控直流電源 穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標和直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性 轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制 轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的限流保護 轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真2.1 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源 晶閘管整流器-電動機系統(tǒng) 直流PWM變換器-電動機系統(tǒng) 2.1.1 晶閘管整流器-電動機系統(tǒng)圖21 晶閘管整流器-電動機調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖在理想情況下，Ud和Uc之間呈線性關系：（2-1）式中， Ud平均整流電壓， Uc 控制電壓， Ks晶閘管整流器放大系數(shù)。csdUKU1觸發(fā)脈沖相位控制 調(diào)節(jié)控制電壓Uc， 移動觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位， 改變可控整流器VT輸出瞬時電壓u

3、d的波形，以及輸出平均電壓Ud的數(shù)值。 dtdiLRiEuddd0(2-2)式中 E電動機反電動勢(V)； id整流電流瞬時值(A)； L主電路總電感(H)； R主電路總電阻(), ；主電路電壓方程圖2-2 V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖 對于一般的全控整流電路，當電流波形連續(xù)時， 可用下式表示)(0fUdcossin0mUmUmd(2-3) 式中，從自然換相點算起的觸發(fā)脈沖控制角； Um=0時的整流電壓波形峰值； m交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)。mU22U22U26U0dUcos9 . 02Ucos17. 12Ucos34. 22U整流電路 單相全波 三相半波三相橋式（全波）m236表2-1

4、不同整流電路的整流電壓波峰值、脈沖數(shù)及平均整流電壓2電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù) 在整流變壓器二次側(cè)額定相電壓u2的瞬時值大于反電動勢E時，晶閘管才可能被觸發(fā)導通。 導通后如果u2降低到E以下，靠電感作用可以維持電流id繼續(xù)流通。 由于電壓波形的脈動，造成了電流波形的脈動。 圖2-3 帶負載單相全控橋式整流電路的輸出電壓和電流波形在Id上升階段，電感儲能；在Id下降階段，電感中的能量將釋放出來維持電流連續(xù)。圖24 V-M系統(tǒng)的電流波形(a) 電流連續(xù)圖24 V-M系統(tǒng)的電流波形 （b）電流斷續(xù)當負載電流較小時，電感中的儲能較少，等到Id下降到零時，造成電流波形斷續(xù)。抑制電流脈動的措施 （1）增

5、加整流電路相數(shù)，或采用多重化技術；（2）設置電感量足夠大的平波電抗器。3晶閘管整流器-電動機系統(tǒng)的機械特性 當電流波形連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的機械特性方程式為（2-7）式中，Ce電動機在額定磁通下的電動勢 系數(shù))RIU(C1nd0deNeeKC圖2-5 電流連續(xù)時V-M系統(tǒng)的機械特性9/4,1.1 以三相半波整流電路構(gòu)成的V-M系統(tǒng)為例，電流斷續(xù)的機械特性如下：32ctgectg2e1Ce )6sin()6sin(cosU2nnU2C)6cos()6cos(R2U23I2e2d（28）（29）圖26 V-M系統(tǒng)機械特性在電流連續(xù)區(qū)，顯示出較硬的機械特性；在電流斷續(xù)區(qū)，機械特性很軟，理想空載轉(zhuǎn)速翹得

6、很高。 9/4,1.1 以三相半波整流電路構(gòu)成的V-M系統(tǒng)為例，電流斷續(xù)的機械特性如下：32ctgectg2e1Ce )6sin()6sin(cosU2nnU2C)6cos()6cos(R2U23I2e2d（28）（29） 4晶閘管觸發(fā)和整流裝置的晶閘管觸發(fā)和整流裝置的 放大系數(shù)和傳遞函數(shù)放大系數(shù)和傳遞函數(shù) 晶閘管觸發(fā)電路和整流電路晶閘管觸發(fā)電路和整流電路的特性是非線性的。 在設計調(diào)速系統(tǒng)時，可以在一定的工作范圍內(nèi)近似地看成線性環(huán)節(jié)，得到它的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。 用線性系統(tǒng)控制理論分析整個調(diào)速系統(tǒng)。放大系數(shù)的計算圖2-7 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入輸出特性和Ks的測定cdsUUK（2-12）

7、n晶閘管觸發(fā)和整流裝置的輸入量是Uc，輸出量是Ud，晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)Ks可由工作范圍內(nèi)的特性斜率決定 。n如果沒有得到實測特性，也可根據(jù)裝置的參數(shù)估算。失控時間和純滯后環(huán)節(jié) 滯后作用是由晶閘管整流裝置的失控時間引起的。 失控時間是個隨機值。 最大失控時間是兩個相鄰自然換相點之間的時間，它與交流電源頻率和晶閘管整流器的類型有關。圖28 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時間 最大失控時間 mf1Tmaxs(2-13) 平均失控時間 maxssT21T 式中，f 交流電源頻率(Hz)， m 一周內(nèi)整流電壓的脈 波數(shù)。整流電路形式最大失控時間 Tsmax(ms)平均失控時間 Ts(ms)單相半

8、波單相橋式（全波）三相半波三相橋式20106.673.331053.331.67表2-2 晶閘管整流器的失控時間（f=50Hz）晶閘管觸發(fā)電路與整流裝置的傳遞函數(shù) 滯后環(huán)節(jié)的輸入為階躍信號1(t)，輸出要隔一定時間后才出現(xiàn)響應1(t-Ts)。 輸入輸出關系為： )( 10scsdTtUKUn 傳遞函數(shù)為sTscdsseKsUsUsW)()()(0（214） 傳遞函數(shù)的近似處理 按泰勒級數(shù)展開，可得 2233( )1112!3!ssT sssssT ssssKKW sK eeT sT sT sn 依據(jù)工程近似處理的原則，可忽略高次項，把整流裝置近似看作一階慣性環(huán)節(jié) sT1K)s(Wsss（2-1

9、4） 圖29 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)圖準確的近似的5. 晶閘管整流器運行中存在的問題（1）晶閘管是單向?qū)щ姷摹?（2）晶閘管對過電壓、過電流和過高的 du/dt與di/dt都十分敏感。（3）晶閘管的導通角變小時會產(chǎn)生電壓畸變帶來諧波干擾，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)也隨之減少，稱之為“電力公害”。 2.1.2 直流直流PWM變換器變換器-電動機系統(tǒng)電動機系統(tǒng) 全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關控制方式, 形成了脈寬調(diào)制變換器-直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。 與V-M系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性。 直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的

10、應用日益廣泛，特別在中、小容量的高動態(tài)性能系統(tǒng)中，已經(jīng)完全取代了 V-M系統(tǒng)。 1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形 脈寬調(diào)制變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速。 PWM變換器電路有多種形式，總體上可分為不可逆與可逆兩大類。圖2-10 簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)電路原理圖 圖2-10 簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)電壓和電流波形 在一個開關周期T內(nèi)， 當 時，Ug為正，VT飽和導通，電源電壓Us通過VT加到直流電動機電樞兩端。 當 時， Ug為負， VT關

11、斷，電樞電路中的電流通過續(xù)流二極管VD續(xù)流，直流電動機電樞電壓近似等于零。 ontt0Ttton 直流電動機電樞兩端的平均電壓為 （2-17） 改變占空比 ，即可實現(xiàn)直流電動機的調(diào)壓調(diào)速。 令 為PWM電壓系數(shù)，則在不可逆PWM變換器中 （2-18）ssondUUTtU10sdUU 不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)不允許電流反向， 續(xù)流二極管VD的作用只是為id提供一個續(xù)流的通道。 如果要實現(xiàn)電動機的制動，必須為其提供反向電流通道 。圖2-11 有制動電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)電路原理圖 圖2-11 有制動電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)一般電動狀態(tài)的電壓、電流

12、波形 一般電動狀態(tài) 在一般電動狀態(tài)中，id始終為正值（其正方向示于圖2-11(a)中）。 在0tton期間，VT1導通，VT2關斷。電流id沿圖中的回路1流通。 在tontT期間，VT1關斷，id沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流。 VT1和VD2交替導通， VT2和VD1始終關斷。 圖2-11 有制動電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)1gU的正脈沖比負脈沖窄 ， dUE di始終為負。 制動狀態(tài)的電壓、電流波形 制動狀態(tài) 在tontT期間，Vg2為正，VT2導通，在感應電動勢E的作用下，反向電流沿回路3能耗制動。 在TtT+ton（即下一周期的0tton）期間，Vg2為負， VT2關斷，-

13、id沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，向電源回饋能量。 VT2和VD1交替導通， VT1和VD2始終關斷。 (d) 輕載電動狀態(tài)的電流波形 VT1、VD2、VT2和VD1四個管子輪流導通。 輕載電動狀態(tài)輕載電動狀態(tài) 輕載電動狀態(tài) 在VT1關斷后，id經(jīng)VD2續(xù)流。 還沒有到達周期T，電流已經(jīng)衰減到零， 在t=t2時刻，VT2導通，使電流反向，產(chǎn)生局部時間的制動作用。 輕載時，電流可在正負方向之間脈動，平均電流等于負載電流，一個周期分成四個階段。 有制動電流通路的不可逆PWM-直流電動機系統(tǒng) 圖2-11(a)所示電路之所以為不可逆是因為平均電壓Ud始終大于零，電流雖然能夠反向，而電壓和轉(zhuǎn)速仍不能反向。 如果

14、要求轉(zhuǎn)速反向，需要再增加VT和VD，構(gòu)成可逆的PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)，在第4章中將進一步討論。 2.直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機械特性 對于帶制動電流通路的不可逆電路，其電壓平衡方程式分兩個階段： (2-19) (2-20)式中R、L分別為電樞電路的電阻和電感。)0(onddsttEdtdiLRiUEdtdiLRidd0)(Ttton電壓平均值方程電壓平均值方程 平均電壓平均電壓 平均電流平均電流 電樞電感壓降的平均值電樞電感壓降的平均值 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速nCRIERIUeddssdUUdI0dtdiLd eCEn （2-21） 機械特性 機械特性方程式為 (2-22) 或用轉(zhuǎn)矩表示， (2-23)式

15、中， 電動機在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)； 理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比。dedeesICRnICRCUn0emeemeesTCCRnTCCRCUn0NmmKCesCUn0圖2-12直流PWM調(diào)速系統(tǒng)（電流連續(xù)）的機械特性有制動電流通路的不可逆PWM-直流電動機系統(tǒng) 3PWM控制器與變換器的動態(tài)數(shù)學模型控制器與變換器的動態(tài)數(shù)學模型圖2-13 PWM控制器與變換器框圖 傳遞函數(shù) 傳遞函數(shù)為 (2-24)式中：KsPWM裝置的放大系數(shù) TsPWM裝置的延遲時間， 近似的傳遞函數(shù) (2-25)1)(sTKsWssssTscdsseKsUsUsW)()()(4直流直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的電能回饋和泵升電壓調(diào)速

16、系統(tǒng)的電能回饋和泵升電壓 PWM變換器的直流電源通常由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控的二極管整流器不可控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容C濾波，以獲得恒定的直流電壓。 當電動機工作在回饋制動狀態(tài)時，電能不可能通過整流裝置送回交流電網(wǎng)，只能向濾波電容充電， 形成直流PWM變換器-電動機系統(tǒng)特有的電能回饋問題。 對濾波電容充電的結(jié)果造成直流側(cè)電壓升高，稱作“泵升電壓”。 系統(tǒng)在制動時釋放的動能將表現(xiàn)為電容儲能的增加， 要適當?shù)剡x擇電容的電容量，或采取其它措施，以保護電力電子開關器件不被泵升電壓擊穿。 2.2 穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標和穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標和 直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性 對于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制

17、的要求：（1）調(diào)速在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；（2）穩(wěn)速以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動；（3）加、減速頻繁起、制動的設備要求加、減速盡量快；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機械則要求起、制動盡量平穩(wěn)。2.2.1轉(zhuǎn)速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標轉(zhuǎn)速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標1、調(diào)速范圍、調(diào)速范圍 生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比稱為調(diào)速范圍，用字母D表示，即（2-27） nmax和nmin是電動機在額定負載時的最高和最低轉(zhuǎn)速， 對于少數(shù)負載很輕的機械，也可用實際負載時的最高和最低轉(zhuǎn)速。minmaxnnD 2、靜差率、靜差率

18、s 當系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載增加到額定值所對應的轉(zhuǎn)速降落nN與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比： 用百分數(shù)表示0nnsN%1000nnsN（2-28）（2-29） 特性a和b的硬度(斜率)相同 特性a和b額定速降相同， 特性a和b的靜差率不相同。 圖2-14 不同轉(zhuǎn)速下的靜差率3. 調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關系（2-30） 對于同一個調(diào)速系統(tǒng)，nN值是定值。 要求s值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍D也越小。 一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。)1 (snsnDNN例題例題2-1 某直流調(diào)速系統(tǒng)電動機額定轉(zhuǎn)速為nN=1430r/min，額定速降n

19、N=115r/min， 當要求靜差率s30%時，允許多大的調(diào)速范圍？ 如果要求靜差率s 20%，則調(diào)速范圍是多少？ 如果希望調(diào)速范圍達到10，所能滿足的靜差率是多少？ 解解 在要求s 30%時，允許的調(diào)速范圍為 若要求s 20%，則允許的調(diào)速范圍只有 若調(diào)速范圍達到10，則靜差率只能是3 . 5)3 . 01 (1153 . 01430)1 (snsnDNN1 . 3)2 . 01 (1152 . 01430D%6 .44446. 011510143011510NNNnDnnDs2.2.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，即無反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。 調(diào)節(jié)控制電壓U

20、c就可以改變電動機的轉(zhuǎn)速。 晶閘管整流器和PWM變換器都是可控的直流電源，用UPE來統(tǒng)一表示可控直流電源， 圖215 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖機械特性機械特性 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關系如下：電力電子變換器直流電動機 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機械特性為 csdUKU0ed0dCRIUnedecsed0dCRICUKCRIUn（2-31） 圖2-16 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖2-17 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性例題例題2-2 某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機，其額定數(shù)據(jù)如下：60kW，220V，305A，1000r/min，采用V-M系統(tǒng)，主電路總電阻R=0.18，電動機電動勢系數(shù)Ce=0.2Vmin/

21、r。如果要求調(diào)速范圍D=20，靜差率s5%，采用開環(huán)調(diào)速能否滿足？若要滿足這個要求，系統(tǒng)的額定速降nN最多能有多少？ 解解:當電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的額定速降為開環(huán)系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)速時的靜差率為如要求 ， ，即要求3050.18=275r/min0.2dNNeIRnC2750.21621.6%1000275NNNNnsnn 10000.052.63 /min(1)20(10.05)NNn snrDs20D%5s1297 第二次結(jié)束2.3 轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 結(jié)論：開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不能滿足基本的穩(wěn)態(tài)結(jié)論：開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不能滿足基本的穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標。調(diào)速性能指標。 根據(jù)自動控制原理，將系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)

22、量作為反饋量引入系統(tǒng)，與給定量進行比較，用比較后的偏差值對系統(tǒng)進行控制，可以有效地抑制甚至消除擾動造成的影響，而維持被調(diào)節(jié)量很少變化或不變，這就是反反饋控制饋控制的基本作用。 2.3.1 轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的 數(shù)學模型 在負反饋基礎上的“檢測誤差，用以糾正誤差”這一原理組成的系統(tǒng)，其輸出量反饋的傳遞途徑構(gòu)成一個閉合的環(huán)路，因此被稱作閉環(huán)控制系統(tǒng)。 在直流調(diào)速系統(tǒng)中，被調(diào)節(jié)量是轉(zhuǎn)速，所構(gòu)成的是轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。1轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性圖2-18 帶轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 各環(huán)節(jié)輸入輸出關系n*nnUUUn電壓比較環(huán)節(jié)n比例調(diào)節(jié)器n測速反饋環(huán)節(jié) n電力電子變

23、換器 n直流電動機 npcUKUnUncsdUKU0ed0dCRIUnKp比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（Vmin/r）圖2-19轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（a）閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖靜特性方程式 式中: 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán) 放大系數(shù) 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)速與負載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關系。 *(1/)(1)(1)psndpsndepseeeK K UI RK K URInCK KCCKCK（2-32） espCKKK圖2-19轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（b）只考慮給定作用時的閉環(huán)系統(tǒng) 圖2-19轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)

24、結(jié)構(gòu)框圖（c）只考慮擾動作用時的閉環(huán)系統(tǒng)2.3.2 比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1開環(huán)系統(tǒng)機械特性和比例控制閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)機械特性和比例控制閉環(huán)系統(tǒng) 靜特性的關系靜特性的關系 圖2-18斷開轉(zhuǎn)速反饋時的開環(huán)機械特性為 式中， 表示開環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速 表示開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。opopedenspeddnnCRICUKKCRIUn0*0opn0opn(2-46) 比例控制閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性為 式中， 表示閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速 表示閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。clcledenspnnKCRIKCUKKn0*)1 ()1 (0clncln(2-47)（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng) 機械特性硬得多 在同樣的

25、負載擾動下， 開環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落 閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落 它們的關系是 (2-48)edopCRIn)1 (KCRInedclKnnopcl1（2）閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要比開環(huán)系統(tǒng) 小得多 閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率為 開環(huán)系統(tǒng)的靜差率為 當 時， （2-49）clclclnns0opopopnns0clopnn00Kssopcl1（3）如果所要求的靜差率一定，則 閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍 如果電動機的最高轉(zhuǎn)速都是nN，最低速靜差率都是s，可得 開環(huán)時， 閉環(huán)時， 得到 （2-50）)1 (snsnDopNop)1 (snsnDclNclopclDKD)1 ( 圖2-24 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)系統(tǒng)機械特性的

26、關系 開環(huán)系統(tǒng) Id n 例如：在圖2-24中工作點從A A 閉環(huán)系統(tǒng) Id n Un Un Uc n Ud0 例如：在圖2-24中工作點從A B 比例控制直流調(diào)速系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實質(zhì)在于它的自動調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負載的變化而相應地改變電樞電壓，以補償電樞回路電阻壓降的變化。例題2-3 在例題2-2中，龍門刨床要求D=20，s5%，已知 Ks=30,= 0.015Vmin/r，Ce=0.2Vmin/r，采用比例控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)滿足上述要求時，比例放大器的放大系數(shù)應該有多少？ 解: 開環(huán)系統(tǒng)額定速降為 =275 r/min， 閉環(huán)系統(tǒng)額定速降須為 2.63 r/min，由式（2-48）

27、可得 則得 即只要放大器的放大系數(shù)等于或大于46。opncln6 .103163. 22751clopnnK462 . 0/015. 0306 .103/espCKKK2反饋控制規(guī)律（1）比例控制的反饋控制系統(tǒng)是被調(diào)量有靜）比例控制的反饋控制系統(tǒng)是被調(diào)量有靜差的控制系統(tǒng)差的控制系統(tǒng) 比例控制反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)值越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好。 但只要比例放大系數(shù)Kp常數(shù)，開環(huán)放大系數(shù)K，反饋控制就只能減小穩(wěn)態(tài)誤差，而不能消除它， 這樣的控制系統(tǒng)叫做有靜差控制系統(tǒng)。（2）反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動）反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動, 服服從給定從給定 反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它能有效

28、地抑制一切被負反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動作用， 對于給定作用的變化唯命是從。圖2-25 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用（3）系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的）系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精度精度 反饋控制系統(tǒng)無法鑒別是對給定電壓的正常調(diào)節(jié)還是不應有的給定電壓的電源波動。 反饋檢測裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無法克服的。 現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是用數(shù)字給定和數(shù)字測速來提高調(diào)速系統(tǒng)的精度。 2.3.2 (原2.3.1節(jié)2.)3轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型 一個帶有儲能環(huán)節(jié)的線性物理系統(tǒng)的動態(tài)過程可以用線性微分方程描述， 微分方程的解即系統(tǒng)的動

29、態(tài)過程，它包括兩部分：動態(tài)響應和穩(wěn)態(tài)解。 在動態(tài)過程中，從施加給定輸入值的時刻開始，到輸出達到穩(wěn)態(tài)值以前，是系統(tǒng)的動態(tài)響應； 系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，可用穩(wěn)態(tài)解來描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。 比例放大器的傳遞函數(shù) 電力電子變換器的傳遞函數(shù) 測速反饋的傳遞函數(shù)1)(sTKsWsss(2-33) pncaKsUsUsW)()()(（2-42） )()()(snsUsWnfn(2-43) 圖2-20 他勵直流電動機在額定勵磁下的等效電路假定主電路電流連續(xù)，動態(tài)電壓方程為(2-34)忽略粘性摩擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電動機軸上的動力學方程為(2-35)EdtdILRIUddd0dtdnGDTTLe3752 額定勵磁下的感應電動

30、勢和電磁轉(zhuǎn)矩分別為 (2-36) (2-37) 包括電動機空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負載轉(zhuǎn)矩，（Nm） 電力拖動裝置折算到電動機軸上的飛輪慣量，(Nm2) 電動機額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，(Nm/A) 再定義下列時間常數(shù)： 電樞回路電磁時間常數(shù)(s) 電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)(s)nCEedmeICT LT2GDemCC30RLTlmemCCRGDT3752 整理后得 (2-38) (2-39)式中， 負載電流（A）。)(0dtdITIREUdldddtdERTIImdLdmLdLCTI 在零初始條件下，取拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù) (2-40) 電流與電動勢間的傳遞函數(shù) (2-41)11)()()(

31、10sTRsEsUsIddsTRsIsIsEmdLd)()()(圖2-21 額定勵磁下直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖(a)電壓電流間的結(jié)構(gòu)框圖 (b)電流電動勢間的結(jié)構(gòu)框圖 (c）直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 直流電動機有兩個輸入量， 一個是施加在電樞上的理想空載電壓Ud0，是控制輸入量， 另一個是負載電流IdL。擾動輸入量。 如果不需要在結(jié)構(gòu)圖中顯現(xiàn)出電流，可將擾動量的綜合點移前，再進行等效變換，得圖2-22。 額定勵磁下的直流電動機是一個二階線性環(huán)節(jié)， 時間常數(shù)Tm表示機電慣性 時間常數(shù)Tl表示電磁慣性。 圖2-22 直流電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的變換 圖2-23 轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)

32、速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù) ) 1)(1()()()(2sTsTTsTKsUsUsWmlmsnn(2-44) 式中 espCKKK/轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù) KsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsUsnsWmlmsespmlmsespmlmsespncl) 1)(1(/) 1)(1(/1) 1)(1(/)()()(222*111)(1)1 (23sKTTsKTTTsKTTTKCKKsmslmslmesp（2-45） 3比例控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 動態(tài)穩(wěn)定性 比例控制閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為 (2-51) 根據(jù)三階系統(tǒng)的勞斯-古爾維茨判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定

33、的充分必要條件是 整理后得 (2-52)0111)(123sKTTsKTTTsKTTTsmslmslm0111)(KTTTKTTKTTTslmsmslmslsslmTTTTTTK2)(例題2-4 在例題2-3中，系統(tǒng)采用的是三相橋式可控整流電路，已知電樞回路總電阻 ，電感量 3mH，系統(tǒng)運動部分的飛輪慣量 ，試判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。0.18R L 2260mNGD解 ： 電磁時間常數(shù) 機電時間常數(shù) 晶閘管裝置的滯后時間常數(shù)為 為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，應滿足的穩(wěn)定條件： 閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性和例題2-3中穩(wěn)態(tài)性能要求 是矛盾的。sRLTl0167. 018. 0003. 0sCCRGDTmem075. 02

34、 . 0302 . 037518. 0603752sTs00167. 05 .4900167. 00167. 000167. 0)00167. 00167. 0(075. 0)(22slsslmTTTTTTK103.5K 例題2-5 在上題的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，若改用全控型器件的PWM調(diào)速系統(tǒng)，電動機不變，電樞回路參數(shù)為： ， ， ，PWM開關頻率為8 。按同樣的穩(wěn)態(tài)性能指標 ， ，該系統(tǒng)能否穩(wěn)定？如果對靜差率的要求不變，在保證穩(wěn)定時，系統(tǒng)能夠達到的最大調(diào)速范圍有多少？0.1R 1LmH44sK kHz20D 5%s 解 ：0.0010.01 s0.1lLTR2600.10.0417 s375

35、375 0.20.230memGD RTC C10.000125 s8000sT 4 .339000125. 001. 0000125. 0)000125. 001. 0(0417. 0)(22slsslmTTTTTTK 按照穩(wěn)態(tài)性能指標 、 要求 PWM調(diào)速系統(tǒng)能夠在滿足穩(wěn)態(tài)性能指標要求下穩(wěn)定運行。 20D 5%s 2.63 r/mincln（見例題2-2） 3050.1152.5 r/min0.2NopeI RnC152.511572.63opclnKn 0，積分調(diào)節(jié)器的輸出Uc便一直增長；只有達到Un=0時， Uc才停止上升；只有到Un變負， Uc才會下降。n當Un=0時， Uc并不是零

36、，而是某一個固定值Ucf 突加負載時，由于Idl的增加，轉(zhuǎn)速n下降，導致Un變正， 在積分調(diào)節(jié)器的作用下，Uc上升，電樞電壓Ud上升，以克服Idl增加的壓降，最終進入新的穩(wěn)態(tài) 。*nnUU0nU2dLdII2ccUU 圖2-27積分控制無靜差調(diào)速系統(tǒng)突加負載時的動態(tài)過程積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的根本區(qū)別積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的根本區(qū)別： 比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)現(xiàn)狀狀，而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差包含了輸入偏差量的全部歷史量的全部歷史。 積分調(diào)節(jié)器在穩(wěn)態(tài)時在穩(wěn)態(tài)時Un =0，只要歷史上有過Un ，其積分就有一定數(shù)值，足以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)運行所需要的控制電壓。2比例積分控制規(guī)律

37、 在階躍輸入作用之下，比例調(diào)節(jié)器的輸出比例調(diào)節(jié)器的輸出可以立即響應可以立即響應，而積分調(diào)節(jié)器的輸出只能逐漸地變化，但是最終可以達到無靜差無靜差，如圖2-27所示。 調(diào)速系統(tǒng)一般應具有快與準的性能，即系統(tǒng)既是靜態(tài)無差又具有快速響應的性能。實現(xiàn)的方法是把比例和積分兩種控制結(jié)合比例和積分兩種控制結(jié)合起來，組成比例積分調(diào)節(jié)器（PI）。2比例積分控制規(guī)律 比例積分調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)器）的輸入輸出關系為 （2-55）式中，UinPI調(diào)節(jié)器的輸入，UexPI調(diào)節(jié)器的輸出。 其傳遞函數(shù)為 （2-56）式中，KpPI調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)， PI調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)。 令1=Kp，則PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)也可寫成如下

38、形式 （2-57）表明，PI調(diào)節(jié)器也可用積分和比例微分兩個環(huán)節(jié)表示，式中，1微分項中的超前時間常數(shù)。tininpexdtUUKU01ssKsKsWppPI11)(ssKsWpPI111)( 用運算放大器來實現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器的輸入極性和輸出極性是反相的； (2-58) 式中 Rbal為運算放大器同相輸入端的平衡電阻。圖2-28 比例積分（PI）調(diào)節(jié)器線路圖dtUUKdtUCRURRUininpininex11100101RRKp10CR PI控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點，又克服了各自的缺點。 比例部分能迅速響應控制作用， 積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。 在t=0時就有Uex(t)=KpU

39、in，實現(xiàn)了快速控制； 隨后Uex(t)按積分規(guī)律增長， 。 在t=t1時，Uin=0， 。 圖2-29 PI調(diào)節(jié)器的輸入輸出特性ininpexUtUKtU)(in1exUtU 在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，采用PI調(diào)節(jié)器輸出部分Uc由兩部分組成， 比例部分和Un成正比， 積分部分表示了從t=0到此時刻對Un(t)的積分值， Uc是這兩部分之和。圖2-30 閉環(huán)系統(tǒng)中PI調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動態(tài)過程2.3.4 直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析二9/11圖2-31 比例積分控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器用ASR表示） 使用比例調(diào)節(jié)器時，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 （2-44） 式中 使用積分調(diào)節(jié)器時，系統(tǒng)的

40、開環(huán)傳遞函數(shù)為 （2-59） 式中 使用比例積分調(diào)節(jié)器時，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 （2-60） 式中 ) 1)(1()(2sTsTTsTKsWmlmsespCKKK/) 1)(1()(2sTsTTsTsKsWmlmsesCKK) 1)(1() 1()(2sTsTTsTssKKsWmlmspesCKK 根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)中積分環(huán)節(jié)的數(shù)目劃分控制系統(tǒng)的類型， 比例控制的調(diào)速系統(tǒng)是0型系統(tǒng)， 積分控制、比例積分控制的調(diào)速系統(tǒng)是型系統(tǒng)。 穩(wěn)態(tài)誤差定義為輸入量和反饋量的差值，即 （2-61） 衡量系統(tǒng)控制的準確度的是系統(tǒng)對給定輸入Un*的跟隨能力； 衡量系統(tǒng)抑制干擾能力的是系統(tǒng)抑制負載電流IdL的抗擾能

41、力。)()()(*tUtUtUnnn1階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差 在分析階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差時，令IdL(s)=0。 只考慮給定作用時的閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差 在分析階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差時，令IdL(s)=0。 比例調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為 （2-62） 階躍給定輸入 的穩(wěn)態(tài)誤差是 *21( )( )1(1)(1)nnsmlmUsUsKT sT TsT ssUsUnn*)(KUsTsTTsTKsUssUsUnmlmsnsnsn1) 1)(1(11)(*2*00limlim（2-65） 階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差 積分積分調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為 （2-63）

42、 階躍給定輸入 的穩(wěn)態(tài)誤差是 sUsUnn*)(（2-66） ) 1)(1(11)()(2*sTsTTsTsKsUsUmlmsnn0) 1)(1(11)(2*00limlimsTsTTsTsKsUssUsUmlmsnsnsn階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差 比例積分調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為 （2-64） 階躍給定輸入 的穩(wěn)態(tài)誤差是 sUsUnn*)(（2-67） ) 1)(1() 1(11)()(2*sTsTTsTssKKsUsUmlmspnn0) 1)(1() 1(11)(2*00limlimsTsTTsTssKKsUssUsUmlmspnsnsn階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差 在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下， 0型系

43、統(tǒng)對于階躍給定輸入穩(wěn)態(tài)有差，被稱作有靜差調(diào)速系統(tǒng)； 型系統(tǒng)對于階躍給定輸入穩(wěn)態(tài)無差，被稱作無靜差調(diào)速系統(tǒng)。2擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差 在分析由擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差時，令Un*(s)=0。只考慮擾動作用時的閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差 在分析由擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差時，令Un*(s)=0。比例調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差為 （2-68） 階躍擾動 引起的的穩(wěn)態(tài)誤差是 (2-71) 22(1)(1)( )( )/1(1)(1)lemlmndLpsesm lmR TsC T TsT sUsIsKKCT sT TsT s2002(1)(1)( )(1)1(1)(1)limlimldLemlmdLnnssesmlmR

44、 TsIC T TsT sRIUsUssKsCKT sT TsT ssIsIdLdL)( 積分調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差為 （2-69） 階躍擾動 引起的的穩(wěn)態(tài)誤差是 (2-72) sIsIdLdL)(22(1)(1)( )( )/1(1)(1)lemlmndLsesm lmR TsC T TsT sUsIsKCs T sT TsT s 2002(1)(1)( )01(1)(1)limlimldLemlmnnsssmlmR TsIC T TsT sUsUssKss T sT TsT s 比例積分調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差為 （2-70） 階躍擾動 引起的的穩(wěn)態(tài)誤差是 (2-73) sIsIdLdL)(22(1)(

45、1)( )( )(1)1(1)(1)lemlmndLpsm lmR TsC T TsT sUsIsK Kss T sT TsT s2002(1)(1)( )0(1)1(1)(1)limlimldLemlmnnpsssmlmR TsIC T TsT sUsUssK Ksss T sT TsT s 由擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差取決于誤差點與擾動加入點之間的傳遞函數(shù)。 比例控制比例控制的調(diào)速系統(tǒng)，該傳遞函數(shù)無積分環(huán)節(jié)，故存在擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差，稱作有靜差有靜差調(diào)速系統(tǒng)； 積分控制積分控制或比例積分控制比例積分控制的調(diào)速系統(tǒng)，該傳遞函數(shù)具有積分環(huán)節(jié)，所以由階躍擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差為0，稱作無靜差無靜差調(diào)速系統(tǒng)。

46、2.4 直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制 以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)（簡稱微機數(shù)字控制系統(tǒng)）硬件電路的標準化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的影響； 其控制軟件能夠進行邏輯判斷和復雜運算，可以實現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應、非線性、智能化等控制規(guī)律，而且更改起來靈活方便。 2.4.1微機數(shù)字控制的特殊問題圖2-32 微型計算機采樣控制系統(tǒng)框圖 微機控制的調(diào)速系統(tǒng)是一個數(shù)字采樣系統(tǒng)。其中S1是給定值的采樣開關，S2是反饋值的采樣開關，S3是輸出的采樣開關。若所有的采樣開關是等周期地一起開和閉，則稱為同步采樣。 微型計算機只有在采樣開關閉合時才能輸入和輸出信號。只能在采樣時刻對模擬的連續(xù)信

47、號進行采樣，把連續(xù)信號變成脈沖信號，即離散的模擬信號。 信號的離散化是微機數(shù)字控制系統(tǒng)的第一個特點。 采樣后得到的離散模擬信號本質(zhì)上還是模擬信號，不能直接送入計算機，還須經(jīng)過數(shù)字量化。 數(shù)字化數(shù)字化是用一組數(shù)碼（如二進制數(shù)）來逼近離散模擬信號的幅值，將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。 信號的數(shù)字化是微機數(shù)字控制系統(tǒng)的第二個特點。 根據(jù)香農(nóng)（Shannon）采樣定理： 如果模擬信號的最高頻率為fmax ，只要按照f2fmax采樣頻率進行采樣，取出的樣品序列就可以代表（或恢復）模擬信號。 在電動機調(diào)速系統(tǒng)中，控制對象是電動機的轉(zhuǎn)速和電流，是快速變化的物理量，必須具有較高的采樣頻率。 微型計算機控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

48、是一種快速數(shù)字采樣系統(tǒng)，要求微型計算機在較短的采樣周期之內(nèi)，完成信號的轉(zhuǎn)換、采集，完成按某種控制規(guī)律實施的控制運算，完成控制信號的輸出。2.4.2轉(zhuǎn)速檢測的數(shù)字化圖2-33 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器示意圖 1旋轉(zhuǎn)編碼器 光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是檢測轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的元件，旋轉(zhuǎn)編碼器與電動機相連，當電動機轉(zhuǎn)動時，帶動編碼器旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號。 旋轉(zhuǎn)編碼器可分為絕對式和增量式兩種。 絕對式編碼器常用于檢測轉(zhuǎn)角。 增量式編碼器在碼盤上均勻地刻制一定數(shù)量的光柵，在接收裝置的輸出端便得到頻率與轉(zhuǎn)速成正比的方波脈沖序列，從而可以計算轉(zhuǎn)速。 增加一對發(fā)光與接收裝置，使兩對發(fā)光與接收裝置錯開光柵節(jié)距的1/4。 正轉(zhuǎn)時A相超

49、前B相；反轉(zhuǎn)時B相超前A相。 采用簡單的鑒相電路可以分辨出轉(zhuǎn)向。 圖2-34 區(qū)分旋轉(zhuǎn)方向的A、B兩組脈沖序列 2數(shù)字測速方法的精度指標 （1）分辨率）分辨率 用改變一個計數(shù)值所對應的轉(zhuǎn)速變化量來表示分辨率，用符號Q表示。 當被測轉(zhuǎn)速由n1變?yōu)閚2時，引起記數(shù)值增量為1，則該測速方法的分辨率是 （2-74） 分辨率Q越小，說明測速裝置對轉(zhuǎn)速變化的檢測越敏感，從而測速的精度也越高。12nnQ （2）測速誤差率）測速誤差率 轉(zhuǎn)速實際值和測量值之差與實際值之比定義為測速誤差率，記作 （2-75） 測速誤差率反映了測速方法的準確性，越小，準確度越高。100%nn3M法測速 記取一個采樣周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器

50、發(fā)出的脈沖個數(shù)來算出轉(zhuǎn)速的方法稱為M法測速，又稱頻率法測速。 (2-76)式中: n轉(zhuǎn)速，單位為r/min； M1時間Tc內(nèi)的脈沖個數(shù)； z旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)輸出的脈沖個數(shù); Tc采樣周期，單位為s。r/min 601cZTMn 由系統(tǒng)的定時器按采樣周期的時間定期地發(fā)出一個采樣脈沖信號， 計數(shù)器記錄下在兩個采樣脈沖信號之間的旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖個數(shù)。圖235 M法測速原理示意圖 M法測速分辨率為 （2-77） M法測速的分辨率與實際轉(zhuǎn)速的大小無關。 M法的測速誤差率的最大值為 （2-78） max與M1成反比。轉(zhuǎn)速愈低，M1愈小，誤差率愈大。 cccZTZTMZTMQ6060) 1(6011%100M

51、1%100ZTM60 ZT)1M(60 ZTM601c1c1c1max4T法測速T法測速是測出旋轉(zhuǎn)編碼器兩個輸出脈沖之間的間隔時間來計算轉(zhuǎn)速，又被稱為周期法測速。與M法測速不同的是， T法測速所計的是計算機發(fā)出的高頻時鐘脈沖的個數(shù)，以旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的相鄰兩個脈沖的同樣變化沿作為計數(shù)器的起始點和終止點。圖2-36T法測速原理示意圖 準確的測速時間是用所得的高頻時鐘脈沖個數(shù)M2計算出來的，即 ， 電動機轉(zhuǎn)速為 （2-79）02/ fMTt026060tfnZTZM T法測速的分辨率定義為時鐘脈沖個數(shù)由M2變成(M2-1)時轉(zhuǎn)速的變化量， （2-80） 綜合式（2-80）和式（2-81），可得 (2

52、-81) T法測速的分辨率與轉(zhuǎn)速高低有關，轉(zhuǎn)速越低，Q值越小，分辨能力越強。) 1(6060) 1(602202020MZMfZMfMZfQZnfZnQ0260 T法測速誤差率的最大值為 （2-82） 低速時，編碼器相鄰脈沖間隔時間長，測得的高頻時鐘脈沖M2個數(shù)多，誤差率小，測速精度高。 T法測速更適用于低速段。0022max0226060 (1)1100%100%601ffZ MZMfMZM5M/T法測速 在M法測速中，隨著電動機的轉(zhuǎn)速的降低，計數(shù)值減少，測速裝置的分辨能力變差，測速誤差增大。 T法測速正好相反，隨著電動機轉(zhuǎn)速的增加，計數(shù)值減小，測速裝置的分辨能力越來越差。 綜合這兩種測速方

53、法的特點，產(chǎn)生了M/T測速法，它無論在高速還是在低速時都具有較高的分辨能力和檢測精度。圖2-37 M/T法測速原理示意圖 關鍵是和計數(shù)同步開始和關閉，實際的檢測時間與旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖一致，能有效減小測速誤差。 采樣時鐘Tc 由系統(tǒng)的定時器產(chǎn)生，其數(shù)值始終不變。 檢測周期由采樣脈沖Tc的邊沿之后的第一個脈沖編碼器的輸出脈沖的邊沿來決定，即T= Tc T1+ T2 。 檢測周期T內(nèi)被測轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角為 (2-83) 旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出Z個脈沖，在檢測周期T內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)是M1，則 (2-84) 若時鐘脈沖頻率是f0，在檢測周期T內(nèi)時鐘脈沖計數(shù)值為M2 ，則 (2-85) 綜合式(2-74

54、)、式(2-75)和式(2-76)便可求出被測的轉(zhuǎn)速為： (2-86)260nTZM2102fMT 210ZMMf60n M/T法測速分辯率二（2）9/14 在高速段，TcT1，TcT2，可看成TTc， 可以把M2看作常數(shù)： (2-87) M2f0 T f0 Tc，代入上式可得： (2-88) 高速段，與M法測速分辨率完全相同(見式2-77)。202102106060) 1(60ZMfZMMfZMMfQcZT60Q 低速段，M11，M2隨轉(zhuǎn)速變化，M/T法自然退化為T法，因此其分辨率與T法測速完全相同(見式2-81) 。 結(jié)論：結(jié)論：M/T法測速無論是在高速還是在低速都有較強的分辨能力。M/T

55、法測速誤差率 在M/T法測速中，檢測時間T以脈沖編碼器輸出脈沖M1的邊沿為基準，不產(chǎn)生誤差，計數(shù)值M2最多產(chǎn)生一個時鐘脈沖的誤差。 M2的數(shù)值在中、高速時，基本上是一個常數(shù) M2T f0Tc f0 ， 在低速時， M2 T f0 Tc f0 ， 其測速誤差率均為： M/T法測速具有較高的測量精度。 %1001M122.4.3數(shù)字PI調(diào)節(jié)器 PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)列出如下： （2-56） 輸出函數(shù)和輸入誤差函數(shù)關系的時域表達式為 （2-89） 式中 Kp 為比例系數(shù)，KI 為積分系數(shù)。 轉(zhuǎn)換為差分方程，其第k拍輸出為 （2-90） 式中Tsam為采樣周期。1( )pPIKsWssdtteKteKd

56、tteteKtuIPp)()()(1)()() 1()()()()()()()(1kukeTKkeKkukeKieTKkeKkuIsamIPIPkisamIP 數(shù)字PI調(diào)節(jié)器有位置式和增量式兩種算法， 位置式算法中，u(k)為第k拍的輸出值。比例部分只與當前的偏差有關，積分部分則是系統(tǒng)過去所有偏差的累積，如（2-90）。 增量式算法只需要當前的和上一拍的偏差即可計算輸出值。 )() 1()() 1()()(keTKkekeKkukukusamIP( )(1)( )(1)( )(1)( )PIsamu ku ku ku kKe ke kK Te k（2-92） （2-93） 在數(shù)字控制算法中，要

57、對u限幅，須在程序內(nèi)設置限幅值 um，當|u(k)|um時，便以限幅值 um作為輸出。 增量式PI調(diào)節(jié)器算法只需輸出限幅， 位置式算法必須同時設積分限幅和輸出限幅，缺一不可。若沒有積分限幅，積分項可能很大，將產(chǎn)生較大的退飽和超調(diào)。改進的數(shù)字改進的數(shù)字PI算法算法 把P和I分開。當偏差大時，只讓比例部分起作用，以快速減少偏差；當偏差降低到一定程度后，再將積分作用投入，既可最終消除穩(wěn)態(tài)偏差，又能避免較大的退飽和超調(diào)。這就是積分分離算法積分分離算法的基本思想。 積分分離算法表達式為 （2-59） 其中為一常值。 kisamIIpieTKCkeKku1)()()()(, 0)(, 1ieieCI2.4

58、.4數(shù)字濾波方法數(shù)字濾波方法算術平均值濾波算術平均值濾波加權(quán)算術平均值濾波加權(quán)算術平均值濾波中值濾波中值濾波中值平均濾波中值平均濾波 算術平均值濾波算術平均值濾波設有N次采樣值 ，找到一個值Y，使Y與各次采樣值之差的平方和 最小，令dE/dY=0，得到： 加權(quán)算術平均值濾波加權(quán)算術平均值濾波其中，21()NiiEYX11NiiYXN1NiiiYa X12.1Naaa12,NXXX20110915二二2 中值濾波中值濾波將最近連續(xù)三次采樣值排序，使得舍去X1和X3，取這三個采樣值的中值X2為有效信號。 中值平均濾波中值平均濾波設有N次采樣值，排序后得去掉最大值XN和最小值X1，剩下的取算術平均值

59、：123XXX12.NXXX1212NiiYXN例題例題2-2 只用來看參數(shù)只用來看參數(shù) 某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機，其額定數(shù)據(jù)如下：60kW，220V，305A，1000r/min，采用V-M系統(tǒng)，主電路總電阻R=0.18，電動機電動勢系數(shù)Ce=0.2Vmin/r。如果要求調(diào)速范圍D=20，靜差率s5%，采用開環(huán)調(diào)速能否滿足？若要滿足這個要求，系統(tǒng)的額定速降nN最多能有多少？ 2.5 轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的 限流保護2.5.1 轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的過流問題轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的過流問題 在轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)上突加給定電壓時，電樞電壓立即達到它的最高值，對電動機來說

60、，相當于全壓起動，會造成電動機過流。 當直流電動機被堵轉(zhuǎn)時，電流將遠遠超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器來保護，過載時就跳閘。 系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。 引入電流負反饋，可以使它不超過允許值。但這種作用只應在起動和堵轉(zhuǎn)時存在，在正常的穩(wěn)速運行時又得取消。 當電流大到一定程度時才出現(xiàn)的電流負反饋，叫做電流截止負反饋。2.5.2帶電流截止負反饋電流截止負反饋環(huán)節(jié)的 直流調(diào)速系統(tǒng)圖2-38電流截止負反饋環(huán)節(jié)電路不盡合理（a）利用獨立直流電源作比較電壓（b）利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓1電流截止負反饋環(huán)節(jié) 電流反饋信號取自串入電動機電樞回路中的小阻值電阻Rs，IdRc正比于電流。 圖2-3