電力拖動控制第2章

電力拖動控制第2章2023/12/28電力拖動控制第2章直流電機轉速方程:

回顧：直流調速方法

由上式得出：有三種方法調節(jié)電動機的轉速。（1）調節(jié)電樞供電電壓U；（2）減弱勵磁磁通

；（3）改變電樞回路電阻R。電力拖動控制第2章（1）調壓調速工作條件：保持勵磁=N；保持電阻R=Ra調節(jié)過程：改變電壓UN

U

U

n，n0

調速特性：轉速下降，機械特性曲線平行下移。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3調壓調速特性曲線電力拖動控制第2章（2）調阻調速工作條件：保持勵磁=N

；保持電壓U=UN；調節(jié)過程：增加電阻Ra

R

R

n，n0不變；調速特性：轉速下降，機械特性曲線變軟。nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3調阻調速特性曲線電力拖動控制第2章（3）弱磁調速工作條件：保持電壓U=UN

；保持電阻R=Ra；調節(jié)過程：減小勵磁

N

n，n0

調速特性：轉速上升，機械特性曲線變軟。nn0OTeTL

N

1

2

3nNn1n2n3調磁調速特性曲線電力拖動控制第2章※自動控制的直流調速系統(tǒng)往往以調壓調速為主。電力拖動控制第2章第2章單閉環(huán)控制的直流調速系統(tǒng)2.1直流調速系統(tǒng)用的可控電源2.2穩(wěn)態(tài)調速性能指標和直流調速系統(tǒng)的機械特性2.3轉速反饋控制的直流調速系統(tǒng)2.4直流調速系統(tǒng)的數(shù)字控制2.5轉速反饋控制直流調速系統(tǒng)的限流保護2.6轉速反饋控制直流調速系統(tǒng)的仿真電力拖動控制第2章晶閘管整流器——用可控整流器，以獲得可調的直流電壓。直流脈寬調制變換器(PWM)——用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關器件進行脈寬調制，以產生可變的平均電壓。2.1直流調速系統(tǒng)用的可控直流電源電力拖動控制第2章2.1.1晶閘管整流器-電動機系統(tǒng)電力拖動控制第2章思考：1半控整流，電機可運行哪些象限？2全控整流，電機可運行哪些象限3若要四象限運行，可如何改進？電力拖動控制第2章晶閘管-電動機系統(tǒng)的機械特性

當電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的機械特性方程式為式中Ce=Ke

N電力拖動控制第2章（1）電流連續(xù)情況結論：只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個線性的可控電壓源。電力拖動控制第2章（2）V-M系統(tǒng)完整機械特性當電流連續(xù)時，特性比較硬；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非線性，理想空載轉速翹得很高。電力拖動控制第2章晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)在進行調速系統(tǒng)的分析和設計時，可以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當作系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)來看待。應用線性控制理論進行直流調速系統(tǒng)分析或設計時，須事先求出這個環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。電力拖動控制第2章（1）晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)的計算

晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)可由工作范圍內的特性率決定，計算方法是

電力拖動控制第2章如果不可能實測特性，可根據(jù)裝置的參數(shù)估算。例如：設觸發(fā)電路控制電壓的調節(jié)范圍為

Uc=0~10V相對應的整流電壓的變化范圍是

Ud=0~220V可取Ks

=220/10=22晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)估算電力拖動控制第2章（2）晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)在動態(tài)過程中，可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置看成是一個純滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應是由晶閘管的失控時間引起的。電力拖動控制第2章

晶閘管觸發(fā)與整流失控時間分析電力拖動控制第2章最大可能的失控時間就是兩個相鄰自然換相點之間的時間，與交流電源頻率和整流電路形式有關，由下式確定:

最大失控時間計算式中

—交流電流頻率；—一周內整流電壓的脈沖波數(shù)。fm電力拖動控制第2章

Ts

值的選取

相對于整個系統(tǒng)的響應時間來說，Ts是不大的，在一般情況下，可取其統(tǒng)計平均值Ts

=Tsmax/2，并認為是常數(shù)。下表列出了不同整流電路的失控時間。各種整流電路的失控時間（f=50Hz）電力拖動控制第2章用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出關系為

傳遞函數(shù)的求取按拉氏變換的位移定理，晶閘管裝置的傳遞函數(shù)為電力拖動控制第2章上式中包含指數(shù)函數(shù)，它使系統(tǒng)為非最小相位系統(tǒng)，分析和設計麻煩。為了簡化，先將該指數(shù)函數(shù)按臺勞級數(shù)展開，則變成

考慮到Ts

很小，可忽略高次項，則傳遞函數(shù)便近似成一階慣性環(huán)節(jié)。電力拖動控制第2章晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結構電力拖動控制第2章V-M系統(tǒng)的特點(與G-M系統(tǒng)相比較)弱點控制強電。在控制作用的快速性上，變流機組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。電力拖動控制第2章

V-M系統(tǒng)的問題由于晶閘管的單向導電性，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。晶閘管對過電壓、過電流和過高的dV/dt與di/dt都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內損壞器件。由諧波與無功功率引起電網電壓波形畸變，殃及附近的用電設備，造成“電力公害”。電力拖動控制第2章思考：（1）什么是電壓系數(shù)，不可逆PWM變換電路的電壓系數(shù)是什么？（2）P57（2-1）2.1.2直流PWM變換器-電動機系統(tǒng)電力拖動控制第2章機械特性方程1直流脈寬調速系統(tǒng)的機械特性式中Cm—電機在額定磁通下的轉矩系數(shù)；

n0=

Us

/Ce

—理想空載轉速，與電壓系數(shù)成正比?；蛴棉D矩表示，電力拖動控制第2章PWM調速系統(tǒng)機械特性電力拖動控制第2章2PWM控制與變換器的數(shù)學模型

PWM控制與變換器的動態(tài)數(shù)學模型和晶閘管觸發(fā)與整流裝置基本一致。其傳遞函數(shù)可以寫成:電力拖動控制第2章當開關頻率為10kHz時，T=0.1ms，在一般的電力拖動自動控制系統(tǒng)中，時間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成是一個一階慣性環(huán)節(jié)，因此,與晶閘管裝置傳遞函數(shù)完全一致。注意：Ts＜T（開關周期）電力拖動控制第2章3電能回饋與泵升電壓的限制PWM變換器的直流電源通常由交流電網經不可控的二極管整流器產生，并采用大電容C濾波，以獲得恒定的直流電壓，電容C同時對感性負載的無功功率起儲能緩沖作用。

電力拖動控制第2章泵升電壓產生的原因該系統(tǒng)當電機制動時會反饋能量。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電機制動時只好對濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”。

電力拖動控制第2章泵升電壓限制電力拖動控制第2章限流電阻，延時開關電力拖動控制第2章※PWM系統(tǒng)的特點（1）主電路線路簡單，需用的功率器件少；（2）開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較??；（3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調速范圍寬，可達1:10000左右；（4）若與快速響應的電機配合，動態(tài)響應快，動態(tài)抗擾能力強；電力拖動控制第2章※PWM系統(tǒng)的特點（續(xù)）（5）功率開關器件工作在開關狀態(tài)，導通損耗小，當開關頻率適當時，開關損耗也不大，因而裝置效率較高；（6）直流電源采用不控整流時，電網功率因數(shù)比相控整流器高。電力拖動控制第2章小結兩種可控直流電源，V-M系統(tǒng)在上世紀60~70年代得到廣泛應用，目前主要用于大容量、調速精度要求較低的系統(tǒng)。直流PWM調速系統(tǒng)作為一種新技術，發(fā)展迅速，在中、小容量的系統(tǒng)中應用日益廣泛。V-M系統(tǒng)是大容量中主要的直流調速系統(tǒng)。電力拖動控制第2章1.控制要求（1）調速（2）穩(wěn)速（3）加、減速2.2.1轉速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調速性能指標2.2穩(wěn)態(tài)性能指標和直流調速系統(tǒng)的機械特性電力拖動控制第2章2.調速指標調速范圍：生產機械要求電動機提供的最高轉速和最低轉速之比用字母

D

表示.其中nmin

和nmax

一般都指電機額定負載時的轉速.電力拖動控制第2章靜差率：當系統(tǒng)在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應的轉速降落

nN

與理想空載轉速n0之比，稱作靜差率

s

.※如理想空載轉速相同,機械特性越硬,S越低.對系統(tǒng)而言,要求S越低越好.機械特性硬度一樣,S是否一樣??電力拖動控制第2章3.靜差率與機械特性硬度的區(qū)別對于同樣硬度的特性，理想空載轉速越低時，靜差率越大，轉速的相對穩(wěn)定度也就越差。調速系統(tǒng)的靜差率指標應以最低速時所能達到的數(shù)值為準。電力拖動控制第2章4.調速范圍、靜差率和額定速降之間的關系

設：電機額定轉速nN為最高轉速，轉速降落為

nN，則該系統(tǒng)的靜差率應該是最低速時的靜差率，即于是，最低轉速為

電力拖動控制第2章而調速范圍為

將上面的式代入nmin，得

常用公式,理解記憶!!s值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調速范圍也越小。電力拖動控制第2章eg1:某直流調速系統(tǒng)電動機額定轉速為nN=1430r/min，額定速降

nN

=115r/min，當要求靜差率30%時，允許多大的調速范圍？如果要求靜差率20%，則調速范圍是多少？如果希望調速范圍達到10，所能滿足的靜差率是多少？結論1：

一個調速系統(tǒng)的調速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉速可調范圍。電力拖動控制第2章2.2.2開環(huán)直流調速系統(tǒng)的機械特性開環(huán)調速系統(tǒng)，即無反饋控制的直流調速系統(tǒng)。調節(jié)控制電壓Uc就可以改變電動機的轉速。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.電力拖動控制第2章開環(huán)調速系統(tǒng)的原理圖電力拖動控制第2章機械特性開環(huán)調速系統(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)調速系統(tǒng)的機械特性為電力拖動控制第2章開環(huán)調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖電力拖動控制第2章開環(huán)直流調速系統(tǒng)的機械特性電力拖動控制第2章eg2: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

，Ra=0.05，如果要求調速范圍D=20，靜差率5%，采用開環(huán)調速能否滿足？若要滿足這個要求，系統(tǒng)的額定速降最多能有多少？△n（開環(huán)實際）=275r/min△n（理想）=2.63r/min電力拖動控制第2章2.3轉速反饋控制的直流調速系統(tǒng)根據(jù)自動控制原理，將系統(tǒng)的被調節(jié)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，而維持被調節(jié)量很少變化或不變，這就是反饋控制的基本作用。電力拖動控制第2章2.3.1轉速反饋控制直流調速系統(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)。在直流調速系統(tǒng)中，被調節(jié)量是轉速，所構成的是轉速反饋控制的直流調速系統(tǒng)。電力拖動控制第2章1．轉速反饋控制直流調速系統(tǒng)的靜特性帶轉速負反饋的閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理框圖運放（比較）調節(jié)器測速發(fā)電機給定環(huán)節(jié)電力拖動控制第2章電壓比較環(huán)節(jié)

放大器電力電子變換器

調速系統(tǒng)開環(huán)機械特性測速反饋環(huán)節(jié)

穩(wěn)態(tài)關系Kp—放大器的電壓放大系數(shù)；Ks—電力電子變換器的電壓放大系數(shù)；

—轉速反饋系數(shù)（V·min/r）；Ud0—UPE的理想空載輸出電壓；R—電樞回路總電阻。電力拖動控制第2章反饋控制的靜特性方程式式中:—閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機轉速與負載電流（或轉矩）間的穩(wěn)態(tài)關系。電力拖動控制第2章轉速負反饋閉環(huán)直流調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構框圖電力拖動控制第2章2．轉速反饋控制直流調速系統(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。電力拖動控制第2章建立系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學模型的基本步驟如下：（1）列出描述該環(huán)節(jié)動態(tài)過程的微分方程；（2）求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；（3）組成系統(tǒng)的動態(tài)結構圖并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。電力拖動控制第2章（1）UPE環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)電力拖動控制第2章（2）直流電動機的傳遞函數(shù)※主電路電流連續(xù)，則動態(tài)電壓方程為

電路方程電力拖動控制第2章電機軸上的動力學方程為

額定勵磁下的感應電動勢和電磁轉矩分別為

TL—包括電機空載轉矩在內的負載轉矩GD2—電力拖動系統(tǒng)折算到電機軸上的飛輪慣量Cm—電機額定勵磁下的轉矩系數(shù)，

電力拖動控制第2章—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。定義下列時間常數(shù)電力拖動控制第2章整理后得式中為負載電流。

微分方程電力拖動控制第2章取等式兩側的拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù)

電流與電動勢間的傳遞函數(shù)

傳遞函數(shù)電力拖動控制第2章電樞回路動態(tài)結構圖

1/CeUd0(s)IdL

(s)

E(s)Id(s)E(s)++--1/RTls+1RTmsn(s)整個直流電動機的動態(tài)的結構圖控制輸入量擾動量電力拖動控制第2章n(s)Ud0

(s)+-1/CeTmTls2+Tms+1IdL

(s)R(Tls+1)動態(tài)結構圖的變換和簡化電力拖動控制第2章直流閉環(huán)調速系統(tǒng)中的其他環(huán)節(jié)還有比例放大器和測速反饋環(huán)節(jié)，它們的響應都可以認為是瞬時的，因此它們的傳遞函數(shù)就是它們的放大系數(shù)，即放大器測速反饋（3）控制與檢測環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)電力拖動控制第2章（4）閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型

反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖n(s)U*n(s)IdL

(s)

Uct

(s)Un(s)+-KsTss+1KP1/CeTmTl

s2+Tms+1

+-R(Tls+1)Ud0(s)電力拖動控制第2章（5）反饋控制調速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)設Idl=0，從給定看，閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是

電力拖動控制第2章（6）反饋控制閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件由閉環(huán)傳函知:系統(tǒng)的特征方程為

它的一般表達式為

電力拖動控制第2章

根據(jù)勞斯判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是

因特征方程中各項系數(shù)顯然都是大于零的，因此穩(wěn)定條件就只有整理后得常用,理解記憶!!電力拖動控制第2章斷開反饋回路，則系統(tǒng)的開環(huán)機械特性為

而閉環(huán)時的靜特性可寫成

2.3.2比例控制的直流調速系統(tǒng)

(閉環(huán)與開環(huán)系統(tǒng)比較)1．開環(huán)系統(tǒng)機械特性和比例控制閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關系電力拖動控制第2章（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。系統(tǒng)特性比較（2）如果比較同一n0的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多。

電力拖動控制第2章（3）當要求的靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調速范圍。（4）上述三項優(yōu)點若要有效，都取決于一點，即K

要足夠大，因此必須設置放大器。電力拖動控制第2章結論2：

閉環(huán)調速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調速范圍，為此所需付出的代價是，須增設電壓放大器以及檢測與反饋裝置。

電力拖動控制第2章eg3:已知Ks=30，

=0.015V·min/r，如何采用閉環(huán)系統(tǒng)滿足此要求？

eg2: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

，Ra=0.05，如果要求調速范圍D=20，靜差率5%，采用開環(huán)調速能否滿足？若要滿足這個要求，系統(tǒng)的額定速降最多能有多少？△n（開環(huán)實際）=275r/min△n（理想）=2.63r/min電力拖動控制第2章閉環(huán)系統(tǒng)Id

n

Un

Un

n

Ud0

Uc

開環(huán)系統(tǒng)

Id

n例如：在圖中工作點從AA’

系統(tǒng)調節(jié)過程電力拖動控制第2章結論3:

閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實質在于它的自動調節(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。電力拖動控制第2章2．反饋控制規(guī)律(1)被調量有靜差(2)抵抗擾動,服從給定(3)系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測精度電力拖動控制第2章eg4:當電網電壓、負載轉矩、電動機勵磁電流、電樞電阻、測速發(fā)電機勵磁發(fā)生變化時，系統(tǒng)有沒有調節(jié)作用？KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++--

R

Id電力拖動控制第2章常見擾動源電力拖動控制第2章結論4：

反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是：一方面能夠有效地抑制一切被包在負反饋環(huán)內前向通道上的擾動作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，對給定信號的任何變化都是唯命是從的。電力拖動控制第2章3．比例控制閉環(huán)直流調速系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性Eg5:p332-4電力拖動控制第2章2.3.3比例積分控制的無靜差直流調速系統(tǒng)在比例控制直流V-M調速系統(tǒng)中，穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)穩(wěn)定性的要求常常是互相矛盾的。根據(jù)自動控制原理，要解決這個矛盾，必須恰當?shù)卦O計動態(tài)校正裝置，用來改造系統(tǒng)。在電力拖動自動控制系統(tǒng)中，常用串聯(lián)校正和反饋校正。對于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調速系統(tǒng)，傳遞函數(shù)階次較低，一般采用PID調節(jié)器的串聯(lián)校正方案就能完成動態(tài)校正的任務。電力拖動控制第2章1積分調節(jié)器和積分控制規(guī)律

(1)積分調節(jié)器++CUexRbalUinR0+A積分調節(jié)器電力拖動控制第2章

UexUinUexmtUinUexOb)階躍輸入時的輸出特性(2)積分調節(jié)器的特性電力拖動控制第2章(3)轉速的積分控制規(guī)律如果采用積分調節(jié)器，則控制電壓Uc是轉速偏差電壓

Un的積分，應有每一時刻Uc

的大小和

Un

與橫軸所包圍的面積成正比.電力拖動控制第2章積分調節(jié)器的輸入和輸出動態(tài)過程a)階躍輸入b)一般輸入輸入和輸出動態(tài)過程電力拖動控制第2章積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的根本區(qū)別：比例調節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀，而積分調節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。積分調節(jié)器到穩(wěn)態(tài)時ΔUn=0，只要歷史上有過ΔUn，其積分就有一定數(shù)值，足以產生穩(wěn)態(tài)運行所需要的控制電壓。電力拖動控制第2章(4)比例與積分控制的比較

有靜差調速系統(tǒng)當負載轉矩由TL1突增到TL2時，有靜差調速系統(tǒng)的轉速n、偏差電壓

Un

和控制電壓Uc

的變化過程示于右圖。電力拖動控制第2章無靜差

調速系統(tǒng)（P22圖1-31）雖然現(xiàn)在

Un=0，只要歷史上有過

Un，其積分就有一定數(shù)值，足以產生穩(wěn)態(tài)運行所需要的控制電壓Uc。積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的根本區(qū)別就在于此。電力拖動控制第2章Kpi=R1/R0

τ=R0C1++C1RbalUinR0+AR1Uex(5)比例積分控制規(guī)律

電力拖動控制第2章UexUinUexmtUinUexOKpiUinPI調節(jié)器輸入，輸出特性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。

電力拖動控制第2章在閉環(huán)調速系統(tǒng)中，采用PI調節(jié)器輸出部分Uc由兩部分組成，比例部分①和ΔUn成正比，積分部分②表示了從t=0到此時刻對ΔUn(t)的積分值，Uc是這兩部分之和。閉環(huán)系統(tǒng)中PI調節(jié)器的輸入和輸出動態(tài)過程電力拖動控制第2章※思考題：1在轉速負反饋單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)中，突減負載后系統(tǒng)又進入穩(wěn)定運行狀態(tài)，此時，輸出電壓Ud是增加，減小還是不變？2在無靜差調速系統(tǒng)中，突加負載后進入穩(wěn)態(tài)時轉速和輸出電壓Ud是增加，減少還是不變？電力拖動控制第2章3

有一積分器，如下圖a所示，其輸入信號Uin為階躍信號，若反饋信號波形如圖b中的Uf1或Uf2，問:在不考慮積分器限幅時，所示兩種反饋情況下的積分輸出是否一樣？電力拖動控制第2章2.3.4直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析比例積分控制的直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖（轉速調節(jié)器用ASR表示）電力拖動控制第2章使用比例調節(jié)器時，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

式中

使用積分調節(jié)器時，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

式中

電力拖動控制第2章使用比例積分調節(jié)器時，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

式中

電力拖動控制第2章根據(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，比例控制的調速系統(tǒng)是0型系統(tǒng)，積分控制、比例積分控制的調速系統(tǒng)是Ⅰ型系統(tǒng)。給定穩(wěn)態(tài)誤差定義為輸入量和反饋量的差值，即擾動誤差定義為擾動量的輸出響應。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的抗擾能力。電力拖動控制第2章1．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。比例調節(jié)器系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為

階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差是電力拖動控制第2章積分調節(jié)器系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為

階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差是電力拖動控制第2章比例積分調節(jié)器系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為

階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差是電力拖動控制第2章在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下:0型系統(tǒng)對于階躍給定輸入穩(wěn)態(tài)有差，被稱作有差調速系統(tǒng)；Ⅰ型系統(tǒng)對于階躍給定輸入穩(wěn)態(tài)無差，被稱作無差調速系統(tǒng)。電力拖動控制第2章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。比例調節(jié)器系統(tǒng)的誤差為

階躍擾動引起的的穩(wěn)態(tài)誤差是

電力拖動控制第2章積分調節(jié)器系統(tǒng)的誤差為

階躍擾動引起的的穩(wěn)態(tài)誤差是

電力拖動控制第2章比例積分調節(jié)器系統(tǒng)的誤差為

階躍擾動引起的的穩(wěn)態(tài)誤差是

電力拖動控制第2章比例控制的調速系統(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，稱作有靜差調速系統(tǒng)；積分控制或比例積分控制的調速系統(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，稱作無靜差調速系統(tǒng)。電力拖動控制第2章微機數(shù)字控制系統(tǒng)除穩(wěn)定性好，可靠性高，可以提高控制性能外，還擁有信息存儲、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)的功能。微機數(shù)字控制系統(tǒng)的主要特點是離散化和數(shù)字化。2.4直流調速系統(tǒng)的數(shù)字控制電力拖動控制第2章離散化：

為了把模擬的連續(xù)信號輸入計算機，必須首先在具有一定周期的采樣時刻對它們進行實時采樣，形成一連串的脈沖信號，即離散的模擬信號，這就是離散化。采樣周期根據(jù)香農采樣定理決定。Otf(t)原信號Onf(nT)1234…采樣電力拖動控制第2章數(shù)字化：

采樣后得到的離散信號本質上還是模擬信號，還須經過數(shù)字量化，即用一組數(shù)碼（如二進制碼）來逼近離散模擬信號的幅值，將它轉換成數(shù)字信號，這就是數(shù)字化。數(shù)字化OnN(nT)電力拖動控制第2章離散化和數(shù)字化的負面效應（1）A/D轉換的量化誤差。（2）D/A轉換的滯后效應：經過計算機運算和處理后輸出的數(shù)字信號必須由數(shù)模轉換器D/A和保持器將它轉換為連續(xù)的模擬量，再經放大后驅動被控對象。保持器會提高控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)分母的階次，使系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量減小，甚至會破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電力拖動控制第2章2.4.2轉速檢測的數(shù)字化增量式旋轉編碼器示意圖電力拖動控制第2章1．旋轉編碼器光電式旋轉編碼器是檢測轉速或轉角的元件，旋轉編碼器與電動機相連，當電動機轉動時，帶動編碼器旋轉，產生轉速或轉角信號。旋轉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速成正比的方波脈沖序列，從而可以計算轉速。電力拖動控制第2章增加一對發(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。正轉時A相超前B相；反轉時B相超前A相。采用簡單的鑒相電路可以分辨出轉向。下圖區(qū)分旋轉方向的A、B兩組脈沖序列電力拖動控制第2章（1）分辯率：

設被測轉速由n1變?yōu)閚2時，引起測量計數(shù)值改變了一個字，則測速裝置的分辯率定義為Q=n1-n2（轉/分）

Q越小，測速裝置的分辯能力越強；

Q越小，系統(tǒng)控制精度越高。2．數(shù)字測速方法的精度指標電力拖動控制第2章（2）測速精度測速精度是指測速裝置對實際轉速測量的精確程度，常用測量值與實際值的相對誤差來表示，即：測量誤差

越小，測速精度越高。

的大小取決于測速元件的制造精度和測速方法。電力拖動控制第2章（3）檢測時間Tc

檢測時間是指兩次轉速采樣之間的時間間隔。

檢測時間越短，系統(tǒng)響應越快，對改善系統(tǒng)性能越有利。電力拖動控制第2章（1）M法測速工作原理：由計數(shù)器記錄PLG發(fā)出的脈沖信號；定時器每隔時間Tc向CPU發(fā)出中斷請求INTt；CPU響應中斷后，讀出計數(shù)值M1，并將計數(shù)器清零重新計數(shù)；根據(jù)計數(shù)值M計算出對應的轉速值n。測速原理與波形圖3.測速方法電力拖動控制第2章轉速計算公式式中：Z為PLG每轉輸出的脈沖個數(shù)；M法測速的分辨率電力拖動控制第2章M法測速誤差率M法測速只適用于高速段。電力拖動控制第2章(2)T法測速工作原理：計數(shù)器記錄來自CPU的高頻脈沖f0；PLG每輸出一個脈沖，中斷電路向CPU發(fā)出一次中斷請求；CPU響應INTn中斷，從計數(shù)器中讀出計數(shù)值M2，并立即清零，重新計數(shù)。電路與波形電力拖動控制第2章轉速計算公式T法測速的分辨率結論：n越小，Q越小。電力拖動控制第2章Ｔ法測速誤差率故T法測速適用于低速段。電力拖動控制第2章M法測速在高速段誤差??；T法測速在低速段分辨率強，誤差小。

因此，可以將兩種測速方法相結合，取長補短。既檢測Tc時間內旋轉編碼器輸出的脈沖個數(shù)M1，又檢測同一時間間隔的高頻時鐘脈沖個數(shù)M2，用來計算轉速，稱作M/T法測速。兩種測速方法的比較電力拖動控制第2章(3)M/T法測速采樣時鐘Tc由系統(tǒng)的定時器產生，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–ΔT1+ΔT2。

電力拖動控制第2章轉速計算公式（1）（2）電力拖動控制第2章在高速段，Tc

ΔT1，Tc

ΔT2，可看成T

Tc：

M2＝f0T

f0Tc，代入上式可得：

在高速段，與M法測速的分辨率完全相同。在低速段，M1＝1，M2隨轉速變化，分辨率與T法測速完全相同。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法在高低速時都具有較高的測量精度。電力拖動控制第2章（1）PI調節(jié)器的傳遞函數(shù)PI調節(jié)器時域表達式其中Kp=Kpi為比例系數(shù)KI=1/

為積分系數(shù)2.4.3數(shù)字PI調節(jié)器電力拖動控制第2章（2）PI調節(jié)器的差分方程將上式離散化成差分方程，其第k拍輸出為式中Tsam為采樣周期。位置式算法算法特點是：比例部分只與當前的偏差有關，而積分部分則是系統(tǒng)過去所有偏差的累積。電力拖動控制第2章增量式PI調節(jié)器算法PI調節(jié)器的輸出可由下式求得增量式算法電力拖動控制第2章（3）限幅值設置與模擬調節(jié)器相似，在數(shù)字控制算法中，需要對u限幅，這里，只須在程序內設置限幅值um，當u(k)>um時，便以限幅值um作為輸出。增量式PI調節(jié)器算法只需輸出限幅，而位置式算法必須同時設積分限幅和輸出限幅，缺一不可。電力拖動控制第2章（4）算法流程電力拖動控制第2章問題的提出：起動的沖擊電流堵轉電流解決辦法：電樞串電阻起動；加積分給定環(huán)節(jié)；引入電流截止負反饋。本節(jié)主要討論如何采用電流截止負反饋來限制起動電流。2.5轉速反饋控制直流調速系統(tǒng)的限流保護電力拖動控制第2章電流負反饋作用原理

為了解決反饋閉環(huán)調速系統(tǒng)的起動和堵轉時電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個物理量基本不變，就應該引入那個物理量的負反饋。那么，引入電流負反饋，應該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。電流負反饋引入方式同時采用轉速和電流負反饋電流截止負反饋？電力拖動控制第2章1.電流檢測與反饋方法（1）電樞回路串檢測電阻；（2）電樞回路接直流互感器；（3）交流電路接交流互感器；（4）采用霍爾傳感器。電流截止負反饋具體說明電力拖動控制第2章b)利用穩(wěn)壓管產生比較電壓

UbrM+-UdId

RsVSTUi接調節(jié)器a）利用獨立直流電源作比較電壓M++--UdId

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Ucom接調節(jié)器2電流截止負反饋環(huán)節(jié)

電力拖動控制第2章帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)(1)電力拖動控制第2章當輸入信號IdRc-Ucom>0時，輸出Ui=IdRc-Ucom，當IdRc-Ucom≤0時，輸出Ui=0。電流截止負反饋環(huán)節(jié)的輸入輸出特性電力拖動控制第2章c)封鎖運算放大器的電流截止負反饋環(huán)節(jié)

UbrM+-UdId

RsVSUi++R1UexUinR0+VT2電流截止負反饋環(huán)節(jié)（續(xù)）電力拖動控制第2章帶電流截止負反饋的閉環(huán)直流調速穩(wěn)態(tài)結構圖nKpKs

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Ucom-3系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構0UiId

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Ucom電力拖動控制第2章4