第4章直流電動機調(diào)速控制系統(tǒng)ppt課件

1、直流電動機調(diào)速控制系統(tǒng),伺 服 系 統(tǒng),第 4 章,內(nèi)容提要,第一節(jié) 直流電動機概述 第二節(jié) 直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 第三節(jié) 雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng) 第四節(jié) 直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng) 第五節(jié) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工 程設(shè)計法 第六節(jié) 伺服控制系統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計,第 4 章,第一節(jié) 直流電動機概述,第一節(jié)直流電動機概述,一、直流伺服電動機的基本結(jié)構(gòu) 直流伺服電動機具有良好的啟動、制動和調(diào)速特性，可很方便地在寬范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑無級調(diào)速，故多采用在對伺服電動機的調(diào)速性能要求較高的生產(chǎn)設(shè)備中。 如圖4-1所示，直流伺服電動機的結(jié)構(gòu)主要包括三大部分,第一節(jié)直流電動機概述,一) 定子 定子磁極磁場

2、由定子的磁極產(chǎn)生。根據(jù)產(chǎn)生磁場的方式，可分為永磁式和他激式。永磁式磁極由永磁材料制成，他激式磁極由沖壓硅鋼片疊壓而成，外繞線圈，通以直流電流便產(chǎn)生恒定磁場。 (二) 轉(zhuǎn)子 又叫電樞，由硅鋼片疊壓而成，表面嵌有線圈，通以直流電時，在定子磁場作用下產(chǎn)生帶動負載旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩,第一節(jié)直流電動機概述,三) 電刷與換向片 為使所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩保持方向不變，轉(zhuǎn)子能沿固定方向均勻地連續(xù)旋轉(zhuǎn)，電刷與外加直流電源相接，換向片與電樞導(dǎo)體相接,直流電動機,電勵磁直流伺服電機,直流電機電樞繞組基本形式單疊繞組,第一節(jié)直流電動機概述,二、永磁直流伺服電動機及工作原理 在伺服系統(tǒng)中使用的直流伺服電動機，按轉(zhuǎn)速的高低可分為

3、兩類：高速直流伺服電動機和低速大扭矩寬調(diào)速電動機。目前在數(shù)控機床進給驅(qū)動中采用的直流電動機主要是70年代研制成功的大慣量寬調(diào)速直流伺服電動機。 這種電動機分為電勵磁和永久磁鐵勵磁兩種，但占主導(dǎo)地位的是永久磁鐵勵磁式(永磁式)電動機。圖4-2是其基本原理的示意圖（請同學(xué)們朗讀原理,第一節(jié)直流電動機概述,圖4-2 直流伺服電動機工作原理示意圖,第一節(jié)直流電動機概述,一) 電動機轉(zhuǎn)矩平衡方程式 一般，電磁轉(zhuǎn)矩Te按下式計算： Te=KmIa (4-1) 對于永磁直流伺服電動機，Km和都是常數(shù)，所以上式又可寫成： Te=CmIa (4-2) 當(dāng)電動機帶著負載勻速旋轉(zhuǎn)時，它的輸出轉(zhuǎn)矩必與負載轉(zhuǎn)矩相等。但

4、是，電動機本身具有機械摩擦(例如軸承的摩擦，電刷和換向器的摩擦等) 和電樞鐵芯中的渦流、磁滯損耗都要引起阻轉(zhuǎn)矩，此阻轉(zhuǎn)矩用T0表示,第一節(jié)直流電動機概述,這樣，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩Tr就等于電磁轉(zhuǎn)矩Te減去電動機本身的阻轉(zhuǎn)矩T0，所以當(dāng)電動機克服負載轉(zhuǎn)矩T勻速旋轉(zhuǎn)時，即有： Tr=Te-T0=TL (4-3) 上式就是電磁轉(zhuǎn)矩平衡方程式。 一般情況下，TLT0，認為Te=TL（勻速時,第一節(jié)直流電動機概述,在實際中，有些電動機經(jīng)常運行在轉(zhuǎn)速變化的情況下，例如起動、停轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，因此也必須考慮轉(zhuǎn)速改變時的轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系。 電動機帶動工作機械的機電伺服系統(tǒng)如圖4-3所示，構(gòu)成了機電伺服系統(tǒng)。根據(jù)動力學(xué)得電

5、動機軸上的運動(轉(zhuǎn)矩)平衡方程式為: Te-TL=J (4-4,第一節(jié)直流電動機概述,在實際工程計算中，經(jīng)常用轉(zhuǎn)速n代替角速度，n=60/2；用一個假想飛輪力矩(也稱飛輪轉(zhuǎn)矩)GD2代替轉(zhuǎn)動慣量J（系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量）。GD2和J兩者的關(guān)系為： J= = 將這些變換都代入式(4-1-6) 中，可得: Te-TL,Te-TL為動轉(zhuǎn)矩。等于零時？大于零時？小于零時,第一節(jié)直流電動機概述,二) 電動機的電壓平衡方程式 根據(jù)直流電動機的負載情況和轉(zhuǎn)矩平衡方程式，可以確定電動機的電磁轉(zhuǎn)矩的大小，但這時還不能確定電動機的轉(zhuǎn)速。還需要進一步從電動機內(nèi)部的電磁規(guī)律以及電動機與外部的聯(lián)系去尋找。 電流通過電樞繞組

6、產(chǎn)生電磁力及電磁轉(zhuǎn)矩，這僅僅是電磁現(xiàn)象的一個方面；另一方面，當(dāng)電樞在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下一旦轉(zhuǎn)動后，電樞導(dǎo)體還要切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知：感應(yīng)電動勢的方向與電流方向相反，它有阻止電流流入電樞繞組的作用，因此電動機的感應(yīng)電動勢是一種反電動勢,第一節(jié)直流電動機概述,反電動勢E的計算公式是： E=K n 對于永磁式直流電動機，Ke和都是常數(shù)，上式可寫成： E=Cen 電動機各個電量的方向，如圖4-4所示,第一節(jié)直流電動機概述,圖4-4 直流電動機各個電量的方向,第一節(jié)直流電動機概述,外加電壓為U時有： U=E+IRa 式中，Ra電樞電阻。 上式就是直流電動機的電壓平衡方程

7、式。 它表明了外加電壓與反電動勢及電樞內(nèi)阻壓降平衡?；蛘哒f，外加電壓一部分用來抵消反電動勢，一部分消耗在電樞電阻上,第一節(jié)直流電動機概述,三) 電動機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系 如果把 E=Cen代入式(4-8) ，便可得出電樞電流Ia的表達式： Ia= 由上式可見，直流電動機和一般的直流電路不一樣，它的電流不僅取決于外加電壓和自身電阻，并且還取決于與轉(zhuǎn)速成正比的反電動勢(當(dāng) 為常數(shù)) 。將式(4-1) 代入(4-9) 式，可得： n= - Te (4-10,第一節(jié)直流電動機概述,式(4-10) 稱為電動機的固有機械特性，它描述了電動機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。 圖4-5是機械特性曲線族。在這一曲線族中，

8、不同的電樞電壓對應(yīng)于不同的曲線，各曲線是彼此平行的。 n0(即 )稱為“理想空載轉(zhuǎn)速” 而 n(即 Te 稱為轉(zhuǎn)速降落,第一節(jié)直流電動機概述,直流電動機機械特性曲線簇,第 4 章,第二節(jié) 直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),一、 調(diào)速的定義 直流伺服電動機具有良好的起、制動性能，宜于在廣范圍內(nèi)平滑調(diào)速，由晶閘管-直流電動機（V-M）組成的直流伺服調(diào)速系統(tǒng)是較早普遍應(yīng)用的一種自動控制系統(tǒng)。它在理論和實踐上都比較成熟，而且從閉環(huán)控制理論的角度，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 所謂調(diào)速，是指在某一具體負載情況下，通過改變電動機或電源參數(shù)的方法，使機械特性曲線得以改變，從而使電動

9、機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化或保持不變。即調(diào)速包含兩方面： 其一、在一定范圍內(nèi)“變速”。如圖4-6所示,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),圖4-6 調(diào)速與n=f(T)的關(guān)系,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),當(dāng)電動機負載不變時，轉(zhuǎn)速可由na變到nb或nc 。 其二保持“穩(wěn)速”，在某一速度下運行的生產(chǎn)機械受到外界干擾（如負載增加），為了保證電動機工作速度不受干擾的影響而下降，需要進行調(diào)速，使速度接近或等于原來的轉(zhuǎn)速，如圖4-6中nd即為負載由T1增加至T2后的速度，與na基本一致,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),二、直流伺服電動機的調(diào)速方法 直流電動機轉(zhuǎn)速表達式如式4-10所示，由式可知，直流伺服電動機有二

10、種調(diào)速方法： 調(diào)節(jié)電樞電壓Ud 及改變電樞附加電阻R。 兩種調(diào)速方法的機械特性如圖4-7所示,圖4-7 直流伺服電動機人為機械特性曲線,Rad為串接的電阻,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),改變電樞電壓Ud所得的機械特性是一組平行變化的曲線圖4-7a，采用此種方法，一般在額定轉(zhuǎn)速以下調(diào)速，最低轉(zhuǎn)速取決于電機低速時的穩(wěn)定性。具有調(diào)速范圍寬，機械特性硬，動態(tài)性能好的特點。 在連續(xù)改變電樞電壓時，能實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，是目前主要調(diào)速方法之一。 改變電樞電阻即在電樞回路串接不同附加電阻，以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。觀察圖4-7b發(fā)現(xiàn)，外接電阻越大，電阻功耗越大，特性越軟，穩(wěn)定性越差，是有級調(diào)速。此法在實際中已很少應(yīng)用,

11、第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),三、調(diào)速指標(biāo) 不同的生產(chǎn)機械，其工藝要求電氣控制系統(tǒng)具有不同的調(diào)速性能指標(biāo)，概括為靜態(tài)和動態(tài)調(diào)速指標(biāo)。 (一) 靜態(tài)調(diào)速指標(biāo) 1調(diào)速范圍 電動機在額定負載下，運行的最高轉(zhuǎn)速nmax與最低轉(zhuǎn)速nmin之比稱為調(diào)速范圍，用D表示，即,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),4-11） 注意：對非弱磁的調(diào)速系統(tǒng)，電動機的最高轉(zhuǎn)速nmax即為額定負載時的轉(zhuǎn)速nnom 。 注：轉(zhuǎn)速過低，電機運動不平穩(wěn),第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),2靜差率 靜差率是指電動機穩(wěn)定運行時，當(dāng)負載由理想空載增加至額定負載時，對應(yīng)的額定轉(zhuǎn)差 與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比，用百分數(shù)表示為： （4-12）

12、 靜差率反映了電動機轉(zhuǎn)速受負載變化的影響程度，它與機械特性有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性越好。但并非機械特性一致，靜差率相同，還與理想空載轉(zhuǎn)速有關(guān)。圖4-8所示，A點靜差率1%，B點靜差率10%，那么能滿足最低轉(zhuǎn)速時的靜差率，其它轉(zhuǎn)速時也必然能滿足,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),圖4-8 不同轉(zhuǎn)速下的靜差率,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),3調(diào)速范圍與靜差率的關(guān)系 在調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，以額定轉(zhuǎn)速為最高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率為最低轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)差率，則最低轉(zhuǎn)速： 則調(diào)速范圍與靜差率滿足下列關(guān)系式,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),由以上公式可知，當(dāng)一個調(diào)速系統(tǒng)機械特性硬度（ ）一定時，對靜差率要

13、求越高，即靜差率越小，允許的調(diào)速范圍也越小 。 (二) 動態(tài)調(diào)速指標(biāo) 動態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)包括跟隨性能指標(biāo)和抗干擾性能指標(biāo)兩類。 1跟隨性能指標(biāo) 在給定信號（或稱參考輸入信號） 的作用下，系統(tǒng)輸出量 的變化情況可用跟隨性能指標(biāo)來描述。當(dāng)給定信號變化方式不同時，輸出響應(yīng)也不一樣。通常以輸出量的初始值為零、給定信號階躍變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程，這時的動態(tài)響應(yīng)又稱階躍響應(yīng),第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),一般希望在階躍響應(yīng)中輸出量 與其穩(wěn)態(tài)值 的偏差越小越好，達到 的時間越快越好。具體的跟隨性能指標(biāo)有下列各項： (1)上升時間 在典型的階躍響應(yīng)跟隨過程中，輸出量從零起第一次上升到穩(wěn)態(tài)值所經(jīng)過

14、的時間稱為上升時間，它表示動態(tài)響應(yīng)的快速性，見圖4-9。在調(diào)速系統(tǒng)中采用這個定義就可以了，在一般控制系統(tǒng)中還有更為嚴格的定義,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),2)超調(diào)量 在典型的階躍響應(yīng)跟隨過程中，輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分數(shù)表示，稱為超調(diào)量： (4-14) 超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。超調(diào)量越小，則相對穩(wěn)定性越好，即動態(tài)響應(yīng)比較平穩(wěn),圖4-9 典型階躍響應(yīng)曲線 和跟隨性能指標(biāo),第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),3)調(diào)節(jié)時間ts 調(diào)節(jié)時間又稱過渡過程時間，它衡量系統(tǒng)整個調(diào)節(jié)過程的快慢。原則上它應(yīng)該是從給定量階躍變化起到輸出量完全穩(wěn)定下來為止的時間。 對于線性控制系統(tǒng)來說

15、，理論上要到 才真正穩(wěn)定，但是實際系統(tǒng)由于存在非線性等因素并不是這樣。因此，一般在階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值附近， 取 （或 ）的范圍作為允許誤差帶，以響應(yīng)曲線達到并不再超出該誤差帶所需的最短時間，定義為調(diào)節(jié)時間，見圖4-9,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),2. 抗擾性能指標(biāo) 一般是以系統(tǒng)穩(wěn)定運行中，突加負載的階躍擾動F后的動態(tài)過程作為典型的抗擾過程，并由此定義抗擾性能指標(biāo)，見圖4-10。 (1) 動態(tài)降落 系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，突加一定數(shù)值的擾動后引起轉(zhuǎn)速的最大降落值 叫做動態(tài)降落，用輸出量原穩(wěn)態(tài)值 的百分數(shù)來表示。輸出量在動態(tài)降落后逐漸恢復(fù)，達到新的穩(wěn)態(tài)值 ， 是系統(tǒng)在該擾動作用下的穩(wěn)態(tài)降落。動態(tài)降

16、落一般都大于穩(wěn)態(tài)降落（即靜差）。調(diào)速系統(tǒng)突加額定負載擾動時的動態(tài)降落稱作動態(tài)速降,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),圖4-10 突加負載時的動態(tài)過程 和抗擾性能指標(biāo),第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),2) 恢復(fù)時間 從階躍擾動作用開始，到被調(diào)量進入離穩(wěn)態(tài)值的或的 區(qū)域 內(nèi)為止所需要的時間。 (3) 震蕩次數(shù)N 震蕩次數(shù)為在恢復(fù)時間內(nèi)被調(diào)量在穩(wěn)態(tài)值上下擺動的次數(shù)，它代表系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗擾能力強弱,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),四、單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 直流伺服電動機由于調(diào)速性能好，起動、制動和過載轉(zhuǎn)矩大，便于控制等特點，是許多大容量高性能要求的生產(chǎn)機械的理想的電動機。盡管近年來，交流電動機的控

17、制系統(tǒng)不斷普及，但直流電動機仍然在一定場合得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)生產(chǎn)機械對調(diào)速性能要求不高時，可采用開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，方框圖如圖4-11所示。 改變參考電壓 的大小，即可改變觸發(fā)脈沖的控制角，從而使直流電動機的電樞電壓 變化，以達到改變電動機轉(zhuǎn)速的目的，但這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍不大，系統(tǒng)動態(tài)、靜態(tài)性能較差,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),圖4-11 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng),單相半波可控整流電路及波形,帶電阻負載的工作情況,w,w,w,w,t,T,VT,R,0,a,u,1,u,2,u,VT,u,d,i,d,w,t,1,p,2,p,t,t,t,u,2,u,g,u,d,u,VT,a,q,0,b,c,d,e,0,0

18、,單相半波可控整流電路,觸發(fā)延遲角：從晶閘管開始承受正向陽極電壓起到施加觸發(fā)脈沖止的電角度,用a表示,也稱觸發(fā)角或控制角。 導(dǎo)通角：晶閘管在一個電源周期中處于通態(tài)的電角度，用表示 。,直流輸出電壓平均值為,VT的a 移相范圍為180,單相橋式全控整流電路,帶電阻負載的工作情況,a,u,i,p,w,t,w,t,w,t,0,0,0,i,2,u,d,i,d,b,c,d,d,d,a,a,u,VT,1,4,單相全控橋式 帶電阻負載時的電路及波形,工作原理及波形分析 0： 得到觸發(fā)脈沖即導(dǎo)通，路徑。討論此時的管壓降 當(dāng)u2過零時VT1和VT4關(guān)斷。 VT2和VT3開始承受正壓 VT2和VT3得到觸發(fā)脈沖即

19、導(dǎo)通，當(dāng)u2過零時關(guān)斷,電路結(jié)構(gòu)：兩對橋臂,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),開環(huán)系統(tǒng)不滿足靜態(tài)指標(biāo)，原因是靜態(tài)速降太大，根據(jù)反饋控制原理，要穩(wěn)定哪個參數(shù)，就對那個參數(shù)實行負反饋，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。目前為了穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，引入轉(zhuǎn)速負反饋，構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)。 (一) 單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng) 1.系統(tǒng)的組成及原理 根據(jù)自動控制原理，為滿足調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)，在開環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入反饋構(gòu)成單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)，采用不同物理量的反饋便形成不同的單閉環(huán)系統(tǒng)，在此我們以引入速度負反饋為例，構(gòu)成轉(zhuǎn)速負反饋直流調(diào)速系統(tǒng),第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),在電動機軸上安裝一臺測速發(fā)電機，引出與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號 ，以此

20、作為反饋信號與給定電壓信號 比較，所得差值電壓 ，經(jīng)放大器產(chǎn)生控制電壓 ，用以控制電動機轉(zhuǎn)速，從而構(gòu)成了轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)，其控制原理圖如圖4-12所示。 給定電位器RP1一般由穩(wěn)壓電源供電，以保證轉(zhuǎn)速給定信號的精度。RP2為調(diào)速反饋系數(shù)而設(shè)置，測速發(fā)電機輸出電壓Utg與電動機M的轉(zhuǎn)速成正比，即 ，Cn 為直流永磁式發(fā)電機的電勢常數(shù)。 ，Kf為電位器的RP2分壓系數(shù)， ，稱為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。Ufn與Un極性相反，以滿足負反饋關(guān)系,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),圖4-12 轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng),第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),2.轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)方程式和穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（如圖4-13） 為分

21、析系統(tǒng)的靜特性，突出主要矛盾，作如下假定， (1) 各典型環(huán)節(jié)輸入輸出呈線性關(guān)系； (2) 系統(tǒng)在電流連續(xù)段工作； (3) 忽略直流電源和電位器內(nèi)阻。 由此系統(tǒng)各環(huán)節(jié)輸入輸出量的靜態(tài)關(guān)系如下,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),電壓比較環(huán)節(jié)： 比例放大器： 晶閘管整流與觸發(fā)裝置： 轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié)： VM系統(tǒng)開環(huán)機械特性,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),由圖利用疊加原理，將給定電壓Un和擾動作用-IdR分別單獨作用時的響應(yīng)進行疊加，可得系統(tǒng)的靜特性方程。 式中 稱閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù),第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),開環(huán)系統(tǒng)機械特性與閉環(huán)系統(tǒng)靜特性比較 斷開測速反饋回路，可得上述系統(tǒng)開環(huán)機械特

22、性方程： 而閉環(huán)靜特性,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),3.系統(tǒng)的反饋控制規(guī)律 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種最基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有反饋控制的基本規(guī)律，具體特征如下： (1) 有靜差系統(tǒng)就是使用比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)控制系統(tǒng)是有靜差的控制系統(tǒng)。 有靜差系統(tǒng)的實際轉(zhuǎn)速不等于給定轉(zhuǎn)速，因為從閉環(huán)靜特性得靜態(tài)速降為,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),當(dāng)開環(huán)放大倍數(shù)K越大， 越小，靜特性越硬，但采用比例調(diào)節(jié)器閉環(huán)系統(tǒng)K總是有限值，則靜態(tài)速降不可能為零。同時，具有比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)，主要依靠偏差電壓 來調(diào)節(jié)輸出電壓 。若 =0，則控制電壓 ，整流輸出電壓 =0，電機也就停止轉(zhuǎn)動，所以 是有靜差系統(tǒng)的一大特

23、點。 (2) 閉環(huán)系統(tǒng)對于給定輸入絕對服從 給定電壓 ，它是和反饋電壓 相比較的量，又可稱作參考輸入量。顯然給定電壓的一些微小變化，都會直接引起輸出量轉(zhuǎn)速的變化。在調(diào)速系統(tǒng)中，改變給定電壓就是在調(diào)整轉(zhuǎn)速,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),3) 轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)的抗擾動性能 在閉環(huán)系統(tǒng)中，當(dāng)給定電壓 不變時，使電動機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化（即系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速偏離設(shè)定值）的所有因素統(tǒng)稱為系統(tǒng)的擾動。 實際上除了負載（一種擾動）之外還有許多因素會引起轉(zhuǎn)速的變化，包括交流電源電壓波動，勵磁電流變化，調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)的漂移，周圍環(huán)境溫度變化引起電阻數(shù)值的變化等等。 所有這些擾動對轉(zhuǎn)速的影響，都會被測速裝置檢測出來，再通過反

24、饋控制作用，減小它們對穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的影響。 圖4-14標(biāo)出了各種擾動因素對系統(tǒng)的作用。擾動輸入的作用點不同，它對系統(tǒng)的影響程度也不同，而轉(zhuǎn)速負反饋能抑制或減小被包圍在反饋環(huán)內(nèi)作用在控制系統(tǒng)主通道上的擾動，這是開環(huán)系統(tǒng)無法完成的，也是閉環(huán)系統(tǒng)最突出的特征,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),圖4-13 系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖4-14自動調(diào)速系統(tǒng)的給定和擾動作用,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),現(xiàn)以交流電源電壓波動為例，定性說明閉環(huán)系統(tǒng)對擾動作用的抑制過程： 當(dāng)交流電源電壓降低，整個調(diào)節(jié)過程轉(zhuǎn)速回升接近原來值，但由于是有靜差調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速不可能恢復(fù)原穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速。 閉環(huán)系統(tǒng)對檢測和給定環(huán)節(jié)本身的擾動無抑制能力

25、，若測速發(fā)電機磁場不穩(wěn)定，引起反饋電壓 變化，使轉(zhuǎn)速偏離原值，這種由測速發(fā)電機本身誤差引起的轉(zhuǎn)速變化，閉環(huán)系統(tǒng)無抑制調(diào)節(jié)能力,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),由此可見，轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)，只能抑制被反饋環(huán)包圍的加在系統(tǒng)前向通道上的擾動作用，而對諸如給定電源，檢測元件或這些裝置中的擾動無能為力。 所以對測速電機選擇及安裝必須特別注意，確保反饋檢測元件的精度是對閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)速精度至關(guān)重要的，是決定性的作用,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),4. 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)特性 在單閉環(huán)有靜態(tài)差調(diào)速系統(tǒng)中，引入轉(zhuǎn)速負反饋且有了足夠大放大系數(shù)K后，就可以滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能要求。 由自動控制理論可知，系統(tǒng)開環(huán)放大

26、系數(shù)太大時，可能會引起閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，須采取校正措施才能使系統(tǒng)正常工作。另外，系統(tǒng)還必須滿足各種動態(tài)性能指標(biāo)。為此，必須進一步分析系統(tǒng)的動態(tài)特性,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),1) 轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 建立轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，跟據(jù)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列寫描述每環(huán)節(jié)動態(tài)過程的微分方程，求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，組成系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，進而可得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。 1)直流電動機傳遞函數(shù) 直流電動機回路的等效電路如圖4-15所示，在額定磁通，且電樞電流連續(xù)的條件下，電動機電樞回路電壓平衡方程式為,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),圖4-15 直流電動機回路的等效電路,第二節(jié)直流

27、電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),將上式兩邊取拉氏變換，整理得到整流電壓與電樞電流之間的傳遞函數(shù),第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),忽略粘性摩擦，電動機轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)矩平衡方程式： 由上式可得感應(yīng)電勢與電流間的傳遞函數(shù)： 直流伺服電動機在額定勵磁下的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。如圖（4-16）所示,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),圖4-16 直流伺服電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)圖,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),2) 晶閘管觸發(fā)器和整流器的傳遞函數(shù) 全控型整流器在穩(wěn)態(tài)下，觸發(fā)器控制電壓Uct與整流輸出電壓關(guān)系為： 由上式可知，觸發(fā)器與整流器輸入輸出關(guān)系是非線性余弦關(guān)系。由于一般控制角在范圍內(nèi)非線性偏差不大，在工程上常常用線性

28、環(huán)節(jié)來近似處理，即觸發(fā)與整流環(huán)節(jié)放大倍數(shù),第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),觸發(fā)與整流環(huán)節(jié)可看成是一個具有純滯后的放大環(huán)節(jié)，其滯后作用是晶閘管裝置的失控時間引起的。失控時間是指當(dāng)某一相晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通后，至下一相晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通之前的一段時間，也稱滯后時間，用Ts表示。在此期間，如果改變控制電壓Uct ，整流整流電壓瞬時波形和角的對應(yīng)關(guān)系不能立即跟隨Uct變化，形成整流電壓滯后于控制電壓的狀況。這種滯后引起的稱作“失控”現(xiàn)象。 晶閘管整流裝置的傳遞函數(shù)為,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)可近似成一階慣性環(huán)節(jié): 其動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4-17,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系

29、統(tǒng),3) 放大器及轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié) 放大器為比例調(diào)節(jié)器，輸入信號： 輸出信號 ： 測速發(fā)電機反饋信號： 則該環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為： 其動態(tài)結(jié)構(gòu)如圖4-18,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),2) 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù) 知道了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)后，按它們在系統(tǒng)中輸入，輸出的相互關(guān)系，可畫出圖4-19所示的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。 圖4-19 單閉環(huán)轉(zhuǎn)速反饋系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),把直流電動機等效成一個環(huán)節(jié)，其輸入與輸出關(guān)系： 圖4-19簡化成圖4-20可得到單閉環(huán)系統(tǒng)就是一個三階線性系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)為： 則閉環(huán)系統(tǒng)輸出量對給定量的閉環(huán)傳遞函數(shù),第二節(jié)直流電動

30、機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),4-27,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),3) 轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 由上式(4-27)得單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特征方程: 根據(jù)三階系統(tǒng)的勞斯穩(wěn)定判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件為： 即： (4-29,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),由上式表明，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù) 已定的情況下，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，其開環(huán)放大系數(shù)K值不能太大，必須滿足式（4-29）的穩(wěn)定條件。 在前面的穩(wěn)態(tài)分中知，為提高靜特性硬度，希望系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)K大些，但K大到一定值時會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此由系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差要求所計算的K值還比須按系統(tǒng)穩(wěn)定性條件進行校核。 必須兼顧靜態(tài)和動態(tài)兩種特性,第二節(jié)直流電動機的單閉

31、環(huán)調(diào)速系統(tǒng),二) 單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng) 在單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)中，由于采用比例調(diào)節(jié)器，穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)速只能接近給定值，而不可能完全等于給定值。提高增益只能減小靜差而不能消除靜差。為了完全消除靜差，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)，根據(jù)自動控制理論，可以在調(diào)速系統(tǒng)中引入積分控制規(guī)律，用積分調(diào)節(jié)器或比例積分調(diào)節(jié)器代替比例調(diào)節(jié)器，利用積分控制不僅靠偏差本身，還能靠偏差的積累產(chǎn)生控制電壓Uct，實現(xiàn)靜態(tài)的無偏差,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),1. 積分、比例積分控制規(guī)律 (1). 積分調(diào)節(jié)器及積分控制規(guī)律 積分調(diào)節(jié)器電路如圖4-21所示。其輸入輸出關(guān)系如圖4-22所示。其關(guān)系式如下： 積分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)是隨時間線性增

32、長的直線，但輸出量受輸出限幅電路限制,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),圖4-21 積分調(diào)節(jié)器原理圖 圖4-22積分調(diào)節(jié)器輸入-輸出關(guān)系,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),2). 比例積分調(diào)節(jié)器及控制規(guī)律 比例積分電路原理圖如圖4-23所示，其輸入輸出關(guān)系如圖4-24所示，比例積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),圖4-23 比例積分調(diào)節(jié)器原理圖 圖4-24 比例積分調(diào)節(jié)器 輸入輸出關(guān)系,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),2. 電流截止負反饋環(huán)節(jié) 很多生產(chǎn)設(shè)備需要直接加階躍給定信號，以實現(xiàn)快速起動目的。由于系統(tǒng)的機械慣性較大，電動機轉(zhuǎn)速不能立即建立起來，尤其起動初期轉(zhuǎn)速反饋

33、信號 Ufn=0，加在比例調(diào)節(jié)器輸入端的轉(zhuǎn)速偏差信號 是穩(wěn)態(tài)時的(1+K)倍，造成整流電壓Ud0達滿壓起動，直流電動機的起動電流高達額定電流的幾十倍，過電流保護繼電器會使系統(tǒng)跳閘，電動機無法起動。此外，當(dāng)電流和電流上升率過大，對直流電動機換向及晶閘管元件的安全是不允許的。因此引入電流自動控制，限制起動電流，使其不超出電動機過載能力的允許限度,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),要限制電流，則在系統(tǒng)中引入電流負反饋。但由于電流負反饋在限流的同時，會使系統(tǒng)的特性變軟。 為解決限流保護與靜特性變軟之間出現(xiàn)矛盾，系統(tǒng)可采用電流負反饋截止環(huán)節(jié)，需增設(shè)兩個環(huán)節(jié)： 其一為反映電樞電流的檢測環(huán)節(jié)（直流電流互感器

34、），構(gòu)成電流反饋閉環(huán)； 其二反映電流允許值的門坎電平檢測環(huán)節(jié)（穩(wěn)壓管），使電流反饋信號Ufi與Uw進行比較，構(gòu)成電流反饋截止環(huán)節(jié),第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),圖4-26 帶電流截止負反饋的無靜差調(diào)速系統(tǒng)原理圖,第二節(jié)直流電動機的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),系統(tǒng)中的電流檢測反饋信號 ，為檢測環(huán)節(jié)的比例系數(shù)；允許電樞電流截止反饋的門坎值 。當(dāng) (即 時，電流反饋被截止，不起作用，此時系統(tǒng)僅存在轉(zhuǎn)速負反饋。當(dāng)負載電流增大使 （即 ），穩(wěn)壓管被反向擊穿，允許電流反饋信號通過，轉(zhuǎn)速反饋信號與電流反饋同時起作用，使調(diào)節(jié)器輸出 下降，迫使 迅速減小，限制了電樞電流隨負載增大而增加的速度，有效抑制了電樞電流增加,第

35、 4 章,第三節(jié) 雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng),第三節(jié)雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng),為了使系統(tǒng)在起制動的動態(tài)過程中，在最大電流約束條件下，獲得直流電動機最佳速度調(diào)節(jié)過程，根據(jù)自控原理的提示，對那些希望獲得最佳控制的物理量也實行負反饋控制。本章節(jié)介紹雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及設(shè)計方法。 由于工程實際許多問題要求直流電動機工作在可逆運行狀態(tài)，本節(jié)簡單介紹直流可逆調(diào)速系統(tǒng),第三節(jié)雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng),一、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成 已知，采用PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，既保證了動態(tài)穩(wěn)定性又實現(xiàn)了無靜差，解決了動、靜態(tài)之間的矛盾。然而僅靠電流截止環(huán)來限制起動和升速時的沖擊電流，性能不令人滿意，為充分利用電機

36、的過載能力，加快起動過程，專門設(shè)置一個電流調(diào)節(jié)器，構(gòu)成電流，轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，實現(xiàn)在最大電樞電流約束下的轉(zhuǎn)速過渡過程最快的“最優(yōu)”控制。 在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，若將轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋信號同時引入一個調(diào)節(jié)器的輸入端，則兩種反饋量會互相牽制，不可能獲得理想效果,第三節(jié)雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng),因此在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別控制轉(zhuǎn)速和電流，并且將兩個調(diào)節(jié)器實行串級連接。轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)在外面稱外環(huán)，電流負反饋的閉環(huán)在里面，稱內(nèi)環(huán)。其原理圖如圖4-27所示。圖中，ASR為速度調(diào)節(jié)器，ACR為電流調(diào)節(jié)器，兩調(diào)節(jié)器作用互相配合，相輔相成。 為了使轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜、動態(tài)性能。電流、轉(zhuǎn)

37、速兩個調(diào)節(jié)器一般采用PI調(diào)節(jié)器，且均采用負反饋?？紤]觸發(fā)裝置的控制電壓為正電壓，運算放大器又具有倒向作用。圖中標(biāo)出了相應(yīng)信號的實際極性,第三節(jié)雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng),圖4-27 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖,第三節(jié)雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng),二、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理 (一) 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性 雙閉環(huán)系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)器，則其穩(wěn)態(tài)時輸入偏差信號一定為零，即給定信號與反饋信號的差值為零，屬無靜差調(diào)節(jié)。 1電流調(diào)節(jié)環(huán) 電流環(huán)的給定信號是速度調(diào)節(jié)器的輸出信號 Ui，電流環(huán)的反饋信號采自交流電流互感器及整流電路或霍爾電流傳感器，其值 ， 為電流反饋系數(shù)，則,第三節(jié)雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng),在

38、一定的條件下，在電流調(diào)節(jié)器的作用下，輸出電流保持為 值，而由電網(wǎng)電壓波動引起電流波動將被有效抑制。此外，由于限幅的作用，速度調(diào)節(jié)器的最大輸出只能是限幅值 ，調(diào)整反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)，可使電動機的最大電流對應(yīng)的反饋信號等于輸入限幅值，即,第三節(jié)雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng),取值應(yīng)考慮電動機允許過載能力和系統(tǒng)允許最大加速度，一般為額定電流的（1.52）倍。 2速度調(diào)節(jié)環(huán) 速度環(huán)給定信號 ，反饋信號 則穩(wěn)態(tài)時， 即,第三節(jié)雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng),ASR調(diào)節(jié)器的給定輸入由穩(wěn)壓電源提供，其幅值不可能太大，一般在十幾伏以下，當(dāng)給定為最大值時 ，電動機應(yīng)達到最高轉(zhuǎn)速，一般為電動機的額定轉(zhuǎn)速 。 ACR調(diào)節(jié)器輸出

39、為觸發(fā)裝置的控制電壓,第三節(jié)雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng),當(dāng) 為定值時，由ASR調(diào)節(jié)器可使電動機轉(zhuǎn)速恒定，克服負載擾動的影響，其調(diào)節(jié)過程如下： 雙閉環(huán)系統(tǒng)的正常工作段靜特性如圖4-28中的段,第三節(jié)雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng),圖4-28 雙閉環(huán)系統(tǒng)工作靜特性 圖4-29 雙閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,第三節(jié)雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng),3. 雙閉環(huán)系統(tǒng)起動過程分析 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓 后，其轉(zhuǎn)速和電流在起動過程中的波形如圖4-30如示，其中 I、II階段速度調(diào)節(jié)器飽和，第III階段速度調(diào)節(jié)器退出飽和發(fā)揮線性調(diào)節(jié)作用,第三節(jié)雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng),圖4-30 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程轉(zhuǎn)速和電流波形,第三節(jié)

40、雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng),綜上所述，雙閉環(huán)系統(tǒng)起動過程的特點： (1) 轉(zhuǎn)速環(huán)出現(xiàn)飽和開環(huán)和退飽和閉環(huán)兩種狀態(tài)。轉(zhuǎn)速開環(huán)時，系統(tǒng)為恒值電流調(diào)節(jié)單環(huán)系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速閉環(huán)時，系統(tǒng)為無靜差調(diào)速系統(tǒng)，電流內(nèi)環(huán)為電流隨動系統(tǒng)。 (2) 轉(zhuǎn)速環(huán)從開環(huán)到閉環(huán)發(fā)揮調(diào)節(jié)作用，其轉(zhuǎn)速一定出現(xiàn)超調(diào)，只有靠超調(diào)才能使ASR退飽和，才能進行線性調(diào)節(jié)。 (3) 恒電流轉(zhuǎn)速上升階段，取 為 ，充分發(fā)揮了電動機的過載能力，實現(xiàn)了電流受限制條件下的最短時間控制即“時間最優(yōu)控制,第三節(jié)雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng),4. 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾動性能 在前一章中，我們已經(jīng)了解，單閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)對于被包在反饋環(huán)內(nèi)的一切擾動量都有抑制作用。這些

41、擾動量最終要反映到被調(diào)量，由測出被調(diào)量的偏差而進行調(diào)節(jié)，根據(jù)系統(tǒng)的靜態(tài)特性，擾動才會被抑制。 但從系統(tǒng)的動態(tài)特性上看，對于作用點離被調(diào)量較遠的擾動量，還存在不能及時調(diào)節(jié)的問題,第三節(jié)雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng),單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾圖4-31，由于電網(wǎng)電壓波動所引起的擾動作用，先要經(jīng)受電磁慣性的阻撓才能影響電樞電流，再經(jīng)過機電慣性的滯后才能反映到轉(zhuǎn)速上來，等到轉(zhuǎn)速反饋產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，時間已經(jīng)比較晚。 在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由于電網(wǎng)電壓擾動被包圍在電流環(huán)之內(nèi)（見圖4-32），當(dāng)電壓波動時，可以通過電流反饋得到及時調(diào)節(jié)，不必等到影響到轉(zhuǎn)速后才在系統(tǒng)中有所反應(yīng)。 因此，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動

42、引起的動態(tài)速降會比單閉環(huán)系統(tǒng)中小得多,第三節(jié)雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng),至于負載變化引起的擾動，從圖（4-32）可見負載擾動作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來產(chǎn)生抗擾動作用。因此，在突加（減）負載時，必然會引起動態(tài)速降（升）。為了減小動態(tài)速降（升），必須在設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR時，要求系統(tǒng)具有良好的抗擾動指標(biāo)。 雙閉環(huán)系統(tǒng)突加負載時的動態(tài)過程如圖4-33所示，調(diào)節(jié)過程為,第三節(jié)雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng),圖4-31 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)抗擾圖 圖4-32雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖,第三節(jié)雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng),圖4-33 雙閉環(huán)系統(tǒng)突加負載擾動時動態(tài)過程,第三節(jié)雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng),對于雙閉環(huán)系

43、統(tǒng)，擾動對系統(tǒng)的影響與擾動的作用點有關(guān)，擾動作用于內(nèi)環(huán)的主通道中，將不會明顯地影響轉(zhuǎn)速。 如電網(wǎng)電壓擾動；擾動作用于外環(huán)主通道中，則必須通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)才能克服擾動引起的影響， 如負載擾動；擾動如果作用于反饋通道中，如測速發(fā)電機勵磁電流變化引起的擾動，調(diào)節(jié)系統(tǒng)（包括單閉環(huán)）是無法克服它引起的偏差的,第三節(jié)雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng),5.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個調(diào)節(jié)器的作用 (1)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用 1) 使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓Un變化，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)； 2) 對負載變化起抗擾作用； 3) 其飽和輸出限幅值作為系統(tǒng)允許最大電流的給定，起飽和非線性控制作用，以實現(xiàn)系統(tǒng)在最大電流約束下起動過程,第三節(jié)雙

44、閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng),2)電流調(diào)節(jié)器的作用 1) 起動時，實現(xiàn)最大允許電流條件下的恒流升 速調(diào)節(jié)-時間最優(yōu)； 2) 在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓 Un變化； 3) 對電網(wǎng)電壓波動及時起抗擾動作用 4) 當(dāng)電機過載甚至于堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的 最大值，從而起到快速的安全保護作用。如 果故障消失，系統(tǒng)能自動恢復(fù)正常,第 4 章,第四節(jié) 直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),第四節(jié)直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),一、 概 述 晶閘管變流器構(gòu)成的直流傳動，由于其線路簡單、控制靈活、體積小、效率高以及沒有旋轉(zhuǎn)噪聲和摩損等優(yōu)點，在一般工業(yè)應(yīng)用中，特別是大功率系統(tǒng)中一直占據(jù)著主要的地位。 當(dāng)系統(tǒng)運行在較低速時，晶閘管的導(dǎo)

45、電角很小，系統(tǒng)的功率因數(shù)相應(yīng)也很小，并產(chǎn)生較大的諧波電流，使轉(zhuǎn)矩脈動大，限制了調(diào)速范圍。要克服上述問題必須加大平波電抗器的電感量，但電感大又限制了系統(tǒng)的快速性，此外，功率因數(shù)低、諧波電流大，還將引起電網(wǎng)電壓波形畸變，變流器設(shè)備容量大，還將造成所謂的“電力公害”，在這種情況下必須增設(shè)無功補償和諧波濾波裝置,第四節(jié)直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了可控制關(guān)斷的即自關(guān)斷電力電子器件全控式器件。如電力晶體管（GTR）、可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力電子場效應(yīng)晶體管（power MOSFET）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、MOS控制晶閘管（MCT）等。 采用全控型開關(guān)器件很容易實現(xiàn)脈沖

46、寬度調(diào)制，與半控型開關(guān)器件晶閘管變流器相比，體積可縮小30%以上，裝置效率高，功率因數(shù)高。同時由于開關(guān)頻率的提高，直流脈沖寬度調(diào)制伺服控制系統(tǒng)與V-M伺服控制系統(tǒng)相比，電流容易連續(xù)，諧波少，電動機損耗和發(fā)熱都較小，低速性能好，穩(wěn)速精度高，系統(tǒng)通頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗擾好,第四節(jié)直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),各種全控型器件構(gòu)成的直流脈寬伺服控制系統(tǒng)的原理是一樣的，只是不同器件具有各自不同的驅(qū)動、保護及其他器件使用的問題。 本章以IGBT為例介紹直流脈寬調(diào)制伺服系統(tǒng)的工作原理及特性，并介紹直流脈寬調(diào)制伺服控制系統(tǒng)的電路,第四節(jié)直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),絕緣門極晶體管（Insulated Gate Bi

47、polar Thyristor IGBT）又稱絕緣柵極晶體管，電流容量為10400A，電壓等級為5001400V，工作頻率達1030KHz，在中頻以上交流電源、各種直流開關(guān)電源，及其它要求高速度、低損耗的領(lǐng)域，IGBT又取代GTR和MOSFET的趨勢,第四節(jié)直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),IGBT的開通和關(guān)斷是由門極來決定的。門極加正向電壓時，使IGBT導(dǎo)通。在門極施加反向電壓后，IGBT關(guān)斷，其驅(qū)動原理與MOSFET相同。（IGBT的工作原理,第四節(jié)直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),一) 脈寬調(diào)制的理論 有許多工業(yè)傳動系統(tǒng)都是公共直流電壓電源或蓄電池供電的。在多數(shù)情況下，都要求把固定的直流電源電壓變換為不同的電壓

48、等級，例如地鐵列車、無軌電車或由蓄電池供電的機動車輛等，它們都有調(diào)速的要求，因此，要把固定電壓的直流電源變換為直流電動機電樞用的可變電壓的直流電源。 脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation）簡稱PWM，由脈沖寬度調(diào)制變換器向直流電動機供電的系統(tǒng)稱為脈沖寬度調(diào)制伺服控制系統(tǒng)，簡稱PWM伺服系統(tǒng)。 圖4-34是脈寬調(diào)制型伺服系統(tǒng)原理圖及輸出電壓波形,第三節(jié)雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng),a) 原理圖 (b) 輸出電壓波形 圖4-34 PWM伺服系統(tǒng),第四節(jié)直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),電動機電樞端電壓平均值Ua： Ua= Us= Us=Us (4-36) 式中= 。 為一個周期T中，IGBT

49、 V1導(dǎo)通時間的比率，稱為負載率或占空比。通過改變的值，從而達到調(diào)壓的目的，實現(xiàn)電動機的平滑調(diào)速，改變的值有如下下面三種方法,第四節(jié)直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),1) 定寬調(diào)頻法：Ton保持一定，使Toff在0范圍內(nèi)變化； (2)調(diào)寬調(diào)頻法：Toff保持一定，使Ton在0范圍內(nèi)變化； (3)定頻調(diào)寬法：Ton+Toff=T保持一定，使Ton在0T范圍內(nèi)變化。 用全控式器件組成的直流脈寬伺服控制系統(tǒng)與半控式晶閘管直流伺服控制系統(tǒng)基本類同，兩類系統(tǒng)的差異突出表現(xiàn)為以全控式PWM變換器取代半控式晶閘管變流裝置。 因此下面將著重論述IGBT組成的不可逆和可逆的PWM變換器以及包含PWM脈沖產(chǎn)生等內(nèi)容的控制電路

50、,第四節(jié)直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),二) 不可逆PWM變換器 圖4-35是簡單的不可逆PWM變換器的主電路原理圖，它實際上就是所謂的直流斬波器。 電源Us一般由不可控整流電源提供，采用大電容濾波，脈寬調(diào)制器的負載為電動機電樞，它可被看成電阻電感反電動勢負載。二極管在功率管IGBT關(guān)斷時為電樞回路提供釋放電感儲能的續(xù)流回路,第四節(jié)直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),a) 原理圖 (b)電壓電流波形 圖4-35 簡單的不可逆PWM變換器,第四節(jié)直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),IGBT的柵極由頻率不變而脈沖寬度可調(diào)的脈沖電壓Ug驅(qū)動。 在一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)0tton時，Ug為正，IGBT飽和導(dǎo)通，電源電壓通過IGBT加到電動機電

51、樞兩端。當(dāng) tontT時，Ug為負，IGBT截止，電樞失去電源，經(jīng)二極管VD續(xù)流，電動機可得到的平均端電壓為式（4-36）。 改變（01）即可改變電樞兩端電壓，從而實現(xiàn)調(diào)速,第四節(jié)直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),圖4-35(b)給出了穩(wěn)態(tài)時的脈沖端電壓ua，電樞平均電壓Ua和電樞電流Ia的波形。由圖可見，穩(wěn)態(tài)電流是脈動的，其平均值等于負載電流IL=TL/Km。 設(shè)連續(xù)的電樞脈動電流ia的平均值為Ia，與穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速相應(yīng)的反電動勢為E，電樞回路總電阻為R，則由回路平衡電壓方程 Ua=E+IaR 可推導(dǎo)得機械特性方程： n= =,n0,n,n0:空載轉(zhuǎn)速，與占空比成正比； n：由負載電流造成的轉(zhuǎn)速降落,第四節(jié)直

52、流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),電流連續(xù)時，調(diào)節(jié)占空比，便可得到一簇平行的機械特性曲線，這與晶閘管變流器供電的調(diào)速系統(tǒng)且電流連續(xù)的情況是一樣的。 圖4-35所示的簡單不可逆變換器中，電流ia不能反向，因此不能產(chǎn)生制動作用，只能作單象限運行。需要制動時必須具有反向電流ia的通路，因此應(yīng)該設(shè)置控制反向通路的第二個IGBT，如圖4-36(a)所示。這種電路組成的PWM伺服系統(tǒng)可在一、二兩個象限運行,第四節(jié)直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),a) 原理圖 (b)電壓電流波形 圖4-35 簡單的不可逆PWM變換器,第四節(jié)直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),VT1和VT2的驅(qū)動電壓大小相等、方向相反，即Ug1=-Ug2。當(dāng)電動機在電動狀態(tài)下運行

53、時，平均電壓應(yīng)為正值，一個周期內(nèi)分兩段變化。在0tton期間（ton為V1導(dǎo)通時間），Ug1為正，V1飽和導(dǎo)通；Ug2為負，V2截止。此時，電源電壓Us加到電樞兩端，電流ia沿回路1流通，見圖4-36(e)。此時，有： Us=Ria1+L +E 在tontT期間，Ug1和Ug2都變換極性，V1截止，但V2卻不能導(dǎo)通，因為ia2沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流，在VD2兩端產(chǎn)生的壓降給V2施加反壓，使它失去導(dǎo)通的可能。因此，實際上是VT1、VD2交替導(dǎo)通，而VT2始終不通，其電壓和電流波形如圖4-36(b)所示。雖然多了一個VT2，但它并沒有被用上，此時，有,第四節(jié)直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),Ria2+ L

54、 +E=0 果在電動運行中要降低轉(zhuǎn)速，則應(yīng)減小控制電壓，使Ug1的正脈沖變窄，負脈沖變寬，從而使平均電樞電壓Ua降低，但由于慣性的作用，轉(zhuǎn)速和反電動勢還來不及立即變化，造成EUa的局面。這時TV2就在電機制動中發(fā)揮作用。 反向電流的制動作用使電動機轉(zhuǎn)速下降，直到新的穩(wěn)態(tài)。最后應(yīng)該指出，當(dāng)直流電源采用半導(dǎo)體整流裝置時，在回饋制動階段電能不可能通過它送回電網(wǎng)，只能向濾波電容C充電，從而造成瞬間的電壓升高，稱作“泵升電壓”。如果回饋能量大，泵升電壓升高，將危及IGBT和整流二極管，須采取措施加以限制,第四節(jié)直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),還有一種特殊情況，在輕載電動狀態(tài)中，負載電流較小，以致當(dāng)V1關(guān)斷后ia的

55、續(xù)流很快就衰減到零，如圖4-36(d)中tonT期間的t2時刻。 這時二極管VD2截止，使V2得以導(dǎo)通，反電動勢E沿回路3流過反向電流-ia3，產(chǎn)生局部時間的能耗制動作用。到了t=T，V2關(guān)斷，-ia4又開始沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，直到t=t4時-ia4衰減到零，V1才開始導(dǎo)通。 這種在一個開關(guān)周期內(nèi)V1、VD2、V2、VD1四個管子輪流導(dǎo)通的電流波形示于圖4-36(d,第四節(jié)直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),綜合上述，帶制動回路的不可逆變換器電路中的電樞電流始終是連續(xù)的。因此，簡單不可逆電路在電流連續(xù)時導(dǎo)出的公式對于這種電路是完全適用的。 由式（4-38）可繪出具有制動作用的不可逆IGBT-M系統(tǒng)的開環(huán)機

56、械特性，如圖4-37所示，顯然，由于電流可以反向，因而可實現(xiàn)二象限運行，故系統(tǒng)在減速和停車時具有較好的動態(tài)性能和經(jīng)濟性,第四節(jié)直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),圖4-37 有制動作用的不可逆?zhèn)鲃酉到y(tǒng)的開環(huán)機械特性（nos=,第四節(jié)直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),三）可逆PWM變換器 可逆PWM變換器電路的結(jié)構(gòu)形式有H型和T型等類，這里主要討論常用的H型變換器，它是由四個功率管和四個續(xù)流二極管組成的橋式電路。 如圖4-38(a)所示，圖中功率管選用IGBT。H型電路在控制方式上分雙極式、單極式兩種工作制,第四節(jié)直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),1. 雙極性可逆PWM變換器 雙極式工作制的特點是，四個功率管IGBT的柵極驅(qū)動電壓分

57、為兩組。V1和V4同時導(dǎo)通和關(guān)斷，其柵極驅(qū)動電壓Ug1=Ug4；V2和V3同時導(dǎo)通和關(guān)斷，其柵極驅(qū)動電壓Ug2=Ug3。 雙極式可逆PWM變換器電動機電樞平均端電壓用公式表示為,第四節(jié)直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),調(diào)速時，的變化范圍變成-11。當(dāng)為正值時，電動機正轉(zhuǎn)；為負值時，電動機反轉(zhuǎn)；=0時，電動機停止。在=0時，雖然電動勢為零，電樞兩端的瞬時電壓和瞬時電流卻都不是零，而是交變的。 這個交變電流平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電機的損耗。 但它的好處是使電機帶有高頻的微振，起著所謂“動力潤滑”的作用，消除正、反向時的靜摩擦死區(qū),第四節(jié)直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),雙極式工作制的優(yōu)點是： 電流一定連續(xù)；

58、 可使電動機在四個象限運行； 電動機停止時有微振電流，能消除磨擦死區(qū)； 低速時每個功率管的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證功率管可靠導(dǎo)通；（ton=0.5T） 低速平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍很寬。 雙極式PWM傳動系統(tǒng)的缺點是：在工作過程中，四個功率管都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且容易發(fā)生上、下兩管直通（即同時導(dǎo)通）的事故，降低了裝置的可靠性。為了防止上、下兩管直通，在一管關(guān)斷和另一管導(dǎo)通的驅(qū)動脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時,第四節(jié)直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),2. 單極式可逆PWM變換器 為了克服雙極式變換器的上述缺點，對于靜、動態(tài)性能要求低一些的系統(tǒng)，可采用單極式PWM變換器。 其電路圖仍和雙極式的一樣，見圖4-3

59、8(a)，不同之處僅在于驅(qū)動脈沖信號。在單極式變換器中，左邊兩個管子的驅(qū)動脈沖Ug1=-Ug2，具有與雙極式一樣正負交替的脈沖波形，使V1和V2交替導(dǎo)通。右邊兩個管子V3和V4的驅(qū)動信號就不同了，改成因電動機的轉(zhuǎn)向而施加不同的直流控制信號,第四節(jié)直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),圖4-39 單極式PWM變換器電壓和電流波形,第四節(jié)直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),由于單極式變換器的功率開關(guān)管V3和V4二者之中總有一個常通、一個常截止，運行中無須頻繁交替導(dǎo)通，因此它與雙極式變換器相比開關(guān)損耗可以減少，裝置的可靠性有所提高。圖4-39表示了單極式變換器輸出電壓、電流時的穩(wěn)態(tài)過程波形圖,第四節(jié)直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),第四節(jié)直

60、流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),三) 脈寬伺服系統(tǒng)的開環(huán)機械特性 在穩(wěn)態(tài)情況下，PWM伺服系統(tǒng)中電動機承受的電壓仍為脈沖電壓，因此盡管有高頻電感的平波作用，電樞電流和轉(zhuǎn)速還是脈動的。 所謂穩(wěn)態(tài)，只是指電動機的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)，電樞電流實際上是周期性變化的，只能算作是“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”。脈寬調(diào)速系統(tǒng)在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)下的機械特性是其平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩（電流）的關(guān)系,第四節(jié)直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),1.電流連續(xù)時PWM伺服系統(tǒng)機械特性 對于有制動能力的不可逆電路和單極式可逆電路，其電壓方程式為： 對于雙極式可逆電路，只有第二個方程中的電源電壓改為-Us，其余不變,第四節(jié)直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng),無論是上述哪一種情況，