陳伯時運動控制系統(tǒng) 第2章轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)(沖突_PC0629rjs_2013-04-09 00-03-08)

1、第1篇 直流調(diào)速系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)直流電動機穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速方程直流電動機穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速方程eKIRUnnUIRKe式中 轉(zhuǎn)速（r/min）； 電樞電壓（V）； 電樞電流（A）； 電樞回路總電阻（ ）； 勵磁磁通（Wb）； 由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。調(diào)節(jié)直流電動機轉(zhuǎn)速的方法調(diào)節(jié)直流電動機轉(zhuǎn)速的方法 （1 1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓；）調(diào)節(jié)電樞供電電壓； （2 2）減弱勵磁磁通；）減弱勵磁磁通； （3 3）改變電樞回路電阻。）改變電樞回路電阻。（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓的調(diào)速）調(diào)節(jié)電樞供電電壓的調(diào)速調(diào)壓調(diào)速調(diào)壓調(diào)速n工作條件： 保持勵磁 = N ； 保持電阻 R = Ran調(diào)節(jié)過程： 改變電壓 UN U U

2、 n ， n0 n調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機械特性曲線平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線（2）改變電樞回路電阻的調(diào)速）改變電樞回路電阻的調(diào)速調(diào)阻調(diào)速調(diào)阻調(diào)速n工作條件： 保持勵磁 = N ； 保持電壓 U =UN ；n調(diào)節(jié)過程： 增加電阻 Ra R R n ，n0不變；n調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機械特性曲線變軟。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線（3）減弱勵磁磁通的調(diào)速）減弱勵磁磁通的調(diào)速弱磁調(diào)速弱磁調(diào)速n工作條件： 保持電壓 U =UN ； 保持電阻 R = R a ；n調(diào)節(jié)過程： 減小勵磁 N n ， n0 n調(diào)速

3、特性： 轉(zhuǎn)速上升，機械特性曲線變軟。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3調(diào)磁調(diào)速特性曲線第第2 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) 運動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)內(nèi) 容 提 要n直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源 n穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)和直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性 n轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) n直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制 n轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的限流保護 n轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真2.1 2.1 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源n晶閘管整流器晶閘管整流器-電動機系統(tǒng)電動機系統(tǒng) n直流直流PWM變換器變換器-電動機系統(tǒng)電動機系統(tǒng) 2.1.1 2.

4、1.1 晶閘管整流器晶閘管整流器- -電動機系統(tǒng)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)）整流器整流器相控整流器模式相控整流器模式驅(qū)動器驅(qū)動器電能變換器電能變換器在理想情況下，Ud和Uc之間呈線性關(guān)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 1觸發(fā)脈沖相位控制觸發(fā)脈沖相位控制n調(diào)節(jié)控制電壓Uc， n移動觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，n改變可控整流器VT輸出瞬時電壓ud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)

5、； R主電路總電阻(), ；圖2-2 V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖 其中，電阻其中，電阻R是電樞回路總電阻，它包含整理裝置是電樞回路總電阻，它包含整理裝置的內(nèi)阻和電動機的電樞電阻。的內(nèi)阻和電動機的電樞電阻。n對于一般的全控整流電路，當(dāng)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整流電路整流電路單相全波單相全波三相半波三相半波三相橋式三相橋式（全波）（全波）m236表

6、2-1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)n在整流變壓器二次側(cè)額定相電壓u2（整流器輸入電壓）的瞬時值大于反電動勢E時，晶閘管才可能被觸發(fā)導(dǎo)通。n導(dǎo)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。n由于電壓波形的脈動，造成了電流波形的脈動。 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(dāng)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）增加整流電路相數(shù)，或采用多

7、重化技術(shù)；（2）設(shè)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n當(dāng)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)速翹得很高。 n當(dāng)電流斷續(xù)時，由于非線性因素，機械特性方程要復(fù)雜得多。 n電流斷續(xù)區(qū)與電流連續(xù)區(qū)的分界線是 的曲線，當(dāng) 時，電流便開始連續(xù)了。 一個電流脈波的導(dǎo)通角。 32322.1.1 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

8、統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）整流環(huán)節(jié)整流環(huán)節(jié) 4整流裝置（含觸發(fā)器）傳遞函數(shù)n晶閘管觸發(fā)電路和整流電路的特性是非線性的。n在設(shè)計調(diào)速系統(tǒng)時，只能在一定的工作范圍內(nèi)近似地看成線性環(huán)節(jié)，n得到了它的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)后，用線性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） 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) 圖28 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時間 n滯后作用是由晶閘管整流裝置的失控時間引

9、起的。n失控時間是個隨機值。n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(guān)。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) n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(yīng)1(t-Ts)。n輸入輸出關(guān)系為： )

10、( 10scsdTtUKUn 傳遞函數(shù)為sTscdsseKsUsUsW)()()(0（214） 傳遞函數(shù)的近似處理n按泰勒級數(shù)展開，可得 33s22ssssTssTsssT! 31sT! 21sT1KeKeK)s(Wssn 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（2-16） 圖29 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)圖準(zhǔn)確的近似的整流環(huán)節(jié)整流環(huán)節(jié)5. 晶閘管整流器運行中存在的問題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(dǎo)通角變小時會使得系統(tǒng)的功率因

11、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)不可控交直變換器不可控交直變換器直流斬波器直流斬波器直流電動機直流電動機直流電網(wǎng)直流電網(wǎng)變換變換（輸出不可調(diào)）（輸出不可調(diào)）變換變換（可調(diào)電壓輸出）（可調(diào)電壓輸出）直流斬波調(diào)速直流斬波調(diào)速（調(diào)速）調(diào)速）n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。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)n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)。n

12、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。n直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)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、電流波形變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形nPWM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。VDUs+UgCVTidM+_EM21電動機上的電流只能單向電動機上的電流只能單向圖2-10 簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)簡單不可逆簡單不可逆PWM變換器變換器-直流電動機系統(tǒng)直流電動機系統(tǒng)電壓和電流波形 n在一個開關(guān)周期T內(nèi)，n當(dāng) 時，Ug為正，VT飽和導(dǎo)通，電源電壓Us通過VT加到直流電動機

13、電樞兩端。n當(dāng) 時， Ug為負， VT關(guān)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。 ontt0Tttonn直流電動機電樞兩端的平均電壓為 （2-17） n改變占空比 ，即可實現(xiàn)直流電動機的調(diào)壓調(diào)速。n令 為PWM電壓系數(shù)，則在不可逆PWM變換器中 （2-18）ssondUUTtU10sdUUn簡單不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)不允許電流反向，n續(xù)流二極管VD的作用只是為 id 提供一個續(xù)流的通道。n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1-17M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E12CUs+MVT2Ug2VT1Ug1控制要求：控制要求

14、：Ug1=-Ug2 ，即，即Ug1和和Ug2大小相等方向相反大小相等方向相反正向電動運行正向電動運行VTVT1 1 的的 ton T/2有有制動電流通路的不可逆制動電流通路的不可逆PWM變換器變換器-直流電動機系統(tǒng)直流電動機系統(tǒng)工作狀態(tài)與波形工作狀態(tài)與波形n正向電動狀態(tài) 運行條件：運行條件： ton T/2， 使：使：Ud En在0 t ton期間， Ug1為正，VT1導(dǎo)通， Ug2為負，VT2關(guān)斷。此時，電源電壓Us加到電樞兩端，電流 id 沿圖中的回路1流通。n在 ton t T 期間， Ug1和Ug2都改變極性，VT1關(guān)斷，但VT2卻不能立即導(dǎo)通，因為id沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流，在V

15、D2兩端產(chǎn)生的壓降給VT2施加反壓，使它失去導(dǎo)通的可能。 結(jié)論：結(jié)論：正向電動運正向電動運行時，實際上是由行時，實際上是由VTVT1 1和和VDVD2 2交替導(dǎo)通，交替導(dǎo)通，雖然電路中多了一雖然電路中多了一個功率開關(guān)器件個功率開關(guān)器件VTVT2 2 ，但并沒有被用上。但并沒有被用上。與簡單的不可逆電與簡單的不可逆電路波形（圖路波形（圖1-16b1-16b）完全一樣。完全一樣。U, iUdEidUsttonT0Ob）一般電動狀態(tài)的電壓、電流波形圖1-17主電路結(jié)構(gòu)主電路結(jié)構(gòu)M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1控制要求：控制要求：Ug1=-Ug2

16、，即，即Ug1和和Ug2大小相等方向相反大小相等方向相反 正向制動運行正向制動運行繼正向電動繼正向電動VTVT1 1 的的ton T/2U, iUdEidUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgOn 輸出波形c）制動狀態(tài)的電壓電流波形正向制動運正向制動運行時，行時， VT2VT2和和VD1VD1輪流導(dǎo)輪流導(dǎo)通，而通，而VT1VT1始始終是關(guān)斷的。終是關(guān)斷的。n正向制動狀態(tài) 運行條件：運行條件： ton T/2， 使：使：Ud 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(dāng)Un=0時， Uc并不

17、是零，而是某一個固定值Ucf n突加負載時，由于Idl的增加，轉(zhuǎn)速n下降，導(dǎo)致Un變正，n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 兩種調(diào)節(jié)器特性比較 UexUinUexmtUinUexOb) I調(diào)節(jié)器a) P調(diào)節(jié)器UexUintUinUexO兩種調(diào)節(jié)器I/O特性曲線積分控制規(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：n比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀，而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。n積分調(diào)節(jié)器到穩(wěn)

18、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。 那么，如果既要穩(wěn)態(tài)精度高，又要動態(tài)響應(yīng)快，該怎么辦呢？只要把比例和積分兩種控制結(jié)合起來就行了，這便是比例積分控制比例積分控制。n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)n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dtUUKdtUCRURRUininpininex11100101RRKp10CR2比例積分控制規(guī)律比例積分控制規(guī)律2比例積分控制規(guī)律比例積分控制規(guī)律n比例積分調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)器）的輸入輸出關(guān)系為 （2-55）式中，

19、UinPI調(diào)節(jié)器的輸入，UexPI調(diào)節(jié)器的輸出。n其傳遞函數(shù)為 （2-56）n令1=Kp，則PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)也可寫成如下形式 （2-57）。tininpexdtUUKU01ssKsKsWppPI11)(ssKsWpPI111)(nPI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。n比例部分能迅速響應(yīng)控制作用，n積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。n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，n比例部分和Un成正比，n積分部分表示了從t=0到此時刻對Un(t)的積分值，nUc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

20、穩(wěn)態(tài)誤差分析直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析圖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） n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 n使用積分調(diào)節(jié)器時，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 （2-59） 式中 n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()(2sTsTTsTssKKsWmlmspesCKKn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

21、分控制、比例積分控制的調(diào)速系統(tǒng)是型系統(tǒng)。n穩(wěn)態(tài)誤差定義為輸入量和反饋量的差值，即 （2-61）n衡量系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確度的是系統(tǒng)對給定輸入Un*的跟隨能力；)()()(*tUtUtUnnn1階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差n在分析階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差時，令I(lǐng)dL(s)=0。比例調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為 （2-62）n階躍給定輸入 的穩(wěn)態(tài)誤差是 ) 1)(1(11)()(2*sTsTTsTKsUsUmlmsnnsUsUnn*)(KUsTsTTsTKsUssUsUnmlmsnsnsn1) 1)(1(11)(*2*00limlim（2-65） n積分調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為 （2-63

22、）n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*00limlimsTsTTsTsKsUssUsUmlmsnsnsnn比例積分調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為 （2-64）n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*00limlimsTsTTsTssKKsUssUsUmlmspnsnsnn在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，n0型系統(tǒng)對于階躍給定輸入穩(wěn)態(tài)有差，被稱作有差調(diào)速

23、系統(tǒng)；n型系統(tǒng)對于階躍給定輸入穩(wěn)態(tài)無差，被稱作無差調(diào)速系統(tǒng)。2擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差n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）n階躍擾動 引起的的穩(wěn)態(tài)誤差是 (2-72) ) 1)(1(1) 1() 1()()(22sTsTTsTKsTsTTCsTRsIsUmlmsmlmeldLn)1 () 1)(1(1) 1() 1()(2200limlimKCRIsTsTTsTKsTsTTCsTRsIssUsUedLmlmsmlmeldLsnsnsIsIdLdL)(n積分調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差為 （2-70）n階躍擾動 引起的的穩(wěn)態(tài)誤差是 (2-73)

24、 sIsIdLdL)() 1)(1(1) 1() 1()()(22sTsTTsTsKsTsTTCsTRsIsUmlmsmlmeldLn0) 1)(1(1) 1() 1()(2200limlimsTsTTsTsKsTsTTCsTRsIssUsUmlmsmlmeldLsnsnn比例積分調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差為 （2-71）n階躍擾動 引起的的穩(wěn)態(tài)誤差是 (2-74) sIsIdLdL)() 1)(1() 1(1) 1() 1()()(22sTsTTsTssKKsTsTTCsTRsIsUmlmspmlmeldLn0) 1)(1() 1(1) 1() 1()(2200limlimsTsTTsTssKKsTs

25、TTCsTRsIssUsUmlmspmlmeldLsnsnn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)。n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，稱作有靜差調(diào)速系統(tǒng)；n積分控制或比例積分控制的調(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，稱作無靜差調(diào)速系統(tǒng)。2.4 直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制n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(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的影響；n其控制軟件能夠進行邏輯判斷和復(fù)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(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)

26、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 n微機控制的調(diào)速系統(tǒng)是一個數(shù)字采樣系統(tǒng)。其中K1是給定值的采樣開關(guān)，K2是反饋值的采樣開關(guān)，K3是輸出的采樣開關(guān)。若所有的采樣開關(guān)是等周期地一起開和閉，則稱為同步采樣。n微型計算機只有在采樣開關(guān)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。n信號的離散化是微機數(shù)字控制系統(tǒng)的第一個特點。n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。n用一組數(shù)碼（如二進制數(shù)）來逼近離散模擬信號的

27、幅值，將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。n信號的數(shù)字化是微機數(shù)字控制系統(tǒng)的第二個特點。n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(fù)）模擬信號。n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。n微型計算機控制的直流調(diào)速系統(tǒng)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n光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是檢測轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角

28、的元件，旋轉(zhuǎn)編碼器與電動機相連，當(dāng)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。n旋轉(zhuǎn)編碼器可分為絕對式和增量式兩種。n絕對式編碼器常用于檢測轉(zhuǎn)角。n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。n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。n正轉(zhuǎn)時A相超前B相；反轉(zhuǎn)時B相超前A相。n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(biāo)數(shù)字測速方法的精度指標(biāo)n（1）分辨率）分辨率n用改變一個計數(shù)值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化量來表示分辨率，用符號Q表示。

29、n當(dāng)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 （2-75）n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。12nnQn（2）測速誤差率）測速誤差率n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 （2-76）n測速誤差率反映了測速方法的準(zhǔn)確性，越小，準(zhǔn)確度越高。100%nn3M法測速法測速n記取一個采樣周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器發(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。 (2-77)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 601c

30、ZTMn n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，n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nM法測速分辨率為 （2-78）nM法測速的分辨率與實際轉(zhuǎn)速的大小無關(guān)。nM法的測速誤差率的最大值為 （2-79）nmax與M1成反比。轉(zhuǎn)速愈低，M1愈小，誤差率愈大。 cccZTZTMZTMQ6060) 1(6011%100M1%100ZTM60 ZT)1M(60 ZTM601c1c1c1max4T法測速nT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。n與M法測速不同的是， T法測速所計的是計算機發(fā)出

31、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n準(zhǔn)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 ，n電動機轉(zhuǎn)速為 （2-80）02/ fMTt026060tfnZTZMnT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， （2-81）n綜合式（2-80）和式（2-81），可得 (2-82)nT法測速的分辨率與轉(zhuǎn)速高低有關(guān)，轉(zhuǎn)速越低，Q值越小，分辨能力越強。) 1(6060) 1(602202020MZMfZMfMZfQZnfZnQ0260nT法測速誤差率的最大值為 （2-83）n低速時，

32、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。nT法測速更適用于低速段。0022max0226060 (1)1100%100%601ffZ MZMfMZM5M/T法測速n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。nT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。n綜合這兩種測速方法的特點，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n關(guān)鍵是和計數(shù)同步開始和關(guān)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

33、。n采樣時鐘Tc 由系統(tǒng)的定時器產(chǎn)生，其數(shù)值始終不變。n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 。 n檢測周期T內(nèi)被測轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角為 (2-84)n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 (2-85)n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 (2-86)n綜合式(2-74)、式(2-75)和式(2-76)便可求出被測的轉(zhuǎn)速為： (2-87)260nTZM2102fMT 210ZMMf60n n在高速段，TcT1，TcT2，可看成TTc： (2-88)nM2f0Tf0Tc，代入

34、式（2-78)可得： (2-89) n在高速段，與M法測速的分辨率完全相同。n在低速段，M11，M2隨轉(zhuǎn)速變化，分辨率與T法測速完全相同。nM/T法測速無論是在高速還是在低速都有較強的分辨能力。202102106060) 1(60ZMfZMMfZMMfQcZT60Q n在M/T法測速中，檢測時間是以脈沖編碼器的輸出脈沖的邊沿為基準(zhǔn)，計數(shù)值M2最多產(chǎn)生一個時鐘脈沖的誤差。nM2的數(shù)值在中、高速時，基本上是一個常數(shù) M2Tf0Tcf0，其測速誤差率為 ，n在低速時， M2 Tf0 Tcf0 ，nM/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nPI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)列出如下

35、： （2-56） n輸出函數(shù)和輸入誤差函數(shù)關(guān)系的時域表達式為 （2-90） 式中 Kp 為比例系數(shù)，KI 為積分系數(shù)。n轉(zhuǎn)換為差分方程，其第k拍輸出為 （2-91） 式中Tsam為采樣周期。1( )pPIKsWssdtteKteKdtteteKtuIPp)()()(1)()() 1()()()()()()()(1kukeTKkeKkukeKieTKkeKkuIsamIPIPkisamIPn數(shù)字PI調(diào)節(jié)器有位置式和增量式兩種算法，n位置式算法中，u(k)為第k拍的輸出值。比例部分只與當(dāng)前的偏差有關(guān)，積分部分則是系統(tǒng)過去所有偏差的累積。n增量式算法只需要當(dāng)前的和上一拍的偏差即可計算輸出值。 )()

36、 1()() 1()()(keTKkekeKkukukusamIP( )(1)( )(1)( )(1)( )PIsamu ku ku ku kKe ke kK Te k（2-93） （2-94） n在數(shù)字控制算法中，要對u限幅，須在程序內(nèi)設(shè)置限幅值 um，當(dāng)|u(k)|um時，便以限幅值 um作為輸出。n增量式PI調(diào)節(jié)器算法只需輸出限幅，n位置式算法必須同時設(shè)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)。2.5 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

37、問題n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，相當(dāng)于全壓起動，會造成電動機過流。n當(dāng)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。n系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。n引入電流負反饋，可以使它不超過允許值。但這種作用只應(yīng)在起動和堵轉(zhuǎn)時存在，在正常的穩(wěn)速運行時又得取消。n當(dāng)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 帶電流截止負反饋環(huán)節(jié)的直流調(diào)速系統(tǒng)帶電流截止負反饋環(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)（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

38、止負反饋環(huán)節(jié)n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。n圖2-38(a)中用獨立的直流電源作為比較電壓Ucom，其大小可用電位器調(diào)節(jié)，n在IdRc與Ucom之間串接一個二極管VD，當(dāng)IdRc Ucom時，二極管導(dǎo)通，電流負反饋信號Ui即可加到放大器上去；當(dāng)IdRc Ucom時，二極管截止， Ui消失。n圖2-38(b)中利用穩(wěn)壓管VST的擊穿電壓Ubr作為比較電壓Ucom 。n截止電流 Idcr=Ucom/Rsn當(dāng)輸入信號IdRc-Ucom0時，輸出Ui=IdRc-Ucom，n當(dāng)IdRc-Ucom 0時，輸出Ui=0。 圖2-39 電流截止負反饋環(huán)節(jié)的輸入輸出

39、特性圖2-40 帶電流截止負反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2帶電流截止負反饋比例控制閉環(huán)直流調(diào)速帶電流截止負反饋比例控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性n當(dāng)IdIdcr時，電流負反饋被截止，靜特性與只有轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性相同， （2-32）n當(dāng)IdIdcr后，引入了電流負反饋，靜特性變成 （2-95）)1 ()1 (*KCRIKCUKKnedensp)1 ()()1 ()()1 ()()1 ()1 (*KCIRKKRKCUUKKKCRIUIRKCKKKCUKKnedsspecomnspedcomdsespensp圖2-41帶電流截止負反饋比例控制閉環(huán)

40、直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性nCA段 : 電流負反饋被截止 nAB段 : 電流負反饋起作用 n電流負反饋的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個大電阻 。n比較電壓與給定電壓的作用一致，好象把理想空載轉(zhuǎn)速提高到 )1 ()(*0KCUUKKnecomnsp（2-96） sspRKKn令n=0，得到堵轉(zhuǎn)電流Iabl ， （2-97）n一般KpKsRsR，因此 （2-98）nIabl應(yīng)小于電動機允許的最大電流，一般為 Iabl =（1.52）INn截止電流應(yīng)大于電動機的額定電流，取 Idcr= （ 1.11.2 ）INscomndblRUUI*sspcomnspdblRKKRUUKKI)(*3帶電流截止的無靜差直流

41、調(diào)速系統(tǒng)帶電流截止的無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)圖2-42 無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)nTA為檢測電流的交流互感器，經(jīng)整流后得到電流反饋信號Ui。n當(dāng)電流達到截止電流Idcr時， Ui高于穩(wěn)壓管VS的擊穿電壓，使晶體三極管VBT導(dǎo)通，n忽略晶體三極管VBT導(dǎo)通壓降，則PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓Uc為零，n電力電子變換器UPE的輸出電壓Ud=0，達到限制電流的目的。 圖2-43 無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（IdIdcr）n轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)(2-99)式中 nmax電動機調(diào)壓時的最高轉(zhuǎn)速； U*nmax相應(yīng)的最高給定電壓。max*maxnUn圖2-44 帶電流截止的無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性2.6 轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系

42、統(tǒng)的仿真轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真nMATLAB下的SIMULINK軟件進行系統(tǒng)仿真是十分簡單和直觀的，n用戶可以用圖形化的方法直接建立起仿真系統(tǒng)的模型，并通過SIMULINK環(huán)境中的菜單直接啟動系統(tǒng)的仿真過程，同時將結(jié)果在示波器上顯示出來， 2.6.1 轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真框圖及參數(shù)框圖及參數(shù)n直流電動機：額定電壓 ， 額定電流 ,額定轉(zhuǎn)速 ， 電動機電勢系數(shù) n晶閘管整流裝置輸出電流可逆，裝置的放大系數(shù) ，滯后時間常數(shù) ，n電樞回路總電阻 ，電樞回路電磁時間常數(shù) ，電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù) ，n轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) ，n對應(yīng)額定轉(zhuǎn)速時的給定電壓 。VUN220AIdN55min1000r/nNrVCemin/192. 044Kss.Ts0016700 . 1R0.00167slTs.Tm0750/rV min0.01 VUn10*圖2-45 比例積分控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真框圖 2.3.2 仿真模型的建立圖2-46 SIMULINK模塊瀏覽器窗口n進入MATLAB，單