電氣傳動課件

1、電氣傳動控制系統(tǒng)的組成及其工作原理第 1 部分所用教材名稱及教學(xué)安排 n1. 電力拖動自動控制系統(tǒng)第4版；機械工業(yè)出版社 n 上海大學(xué) 陳伯時n2 電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的MATLAB仿真 洪乃剛n3.電力牽引控制系統(tǒng)；王書林電力工業(yè)出版社n n 教學(xué)安排n 講課 38 學(xué)時 （分2段）n自學(xué) n演示實驗機動 2 學(xué)時n上機 復(fù)習(xí)及參考資料n復(fù)習(xí) ： 電機學(xué) 直流電機、變壓器、交流電機、同步電機 電力電子技術(shù) 整流、逆變、變頻、pwm電源、驅(qū)動電路、觸發(fā)器 自動控制原理 時域法、根軌跡法、頻率法、校正 檢測技術(shù) 交直流電壓、電流檢測（互感器、霍爾元器件）、位置檢測（旋轉(zhuǎn)變壓器、自整角機、光

2、柵、感應(yīng)同步器） 速度檢測（測速發(fā)電機、光電碼盤） 參考資料：期刊兩本電氣傳動 電力電子技術(shù)電力牽引控制系統(tǒng)中國鐵道出版社 連級三控制系統(tǒng)MATLAB仿真及計算國防工業(yè)出版社 黃忠霖學(xué)習(xí)考核形式n考勤： 10%n 作業(yè)： 10%n 上機仿真：10%n 考試： 70%n 答疑： 每周一次n 確定班長一名：上情下達 下情上達 考勤 收交作業(yè) 留聯(lián)系電話電氣傳動控制系統(tǒng)的四個基本組成部分n1電動機（直流電機、交流電機、步進電機、同步電機、伺服電機）n2調(diào)速電源（可調(diào)直流、交流、變頻、pwm電源）開環(huán)控制n3反饋機構(gòu)（速度、位置、電流、電壓.）閉環(huán)控制n4調(diào)節(jié)器（決定動靜態(tài)性能、PI、PID、PD、模

3、糊、智能、自適應(yīng)）q 直流電氣傳動系統(tǒng)的組成直流電氣傳動系統(tǒng)的組成 直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中如鐵道電力牽引、冶金及礦山生產(chǎn)、機械制造、城軌地鐵、航空航天得到了廣泛的應(yīng)用。 由于直流拖動控制系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，為了保持由淺入深的教學(xué)順序，應(yīng)該首先很好地掌握直流拖動控制系統(tǒng)。根據(jù)直流電動機轉(zhuǎn)速方程 eKIRUnq 直流調(diào)速方法直流調(diào)速方法nUIRKe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）；

4、由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。（1-1）調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速方法： 由式（1-1）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速： （1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U。 （2）減弱勵磁磁通）減弱勵磁磁通 。 （3）改變電樞回路電阻）改變電樞回路電阻 R。（1）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 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）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

5、 ，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）調(diào)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)速特性： 轉(zhuǎn)速上升，機械特性曲線變軟。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線 三種調(diào)速方法的性能與比較 對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。 因此，自動

6、控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。1、 閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 本章著重討論基本的閉環(huán)控制系統(tǒng)組成及其工作原理分析1.1 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 根據(jù)前面分析，調(diào)壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方法，而調(diào)節(jié)電樞電壓需要有專門向電動機供電的可控直流電源。 本節(jié)介紹幾種主要的可控直流電源。常用的可控直流電源有以下三種n旋轉(zhuǎn)變流機組用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，獲得可調(diào)的直流電壓。n靜止式可控整流器用靜止式的可控整流器獲得可調(diào)的直流電壓。n直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關(guān)器件斬波或進行脈寬調(diào)制，產(chǎn)生

7、可變的平均電壓。1.1.1 旋轉(zhuǎn)變流機組旋轉(zhuǎn)變流機組圖1-1 旋轉(zhuǎn)變流機組和由它供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）原理圖 G-M系統(tǒng)工作原理 由原動機（柴油機、交流異步或同步電動機）拖動直流發(fā)電機 G 實現(xiàn)變流，由 G 給需要調(diào)速的直流電動機 M 供電，調(diào)節(jié)G 的勵磁電流 if 即可改變其輸出電壓 U，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速 n 。 這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡稱G-M系統(tǒng)，國際上通稱Ward-Leonard系統(tǒng)。 G-M系統(tǒng)特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限圖1-2 G-M系統(tǒng)的機械特性 1.1.2 靜止式可控整流器靜止式可控整流器圖1-3 晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（V

8、-M系統(tǒng)）原理圖 V-M系統(tǒng)工作原理 晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止的Ward-Leonard系統(tǒng)），圖中VT是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓 Uc 來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud ，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。 V-M系統(tǒng)的特點 與G-M系統(tǒng)相比較：n晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在10 4 以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制，不再像直流發(fā)電機那樣需要較大功率的放大器。n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。

9、 V-M系統(tǒng)的問題n由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。n晶閘管對過電壓、過電流和過高的du/dt與di/dt 都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內(nèi)損壞器件。n由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力公害”。1.1.3 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器 在干線鐵道電力機車、工礦電力機車、城市有軌和無軌電車和地鐵電機車等電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵或復(fù)勵電動機，由恒壓直流電網(wǎng)供電，過去用切換電樞回路電阻來控制電機的起動、制動和調(diào)速，在電阻中耗電很大。a）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton 1. 直流斬波

10、器的基本結(jié)構(gòu)圖1-5 直流斬波器-電動機系統(tǒng)的原理圖和電壓波形 +MUsLVDM+- 2. 斬波器的基本控制原理 在原理圖中，VT 表示電力電子開關(guān)器件，VD 表示續(xù)流二極管。當VT 導(dǎo)通時，直流電源電壓 Us 加到電動機上；當VT 關(guān)斷時，直流電源與電機脫開，電動機電樞經(jīng) VD 續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，電樞端電壓波形如圖1-5b ，好像是電源電壓Us在ton 時間內(nèi)被接上，又在 T ton 時間內(nèi)被斬斷，故稱“斬波”。這樣，電動機得到的平均電壓為 3. 輸出電壓計算ssondUUTtU(1-2)式中 T 晶閘管的開關(guān)周期； ton 開通時間； 占空比， = ton / T = to

11、n f ,其中 f 為開關(guān)頻率。輸出電壓計算 為了節(jié)能并實行無觸點控制，現(xiàn)在多用電力電子開關(guān)器件，如快速晶閘管、GTO、IGBT等。 采用簡單的單管控制時，稱作直流斬波器，后來逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調(diào)制開關(guān)的電路，脈寬調(diào)制變換器（PWM-Pulse Width Modulation）。 4. 斬波電路三種控制方式n根據(jù)對輸出電壓平均值進行調(diào)制的方式不同而劃分，有三種控制方式：nT 不變，變 ton 脈沖寬度調(diào)制（PWM）；nton不變，變 T 脈沖頻率調(diào)制（PFM）；nton和 T 都可調(diào)，改變占空比混合型。 PWM系統(tǒng)的優(yōu)點（1）主電路線路簡單，需用的功率器件少。（2）開關(guān)頻率高，電流容

12、易連續(xù)，諧波少， 電機損耗及發(fā)熱都較小。（3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬， 可達1:10000左右。（4）若與快速響應(yīng)的電機配合，則系統(tǒng)頻帶 寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強。PWM系統(tǒng)的優(yōu)點（續(xù)）（5）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通 損耗小，當開關(guān)頻率適當時，開關(guān)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(wǎng)功率 因數(shù)比相控整流器高。1.2 晶閘管晶閘管-電動機系統(tǒng)（電動機系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）系統(tǒng)） 的主要問題的主要問題 本節(jié)討論V-M系統(tǒng)的幾個主要問題：（1）觸發(fā)脈沖相位控制。（2）電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)。（3）抑制電流脈動的措施。（4）晶閘管-電動機系統(tǒng)的

13、機械特性。（5）晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和 傳遞函數(shù)。 在如圖可控整流電路中，調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 輸出脈沖的相位，即可很方便地改變可控整流器 VT 輸出瞬時電壓 ud 的波形，以及輸出平均電壓 Ud 的數(shù)值。a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+ + +OOOOO1.2.1 觸發(fā)脈沖相位控制觸發(fā)脈沖相位控制Ud0IdE 等效電路分析 如果把整流裝置內(nèi)阻移到裝置外邊，看成是其負載電路電阻的一部分，那么，整流電壓便可以用其理想空載瞬時值 ud0 和平均值 Ud0 來表示，相當于用圖示的等效電路代替實際的整流電路。圖1-7 V

14、-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖 式中 電動機反電動勢（V）； 整流電流瞬時值（A）； 主電路總電感（H）； 主電路等效電阻（）， R = Rrec + Ra + RL。EidLR 瞬時電壓平衡方程tiLRiEuddddd0(1- 4)瞬時電壓平衡方程 對ud0進行積分，即得理想空載整流電壓平均值Ud0 。 用觸發(fā)脈沖的相位角 控制整流電壓的平均值Ud0是晶閘管整流器的特點。 Ud0與觸發(fā)脈沖相位角 的關(guān)系因整流電路的形式而異，對于一般的全控整流電路，當電流波形連續(xù)時，Ud0 = f () 可用下式表示科學(xué)研究工作的步驟：n1.了解客觀規(guī)律 工作原理；n2.建立數(shù)學(xué)模型(動靜態(tài)）或物理模型；n3.研

15、究解決問題方案 工程設(shè)計方法；n4.計算機仿真 MATLAB 2個工具箱；n5.實驗室物理模型試驗（低壓、小電流）；性能測試 試驗報告n6.性能樣機實驗 性能測試 實驗報告；n7.工藝樣機 工藝設(shè)計 外觀設(shè)計. 式中 從自然換相點算起的觸發(fā)脈沖控制角； = 0 時的整流電壓波形峰值（V）； 交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)。對于不同的整流電路，它們的數(shù)值見表1-1。Umm 整流電壓的平均值計算cossinmd0mUmU(1-5)表1-1 不同整流電路的整流電壓波形峰值、脈波數(shù)及平均整流電壓* U2 是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。 整流與逆變狀態(tài)n當 0 0 ，晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，電功

16、率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)； n當 /2 max 時， Ud0 0 ，裝置處于有源逆變狀態(tài)，電功率反向傳送。 為避免逆變顛覆，應(yīng)設(shè)置最大的移相角限制。相控整流器的電壓控制曲線如下圖 圖1-8 相控整流器的電壓控制曲線 O 逆變顛覆限制 通過設(shè)置控制電壓限幅值，來限制最大觸發(fā)角。1.2.2 電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù) 由于電流波形的脈動，可能出現(xiàn)電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，這是V-M系統(tǒng)不同于G-M系統(tǒng)的又一個特點。當V-M系統(tǒng)主電路有足夠大的電感量，而且電動機的負載也足夠大時，整流電流便具有連續(xù)的脈動波形。當電感量較小或負載較輕時，在某一相導(dǎo)通后電流升高的階段里，電感中的

17、儲能較少；等到電流下降而下一相尚未被觸發(fā)以前，電流已經(jīng)衰減到零，于是，便造成電流波形斷續(xù)的情況。V-M系統(tǒng)主電路的輸出圖1-9 V-M系統(tǒng)的電流波形a）電流連續(xù)b）電流斷續(xù)OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEUdudttudidid1.2.3 抑制電流脈動的措施抑制電流脈動的措施 在V-M系統(tǒng)中，脈動電流會產(chǎn)生脈動的轉(zhuǎn)矩，對生產(chǎn)機械不利，同時也增加電機的發(fā)熱。為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動的措施，主要是：n設(shè)置平波電抗器；n增加整流電路相數(shù)；n采用多重化技術(shù)。 （1）平波電抗器的設(shè)置與計算n單相橋式全控整流電路 n三相半波整流電路 n

18、三相橋式整流電路 mind287. 2IUL mind246. 1IUL mind2693. 0IUL（1-6）（1-8）（1-7）（2）多重化整流電路 如圖電路為由2個三相橋并聯(lián)而成的12脈波整流電路，使用了平衡電抗器來平衡2組整流器的電流。并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的12脈波整流電路MLTVT12c1b1a1c2b2a2LPM1.2.4 晶閘管晶閘管-電動機系統(tǒng)的機械特性電動機系統(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電機在額定磁通下的電動勢系數(shù),Ce = KeN 。式（1-9）等號右邊 Ud0 表達式的適用范圍見1.2.1中的有關(guān)內(nèi)容。)cossin(1)(1dmed0de

19、RImUmCRIUCn（1-9）（1）電流連續(xù)情況 改變控制角，得一族平行直線，這和G-M系統(tǒng)的特性很相似，如圖1-10所示。 圖中電流較小的部分畫成虛線，表明這時電流波形可能斷續(xù)，式（1-9）已經(jīng)不適用了。圖1-10 電流連續(xù)時V-M系統(tǒng)的機械特性 n = Id R / CenIdILO電流連續(xù)情況n上述分析說明：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。 當電流斷續(xù)時，由于非線性因素，機械特性方程要復(fù)雜得多。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)時機械特性須用下列方程組表示 (1-10) (1-11)式中 ； 一個電流脈波的導(dǎo)通角。2)6cos()6cos(

20、2232e2dnUCRUI)e1 (e)6sin()6sin(cos2ctgectg2CUnRLarctg（2）電流斷續(xù)情況（3）電流斷續(xù)機械特性計算 當阻抗角 值已知時，對于不同的控制角，可用數(shù)值解法求出一族電流斷續(xù)時的機械特性。 對于每一條特性，求解過程都計算到 = 2/3為止，因為 角再大時，電流便連續(xù)了。對應(yīng)于 = 2/3 的曲線是電流斷續(xù)區(qū)與連續(xù)區(qū)的分界線。圖1-11 完整的V-M系統(tǒng)機械特性（4）V-M系統(tǒng) 機械特性（5）V-M系統(tǒng)機械特性的特點 圖1-11繪出了完整的V-M系統(tǒng)機械特性，分為電流連續(xù)區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)。由圖可見：n當電流連續(xù)時，特性還比較硬；n斷續(xù)段特性則很軟，而且呈

21、顯著的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。1.2.5 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 在進行調(diào)速系統(tǒng)的分析和設(shè)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(yīng)用線性控制理論進行直流調(diào)速系統(tǒng)分析或設(shè)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)。晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 實際的觸發(fā)電路和整流電路都是非線性的，只能在一定的工作范圍內(nèi)近似看成線性環(huán)節(jié)。 如有可能，最好先用實驗方法測出該環(huán)節(jié)的輸入-輸出特性，即曲線，圖1-13是采用鋸齒波觸發(fā)器移相時的特性。設(shè)計時，希望整個調(diào)速范圍的工

22、作點都落在特性的近似線性范圍之中，并有一定的調(diào)節(jié)余量。 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(nèi)的特性率決定，計算方法是cdsUUK圖1-13 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出特性和的測定 (1-12) 如果不可能實測特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。n例如： 設(shè)觸發(fā)電路控制電壓的調(diào)節(jié)范圍為 Uc = 010V 相對應(yīng)的整流電壓的變化范圍是 Ud = 0220V 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 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(yīng)是由晶閘管的失控時

23、間引起的。眾所周知，晶閘管一旦導(dǎo)通后，控制電壓的變化在該器件關(guān)斷以前就不再起作用，直到下一相觸發(fā)脈沖來到時才能使輸出整流電壓發(fā)生變化，這就造成整流電壓滯后于控制電壓的狀況。u2udUctt10Uc1Uc21tt00022Ud01Ud02TSOOOO（1）晶閘管觸發(fā)與整流失控時間分析圖1-14 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時間 顯然，失控制時間是隨機的，它的大小隨發(fā)生變化的時刻而改變，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(guān)，由下式確定 (1-13) （2）最大失控時間計算式中 交流電流頻率（Hz）； 一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。fmmfT1maxs （3

24、）Ts 值的選取 相對于整個系統(tǒng)的響應(yīng)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)。也有人主張按最嚴重的情況考慮，取Ts = Tsmax 。表1-2列出了不同整流電路的失控時間。表1-2 各種整流電路的失控時間（f =50Hz） 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(guān)系為按拉氏變換的位移定理，晶閘管裝置的傳遞函數(shù)為（1-14）（4）傳遞函數(shù)的求取)( 1scs0dTtUKUsTKsUsUsWse)()()(sc0ds（4）傳遞函數(shù)的求取 由于式（1-14）中包含指數(shù)函數(shù)，它使系統(tǒng)成為非最小相位系統(tǒng)，分析和設(shè)計都比較麻煩

25、。為了簡化，先將該指數(shù)函數(shù)按臺勞級數(shù)展開，則式（1-14）變成 （1-15） 33s22ssssss! 31! 211ee)(sssTsTsTKKKsWsTsT （5）近似傳遞函數(shù) 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)。（1-16）sTKsWsss1)( （6）晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)sTssKeUc(s)Ud0(s)1sTKssUc(s)Ud0(s)a) 準確的b） 近似的圖1-15 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖ssss返回目錄返回目錄1.3 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題 自從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（P

26、WM）的高頻開關(guān)控制方式形成的脈寬調(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)，即直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。本節(jié)提要本節(jié)提要nPWM變換器的工作狀態(tài)和波形n直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機械特性nPWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型n電能回饋與泵升電壓的限制1.3.1 PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、變換器的工作狀態(tài)和電壓、 電流波形電流波形 PWM變換器的作用是：用PWM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系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。 PWM變換器電路有多種形式，主要分為不可逆與可逆兩大類，下面分別闡述其工作原理。1. 不可逆PWM變換器（1）簡單的不可

27、逆）簡單的不可逆PWM變換器變換器 簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)主電路原理圖如圖1-16所示，功率開關(guān)器件可以是任意一種全控型開關(guān)器件，這樣的電路又稱直流降壓斬波器。 圖1-16 簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng) VDUs+UgCVTidM+_Ea）主電路原理圖 M 主電路結(jié)構(gòu)21UdOtUg圖中： Us直流電源電壓 C 濾波電容器 M 直流電動機 VD 續(xù)流二極管VT 功率開關(guān)器件 VT 的柵極由脈寬可調(diào)的脈沖電壓系列Ug驅(qū)動。工作狀態(tài)與波形在一個開關(guān)周期內(nèi)，n當0 t ton時，Ug為正，VT導(dǎo)通，電源電壓通過VT加到電動機電樞兩端；n當ton t T 時， Ug為負，

28、VT關(guān)斷，電樞失去電源，經(jīng)VD續(xù)流。U, iUdEidUsttonT0圖1-16 b 電壓和電流波形O電機兩端得到的平均電壓為(1-17)式中 = ton / T 為 PWM 波形的占空比， ssondUUTtU輸出電壓方程 改變 （ 0 1 ）即可調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，若令 = Ud / Us為PWM電壓系數(shù)，則在不可逆PWM 變換器中 = (1-18)（2）有制動的不可逆PWM變換器電路 在簡單的不可逆電路中電流不能反向，因而沒有制動能力，只能作單象限運行。需要制動時，必須為反向電流提供通路，如圖1-17a所示的雙管交替開關(guān)電路。當VT1 導(dǎo)通時，流過正向電流 + id ，VT2 導(dǎo)通時，流過

29、id 。應(yīng)注意，這個電路還是不可逆的，只能工作在第一、二象限， 因為平均電壓 Ud 并沒有改變極性。圖1-17a 有制動電流通路的不可逆PWM變換器 主電路結(jié)構(gòu)M+VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1 工作狀態(tài)與波形n一般電動狀態(tài) 在一般電動狀態(tài)中，始終為正值（其正方向示于圖1-17a中）。設(shè)ton為VT1的導(dǎo)通時間，則一個工作周期有兩個工作階段：n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。一般電動狀態(tài)（續(xù)）n在 ton t T 期間， Ug1和Ug2都改

30、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VD2兩端產(chǎn)生的壓降給VT2施加反壓，使它失去導(dǎo)通的可能。 因此，實際上是由VT1和VD2交替導(dǎo)通，雖然電路中多了一個功率開關(guān)器件，但并沒有被用上。U, iUdEidUsttonT0On輸出波形： 一般電動狀態(tài)的電壓、電流波形與簡單的不可逆電路波形（圖1-17b）完全一樣。圖1-17b 一般電動狀態(tài)的電壓、電流波形工作狀態(tài)與波形（續(xù)）n制動狀態(tài) 在制動狀態(tài)中， id為負值，VT2就發(fā)揮作用了。這種情況發(fā)生在電動運行過程中需要降速的時候。這時，先減小控制電壓，使 Ug1 的正脈沖變窄，負脈沖變寬，從而使平均電樞電壓

31、Ud降低。但是，由于機電慣性，轉(zhuǎn)速和反電動勢E還來不及變化，因而造成 E Ud 的局面，很快使電流id反向，VD2截止， VT2開始導(dǎo)通。 制動狀態(tài)的一個周期分為兩個工作階段：n在 0 t ton 期間，VT2 關(guān)斷，id 沿回路 4 經(jīng) VD1 續(xù)流，向電源回饋制動，與此同時， VD1 兩端壓降鉗住 VT1 使它不能導(dǎo)通。n在 ton t T期間， Ug2 變正，于是VT2導(dǎo)通，反向電流 id 沿回路 3 流通，產(chǎn)生能耗制動作用。 因此，在制動狀態(tài)中， VT2和VD1輪流導(dǎo)通，而VT1始終是關(guān)斷的，此時的電壓和電流波形示于圖1-17c。 U, iUdE-idUsttonT04444333VT

32、2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgOn 輸出波形圖1-17c 制動狀態(tài)的電壓電流波形O工作狀態(tài)與波形（續(xù)）n輕載電動狀態(tài) 有一種特殊情況，即輕載電動狀態(tài)，這時平均電流較小，以致在關(guān)斷后經(jīng)續(xù)流時，還沒有到達周期 T ，電流已經(jīng)衰減到零，此時，因而兩端電壓也降為零，便提前導(dǎo)通了，使電流方向變動，產(chǎn)生局部時間的制動作用。 輕載電動狀態(tài)，一個周期分成四個階段：n第1階段，VD1續(xù)流，電流 id 沿回路4流通n第2階段，VT1導(dǎo)通，電流 id 沿回路1流通n第3階段，VD2續(xù)流，電流 id 沿回路2流通n第4階段，VT2導(dǎo)通，電流 id 沿回路3流通 在1、4階段，電動機流過負方向電流，電機工

33、作在制動狀態(tài)； 在2、3階段，電動機流過正方向電流，電機工作在電動狀態(tài)。 因此，在輕載時，電流可在正負方向之間脈動，平均電流等于負載電流，其輸出波形見圖1-17d。n 輸出波形圖1-17d 輕載電動狀態(tài)的電流波形4123TtonU, iUdEidUsttonT041 23OidtOt4t2小小 結(jié)結(jié)0 ton ton T 期間 工作狀態(tài) 0 t4 t4 ton ton t2 t2 T 一般電動 狀態(tài) 導(dǎo)通器件 電流回路 電流方向 VT1 1 + VD2 2 + 制動狀態(tài) 導(dǎo)通器件 電流回路 電流方向 VD1 4 VT2 3 輕載電動 狀態(tài) 導(dǎo)通器件 電流回路 電流方向 VD1 4 VT1 1

34、+ VD2 2 + VT2 3 表1-3 二象限不可逆PWM變換器在不同工作狀態(tài)下的 導(dǎo)通器件和電流回路與方向2. 橋式可逆PWM變換器 可逆PWM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱H形）電路，如圖1-18所示。 這時，電動機M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件柵極驅(qū)動電壓極性的變化而改變，其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種，這里只著重分析最常用的雙極式控制的可逆PWM變換器。+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4圖1-18 橋式可逆PWM變換器n H形主電路結(jié)構(gòu)n 雙極式控制

35、方式（1）正向運行n第1階段，在 0 t ton 期間， Ug1 、 Ug4為正， VT1 、 VT4導(dǎo)通， Ug2 、 Ug3為負，VT2 、 VT3截止，電流 id 沿回路1流通，電動機M兩端電壓UAB = +Us ；n第2階段，在ton t T期間， Ug1 、 Ug4為負， VT1 、 VT4截止， VD2 、 VD3續(xù)流， 并鉗位使VT2 、 VT3保持截止，電流 id 沿回路2流通，電動機M兩端電壓UAB = Us ；n 雙極式控制方式（續(xù)）（2）反向運行n第1階段，在 0 t ton 期間， Ug2 、 Ug3為負，VT2 、 VT3截止， VD1 、 VD4 續(xù)流，并鉗位使 V

36、T1 、 VT4截止，電流 id 沿回路4流通，電動機M兩端電壓UAB = +Us ；n第2階段，在ton t T 期間， Ug2 、 Ug3 為正， VT2 、 VT3導(dǎo)通， Ug1 、 Ug4為負，使VT1 、 VT4保持截止，電流 id 沿回路3流通，電動機M兩端電壓UAB = Us ；n 輸出波形U, iUdEid+UsttonT0-UsO(1) 正向電動運行波形U, iUdEid+UsttonT0-UsO(2) 反向電動運行波形n 輸出平均電壓雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為（1-19） 如果占空比和電壓系數(shù)的定義與不可逆變換器中相同，則在雙極式控制的可逆變換器中 = 2

37、1 （1-20）注意：這里 的計算公式與不可逆變換器中的公式就不一樣了。sonsonsond) 12(UTtUTtTUTtUn 調(diào)速范圍 調(diào)速時， 的可調(diào)范圍為01， 1 0.5時， 為正，電機正轉(zhuǎn)n當 0.5時， 為負，電機反轉(zhuǎn)n當 = 0.5時， = 0 ，電機停止注注 意意 當電機停止時電樞電壓并不等于零，而是正負脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電機的損耗，這是雙極式控制的缺點。但它也有好處，在電機停止時仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動力潤滑”的作用。n 性能評價 雙極式控制的橋式可逆PWM變換

38、器有下列優(yōu)點： 1）電流一定連續(xù)。 2）可使電機在四象限運行。 3）電機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)。 4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達1:20000 左右。 5）低速時，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬， 有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。 n 性能評價（續(xù)） 雙極式控制方式的不足之處是： 在工作過程中，4個開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且在切換時可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時。1.3.2 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機械特性直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機械特性 由于采用脈寬調(diào)制，嚴格地說，即使在穩(wěn)態(tài)情況下，脈寬調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速也都是脈動的，

39、所謂穩(wěn)態(tài)，是指電機的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)，機械特性是平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩（電流）的關(guān)系。 采用不同形式的PWM變換器，系統(tǒng)的機械特性也不一樣。對于帶制動電流通路的不可逆電路和雙極式控制的可逆電路，電流的方向是可逆的，無論是重載還是輕載，電流波形都是連續(xù)的，因而機械特性關(guān)系式比較簡單，現(xiàn)在就分析這種情況。 對于帶制動電流通路的不可逆電路，電壓平衡方程式分兩個階段 式中的R、L 分別為電樞電路的電阻和電感。 n 帶制動的不可逆電路電壓方程EtiLRiUdddd s（0 t ton） （1-21）EtiLRidd0dd（ton t T） （1-22） 對于雙極式控制的可逆電路，只在第二個

40、方程中電源電壓由 0 改為 Us ，其他均不變。于是，電壓方程為EtiLRiUdddds( 0 t ton ) (1-23) n 雙極式可逆電路電壓方程EtiLRiUdddds(ton t R，因此（1-44）sspcom*nspdbl)(RKKRUUKKIscom*ndblRUUI4. 電流截止負反饋環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計nIdbl應(yīng)小于電機允許的最大電流，一般取 Idbl =（1.52） INn從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上看，希望穩(wěn)態(tài)運行范圍足夠大，截止電流應(yīng)大于電機的額定電流，一般取 Idcr （1.11.2）IN返回目錄返回目錄1.5 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析和設(shè)計

41、動態(tài)分析和設(shè)計本節(jié)提要本節(jié)提要n反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型n反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件n動態(tài)校正PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計n系統(tǒng)設(shè)計舉例與參數(shù)計算 為了分析調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)品質(zhì)，必須首先建立描述系統(tǒng)動態(tài)物理規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，對于連續(xù)的線性定常系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型是常微分方程，經(jīng)過拉氏變換，可用傳遞函數(shù)和動態(tài)結(jié)構(gòu)圖表示。 1.5.1 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài) 數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài) 數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型 建立系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟如下：（1）根據(jù)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列出描述該環(huán)節(jié)動態(tài)過程的微分

42、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(jié)構(gòu)圖并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。1. 電力電子器件的傳遞函數(shù) 構(gòu)成系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)是電力電子變換器和直流電動機。不同電力電子變換器的傳遞函數(shù)，它們的表達式是相同的，都是1)(ssssTKsW(1-45) 只是在不同場合下，參數(shù)Ks和Ts的數(shù)值不同而已。 TL+-MUd0+-E R LneidM圖1-33 他勵直流電動機等效電路 2. 直流電動機的傳遞函數(shù)EtILRIUddddd0(1-46) 假定主電路電流連續(xù)，則動態(tài)電壓方程為 電路方程電路方程 如果忽略粘性磨擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電機軸上的動力學(xué)方程為 (1-47) tnGDTTdd3752Le額定勵

43、磁下的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩分別為 dmeICT nCEe(1-48) (1-49) 式中 TL 包括電機空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負載轉(zhuǎn)矩(Nm)； GD2 電力拖動系統(tǒng)折算到電機軸上的飛輪 慣量(Nm2)； Cm 電機額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)(Nm/A)， 。em30CCTl 電樞回路電磁時間常數(shù)(s)， ；Tm電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)(s) ， 。RLTlme2m375CCRGDT 定義下列時間常數(shù)代入式（1-46）和（1-47）,并考慮式（1-48）和（1-49），整理后得)dd(dd0dtITIREUltERTIIddmdLdmLdLCTI(1-50) (1-51) 式中 為負載電流。 n 微分方程

44、在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉氏變換， 得電壓與電流間的傳遞函數(shù) 11)()()(0ddsTRsEsUsIl電流與電動勢間的傳遞函數(shù) sTRsIsIsEmdLd)()()(1-52) (1-53) n 傳遞函數(shù)n 動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 Id (s)IdL(s)+-E (s) R Tmsb)電流電動勢間的結(jié)構(gòu)框圖 式（131）E(s)Ud0(s)+-1/RTl s+1Id (s)a)電壓電流間的結(jié)構(gòu)框圖 式（130）+圖1-34 額定勵磁下直流電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖1-34c 整個直流電動機的動態(tài)的結(jié)構(gòu)框圖n(s) 1/CeUd0(s)IdL (s) EId (s)Un+- 1/R Tl s+

45、1 R Tms 由圖c可以看出，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，另一個是負載電流。前者是控制輸入量，后者是擾動輸入量。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，得下圖a。如果是理想空載，則 IdL = 0，結(jié)構(gòu)框圖即簡化成下圖b。 n(s)Ud0 (s)+-1/Ce TmTl s2+Tms+1IdL (s) R (Tl s+1)n 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡化a. IdL 0n(s)1/Ce TmTl s2+Tms+1Ud0 (s)n 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡化（續(xù)）b. IdL= 0 直流閉環(huán)調(diào)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

46、的響應(yīng)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pnca)()()(KsUsUsW)()()(nfnsnsUsW測速反饋（1-55） （1-54） 3. 控制與檢測環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 知道了各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)后，把它們按在系統(tǒng)中的相互關(guān)系組合起來，就可以畫出閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如下圖所示。由圖可見，將電力電子變換器按一階慣性環(huán)節(jié)處理后，帶比例放大器的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以看作是一個三階線性系統(tǒng)。 4. 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖1-36 反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖n(s)U*n (s)IdL (s) Uct (s)Un (s)+

47、- KsTss+1KP1/Ce TmTl s2+Tms+1 +-R (Tl s+1)Ud0 (s)Un (s)5. 調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù) 由圖可見，反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是 ) 1)(1()(m2mssTsTTsTKsWl式中 K = Kp Ks / Ce （1-56） 6. 調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù) 設(shè)Idl=0，從給定輸入作用上看，閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是 111)(1)1 () 1)(1(/) 1)(1(/1) 1)(1(/)(sm2sm3smespm2msespm2msespm2msespcsKTTsKTTTsKTTTKCKKKsTsTTsTCKKsTsTTsT

48、CKKsTsTTsTCKKsWllllll（1-57） 1.5.2 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件 由式（1-57）可知，反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為 0111)(1sm2sm3smsKTTsKTTTsKTTTll（1-58） 它的一般表達式為 0322130asasasa反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件 根據(jù)三階系統(tǒng)的勞斯-赫爾維茨判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是 0000030213210aaaaaaaa，式（1-58）的各項系數(shù)顯然都是大于零的，因此穩(wěn)定條件就只有 0111)(smsmsmKTTTKTTKTT

49、Tllssms)1 ()(TTKTTTTll或反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件整理后得 s2ssm)(TTTTTTKll（1-59） 式（1-59）右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù) Kcr，當 K Kcr 時，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。 對于一個自動控制系統(tǒng)來說，穩(wěn)定性是它能否正常工作的首要條件，是必須保證的。 1.5.3 動態(tài)校正動態(tài)校正PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計調(diào)節(jié)器的設(shè)計1. 概概 述述 在設(shè)計閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時，常常會遇到動態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標發(fā)生矛盾的情況（如例題1-5、例題1-7中要求更高調(diào)速范圍時），這時，必須設(shè)計合適的動態(tài)校正裝置，用來改造系統(tǒng)，使它同時滿足動態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)

50、指標兩方面的要求。2. 動態(tài)校正的方法n串聯(lián)校正n并聯(lián)校正n反饋校正 而且對于一個系統(tǒng)來說，能夠符合要求的校正方案也不是唯一的。 在電力拖動自動控制系統(tǒng)中，最常用的是串聯(lián)校正和反饋校正。串聯(lián)校正比較簡單，也容易實現(xiàn)。n串聯(lián)校正方法串聯(lián)校正方法l無源網(wǎng)絡(luò)校正RC網(wǎng)絡(luò)；l有源網(wǎng)絡(luò)校正PID調(diào)節(jié)器。 對于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，由于其傳遞函數(shù)的階次較低，一般采用PID調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就能完成動態(tài)校正的任務(wù)。n PID調(diào)節(jié)器的類型調(diào)節(jié)器的類型n比例微分（PD）n比例積分（PI）n比例積分微分（PID） PID調(diào)節(jié)器的功能n由PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并獲得足夠的快

51、速性，但穩(wěn)態(tài)精度可能受到影響。n由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，卻是以對快速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定的。n用PID調(diào)節(jié)器實現(xiàn)的滯后超前校正則兼有二者的優(yōu)點，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但具體實現(xiàn)與調(diào)試要復(fù)雜一些。 一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以動態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度為主，對快速性的要求可以差一些，所以主要采用PI調(diào)節(jié)器；在隨動系統(tǒng)中，快速性是主要要求，須用 PD 或PID 調(diào)節(jié)器。 3. 系統(tǒng)設(shè)計工具 在設(shè)計校正裝置時，主要的研究工具是伯德圖（Bode Diagram），即開環(huán)對數(shù)頻率特性的漸近線。它的繪制方法簡便，可以確切地提供穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度的信息，而且還能大致衡量閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)的性能。

52、正因為如此，伯德圖是自動控制系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用中普遍使用的方法。 在定性地分析閉環(huán)系統(tǒng)性能時，通常將伯德圖分成低、中、高三個頻段，頻段的分割界限是大致的，不同文獻上的分割方法也不盡相同，這并不影響對系統(tǒng)性能的定性分析。下圖繪出了自動控制系統(tǒng)的典型伯德圖。n典型伯德圖典型伯德圖 從圖中三個頻段的特征可以判斷系統(tǒng)的性能，這些特征包括以下四個方面：OL/dBc/s-1-20dB/dec低頻段中頻段高頻段圖1-37 自動控制系統(tǒng)的典型伯德圖 n 伯德圖與系統(tǒng)性能的關(guān)系n中頻段以-20dB/dec的斜率穿越0dB，而且這一斜率覆蓋足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。n截止頻率（或稱剪切頻率）越高，則系統(tǒng)的快速

53、性越好。n低頻段的斜率陡、增益高，說明系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度高。n高頻段衰減越快，即高頻特性負分貝值越低，說明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強。 以上四個方面常常是互相矛盾的：對穩(wěn)態(tài)精度要求很高時，常需要放大系數(shù)大，卻可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定；加上校正裝置后，系統(tǒng)穩(wěn)定了，又可能犧牲快速性；提高截止頻率可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)，又容易引入高頻干擾；如此等等。 設(shè)計時往往須在穩(wěn)、準、快和抗干擾這四個矛盾的方面之間取得折中，才能獲得比較滿意的結(jié)果。4. 系統(tǒng)設(shè)計要求 在實際系統(tǒng)中，動態(tài)穩(wěn)定性不僅必須保證，而且還要有一定的裕度，以防參數(shù)變化和一些未計入因素的影響。在伯德圖上，用來衡量最小相位系統(tǒng)穩(wěn)定裕度的指標是：相角裕度 和以

54、分貝表示的增益裕度 GM。一般要求：n = 30 60nGM 6dB 保留適當?shù)姆€(wěn)定裕度，是考慮到實際系統(tǒng)各環(huán)節(jié)參數(shù)發(fā)生變化時不致使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。 在一般情況下，穩(wěn)定裕度也能間接反映系統(tǒng)動態(tài)過程的平穩(wěn)性，穩(wěn)定裕度大，意味著動態(tài)過程振蕩弱、超調(diào)小。 5. 設(shè)計步驟n系統(tǒng)建模首先應(yīng)進行總體設(shè)計，選擇基本部件，按穩(wěn)態(tài)性能指標計算參數(shù)，形成基本的閉環(huán)控制系統(tǒng)，或稱原始系統(tǒng)。n系統(tǒng)分析建立原始系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，畫出其伯德圖，檢查它的穩(wěn)定性和其他動態(tài)性能。n系統(tǒng)設(shè)計如果原始系統(tǒng)不穩(wěn)定，或動態(tài)性能不好，就必須配置合適的動態(tài)校正裝置，使校正后的系統(tǒng)全面滿足性能要求。 6. 設(shè)計方法n湊試法設(shè)計時往往須用多種

55、手段，反復(fù)試湊。n工程設(shè)計法詳見第2章。1.5.4 系統(tǒng)設(shè)計舉例與參數(shù)計算（一）系統(tǒng)設(shè)計舉例與參數(shù)計算（一） 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算是自動控制系統(tǒng)設(shè)計的第一步，它決定了控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成環(huán)節(jié)，有了基本環(huán)節(jié)組成系統(tǒng)之后，再通過動態(tài)參數(shù)設(shè)計，就可使系統(tǒng)臻于完善。近代自動控制系統(tǒng)的控制器主要是模擬電子控制和數(shù)字電子控制，由于數(shù)字控制的明顯優(yōu)點，在實際應(yīng)用中數(shù)字控制系統(tǒng)已占主要地位，但從物理概念和設(shè)計方法上看，模擬控制仍是基礎(chǔ)。 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算例題例題1-4 用線性集成電路運算放大器作為電壓放大器的轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)如圖1-28所示，主電路是晶閘管可控整流器供電的V-M系統(tǒng)。已知數(shù)據(jù)如下：n電動機：額

56、定數(shù)據(jù)為10kW，220V，55A，1000r/min，電樞電阻 Ra = 0.5n晶閘管觸發(fā)整流裝置：三相橋式可控整流電路，整流變壓器Y/Y聯(lián)結(jié)，二次線電壓 U2l = 230V，電壓放大系數(shù) Ks = 44nV-M系統(tǒng)電樞回路總電阻：R = 1.0n測速發(fā)電機：永磁式，額定數(shù)據(jù)為23.1W，110V，0.21A，1900r/minn直流穩(wěn)壓電源：15V 若生產(chǎn)機械要求調(diào)速范圍D=10，靜差率s5%，試計算調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)（暫不考慮電動機的起動問題）。 解解 1）為滿足調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標，額定負載時的穩(wěn)態(tài)速降應(yīng)為 = 5.26r/minmin/ r)05. 01 (1005. 0100

57、0)1 (NclsDsnn2）求閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)有的開環(huán)放大系數(shù)先計算電動機的電動勢系數(shù) Vmin/r = 0.1925Vmin/r10005 . 055220NaNNenRIUC則開環(huán)系統(tǒng)額定速降為 r/min = 285.7r/min閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為1925. 00 . 155eNopCRIn3 .1533 .54126. 57 .2851clopnnK3）計算轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)和參數(shù) 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)包含測速發(fā)電機的電動勢系數(shù)Cetg和其輸出電位器的分壓系數(shù) 2，即 = 2 Cetg根據(jù)測速發(fā)電機的額定數(shù)據(jù)， = 0.0579Vmin/r1900110etgC 先試取 2 =0.2，

58、再檢驗是否合適。 現(xiàn)假定測速發(fā)電機與主電動機直接聯(lián)接，則在電動機最高轉(zhuǎn)速1000r/min時，轉(zhuǎn)速反饋電壓為 V=11.58V 穩(wěn)態(tài)時Un很小， U*n只要略大于 Un 即可，現(xiàn)有直流穩(wěn)壓電源為15V，完全能夠滿足給定電壓的需要。因此，取=0.2是正確的。 10000579. 02 . 01000etg2nCU 于是，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)的計算結(jié)果是 Vmin/r = 0.01158Vmin/r 電位器的選擇方法如下：為了使測速發(fā)電機的電樞壓降對轉(zhuǎn)速檢測信號的線性度沒有顯著影響，取測速發(fā)電機輸出最高電壓時，其電流約為額定值的20%，則 =1379 0579. 02 . 0etg2C21. 02 . 0

59、10000579. 02 . 0NtgNetg2RPInCR 此時所消耗的功率為 為了使電位器溫度不致很高，實選瓦數(shù)應(yīng)為所消耗功率的一倍以上，故可為選用10W，1.5k的可調(diào)電位器。W43. 221. 02 . 010000579. 02 . 0NtgNetg2RPInCW 4）計算運算放大器的放大系數(shù)和參數(shù) 根據(jù)調(diào)速指標要求，前已求出，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為 K 53.3，則運算放大器的放大系數(shù) Kp 應(yīng)為 實取=21。14.201925. 04401158. 03 .53espCKKK 圖1-28中運算放大器的參數(shù)計算如下：根據(jù)所用運算放大器的型號，取 R0 = 40k，則k84040

60、210p1RKR 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析例題例題1-5 在例題1-4中，已知 R = 1.0 ， Ks = 44， Ce = 0.1925Vmin/r，系統(tǒng)運動部分的飛輪慣量GD2 = 10Nm2。 根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標 D =10，s 0.5計算，系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)有K 53.3 ，試判別這個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 解解 首先應(yīng)確定主電路的電感值，用以計算電磁時間常數(shù)。 對于V-M系統(tǒng)，為了使主電路電流連續(xù)，應(yīng)設(shè)置平波電抗器。例題1-4給出的是三相橋式可控整流電路，為了保證最小電流時電流仍能連續(xù)，應(yīng)采用式（1-8）計算電樞回路總電感量，即mind2693. 0IUL 現(xiàn)在 則 取 = 17mH = 0.017