運動控制章節(jié)一

1、運動控制運動控制自動化教研室自動化教研室屈薇薇屈薇薇第一章第一章 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)及其分析與設(shè)計本章著重討論基本的閉環(huán)控制系統(tǒng)及其分析與設(shè)計方法方法。1、識 記：可控制流電源種類，開閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成，各元件的數(shù)學(xué)模型，電流的脈動與斷續(xù)，閉環(huán)直流調(diào)速的靜特性，電流截止負反饋，調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，無靜差調(diào)速系統(tǒng)，工程可行的控制系統(tǒng)；2、領(lǐng) 會：電流為什么會脈動與斷續(xù)，閉環(huán)為什么比開環(huán)具有較好的性能指標(biāo)；3、簡單應(yīng)用：開閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算；4、綜合運用：閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計。自動化教研室直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自動化教研室

2、控制器控制器可控直可控直流電源流電源電動機電動機給定給定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速控制器控制器可控直可控直流電源流電源電動機電動機檢測檢測給定給定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速開環(huán)控制閉環(huán)控制可控直流可控直流電源電源v 旋轉(zhuǎn)變流機組用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調(diào)的直流電壓。v 靜止式可控整流器用靜止式的可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。v 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，以產(chǎn)生可變的平均電壓。旋轉(zhuǎn)變流機組旋轉(zhuǎn)變流機組由原動機（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

3、即可改變其輸出電壓 U，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速 n 。自動化教研室G-M系統(tǒng)特性系統(tǒng)特性v 20世紀(jì)60年代廣泛使用。v 優(yōu)點：可逆運行容易實現(xiàn)v 缺缺點：設(shè)備多，體積大，費用高，效率低，安裝必須打地基、運行有噪音、維護不方便。自動化教研室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)機械特性靜止式可控整流器靜止式可控整流器自動化教研室控制電壓觸發(fā)裝置晶閘管可控整流器整流電壓電感，電抗 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

4、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)的特點系統(tǒng)的特點自動化教研室 與G-M系統(tǒng)相比較： 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。 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。 由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕辉试S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(nèi)損壞器件。 由諧波與

5、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”。直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器自動化教研室a）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton控制電路控制電路M 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。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-Pul

6、se Width Modulation）。開關(guān)續(xù)流二極管ssondUUTtU斬波器的基本控制原理斬波器的基本控制原理直流電源電壓 Us 保持不變保持通斷周期T不變改變周期中導(dǎo)通時間的長短，從而改變輸出平均電壓自動化教研室nVT的作用 接通和斷開電源nVD的作用 續(xù)流.和直流電動機的電感一起,在VT斷開時保持電動機電流連續(xù) 電動機得到的平均電壓為ssondUUTtU式中 T 晶閘管的開關(guān)周期； ton 開通時間； 占空比， = ton / T = ton f ；其中 f 為開關(guān)頻率。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：vT 不變，變 ton 脈沖寬度調(diào)制（PWM）；vt

7、on不變，變 T 脈沖頻率調(diào)制（PFM）；vton和 T 都可調(diào)，改變占空比混合型。 PWM系統(tǒng)的優(yōu)點系統(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；（5）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)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。自動化教研室小小 結(jié)結(jié) 三種可控直流電源，三種可控直流電源，V-M系統(tǒng)在上世紀(jì)系統(tǒng)在上世紀(jì)6

8、070年代得到廣泛應(yīng)用，目前主要用于大容量系統(tǒng)。年代得到廣泛應(yīng)用，目前主要用于大容量系統(tǒng)。 直流直流PWM調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù)，發(fā)展調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù)，發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的系迅速，應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的系統(tǒng)中，已取代統(tǒng)中，已取代V-M系統(tǒng)成為主要的直流調(diào)速方系統(tǒng)成為主要的直流調(diào)速方式。式。晶閘管晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)電動機調(diào)速系統(tǒng)圖1-3 晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)原理圖整流裝置晶閘管相控整流電路晶閘管相控整流電路 部分常用的整流電路部分常用的整流電路c）d）除除c）、）、d）外外a）e）f）、）、g）b）、）、f） c）、）、d）、）、e）、）、g）a）、）

9、、b）、）、f）c）、）、d）、）、e）、）、g）不可控整流按組成器件半控整流可控整流全控整流單相三相按電源相數(shù)六相零式按電路結(jié)構(gòu)橋式半波按變壓器繞組電流全波整流電路整流電路整流電路的作用是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設(shè)備晶閘管相控整流電路晶閘管相控整流電路自動化教研室Ud0IdE 電動機反電動勢； 整流電流瞬時值； 主電路總電感； 主電路等效電阻；EidLRtiLRiEuddddd0R = Rrec + Ra + RLRrec：整流裝置內(nèi)阻Ra：電動機電樞電阻RL：平波電抗器電阻晶閘管相控整流電路晶閘管相控整流電路自動化教研室觸發(fā)角： 從晶閘管開始承受正向陽極電壓到導(dǎo)通時刻的電角度，也

10、稱為觸發(fā)延遲角或控制角導(dǎo)通角：即晶閘管在一個周期內(nèi)處于通態(tài)的電角度+= 自動化教研室晶閘管晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)電動機調(diào)速系統(tǒng)一一. .單相半波可單相半波可控整流電路控整流電路1）0t 0RTu1u2i2abVT1VT3VT2VT4udid圖圖2.3 單相橋式全控整流帶電阻負載時的電路及工作原理（全控）單相橋式全控整流帶電阻負載時的電路及工作原理（全控）晶閘管晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)電動機調(diào)速系統(tǒng)二二. .單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路RTu1u2i2abVT1VT3VT2VT4udid圖圖2.3 單相橋式全控整流帶電阻負載時的電路及工作原理（全控）單相橋式全控整流帶電阻負載時的電路及

11、工作原理（全控）u2 (b)VT3RVT2u2 (a)u2 0晶閘管晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)電動機調(diào)速系統(tǒng)1, 41, 42,32,31234晶閘管晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)電動機調(diào)速系統(tǒng)21U90ttdU21U22dcos.)(sin 晶閘管晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)電動機調(diào)速系統(tǒng)u2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4TabRLa)u1u2i2VT1VT3VT2VT4udid單相單相橋式全控整流帶電感性負載的電路及橋式全控整流帶電感性負載的電路及波形波形2221222sin()cos0.9cosdUUtdtUU與電阻負載時相比，晶閘與電

12、阻負載時相比，晶閘管提前了電角度管提前了電角度停止停止導(dǎo)導(dǎo)電電稱為稱為停止導(dǎo)電停止導(dǎo)電角。角。當(dāng)當(dāng) 30300 0，負載電流斷，負載電流斷續(xù)，晶閘管續(xù)，晶閘管導(dǎo)通角減小導(dǎo)通角減小的移相范圍的移相范圍:0:00 01501500 0。U.td(t)UUdcos171sin21223265662232612sin0 6751 cosdUUtd(t).U()基本數(shù)量關(guān)系基本數(shù)量關(guān)系 =30u2uuuvuwOtOtOtOtOtuGuduuvuuwt1iVT1uVT1uuwtttt =60u2uuuvuwOOOOuGudiVT1三相三相半波可控整流電路共陰極接法電感負載時的電半波可控整流電路共陰極接法電

13、感負載時的電路及路及=600的波形的波形uvwTRLu2udeLidVT1VT2VT32.電感性電感性負載負載特點特點：阻感負載，：阻感負載，L L值很大，值很大，i id d波形基本平直。波形基本平直。a a3030 時：整流電壓波形與電時：整流電壓波形與電阻負載時相同。阻負載時相同。a a3030 時（如時（如a a=60=60 時的波形如時的波形如圖所圖所示）。示）。u u2 2過零時，過零時，VTVT1 1不關(guān)斷，直到不關(guān)斷，直到VTVT2 2的脈沖到來，才換流，的脈沖到來，才換流，u ud d波波形中出現(xiàn)負的部分形中出現(xiàn)負的部分。i id d波形有一定的脈動，但為簡波形有一定的脈動，

14、但為簡化分析及定量計算，可將化分析及定量計算，可將i id d近似近似為一條水平線為一條水平線。udiauuuvuwibiciduuwOtOtOOtOOttt5626232sin()21.17cosUUtdtUd三相三相橋式全控整流橋式全控整流電路電路三相橋式三相橋式全控整流電路全控整流電路電感性電感性負載負載共陰極組共陰極組陰極連接在一起的陰極連接在一起的3個晶閘管（個晶閘管（VT1，VT3，VT5）共陽極組共陽極組陽極連接在陽極連接在一起的一起的3個晶閘管（個晶閘管（VT4，VT6，VT2）導(dǎo)通順序：導(dǎo)通順序： VT1VT2 VT3 VT4 VT5VT6電路電路第33頁三相三相橋式全控整流

15、電路工作橋式全控整流電路工作原理原理i2工作原理工作原理1 1三相三相橋式全控整流電路橋式全控整流電路u2uuuwuvOt = 0工作原理工作原理2 2三相三相橋式全控整流電路工作橋式全控整流電路工作原理原理u2uuuwuvt1Ot = 0三相三相橋式全控整流電路橋式全控整流電路工作原理工作原理3 3三相三相橋式全控整流電路工作橋式全控整流電路工作原理原理u2uuuwuvt1Ot = 0三相三相橋式全控整流電路橋式全控整流電路工作原理工作原理4 4三相三相橋式全控整流電路工作橋式全控整流電路工作原理原理u2uuuwuvt1Ot = 0三相三相橋式全控整流電路橋式全控整流電路第37頁工作原理工作

16、原理5 5三相三相橋式全控整流電路工作橋式全控整流電路工作原理原理u2uuuwuvt1Ot = 0三相三相橋式全控整流電路橋式全控整流電路第38頁工作原理工作原理6 6三相三相橋式全控整流電路工作橋式全控整流電路工作原理原理uuuu2uwvt1Ot = 0三相三相橋式全控整流電路橋式全控整流電路第39頁三相三相橋式全控整流電路橋式全控整流電路工作原理小結(jié)工作原理小結(jié)晶閘管晶閘管及輸出整流電壓的情況及輸出整流電壓的情況時時 段段IIIIIIIVVVI共陰極組中導(dǎo)通共陰極組中導(dǎo)通的晶閘管的晶閘管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共陽極組中導(dǎo)通共陽極組中導(dǎo)通的晶閘管的晶閘管VT6VT2VT2VT4

17、VT4VT6整流輸出電壓整流輸出電壓uduu-uv=uuvuu-uw=uuwuv-uw=uvwuv-uu=uvuuw-uu=uwuuw-uv=uwv第40頁三相橋式全控整流電路的特點三相橋式全控整流電路的特點（1 1）2 2管同時通形成供電回路，其中共陰極組和共管同時通形成供電回路，其中共陰極組和共陽極組各陽極組各1 1，且不能為同，且不能為同1 1相器件。相器件。三相三相橋式全控整流電路橋式全控整流電路工作原理工作原理小結(jié)小結(jié)（2 2）u ud d一周期脈動一周期脈動6 6次，每次脈動的波形都一樣，次，每次脈動的波形都一樣，故該電路為故該電路為6 6脈波整流電路。脈波整流電路。第第41頁頁波

18、形分析波形分析1（=00 ）三相三相橋式全控整流電路橋式全控整流電路wvuu2u2Luduuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwuuut1OtOt = 0三相三相橋式全控整流電路電感性負橋式全控整流電路電感性負載載=00時的時的波形波形ud波形波形第42頁uuvuuwuuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwOtOtiT1uT1三相三相橋式全控整流電路電感性負橋式全控整流電路電感性負載載=00時的時的波形波形波形分析波形分析1（=00 ）三相三相橋式全控整流電路橋式全控整流電路idtOwvuu2uuut1Ot = 0id、iT1、uT1波形波形第第43頁頁wvu波形分析波形分析2

19、（=300 ）u2uuut1Ot三相三相橋式全控整流電路橋式全控整流電路t三相三相橋式全控整流電路電感性負橋式全控整流電路電感性負載載=300時的時的波形波形uduuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwtOidtO = 30iT1tOtOud 、id、iT1波形波形第44頁wvu波形分析波形分析2（=300 ）u2uuut1Ot三相三相橋式全控整流電路橋式全控整流電路t三相三相橋式全控整流電路電感性負橋式全控整流電路電感性負載載=300時的時的波形波形u T1uvuwvwvuwuwvuvuwtOi2tO = 30uT1 、i2波形波形iT1iT4第第45頁頁三相三相橋式全控整流電路電感

20、性負載橋式全控整流電路電感性負載=600時的時的波形波形波形分析波形分析3（=600 ）wvuu2uuut1OttuduuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwtOidtO = 60iT1tO三相三相橋式全控整流電路橋式全控整流電路第46頁三相三相橋式全控整流電路電感性負載橋式全控整流電路電感性負載=600時的時的波形波形波形分析波形分析3（=600 ）wvuu2uuut1OttuuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwtOO = 60i2tO三相三相橋式全控整流電路橋式全控整流電路u T1iT4iT1第第47頁頁觸發(fā)脈沖分析觸發(fā)脈沖分析三相三相橋式全控整流電路的觸發(fā)橋式全控整流電

21、路的觸發(fā)脈沖脈沖三相三相橋式全控整流電路橋式全控整流電路 對觸發(fā)脈沖的要求：對觸發(fā)脈沖的要求：按按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的順序，相位依的順序，相位依次差次差60 。共陰極組共陰極組VT1、VT3、VT5的脈沖依次差的脈沖依次差120 ，共陽極組共陽極組VT4、VT6、VT2也依次差也依次差120 。同一相的上下兩個橋臂，即同一相的上下兩個橋臂，即VT1與與VT4，VT3與與VT6，VT5與與VT2，脈沖相差脈沖相差180 。第48頁觸發(fā)脈沖分析觸發(fā)脈沖分析 需保證同時導(dǎo)通的需保證同時導(dǎo)通的2個晶閘管均個晶閘管均有脈有脈 可采用兩種方法：一種是寬脈可采用兩種方法：一種是寬

22、脈沖觸發(fā)，一種是雙窄脈沖觸發(fā)沖觸發(fā)，一種是雙窄脈沖觸發(fā)（常用）（常用）三相三相橋式全控整流電路橋式全控整流電路第第49頁頁 輸出電壓平均值輸出電壓平均值U Ud d（連續(xù)時）（連續(xù)時） 帶電阻負載且?guī)щ娮柝撦d且60600 0時，整流電壓平均值時，整流電壓平均值U Ud dcos34. 2)(sin63123232UttdUUd)3cos(134. 2)(sin631232UttdUUd三相三相橋式全控整流電路橋式全控整流電路基本數(shù)量關(guān)系基本數(shù)量關(guān)系晶閘管晶閘管-電動機電動機調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)三相半波整流電路三相半波整流電路自動化教研室 cos.cos)(sin226562dU17132U23tt

23、dU223U 三相全波整流電路三相全波整流電路 cos.)(sin23232dU342ttdU631U 單相全波整流電路單相全波整流電路22212sin()2 2cos0.9cosdUUtdtUU 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)；不同不同整流電路的整流電壓值整流電路的整流電壓值* U2 是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。v 當(dāng)當(dāng) 0 0 ，晶閘管裝置處于晶閘管裝置處于整流狀態(tài)整流狀態(tài)，電功率從交流側(cè)輸送到直電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)；流側(cè)； v 當(dāng)當(dāng) /2 max 時，時， Ud0 0 ，裝置處于，裝置處于有源逆變狀

24、態(tài)有源逆變狀態(tài)，電功率反向傳送。電功率反向傳送。 為避免逆變顛覆，應(yīng)設(shè)置為避免逆變顛覆，應(yīng)設(shè)置最大的移相角限制最大的移相角限制。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) 晶閘管晶閘管-電動機系統(tǒng)由于電壓波形的脈動，可電動機系統(tǒng)由于電壓波形的脈動，可能出現(xiàn)電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況。能出現(xiàn)電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況。 1、電感大、電流大（負載重）：電感大、電流大（負載重）： 導(dǎo)通時電感儲能多，整流電流平滑，連續(xù)導(dǎo)通時電感儲能多，整流電流平滑，連續(xù) 2、電感小、電流?。ㄘ撦d輕）電感小、電流?。ㄘ撦d輕）： 導(dǎo)通時電感儲能少，整流電流波動大，可導(dǎo)通時電感儲能少，整流電流波動大，可能

25、出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象能出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象V-M系統(tǒng)主電路系統(tǒng)主電路的輸出的輸出圖1-9 V-M系統(tǒng)的電流波形a）電流連續(xù)b）電流斷續(xù)OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEUdudttudididv 電流斷續(xù)是一種不希望的現(xiàn)象電流斷續(xù)是一種不希望的現(xiàn)象 v 電流斷續(xù)在輕載時容易出現(xiàn)電流斷續(xù)在輕載時容易出現(xiàn) v 對應(yīng)措施是：加電抗器，多相整流、多重化技術(shù)對應(yīng)措施是：加電抗器，多相整流、多重化技術(shù) 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)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(dāng)電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的機械特性方程式為 )(1d0deR

26、IUCneUIRnKeeNCKCe 電機在額定磁通下的電動勢系數(shù)。de1(sincos)mmnUI RCm（1）電流連續(xù)情況）電流連續(xù)情況 改變控制角改變控制角 ，得，得一族平行直線，這和一族平行直線，這和電動機本身的機械特電動機本身的機械特性很相似性很相似。只要電流連續(xù)，晶閘只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以管可控整流器就可以看成是一個線性的可看成是一個線性的可控電流源控電流源 圖1-10 電流連續(xù)時V-M系統(tǒng)的機械特性 n = Id R / CenIdILO 電流斷續(xù)時機械特性方程（三相半波整流電路） )e1 (e)6sin()6sin(cos2ctgectg2CUnRLarctg（2）

27、電流斷續(xù)情況）電流斷續(xù)情況式中： 一個電流脈波的導(dǎo)通角。圖1-11 完整的V-M系統(tǒng)機械特性斷續(xù)區(qū)的特性：軟；非線性（5）V-M系統(tǒng)機械特性的特點系統(tǒng)機械特性的特點 當(dāng)電流連續(xù)時，特性比較硬； 斷續(xù)段：特性很軟，而且呈顯著的非線性練習(xí)練習(xí)1.調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍是調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍是1000-100r/min，要，要求靜差率求靜差率s=2%，那么系統(tǒng)允許的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速降是多，那么系統(tǒng)允許的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速降是多少？少？2.某調(diào)速系統(tǒng)，測得的最高轉(zhuǎn)速特性為某調(diào)速系統(tǒng)，測得的最高轉(zhuǎn)速特性為n0max=1500r/min，n0min=150r/min，帶額，帶額定負載時的速度降落定負載時的速度降落nN=15r/m

28、in，且在不同，且在不同轉(zhuǎn)速下額定速降轉(zhuǎn)速下額定速降nN不變，試問系統(tǒng)能夠達到的調(diào)不變，試問系統(tǒng)能夠達到的調(diào)速范圍有多大？系統(tǒng)允許的靜差率是多少？速范圍有多大？系統(tǒng)允許的靜差率是多少？自動化教研室1.調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍是1000-100r/min，要求靜差率s=2%，那么系統(tǒng)允許的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速降是多少？（P20）自動化教研室minNNnnnsmin0.02 1002.04 r/min11 0.02Nsnns2.某調(diào)速系統(tǒng)，測得的最高轉(zhuǎn)速特性為n0max=1500r/min，n0min=150r/min，帶額定負載時的速度降落nN=15r/min，且在不同轉(zhuǎn)速下額定速降nN不變，試問系統(tǒng)能夠達到的調(diào)

29、速范圍有多大？系統(tǒng)允許的靜差率是多少？max0max1500 151485Nnnnmin0min150 15135Nnnnmaxmin148511135nDn01510%150Nnsn直流直流PWM調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)V-M系統(tǒng)存在的問題：系統(tǒng)存在的問題：1）存在電流諧波，深調(diào)速時轉(zhuǎn)矩脈動大，調(diào)速范圍受限；2）深調(diào)速時功率因數(shù)低，限制調(diào)速范圍；3）要客克服上述困難，需加大平波電抗器，限制系統(tǒng)的快速性因此中、小功率系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制變換器自動化教研室PWM系統(tǒng)的優(yōu)點：系統(tǒng)的優(yōu)點：1）主電路簡單，功率元件少2）開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少3）低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高4）動態(tài)抗擾能力強5）導(dǎo)通損耗小6）

30、不控三相整流，電網(wǎng)功率因數(shù)高直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器自動化教研室a）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton控制電路控制電路M開關(guān)續(xù)流二極管電動機得到的平均電壓為ssondUUTtU式中 T 晶閘管的開關(guān)周期； ton 開通時間； 占空比， = ton / T = ton f ；其中 f 為開關(guān)頻率。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：vT 不變，變 ton 脈沖寬度調(diào)制（PWM）；vton不變，變 T 脈沖頻率調(diào)制（PFM）；vton和 T 都可調(diào)，改變占空比混合型。直流直流PWM調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)脈寬調(diào)制變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的

31、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，從而改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速自動化教研室PWM變換器不可逆可逆雙極性單極性受限單極性PWM：Pluse Width Modulation簡單的不可逆簡單的不可逆PWM變換器變換器自動化教研室圖1-16 簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng) VDUs+UgCVTidM+_E（a）電路原理圖 MUs：直流電源電壓C：濾波電容器VT：功率開關(guān)器件VD：續(xù)流二極管M ：直流電動機VT 的柵極由脈寬可調(diào)的脈沖電壓系列Ug驅(qū)動。濾波續(xù)流工作狀態(tài)與波形工作狀態(tài)與波形在一個開關(guān)周期內(nèi)，v 當(dāng)0 t ton時，Ug為正，VT導(dǎo)通

32、，電源電壓通過VT加到電動機電樞兩端；v 當(dāng)ton t T 時， Ug為負，VT關(guān)斷，電樞失去電源，經(jīng)VD續(xù)流。U, iUdEidUsttonT0圖1-16b 電壓和電流波形O電機兩端得到的平均電壓為電機兩端得到的平均電壓為ssondUUTtU = ton / T 為 PWM 波形的占空比， PWM電壓系數(shù)： = Ud / Us則在不可逆 PWM 變換器 = 有制動的不可逆有制動的不可逆PWM變換器電路變換器電路v 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完全一樣。+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E12CUs+M電動狀態(tài)電動機工作在電動狀態(tài)時，一般情況下是電力晶體

33、管VT1和續(xù)流二極管VD2交替導(dǎo)通，而VT2由于VD1的反向施壓始終不能導(dǎo)通+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E43CUs+M有制動的不可逆有制動的不可逆PWM變換器電路變換器電路制動狀態(tài)若要求電動機降低轉(zhuǎn)速，可將Ug1的正脈沖變窄，負脈沖變寬，從而是電樞兩端的平均電壓Ud降低，E-Ud產(chǎn)生反向電流-id。整個制動過程中電力晶體管VT2和續(xù)流二極管VD1交替導(dǎo)通，而VT1由于VD2的反向施壓始終不能導(dǎo)通。此時，電動機處于發(fā)電狀態(tài)。自動化教研室有制動的不可逆有制動的不可逆PWM變換器電路變換器電路輕載電動狀態(tài) 第1階段，VD1續(xù)流，電流 id 沿回路4流通； 第2階段，VT1導(dǎo)通，電流 i

34、d 沿回路1流通； 第3階段，VD2續(xù)流，電流 id 沿回路2流通； 第4階段，VT2導(dǎo)通，電流 id 沿回路3流通。小小 結(jié)結(jié)具有制動作用的不可逆PWM變換器的不同工作狀態(tài)+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4M圖圖1-18 橋式可逆橋式可逆PWM變換器變換器橋式可逆橋式可逆PWM變換器變換器雙極式單極式受限單極式+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT31ABM橋式可逆橋式可逆PWM變換器變換器第1階段，在 0 t ton 期間， Ug1 、 Ug4為正， VT1 、 VT4導(dǎo)通， Ug2

35、、 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 ；+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT33ABM橋式可逆橋式可逆PWM變換器變換器第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 ； 輸出波形輸出波形U, iUdEid+UsttonT0-UsO正向電動運行波形U, iUdEid+UsttonT0-UsO反向電動運行波形+UsUg4M+-Ug3V

36、D1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4M橋式可逆橋式可逆PWM變換器變換器 輸出平均電壓輸出平均電壓 雙極式控制可逆雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為變換器的輸出平均電壓為 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式控制的可逆變換器中 = 2 1 sonsonsond) 12(UTtUTtTUTtU 調(diào)速時，調(diào)速時， 的可調(diào)范圍為的可調(diào)范圍為01， 1 0.5時， 為正，電機正轉(zhuǎn)； 當(dāng) 0.5時， 為負，電機反轉(zhuǎn)； 當(dāng) = 0.5時， = 0 ，電機停止。 當(dāng)電機

37、停止時電樞電壓并不等于當(dāng)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、反向時的靜摩流，從而消除了正、反向時的靜摩擦死區(qū)，起著所謂擦死區(qū)，起著所謂“動力潤滑動力潤滑”的作的作用。用。雙極式可逆雙極式可逆PWM變換器特點變換器特點優(yōu)點：優(yōu)點：電流

38、一定連續(xù)；可實現(xiàn)四象限運行，電機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)，低速平穩(wěn)性好，可達到很寬的調(diào)速范圍；缺點：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。 自動化教研室直流直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機械特性脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機械特性 由于采用脈寬調(diào)制，嚴(yán)格地說，即使在穩(wěn)態(tài)情由于采用脈寬調(diào)制，嚴(yán)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)速也都是脈動況下，脈寬調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速也都是脈動的，所謂穩(wěn)態(tài)，是指電機的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負的，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

39、特性是載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)，機械特性是平均轉(zhuǎn)速平均轉(zhuǎn)速與與平均轉(zhuǎn)矩平均轉(zhuǎn)矩（電流）的關(guān)系。（電流）的關(guān)系。 采用不同形式的采用不同形式的PWM變換器，系統(tǒng)的機械特性也變換器，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。性關(guān)系式比較簡單。R、L 電樞電路的電阻和電感。 n 帶制動的不可逆電路EtiLRiUdddd s（0 t ton）EtiLRid

40、d0dd（ton t T）n 雙極式可逆電路EtiLRiUdddds( 0 t ton) EtiLRiUdddds(ton t T) dsUU電樞兩端在一個周期內(nèi)的平均電壓21nCRIERIUeddsId：平均電流；Te：平均轉(zhuǎn)矩平均轉(zhuǎn)速 n = E/CeLdid / dt 在穩(wěn)態(tài)時應(yīng)為零Cm = KmN 電機在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)； n0 = Us / Ce 理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比。de0deesICRnICRCUn 機械特性方程機械特性方程eme0emeesTCCRnTCCRCUnnId , TeavOn0s0.75n0s0.5n0s0.25n0sId , Teav = 1 = 0

41、.75 = 0.5 = 0.25圖中所示的機械曲線是電流連續(xù)時脈寬調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。圖中僅繪出了第一、二象限的機械特性，它適用于帶制動作用的不可逆電路，雙極式控制可逆電路的機械特性與此相仿，只是更擴展到第三、四象限了。對于電機在同一方向旋轉(zhuǎn)時電流不能反向的電路，輕載時會出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象，把平均電壓抬高，在理想空載時，Id = 0 ，理想空載轉(zhuǎn)速會翹到 n0sUs / Ce 。 PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型控制與變換器的數(shù)學(xué)模型驅(qū)動電壓驅(qū)動電壓都由都由 PWM 控制器發(fā)出控制器發(fā)出，當(dāng)，當(dāng)控制電壓改變時，控制電壓改變時，PWM變換器變換器輸出平均電壓按線性規(guī)律變化，但其響應(yīng)會有延遲，最大的時延

42、是輸出平均電壓按線性規(guī)律變化，但其響應(yīng)會有延遲，最大的時延是一個開關(guān)周期一個開關(guān)周期 T 。UcUgUdPWM控制器PWM變換器將PWM控制與變換器（簡稱PWM裝置）看作是一個滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以寫成sTKsUsUsWse)()()(scdsKs PWM裝置的放大系數(shù)；Ts PWM裝置的延遲時間， Ts T0當(dāng)開關(guān)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)1)(ssssTKsWPWM系統(tǒng)的優(yōu)越性系統(tǒng)的優(yōu)越性 主電路線路簡單，需用的功率器件少； 開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較??； 低速

43、性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬； 系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強； 功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高； 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。反饋控制反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計分析和設(shè)計 v轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)v開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題v閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性v開環(huán)系統(tǒng)特性和閉環(huán)系統(tǒng)特性的關(guān)系v反饋控制規(guī)律v限流保護電流截止負反饋控制控制要求要求（1）調(diào)速在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分擋地（有級）或 平滑地（無級）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

44、運行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；（3）加、減速頻繁起、制動的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；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)。maxminnDn000100%Nnnnsnn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Uc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，使用UPE來統(tǒng)一表示可控直流電源自動化教研室開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中個環(huán)境的穩(wěn)態(tài)關(guān)系：電力電子變換器：0dscUK U直流電動機：0ddeUI RnC機械特性：0ddscdeeeUI RK UI RnCCC自動化教研室0d

45、dscdeeeUI RK UI RnCCCdeRInC 自動化教研室例題：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s=5%，采用開環(huán)調(diào)速能否滿足？若要滿足這個要求，系統(tǒng)的額定速降最多能有多少？解解 當(dāng)電流連續(xù)時，當(dāng)電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的額定速降為系統(tǒng)的額定速降為 min/275min/2 . 018. 0305edNNrrCRIn%6 .21216. 02751000275NNNNnnns開環(huán)系統(tǒng)機械特性連續(xù)段在額定

46、轉(zhuǎn)速時的靜差率為 如果要求D = 20，s 5%，則min/63. 2min/)05. 01 (2005. 01000)1 (NNrrsDsnn由此可知，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定速降是275 r/min，而生產(chǎn)工藝的要求卻只有2.63r/min，相差幾乎百倍！開環(huán)調(diào)速已不能滿足要求，需采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來解決這個問題。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)自動化教研室+-AGTMT+-+-+-UtgUdIn+-+UnUn U*nUcUPE+-MTGIdUd 根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負載引起

47、的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。Ud0uACDCUc靜態(tài)特性靜態(tài)特性自動化教研室假定：（1）忽略各種非線性因素，假定系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性的，或者只取其線性工作段；（2）忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻電壓比較環(huán)節(jié) n*nnUUU放大器 npcUKU電力電子變換器 cs0dUKU調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械特性 ed0dCRIUn測速反饋環(huán)節(jié) nUn+-AGTMT+-+-+-UtgUdIn+-+UnUn U*nUcUPE+-MTGIdUd*psndepse*psndee(1/)(1)(1)K K UI RnCK KCK K URICKCK閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)es

48、pCKKK靜態(tài)特性靜態(tài)特性自動化教研室*psndepse*psndee(1/)(1)(1)K K UI RnCK KCK K URICKCK轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式閉環(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(guān)系KpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- IdR-U*nKpKs 1/Ce n+-+KpKs 1/Ce-IdR n+-)1(e*nspKCUKKn)1(edKCRIn開環(huán)系統(tǒng)的機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系開環(huán)系統(tǒng)的機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系自動化教研室KpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- IdR-開環(huán)機械特性opo

49、p0ede*nsped0dnnCRICUKKCRIUn閉環(huán)時的靜特性llnnKCRIKCUKKncc0ede*nsp)1 ()1 (（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜性可以比開環(huán)系統(tǒng)機械特性硬得多。Knnl1opc（2）如果比較同一的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多。lllnnsc0ccop0opopnnsKssl1opc當(dāng) n0op =n0cl 時（3）當(dāng)要求的靜差率一定時，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nmax；而對最低速靜差率的要求相同，)1 (opNopsnsnD)1 (cNcsnsnDllopc)1 (DKDl（4）要取得上述三項優(yōu)勢，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。開環(huán)系

50、統(tǒng)的機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系開環(huán)系統(tǒng)的機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系自動化教研室開環(huán)系統(tǒng)：Idn（AA）閉環(huán)系統(tǒng)：IdnUnUnUcUd0n (AB)閉環(huán)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(yīng)的改變電樞電壓，以補償電樞回路電阻壓降的變化。開環(huán)系統(tǒng)的機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系開環(huán)系統(tǒng)的機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)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(diào)速范圍，為此從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價是，所需付出的代

51、價是，須增設(shè)電壓放大器以及檢測與反饋裝置須增設(shè)電壓放大器以及檢測與反饋裝置。自動化教研室龍門刨床要求D = 20， s R，scom*ndbRUUIl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v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v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v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v系統(tǒng)設(shè)計舉例與參數(shù)計算系統(tǒng)設(shè)計舉例與參數(shù)計算自動化教研室動態(tài)數(shù)學(xué)模型動態(tài)數(shù)學(xué)模型描述環(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)求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)自動化教研室拉氏變換動態(tài)結(jié)構(gòu)框

52、圖第一個環(huán)節(jié)是比例放大器，其響應(yīng)可以認為是瞬時的，即傳遞函數(shù)就是放大系數(shù)第二個環(huán)節(jié)是電力電子變換器，晶閘管觸發(fā)與整流裝置的近似傳遞函數(shù)，與PWM控制與變換裝置的近似傳遞函數(shù)表達式是相同的，第三個環(huán)節(jié)是直流電動機EdtdILRIUdd0d假定主電路電流連續(xù)，則主電路電壓的微分方程忽略摩擦力及彈性變形，電力拖動系統(tǒng)運動的微分方程TL+-MUd0+-E R LneidM自動化教研室EdtdILRIUdd0d0dddddddldIdIdILUERILR IR ITdtR dtdtlLTR電樞回路電磁時間常數(shù)2375mdLeGDdEC ITCdtemdTC IeEC n2375LdmemTGDdEICC

53、 CdtLdLmTICme2mCC375GDT tERTIIddmdLd0dddldIUER ITdt11)()()(0ddsTRsEsUsIl 01ddlUsE sRIsT stERTIIddmdLd mddLT sIsIsE sR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) 直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖自動化教研室E(s)Ud0+-1/RTl s+1Id (s)Id (s)IdL(s)+-E (s) R Tms11)()()(0ddsTRsEsUsIln(s) 1/CeUd0IdL (s) EId (s)Un+- 1/R Tl s+1 R Tmsn(s)Ud0 (s

54、)+-1/Ce TmTl s2+Tms+1IdL (s) R (Tl s+1)n(s)1/Ce TmTl s2+Tms+1Ud0 (s)IdL 0 IdL= 0反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)自動化教研室KpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- IdR-)()()(nfnsnsUsW11)()()(0ddsTRsEsUsIln(s)U*n (s)IdL (s) Uc(s)Un (s)+- KsTss+1KP1/Ce TmTl s2+Tms+1 +-R (Tl s+1)Ud0 (s) 1)(1()(m2mssTsTTsTKsWlespC/KK

55、K反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)的閉環(huán)傳遞函數(shù)自動化教研室n(s)U*n (s)IdL (s) Uc(s)Un (s)+- KsTss+1KP1/Ce TmTl s2+Tms+1 +-R (Tl s+1)Ud0 (s)0dLI111)(1)1 () 1)(1(/) 1)(1(/1) 1)(1(/)(sm2sm3smespm2msespm2msespm2msespcsKTTsKTTTsKTTTKCKKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsWllllll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)

56、穩(wěn)定條件穩(wěn)定條件自動化教研室反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特征方程0111)(1sm2sm3smsKTTsKTTTsKTTTll0322130asasasa三階系統(tǒng)的勞斯-古爾維茨判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件0000030213210aaaaaaaa，0111)(smsmsmKTTTKTTKTTTll1lsmslsTTTTK TTs2ssm)(TTTTTTKll2msss()lcrlTTTTKTT系統(tǒng)的臨界放大系數(shù) 靜態(tài)性能指標(biāo)與穩(wěn)定性之間的矛盾靜態(tài)性能指標(biāo)與穩(wěn)定性之間的矛盾 v 根據(jù)系統(tǒng)的靜特性分析可知，閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)K越大，靜差率越小v 閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是 v 這就是采用放大器

57、的轉(zhuǎn)速反饋調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)性能指標(biāo)與穩(wěn)定性之間的主要矛盾。 sl2sslmTTT)TT(TK轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)控制有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)控制有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖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)控制有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)如圖所示：GTMTG+-Un*UnUcUdIdUn。Rp2Rp1-+R0R0+R1電動機電動機10KW10KW、220v220v、55A55A、1000r/min1000r/min、Ra=0.5Ra=0.5電源電源15v15v測速機測速機23.1W23.1W、110v110v、0.21A0.21A、1900r/min1900r/min、二次線電壓二次

58、線電壓U U2121=230V=230V，Ks=44, V-MKs=44, V-M系統(tǒng)回系統(tǒng)回路總電阻路總電阻R=1.0R=1.0若要求調(diào)速范圍若要求調(diào)速范圍D=10,D=10,靜差率靜差率s5%s5%，計算調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)？計算調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)？閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計算閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計算min/26. 5)05. 01 (1005. 01000)1 (rsDsnnNcl1925.010005 .055220NaNNenRIUC3 .53126.57 .2851clopnnK計算步驟：由設(shè)計要求計算穩(wěn)態(tài)速降由已知條件計算開環(huán)速降計算閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大倍數(shù)由已知條件計算反饋系數(shù)及

59、參數(shù)計算運算放大器的放大系數(shù)及參數(shù)min/7 .2851925. 0155rCeRInNop2257.9netgNUCn測速發(fā)電機電動勢轉(zhuǎn)速比若2=0.2在電動機最高轉(zhuǎn)速時，測速機反饋電壓為分壓電阻的分壓系數(shù)2=？rVCetgmin/.0579.019001103 .532CeCKKCeKKKetgspsp58.110579.02 .01000nU*15nU 2 20.260.2624.02psK CeKKCetg若2=0.2rVCetgmin/.01158. 00579. 02 . 02VUUUnnn42.3maxKP=20.1dmax230VnpsUKKU由VUn25.0所以2=0.2，K

60、P=20.1滿足要求，實取Kp=21分壓電阻的功率20.0579100013790.20.20.21etgNPNCnRI20.22.43RPetgNNWCnIW運算放大器參數(shù)根據(jù)所用運算放大器型號選取10021PRK RR為了不致使電位器溫度很高，實選電位器可以選10W,1.5K電位器選擇：考慮測速發(fā)電機電樞壓降對轉(zhuǎn)速檢測信號的線性度沒有顯著影響，則測速發(fā)電機輸出為最高電壓時，其電流為額定值的20%，系統(tǒng)穩(wěn)定性分析系統(tǒng)穩(wěn)定性分析自動化教研室在上題中，已知 R = 1.0 ， L = 0.017H , Ks = 44， Ce = 0.1925Vmin/r，系統(tǒng)運動部分的飛輪慣量GD2 = 10N