第一章閉環(huán)控制

1、直流調(diào)速系統(tǒng)和隨動(dòng)系統(tǒng)第 1 篇云懷中云懷中E: 緒論一 學(xué)科性質(zhì)是一門與生產(chǎn)緊密相關(guān)的專業(yè)課程，是電氣傳動(dòng)及其自動(dòng)化學(xué)科（研究方向）的基礎(chǔ)性課程。也叫運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。二 課程任務(wù)為電力拖動(dòng)機(jī)械設(shè)備選擇配套的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)及其自動(dòng)控制裝置?，F(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)電機(jī)學(xué)、電力電子技電機(jī)學(xué)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、控制理論、信號(hào)檢控制理論、信號(hào)檢測(cè)與處理技術(shù)等多測(cè)與處理技術(shù)等多門學(xué)科相互交叉的門學(xué)科相互交叉的綜合性學(xué)科綜合性學(xué)科 。圖圖1-1運(yùn)動(dòng)控制及其相關(guān)學(xué)科運(yùn)動(dòng)控制及其相關(guān)學(xué)科運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成 圖圖1-2 運(yùn)動(dòng)控制

2、系統(tǒng)及其組成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)n從類型上分從類型上分n直流電動(dòng)機(jī)、交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（交流異步直流電動(dòng)機(jī)、交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（交流異步電動(dòng)機(jī)）和交流同步電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)）和交流同步電動(dòng)機(jī)。n從用途上分從用途上分n用于調(diào)速系統(tǒng)的拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)和用于伺服系用于調(diào)速系統(tǒng)的拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)和用于伺服系統(tǒng)的伺服電動(dòng)機(jī)。統(tǒng)的伺服電動(dòng)機(jī)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的功率放大與變運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的功率放大與變換裝置換裝置n電力電子型功率放大與變換裝置電力電子型功率放大與變換裝置n 半控型向全控型發(fā)展半控型向全控型發(fā)展n 低頻開關(guān)向高頻開關(guān)發(fā)展低頻開關(guān)向高頻開關(guān)發(fā)展n 分立的器件向具有復(fù)合功

3、能的功率模分立的器件向具有復(fù)合功能的功率模塊發(fā)展塊發(fā)展運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器n模擬控制器模擬控制器n物理概念清晰、控制信號(hào)流向直觀物理概念清晰、控制信號(hào)流向直觀n控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路n線路復(fù)雜、通用性差線路復(fù)雜、通用性差n控制效果受到器件性能、溫度等因控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響素的影響運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器n以微處理器為核心的數(shù)字控制器以微處理器為核心的數(shù)字控制器n硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化程度高硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化程度高n控制規(guī)律體現(xiàn)在軟件上，修改靈活控制規(guī)律體現(xiàn)在軟件上，修改靈活方便方便n擁有信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信和故障診擁有信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)

4、通信和故障診斷等功能斷等功能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器n模擬控制器模擬控制器n 并行運(yùn)行，控制器的滯后時(shí)間小。并行運(yùn)行，控制器的滯后時(shí)間小。n微處理器數(shù)字控制器微處理器數(shù)字控制器n 串行運(yùn)行方式，其滯后時(shí)間比模擬控串行運(yùn)行方式，其滯后時(shí)間比模擬控制器大得多，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)予以考慮。制器大得多，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)予以考慮。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)與處理運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)與處理n信號(hào)檢測(cè)信號(hào)檢測(cè)n 電壓、電流、轉(zhuǎn)速和位置等信號(hào)電壓、電流、轉(zhuǎn)速和位置等信號(hào)n信號(hào)轉(zhuǎn)換信號(hào)轉(zhuǎn)換n 電壓匹配、極性轉(zhuǎn)換、脈沖整形等電壓匹配、極性轉(zhuǎn)換、脈沖整形等n數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理n 信號(hào)濾波信號(hào)濾波三、調(diào)速系統(tǒng)

5、n直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速于在大范圍內(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(dòng)領(lǐng)域中得到了廣和快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。泛的應(yīng)用。n由于直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上由于直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，而且從控制的角度來看，它都比較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，為又是交流拖動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)。好地掌握直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)。四、四、 自動(dòng)控制系

6、統(tǒng)的發(fā)展概況自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況n直流傳動(dòng)和交流傳動(dòng)在直流傳動(dòng)和交流傳動(dòng)在19世紀(jì)中期以后誕生；世紀(jì)中期以后誕生；n20世紀(jì)前、中期形成公認(rèn)的格局：世紀(jì)前、中期形成公認(rèn)的格局：80%的不變速的不變速系統(tǒng)都采用交流傳動(dòng)，系統(tǒng)都采用交流傳動(dòng)，20%調(diào)速系統(tǒng)一般采用直流調(diào)速系統(tǒng)一般采用直流調(diào)速；調(diào)速；n20世紀(jì)世紀(jì)70年代的能源危機(jī)促使世界各國(guó)開始重點(diǎn)年代的能源危機(jī)促使世界各國(guó)開始重點(diǎn)研究交流調(diào)速系統(tǒng)；研究交流調(diào)速系統(tǒng)；n隨著三大技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)在性價(jià)比上也隨著三大技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)在性價(jià)比上也逐漸優(yōu)于直流調(diào)速系統(tǒng)，目前，新的格局已經(jīng)形成：逐漸優(yōu)于直流調(diào)速系統(tǒng)，目前，新的格局已經(jīng)形成

7、：交流調(diào)速系統(tǒng)上升到主導(dǎo)地位，并將逐步取代直流交流調(diào)速系統(tǒng)上升到主導(dǎo)地位，并將逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)速系統(tǒng)。1、發(fā)展歷史、發(fā)展歷史2 2、直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)的比較、直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)的比較n直流電機(jī)的弱點(diǎn)：存在機(jī)械式換向器和電刷直流電機(jī)的弱點(diǎn)：存在機(jī)械式換向器和電刷na. 制造工藝復(fù)雜，費(fèi)時(shí)費(fèi)料，成本增加；制造工藝復(fù)雜，費(fèi)時(shí)費(fèi)料，成本增加；nb. 換向器的換向能力限制了電機(jī)的容量和速度；換向器的換向能力限制了電機(jī)的容量和速度；nc. 電刷火化和環(huán)火限制了直流電機(jī)的安裝環(huán)境；電刷火化和環(huán)火限制了直流電機(jī)的安裝環(huán)境；nd. 轉(zhuǎn)子散熱條件差，電機(jī)效率低；轉(zhuǎn)子散熱條件差，電機(jī)效率低；

8、ne. 換向器和電刷的磨損使電機(jī)可靠性低，維修換向器和電刷的磨損使電機(jī)可靠性低，維修量大。量大。交流調(diào)速系統(tǒng)較直流調(diào)速系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)：交流調(diào)速系統(tǒng)較直流調(diào)速系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)：n交流電動(dòng)機(jī)在低成本、高速、大容量、惡劣交流電動(dòng)機(jī)在低成本、高速、大容量、惡劣環(huán)境可使用、維修量小等方面明顯優(yōu)于直流環(huán)境可使用、維修量小等方面明顯優(yōu)于直流電動(dòng)機(jī)；電動(dòng)機(jī)；n隨著功率器件的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)的成本隨著功率器件的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)的成本也會(huì)大幅度降低；也會(huì)大幅度降低；n實(shí)際上，直流電動(dòng)機(jī)較交流電動(dòng)機(jī)僅存在調(diào)實(shí)際上，直流電動(dòng)機(jī)較交流電動(dòng)機(jī)僅存在調(diào)速性能好，控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。速性能好，控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

9、造成了轉(zhuǎn)矩控制的困難交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型造成了轉(zhuǎn)矩控制的困難;na.交流電機(jī)是一個(gè)多輸入、多輸出、非線性、交流電機(jī)是一個(gè)多輸入、多輸出、非線性、強(qiáng)耦合且時(shí)變的控制對(duì)象強(qiáng)耦合且時(shí)變的控制對(duì)象nb.轉(zhuǎn)矩公式：轉(zhuǎn)矩公式：TdCTmIrcosrn調(diào)速裝置中器件的發(fā)展階段的限制了交流調(diào)調(diào)速裝置中器件的發(fā)展階段的限制了交流調(diào)速的發(fā)展；速的發(fā)展；n交流調(diào)速系統(tǒng)精度和成本的限制；交流調(diào)速系統(tǒng)精度和成本的限制；na.很難在短期內(nèi)達(dá)到直流調(diào)速系統(tǒng)的精度很難在短期內(nèi)達(dá)到直流調(diào)速系統(tǒng)的精度nb.高成本、高價(jià)格往往使新用戶望而卻步高成本、高價(jià)格往往使新用戶望而卻步3 3、交流調(diào)速系統(tǒng)的難點(diǎn)和復(fù)雜性、交流調(diào)速系統(tǒng)的難點(diǎn)和復(fù)

10、雜性n高性能速度控制的電力拖動(dòng)場(chǎng)合高性能速度控制的電力拖動(dòng)場(chǎng)合n以節(jié)能為目的改恒速為調(diào)速以節(jié)能為目的改恒速為調(diào)速n高精度機(jī)床、大型起重設(shè)備高精度機(jī)床、大型起重設(shè)備n軋鋼機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)軋鋼機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)n電力機(jī)車電力機(jī)車n五、調(diào)速系統(tǒng)的主要應(yīng)用方向五、調(diào)速系統(tǒng)的主要應(yīng)用方向六、學(xué)習(xí)重點(diǎn) 以基本概念、基本原理和實(shí)驗(yàn)的基本技以基本概念、基本原理和實(shí)驗(yàn)的基本技能的學(xué)習(xí)為重點(diǎn)，側(cè)重于系統(tǒng)的組成和工作能的學(xué)習(xí)為重點(diǎn)，側(cè)重于系統(tǒng)的組成和工作過程、特性分析的理解和掌握。過程、特性分析的理解和掌握。七、七、 教材的選用教材的選用 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)第第4版版 陳伯時(shí)教授主編陳伯時(shí)教授主編 機(jī)械工業(yè)

11、出版社出版機(jī)械工業(yè)出版社出版特點(diǎn)：特點(diǎn)：n精辟、簡(jiǎn)約；精辟、簡(jiǎn)約；n偏重于直流部分；偏重于直流部分；n交流部分以變頻調(diào)速為重點(diǎn)，符合調(diào)速的交流部分以變頻調(diào)速為重點(diǎn)，符合調(diào)速的發(fā)展方向。發(fā)展方向。本章內(nèi)容提要本章內(nèi)容提要n直流調(diào)速方法直流調(diào)速方法n直流調(diào)速電源直流調(diào)速電源n直流調(diào)速控制直流調(diào)速控制根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方程根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方程 eKIRUnq 直流調(diào)速方法直流調(diào)速方法nUIR Ke式中式中 轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)速（r/min）；）； 電樞電壓（電樞電壓（V）；）； 電樞電流（電樞電流（A）；）； 電樞回路總電阻（電樞回路總電阻（ ）； 勵(lì)磁磁通（勵(lì)磁磁通（Wb）； 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。由電

12、機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。（1-1） 由式（由式（1-1）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：動(dòng)機(jī)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(lì)磁磁通）減弱勵(lì)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）調(diào)壓調(diào)速n工作條件：工作條件： 保持保持勵(lì)磁勵(lì)磁 = N ； 保持電阻保持電阻 R = Ran調(diào)節(jié)過程：調(diào)節(jié)過程： 改變電壓改變電壓 UN U U n ， n0 n調(diào)速特性：調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移。曲線平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲

13、線調(diào)壓調(diào)速特性曲線（2）調(diào)阻調(diào)速）調(diào)阻調(diào)速n工作條件：工作條件： 保持保持勵(lì)磁勵(lì)磁 = N ； 保持電壓保持電壓 U =UN ；n調(diào)節(jié)過程：調(diào)節(jié)過程： 增加電阻增加電阻 Ra R R n ，n0不變；不變；n調(diào)速特性：調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。曲線變軟。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線調(diào)阻調(diào)速特性曲線（3）調(diào)磁調(diào)速）調(diào)磁調(diào)速n工作條件：工作條件： 保持電壓保持電壓 U =UN ； 保持電阻保持電阻 R = R a ；n調(diào)節(jié)過程：調(diào)節(jié)過程： 減小減小勵(lì)磁勵(lì)磁 N n ， n0 n調(diào)速特性：調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性轉(zhuǎn)速上升

14、，機(jī)械特性曲線變軟。曲線變軟。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3調(diào)磁調(diào)速特性曲線調(diào)磁調(diào)速特性曲線 三種調(diào)速方法的性能與比較三種調(diào)速方法的性能與比較 對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)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(jí)調(diào)速；減弱磁為最好。改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，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（即電機(jī)往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（即電機(jī)額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。 因此，自動(dòng)控制的

15、直流調(diào)速系統(tǒng)往往以因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速調(diào)壓調(diào)速為主。為主。第1章 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(jì)方法。本章提要本章提要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1.2 晶閘管晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的特殊問題電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的特殊問題1.3 反反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì)饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì)1.4 反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)1.5 無靜差調(diào)速系統(tǒng)和積分、比例積分控制規(guī)律無靜差調(diào)速系統(tǒng)和積分、比例積分控制規(guī)律1.6 電壓反饋電流補(bǔ)償控制的調(diào)速系統(tǒng)電壓反饋電流補(bǔ)

16、償控制的調(diào)速系統(tǒng)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(dòng)機(jī)供電的樞電壓需要有專門向電動(dòng)機(jī)供電的可控直流電源可控直流電源。 本節(jié)介紹幾種主要的可控直流本節(jié)介紹幾種主要的可控直流電源。電源。常用的可控直流電源有以下三種常用的可控直流電源有以下三種n旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。n靜止式可控整流器靜止式可控整流器用靜止式的可控整用靜止式的

17、可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。n直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器用恒定用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力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(jìn)行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)電子開關(guān)器件斬波或進(jìn)行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)生可變的平均電壓。生可變的平均電壓。1.1.1 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組圖1-1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)） G-M系統(tǒng)工作原理 由原動(dòng)機(jī)（柴油機(jī)、交流異步或同步電動(dòng)機(jī)）拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī) G 實(shí)現(xiàn)變流，由 G 給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī) M 供電，調(diào)節(jié)G 的勵(lì)磁電流 if 即可改變其輸出電壓 U，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速

18、 n 。 這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)稱G-M系統(tǒng)，國(guó)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)機(jī)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 晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)） V-M系統(tǒng)工作原理 晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)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(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud ，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。 V-M系統(tǒng)的特點(diǎn) 與G-M系統(tǒng)相比較：n晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)

19、濟(jì)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(jī)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(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管整流器是毫秒級(jí)，這將大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 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(yùn)行造成困難。n晶閘管對(duì)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(huì)在很短的時(shí)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

20、器或脈寬調(diào)制變換器 在干線鐵道電力機(jī)車、工礦電力機(jī)車、城市有軌和無軌電車和地鐵電機(jī)車等電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵(lì)或復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)，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(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速，在電阻中耗電很大。a）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton控制電路控制電路M 1. 直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)圖1-5 直流斬波器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形 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(dāng)VT 導(dǎo)通時(shí)，直流電源電壓 Us 加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng)VT 關(guān)斷時(shí)，直流電源與電機(jī)脫開，電動(dòng)機(jī)電樞經(jīng) VD 續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，電樞端

21、電壓波形如圖1-5b ，好像是電源電壓Us在ton 時(shí)間內(nèi)被接上，又在 T ton 時(shí)間內(nèi)被斬?cái)啵史Q“斬波”。這樣，電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為 3. 輸出電壓計(jì)算ssondUUTtU(1-2)式中 T 晶閘管的開關(guān)周期； ton 開通時(shí)間； 占空比， = ton / T = ton f ；其中 f 為開關(guān)頻率。 為了節(jié)能，并實(shí)行無觸點(diǎn)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(jiǎn)單的單管控制時(shí)，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(duì)輸出電

22、壓平均值進(jìn)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(diǎn)（1）主電路線路簡(jiǎn)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(jī)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(dá)1:10000左右；（4）若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；PWM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（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(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，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(shí)，電網(wǎng)功

23、率因數(shù)比相控整流器高。小小 結(jié)結(jié) 三種可控直流電源，V-M系統(tǒng)在上世紀(jì)6070年代得到廣泛應(yīng)用，目前主要用于大容量系統(tǒng)。 直流PWM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、小容量的系統(tǒng)中，已取代V-M系統(tǒng)成為主要的直流調(diào)速方式。返回目錄返回目錄1.2 晶閘管晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的特殊問題電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的特殊問題 本節(jié)討論V-M系統(tǒng)的幾個(gè)主要問題：（1）觸發(fā)脈沖相位控制；（2）電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)；（3）抑制電流脈動(dòng)的措施；（4）晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)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

24、便地改變可控整流器 VT 輸出瞬時(shí)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(fù)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(shí)值 ud0 和平均值 Ud0 來表示，相當(dāng)于用圖示的等效電路代替實(shí)際的整流電路。圖1-7 V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖 式中 電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)； 整流電流瞬時(shí)值； 主電路總電感； 主電路等效電阻；且有 R = Rrec +

25、 Ra + RL；EidLR 瞬時(shí)電壓平衡方程tiLRiEuddddd0(1-3) 對(duì)ud0進(jìn)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(diǎn)。 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(duì)于一般的全控整流電路，當(dāng)電流波形連續(xù)時(shí)，Ud0 = f () 可用下式表示 式中 從自然換相點(diǎn)算起的觸發(fā)脈沖控制角； = 0 時(shí)的整流電壓波形峰值； 交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)；對(duì)于不同的整流電路，它們的數(shù)值如表1-1所示。Umm 整流電壓的平均值計(jì)算cossinmd0mUmU(1-5)表1-1 不同整流電路的整流電壓值* U2

26、是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。1.2.2 電流脈動(dòng)的影響極其抑制措施電流脈動(dòng)的影響極其抑制措施 由于電流波形的脈動(dòng)，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(gè)特點(diǎn)。當(dāng)V-M系統(tǒng)主電路有足夠大的電感量，而且電動(dòng)機(jī)的負(fù)載也足夠大時(shí)，整流電流便具有連續(xù)的脈動(dòng)波形。當(dāng)電感量較小或負(fù)載較輕時(shí)，在某一相導(dǎo)通后電流升高的階段里，電感中的儲(chǔ)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。n 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)OuaubucudOiaibicictEUdtO

27、uaubucudOiaibicicEUdudttudididn抑制電流脈動(dòng)的措施抑制電流脈動(dòng)的措施 在V-M系統(tǒng)中，脈動(dòng)電流會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)的轉(zhuǎn)矩，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械不利，同時(shí)也增加電機(jī)的發(fā)熱。為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動(dòng)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(jì)算）平波電抗器的設(shè)置與計(jì)算n單相橋式全控整流電路單相橋式全控整流電路 n三相半波整流電路三相半波整流電路 n三相橋式整流電路三相橋式整流電路 mind287. 2IUL mind246. 1IUL mind2693. 0IUL（1-6）（1-8）（1-7）（2）多重化整流電路M

28、LTVT12c1b1a1c2b2a2LP 如圖電路為由2個(gè)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M1.2.3 晶閘管晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性 當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為 式中式中 Ce = Ke N 電機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)。電機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)。式（式（1-9）等號(hào)右邊）等號(hào)右邊 Ud0 表達(dá)式的適用范圍如第表達(dá)式的適用范圍如第1.2.1節(jié)節(jié)中所述。中所述。)cossin(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn（1-9）（1）電流連續(xù)

29、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G-M系統(tǒng)的特性很系統(tǒng)的特性很相似，如圖相似，如圖1-10所示。所示。 圖中電流較小的圖中電流較小的部分畫成虛線，表明部分畫成虛線，表明這時(shí)電流波形可能斷這時(shí)電流波形可能斷續(xù)，公式（續(xù)，公式（1-9）已）已經(jīng)不適用了。經(jīng)不適用了。圖圖1-10 電流連續(xù)時(shí)電流連續(xù)時(shí)V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性系統(tǒng)的機(jī)械特性 n = Id R/CenIdILO n上述分析說明：只要電流連續(xù)，晶閘管上述分析說明：只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個(gè)可控整流器就可以看成是一個(gè)線性的可線性的可控電壓源控電壓源。 當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，由于非

30、線性因素，機(jī)械特性方程當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，由于非線性因素，機(jī)械特性方程要復(fù)雜得多。以三相半波整流電路構(gòu)成的要復(fù)雜得多。以三相半波整流電路構(gòu)成的V-M系統(tǒng)系統(tǒng)為例，電流斷續(xù)時(shí)機(jī)械特性須用下列方程組表示為例，電流斷續(xù)時(shí)機(jī)械特性須用下列方程組表示 (1-10) (1-11)式中式中 ； 一個(gè)電流脈波的導(dǎo)通角。一個(gè)電流脈波的導(dǎo)通角。2)6cos()6cos(2232e2dnUCRUI)e1 (e )6sin()6sin(cos2ctgectg2CUnRLarctg（2）電流斷續(xù)情況）電流斷續(xù)情況（3）電流斷續(xù)機(jī)械特性計(jì)算）電流斷續(xù)機(jī)械特性計(jì)算 當(dāng)阻抗角當(dāng)阻抗角 值已知時(shí)，對(duì)于不同的控值已知時(shí)，對(duì)于不同的控制

31、角制角 ，可用數(shù)值解法求出一族電流斷，可用數(shù)值解法求出一族電流斷續(xù)時(shí)的機(jī)械特性。續(xù)時(shí)的機(jī)械特性。 對(duì)于每一條特性，求解過程都計(jì)算到對(duì)于每一條特性，求解過程都計(jì)算到 = 2 /3為止，因?yàn)闉橹?，因?yàn)?角再大時(shí)，電流便角再大時(shí)，電流便連續(xù)了。對(duì)應(yīng)于連續(xù)了。對(duì)應(yīng)于 = 2 /3 的曲線是電流的曲線是電流斷續(xù)區(qū)與連續(xù)區(qū)的分界線斷續(xù)區(qū)與連續(xù)區(qū)的分界線。圖圖1-11 完整的完整的V-M系統(tǒng)機(jī)械特性系統(tǒng)機(jī)械特性（4）V-M系統(tǒng)系統(tǒng) 機(jī)械特性機(jī)械特性（5）V-M系統(tǒng)機(jī)械特性的特點(diǎn)系統(tǒng)機(jī)械特性的特點(diǎn) 圖圖1-11繪出了完整的繪出了完整的V-M系統(tǒng)機(jī)械特系統(tǒng)機(jī)械特性，分為電流連續(xù)區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)。由性，分為電流連續(xù)

32、區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)。由圖可見：圖可見：n當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，特性還比較硬；當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，特性還比較硬；n斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。1.3 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 穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì)穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì) 本節(jié)提要本節(jié)提要n轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)n開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能和存在的問題n閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性n開環(huán)系統(tǒng)特性和閉環(huán)系統(tǒng)特性的關(guān)系n反饋控制規(guī)律n限流保護(hù)電流截止負(fù)反饋1.3.1 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo) 任何一臺(tái)需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對(duì)調(diào)速性能都有一定

33、的要求。 歸納起來，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求有以下三個(gè)方面：1. 控制要求（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(jí)）或 平滑地（無級(jí)）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)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；（3）加、減速頻繁起、制動(dòng)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(jī)械則要求起，制動(dòng)盡量平穩(wěn)。2. 調(diào)速指標(biāo)n調(diào)速范圍：調(diào)速范圍： 生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母 D 表示，即（1-31）minmaxnnD 其中nmin 和nmax 一般都指電機(jī)額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)

34、械，例如精密磨床，也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速。 n靜差率：靜差率：當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 nN ，與理想空載轉(zhuǎn)速 n0 之比，稱作靜差率 s ，即0Nnns或用百分?jǐn)?shù)表示 %1000Nnns（1-32） （1-33） 式中 nN = n0 - nN 0TeNTen0an0bab nNa nNb nO圖1-23 不同轉(zhuǎn)速下的靜差率3. 靜差率與機(jī)械特性硬度的區(qū)別 然而靜差率和機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。一般調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)械特性是互相平行的 。對(duì)于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定度也就越差。n例如例如：在1000

35、r/min時(shí)降落10r/min，只占1%；在100r/min時(shí)同樣降落10r/min，就占10%； 如果在只有10r/min時(shí)，再降落10r/min，就占100%，這時(shí)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速全部降落完了。 因此，調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時(shí)提才有意義。調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時(shí)所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。靜差率與機(jī)械特性硬度的區(qū)別（續(xù)）4. 調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系 設(shè)：電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nN為最高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速降落為nN，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率，即NminNmin0Nnnnnns于是，最低轉(zhuǎn)速為 snsnsnnNNNmin)1 (

36、而調(diào)速范圍為 minNminmaxnnnnD將上面的式代入 nmin，得 )1 (NNsnsnD（1-34） 式（1-34）表示調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)， nN 值一定，由式（1-34）可見，如果對(duì)靜差率要求越嚴(yán)，即要求 s 值越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。 n結(jié)論1： 一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。速時(shí)還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。n例題例題1-1 某直流調(diào)速系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為，額定速降 nN = 115r/min，當(dāng)要求靜差率30%時(shí)，允許多大的調(diào)

37、速范圍？如果要求靜差率20%，則調(diào)速范圍是多少？如果希望調(diào)速范圍達(dá)到10，所能滿足的靜差率是多少？解解 要求30%時(shí)，調(diào)速范圍為 若要求20%，則調(diào)速范圍只有若調(diào)速范圍達(dá)到10，則靜差率只能是3 . 5)3 . 01 (1153 . 01430)1 (NNsnsnD1 . 3)2 . 01 (1152 . 01430D%6 .44446. 011510143011510NNNnDnnDs1.3.2 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能和存在的問題開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能和存在的問題 若可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制電壓就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果負(fù)載的生產(chǎn)工藝對(duì)運(yùn)行時(shí)的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

38、都能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級(jí)調(diào)速，可以找到一些用途。 但是，許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對(duì)靜差率有一定的要求。在這些情況下，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。 n例題例題1-2 某龍門刨床工作臺(tái)拖動(dòng)采用直流電動(dòng)機(jī)，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，電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)。如果要求調(diào)速范圍 D = 20，靜差率5%，采用開環(huán)調(diào)速能否滿足？若要滿足這個(gè)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(shí)，V-M系統(tǒng)的額定速降為開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率為 這已大大超過了5%的要求，更不必談?wù){(diào)到最低速了。min/275min/2 . 01

39、8. 0305edNNrrCRIn%6 .21216. 02751000275NNNNnnns 如果要求D = 20，s 5%，則由式（1-29）可知 由上例可以看出，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！ 由此可見，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(gè)問題。min/63. 2min/)05. 01 (2005. 01000)1 (NNrrsDsnn1.3.3 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 根據(jù)自動(dòng)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(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它

40、就會(huì)自動(dòng)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(fù)載引起的轉(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。 n 系統(tǒng)組成圖1-24 采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+-+UnUn U*nUcUPE+-MTGIdUnUdUcUnntgn 調(diào)節(jié)原理 在反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī) TG ，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓Un ，與給定電壓 U*n 相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓 Un ，經(jīng)過放大器 A，產(chǎn)生電力電子變換器UPE的控制電壓Uc ，用以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n。n UPE的組成 圖中，UPE是由

41、電力電子器件組成的變換器，其輸入接三組（或單相）交流電源，輸出為可控的直流電壓，控制電壓為Uc 。UcUd0uACDCUd0Ucn UPE的組成（續(xù)） 目前，組成UPE的電力電子器件有如下幾種選擇方案：n對(duì)于中、小容量系統(tǒng)，多采用由IGBT或P-MOSFET組成的PWM變換器；n對(duì)于較大容量的系統(tǒng)，可采用其他電力電子開關(guān)器件，如GTO、IGCT等；n對(duì)于特大容量的系統(tǒng)，則常用晶閘管觸發(fā)與整流裝置。n 穩(wěn)態(tài)分析條件 下面分析閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，以確定它如何能夠減少轉(zhuǎn)速降落。為了突出主要矛盾，先作如下的假定：（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

42、段；（2）忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻。轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下： 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(jī)械特性 ed0dCRIUn測(cè)速反饋環(huán)節(jié) nUnn 穩(wěn)態(tài)關(guān)系n 穩(wěn)態(tài)關(guān)系（續(xù)）以上各關(guān)系式中 放大器的電壓放大系數(shù)； 電力電子變換器的電壓放大系數(shù)； 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，（Vmin/r）； UPE的理想空載輸出電壓； 電樞回路總電阻。KpKsRUd0 從上述五個(gè)關(guān)系式中消去中間變量，整理后，即得轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式（1-35） )1 ()1 ()/1 (ede*nspesped*nspKCRIKCUKKCK

43、KCRIUKKn n 靜特性方程n 靜特性方程（續(xù)） 式中 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K為 它相當(dāng)于在測(cè)速反饋電位器輸出端把反饋回路斷開后，從放大器輸入起直到測(cè)速反饋輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各環(huán)節(jié)單獨(dú)的放大系數(shù)的乘積。 電動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)放大系數(shù)為espCKKKnEC en注意：注意： 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，它在形式上與開環(huán)機(jī)械特性相似，但本質(zhì)上卻有很大不同，故定名為“靜特性”，以示區(qū)別。KpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- IdR-UnKsn 閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖1-25 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖中各方塊內(nèi)的符號(hào)

44、代表該環(huán)節(jié)的放大系數(shù)。運(yùn)用結(jié)構(gòu)圖運(yùn)算法同樣可以推出式（1-35）所表示的靜特性方程式，方法如下：將給定量和擾動(dòng)量看成兩個(gè)獨(dú)立的輸入量，先按它們分別作用下的系統(tǒng)求出各自的輸出與輸入關(guān)系式，b）只考慮給定作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)c）只考慮擾動(dòng)作用時(shí) 的閉環(huán)系統(tǒng))1(e*nspKCUKKn)1(edKCRInU*nKpKs 1/CeUcUn n Ud0Un+-+KpKs 1/Ce-IdR nUd0+-E 由于已認(rèn)為系統(tǒng)是線性的，可以把二者疊加起來，即得系統(tǒng)的靜特性方程式（1-35）)1()1(ede*nspKCRIKCUKKn1.3.4 開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性 的關(guān)

45、系的關(guān)系 比較一下開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，就能清楚地看出反饋閉環(huán)控制的優(yōu)越性。如果斷開反饋回路，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性為 opop0ede*nsped0dnnCRICUKKCRIUn(1-36) 而閉環(huán)時(shí)的靜特性可寫成 llnnKCRIKCUKKncc0ede*nsp)1 ()1 (1-37) 比較式（1-36）和式（1-37）不難得出以下的論斷：（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜性可以比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多。 在同樣的負(fù)載擾動(dòng)下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為 和它們的關(guān)系是 Knnl1opc(1-38) edopCRIn)1 (edcKCRInln 系統(tǒng)特性比較n 系統(tǒng)特性比較（續(xù)）（2）如果比較同

46、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。 閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為 和 當(dāng) n0op =n0cl 時(shí)，（1-39）lllnnsc0ccop0opopnnsKssl1opc（3）當(dāng)要求的靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。 如果電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是nmax；而對(duì)最低速靜差率的要求相同，那么： 開環(huán)時(shí)， 閉環(huán)時(shí)， 再考慮式（1-38），得 opc)1 (DKDl(1-40) )1 (opNopsnsnD)1 (cNcsnsnDlln 系統(tǒng)特性比較（續(xù)）n 系統(tǒng)特性比較（續(xù)）（4）要取得上述三項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。 上述三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)若要有效，都取決于一點(diǎn)，即 K 要足夠

47、大，因此必須設(shè)置放大器。 把以上四點(diǎn)概括起來，可得下述結(jié)論：結(jié)論結(jié)論2： 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)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，為此所率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價(jià)是，須增設(shè)電壓放大器以及需付出的代價(jià)是，須增設(shè)電壓放大器以及檢測(cè)與反饋裝置。檢測(cè)與反饋裝置。 n例題例題1-3 在例題1-2中，龍門刨床要求 D = 20， s R，因此（1-44）sspcom*nspdb)(RKKRUUKKIlscom*ndbRUUIl4. 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)nIdbl應(yīng)小

48、于電機(jī)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(yùn)行范圍足夠大，截止電流應(yīng)大于電機(jī)的額定電流，一般取 Idcr （1.11.2）IN返回目錄返回目錄1.4 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(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)態(tài)校正PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)n系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例與參數(shù)計(jì)算 為了分析調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，必須首先建立描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)物理規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，對(duì)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖表示。

49、 1.4.1 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài) 數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型 建立系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)態(tài)過程的微分方程；（2）求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；（3）組成系統(tǒng)的動(dòng)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(dòng)機(jī)。不同電力電子變換器的傳遞函數(shù)，它們的表達(dá)式是相同的，都是1)(ssssTKsW(1-45) 只是在不同場(chǎng)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(lì)直流電動(dòng)機(jī)等效電路 2. 直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)Et

50、ILRIUddddd0(1-46) 假定主電路電流連續(xù)，則動(dòng)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(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為 (1-47) tnGDTTdd3752Le 額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩分別為 dmeICT nCEe(1-48) (1-49) 式中 包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn) 矩，N-m； 電力拖動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的飛 輪慣量，N-m2； 電機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)， N-m/A； em30CCTLGD2 電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)，s； 電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)，s。RLTlme2m375CCRGDT 定義下列時(shí)間常數(shù) 代入式（1-46）和（1-47）,并考慮

51、式（1-48）和（1-49），整理后得)dd(dd0dtITIREUltERTIIddmdLdmLdLCTI(1-50) (1-51) 式中 為負(fù)載電流。 n 微分方程 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(dòng)勢(shì)間的傳遞函數(shù) sTRsIsIsEmdLd)()()(1-52) (1-53) n 傳遞函數(shù)n 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 Id (s)IdL(s)+-E (s) R Tmsb. 式（131）的結(jié)構(gòu)圖E(s)Ud0+-1/RTl s+1Id (s)a. 式（130）的結(jié)構(gòu)圖+圖1-34 額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖n(s)c.

52、 整個(gè)直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)圖 1/CeUd0IdL (s) EId (s)Un+- 1/R Tl s+1 R Tms 由上圖c可以看出，直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)輸入量，一個(gè)是施加在電樞上的理想空載電壓，另一個(gè)是負(fù)載電流。前者是控制輸入量，后者是擾動(dòng)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(dòng)量的綜合點(diǎn)移前，再進(jìn)行等效變換，得下圖a。如果是理想空載，則 IdL = 0，結(jié)構(gòu)圖即簡(jiǎn)化成下圖b。 n(s)Ud0 (s)+-1/Ce TmTl s2+Tms+1IdL (s) R (Tl s+1)n 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡(jiǎn)化a. IdL 0n(s)1/Ce TmTl s2+Tms+1Ud0 (s)n 動(dòng)態(tài)結(jié)

53、構(gòu)圖的變換和簡(jiǎn)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(cè)速反饋環(huán)節(jié)，它們的響應(yīng)都可以認(rèn)為是瞬時(shí)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(cè)速反饋（1-55） （1-54） 3. 控制與檢測(cè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù) 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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)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(gè)三階線性系統(tǒng)。 4. 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖1-36 反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)

54、結(jié)構(gòu)圖n(s)U*n (s)IdL (s) Uct (s)Un (s)+- KsTss+1KP1/Ce TmTl s2+Tms+1 +-R (Tl s+1)Ud0 (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(/)(sm2sm3smespm2msespm2msespm2msespcsKTTsK

55、TTTsKTTTKCKKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsWllllll（1-57） 1.4.2 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(dá)式為 0322130asasasa 根據(jù)三階系統(tǒng)的勞斯-古爾維茨判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是 0000030213210aaaaaaaa， 式（1-58）的各項(xiàng)系數(shù)顯然都是大于零的，因此穩(wěn)定條件就只有 0111)(smsmsmKTTTKTTKTTTll

56、ssms)1 ()(TTKTTTTll或整理后得 s2ssm)(TTTTTTKll（1-59） 式（1-59）右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù) Kcr, 當(dāng) K Kcr 時(shí)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。 對(duì)于一個(gè)自動(dòng)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。 1.4.3 動(dòng)態(tài)校正動(dòng)態(tài)校正PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)1. 概概 述述 在設(shè)計(jì)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，常常會(huì)遇到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)發(fā)生矛盾的情況（如例題1-5，或例題1-7中要求更高調(diào)速范圍時(shí)），這時(shí)，必須設(shè)計(jì)合適的動(dòng)態(tài)校正裝置，用來改造系統(tǒng)，使它同時(shí)滿足動(dòng)態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)指標(biāo)兩方面的要求。2. 動(dòng)態(tài)校正的方法n串聯(lián)校正；n并聯(lián)校正；n反饋校

57、正。 而且對(duì)于一個(gè)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(dòng)自動(dòng)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(jiǎn)單，也容易實(shí)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(duì)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(dòng)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

58、正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，卻是以對(duì)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(shí)現(xiàn)的滯后超前校正則兼有二者的優(yōu)點(diǎn)，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但具體實(shí)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(dòng)態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度為主，對(duì)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(dòng)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(jì)工具 在設(shè)計(jì)校正裝置時(shí)，主要的研究工具是伯德圖（Bode Diagram），即開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性的漸近線。它的繪制方法簡(jiǎn)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(dòng)態(tài)的性能。正因?yàn)槿绱?，伯德圖是自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中普遍使用的方

59、法。 在定性地分析閉環(huán)系統(tǒng)性能時(shí)，通常將伯德圖分成低、中、高三個(gè)頻段，頻段的分割界限是大致的，不同文獻(xiàn)上的分割方法也不盡相同，這并不影響對(duì)系統(tǒng)性能的定性分析。下圖繪出了自動(dòng)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(gè)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(gè)方面：0L/dBc/s -1-20dB/dec低頻段中頻段高頻段圖1-37 典型的控制系統(tǒng)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

60、高頻段衰減越快，即高頻特性負(fù)分貝值越低，說明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強(qiáng)。 以上四個(gè)方面常常是互相矛盾的。對(duì)穩(wěn)態(tài)精度要求很高時(shí)，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(jì)時(shí)往往須在穩(wěn)、準(zhǔn)、快和抗干擾這四個(gè)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(jì)要求 在實(shí)際系統(tǒng)中，動(dòng)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(jì)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(biāo)是：相角裕度 和以分貝表示的增益裕度 GM。一般要求： = 30 60； G