一什么是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

1、 Shanghai university緒論緒論一。什么是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)一。什么是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)？運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)（Motion Control System）也可稱作電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)（Control Systems of Electric Drive） 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通過對(duì)電動(dòng)機(jī)電壓、電流、頻率等輸入電量的控制，來改變工作機(jī)械的轉(zhuǎn)矩、速度、位移等機(jī)械量，使各種工作機(jī)械按人們期望的要求運(yùn)行，以滿足生產(chǎn)工藝及其他應(yīng)用的需要。工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)提出了日益復(fù)雜的要求，同時(shí)也為研制和生產(chǎn)各類新型的控制裝置提供了可能。 Shanghai university二。運(yùn)動(dòng)控制及其相關(guān)學(xué)科二。運(yùn)動(dòng)控制

2、及其相關(guān)學(xué)科現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制已成為電機(jī)學(xué)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、控制理論、信號(hào)檢測(cè)與處理技術(shù)等多門學(xué)科相互交叉的綜合性學(xué)科 Shanghai university1電機(jī)學(xué)電動(dòng)機(jī)是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理決定了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和運(yùn)行性能，新型電機(jī)的發(fā)明就會(huì)帶出新的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。2電力電子技術(shù)以電力電子器件為基礎(chǔ)的功率放大與變換裝置是弱電控制強(qiáng)電的媒介，是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行手段。在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中作為電動(dòng)機(jī)的可控電源，其輸出電源質(zhì)量直接影響運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和性能。新型電力電子器件的誕生必將產(chǎn)生新型的功率放大與變換裝置，對(duì)改善電動(dòng)機(jī)供電電源質(zhì)量，提高系統(tǒng)運(yùn)行

3、性能，起到積極的推進(jìn)作用。 Shanghai university3微電子技術(shù)控制基礎(chǔ)微電子技術(shù)的快速發(fā)展，各種高性能的大規(guī)?；虺笠?guī)模的集成電路層出不窮，方便和簡(jiǎn)化了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)及調(diào)試工作，提高了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性。高速、大內(nèi)存容量、多功能的微處理器或單片微機(jī)的問世，使各種復(fù)雜的控制算法在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用成為可能，并大大提高了控制精度。4計(jì)算機(jī)控制技術(shù)系統(tǒng)控制核心(1) 計(jì)算機(jī)控制(2) 計(jì)算機(jī)仿真 (3) 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) Shanghai university計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)大的邏輯判斷、數(shù)據(jù)計(jì)算和處理、信息傳輸?shù)饶芰Γ苓M(jìn)行各種復(fù)雜的運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的控制

4、規(guī)律，達(dá)到模擬控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)的控制功能和效果。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用使對(duì)象參數(shù)辨識(shí)、控制系統(tǒng)的參數(shù)自整定和自學(xué)習(xí)、智能控制、故障診斷等成為可能，大大提高了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的智能化和系統(tǒng)的可靠性。在工程實(shí)際中，對(duì)于一些難以求得其精確解析解的問題，可以通過計(jì)算機(jī)求得其數(shù)值解，這就是計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真。計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真具有成本低，結(jié)構(gòu)靈活，結(jié)果直觀，便于貯存和進(jìn)行數(shù)據(jù)分析等優(yōu)點(diǎn)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)是在數(shù)字仿真的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真，按給定指標(biāo)尋優(yōu)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，已成為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)常用的分析和設(shè)計(jì)工具。 Shanghai university5信號(hào)檢測(cè)與處理技術(shù)控制系統(tǒng)的“眼

5、睛” 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的本質(zhì)是反饋控制，即根據(jù)給定和輸出的偏差實(shí)施控制，最終縮小或消除偏差，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)需通過傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，構(gòu)成反饋控制，并進(jìn)行故障分析和故障保護(hù)。 由于實(shí)際檢測(cè)信號(hào)往往帶有隨機(jī)的擾動(dòng)，這些擾動(dòng)信號(hào)對(duì)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生不利的影響，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)茐南到y(tǒng)的穩(wěn)定性。為了保證系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行，必須對(duì)實(shí)際檢測(cè)的信號(hào)進(jìn)行濾波等處理，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。此外，傳感器輸出信號(hào)的電壓、極性和信號(hào)類型往往與控制器的需求不相吻合。所以，傳感器輸出信號(hào)一般不能直接用于控制，需要進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理。 Shanghai university6控制理論系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的依據(jù) 控制理論是

6、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，是指導(dǎo)系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的依據(jù)?？刂葡到y(tǒng)實(shí)際問題的解決常常能推動(dòng)理論的發(fā)展，而新的控制理論的誕生，諸如非線性控制、自適應(yīng)控制、智能控制等，又為研究和設(shè)計(jì)各種新型的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。 Shanghai university三。三。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 Shanghai university1電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象（1）直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，電刷和換向器限制了它的轉(zhuǎn)速與容量。 優(yōu)點(diǎn)：易于控制。（2）交流異步電動(dòng)機(jī) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易 ，無需機(jī)械換向器，其允許轉(zhuǎn)速與容量均大于直流電動(dòng)機(jī) 。（3）同步電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速，具有機(jī)械特

7、性硬 ，在恒頻電源供電時(shí)調(diào)速較為困難，變頻器的誕生不僅解決了同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，還解決了其起動(dòng)和失步問題，有效地促進(jìn)了同步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)控制中的應(yīng)用。 2功率放大與變換裝置執(zhí)行手段電力電子器件組成電力電子裝置。 Shanghai university電力電子器件：第一代：半控型器件，如SCR，方便地應(yīng)用于相控整流器(ACDC)和有源逆變器(DCAC) ，但用于無源逆變(DCAC)或直流PWM方式調(diào)壓（DCDC）時(shí)，必須增加強(qiáng)迫換流回路，使電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 第二代：全控型器件，如GTO、BJT、IGBT、MOSFET等 。此類器件用于無源逆變(DCAC) 和直流調(diào)壓（DCDC）時(shí)，無須強(qiáng)迫換流回路，主

8、回路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。另一個(gè)特點(diǎn)是可以大大提高開關(guān)頻率，用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)控制功率器件的開通與關(guān)斷，可大大提高可控電源的質(zhì)量。 Shanghai university第三代 ：特點(diǎn)是由單一的器件發(fā)展為具有驅(qū)動(dòng)、保護(hù)功能的復(fù)合功率模塊，提高了使用的安全性和可靠性。3控制器：(1)模擬控制器 :模擬控制器常用運(yùn)算放大器及相應(yīng)的電氣元件實(shí)現(xiàn)，具有物理概念清晰、控制信號(hào)流向直觀等優(yōu)點(diǎn)，其控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路和所用的器件上，因而線路復(fù)雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響。 (2)數(shù)字控制器 :硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化程度高、制作成本低、而且不受器件溫度漂移的影響?？刂埔?guī)律體現(xiàn)在軟件上，修改起來靈活

9、方便。此外，還擁有信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制器無法實(shí)現(xiàn)的功能。 Shanghai university4信號(hào)檢測(cè)與處理傳感器運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的反饋信號(hào)是電壓、電流、轉(zhuǎn)速和位置，為了真實(shí)可靠地得到這些信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)功率電路（強(qiáng)電）和控制器（弱電）之間的電氣隔離，需要相應(yīng)的傳感器。 精度信號(hào)傳感器必須有足夠高的精度，才能保證控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。濾波信號(hào)濾波，模擬控制系統(tǒng)常采用模擬器件構(gòu)成的濾波電路，而計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)往往采用模擬濾波電路和計(jì)算機(jī)軟件數(shù)字濾波相結(jié)合的方法。 Shanghai university四。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本運(yùn)動(dòng)

10、方程式 ：J機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， m轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度， m轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)角， mmemdtdLTTdtdJ運(yùn)動(dòng)控制的目的：控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，對(duì)于直線電動(dòng)機(jī)來說是控制速度和位移 Shanghai university要控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，唯一的途徑就是控制電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 。使轉(zhuǎn)速變化率按人們期望的規(guī)律變化。因此，轉(zhuǎn)矩控制是運(yùn)動(dòng)控制的根本問題。在高性能的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，用轉(zhuǎn)速偏差來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。 Shanghai university五。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的分類五。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的分類直流電機(jī)直流電機(jī)交流電機(jī)交流電機(jī)（異步電機(jī)（異步電機(jī)*、同步電機(jī)）、同步電機(jī)）速度控制速度控制直流調(diào)速

11、系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)*交流調(diào)速系統(tǒng)交流調(diào)速系統(tǒng)*位置控制位置控制直流伺服系統(tǒng)直流伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)第一篇，運(yùn)動(dòng)控制（一）直流調(diào)速系統(tǒng)第一篇，運(yùn)動(dòng)控制（一）交流調(diào)速系統(tǒng)第二篇，運(yùn)動(dòng)控制（二）交流調(diào)速系統(tǒng)第二篇，運(yùn)動(dòng)控制（二） Shanghai university六。課程性質(zhì)及要求六。課程性質(zhì)及要求綜合型（綜合應(yīng)用多門課程）的專業(yè)課，所學(xué)綜合型（綜合應(yīng)用多門課程）的專業(yè)課，所學(xué)知識(shí)的具體應(yīng)用。包括理論教學(xué)及實(shí)驗(yàn)二部分。知識(shí)的具體應(yīng)用。包括理論教學(xué)及實(shí)驗(yàn)二部分。理論教學(xué)：多思考、多分析理論教學(xué)：多思考、多分析考核：期終考試考核：期終考試80 平時(shí)平時(shí)20：a）考勤）考勤 b）

12、作業(yè)）作業(yè) c）學(xué)習(xí)態(tài)度）學(xué)習(xí)態(tài)度 Shanghai university直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)第第 1 1 篇篇 Shanghai university根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速方程根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速方程 eKIRUnq 直流調(diào)速方法直流調(diào)速方法（1-1）式中式中 n 轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)速（r/minr/min）；）； U 電樞電壓（電樞電壓（V V）；）； I 電樞電流（電樞電流（A A）；）； R 電樞回路總電阻（電樞回路總電阻（ ）；）； 勵(lì)磁磁通（勵(lì)磁磁通（WbWb）；）； Ke 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。 Shanghai university調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的三

13、種方法1.1.調(diào)節(jié)電樞供電電壓調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U U2.2.改變電樞回路電阻改變電樞回路電阻 R R3.3.減弱勵(lì)磁磁通減弱勵(lì)磁磁通 Shanghai university1 1。調(diào)壓調(diào)速。調(diào)壓調(diào)速 工作條件： 保持勵(lì)磁 = N ； 保持電阻 R = Ra 調(diào)節(jié)過程： 改變電壓 UN U U n ， n0 調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線 Shanghai university2。調(diào)阻調(diào)。調(diào)阻調(diào)速速 工作條件： 保持勵(lì)磁 = N ； 保持電壓 U

14、 =UN ； 調(diào)節(jié)過程： 增加電阻 Ra R R n ，n0不變； 調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線 Shanghai university3 3。調(diào)磁調(diào)速。調(diào)磁調(diào)速 工作條件： 保持電壓 U =UN ； 保持電阻 R = R a ； 調(diào)節(jié)過程： 減小勵(lì)磁 N n ， n0 調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線變軟。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線 Shanghai university 三種調(diào)速方法的性能與比較 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，在基速以

15、上作小范圍的弱磁升速。 調(diào)壓調(diào)速能在較大的范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速。 Shanghai university恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式 電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，電樞電流應(yīng)小于額定值 IN，而電磁轉(zhuǎn)矩 Te = Km I 。 在調(diào)壓調(diào)速范圍內(nèi)，勵(lì)磁磁通不變，容許的輸出轉(zhuǎn)矩也不變，稱作“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式方式”。 Shanghai university恒功率調(diào)速方式恒功率調(diào)速方式 在弱磁調(diào)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速越高，磁通越弱，容許輸出轉(zhuǎn)矩減小，而容許輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積則不變，即容許功率不變，為“恒功率調(diào)速方式恒功率調(diào)速方式”。Te = Km ImeMTP電磁功率：電磁轉(zhuǎn)矩： Shanghai universi

16、ty兩種調(diào)速方式：兩種調(diào)速方式：TeNnNnmax變電壓調(diào)速弱磁調(diào)速UNUPPTeUnO兩種調(diào)速方式 Shanghai university第第1 1章章 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(jì)方法。 Shanghai university1.1 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 調(diào)壓調(diào)速需要有專門向電動(dòng)機(jī)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。 Shanghai university常用的可控直流電源： 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，獲得可調(diào)的直流電壓。 靜止式可控整流器用靜止式

17、的可控整流器獲得可調(diào)的直流電壓。 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(jìn)行脈寬調(diào)制，產(chǎn)生可變的平均電壓。 Shanghai university1.1.1 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組（旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組（G-M系統(tǒng)）系統(tǒng)）圖1-1 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組和由它供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）原理圖 Ward-Leonard系統(tǒng) Shanghai university G-M系統(tǒng)特性n正向電動(dòng)反向制動(dòng)OTeTL-TLn0n1n2正向制動(dòng)反向電動(dòng)圖1-2 G-M系統(tǒng)的機(jī)械特性 Shanghai university 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-

18、電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖 Shanghai university V-MV-M系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理 晶閘管晶閘管- -電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱V-MV-M系系統(tǒng)，又稱靜止的統(tǒng)，又稱靜止的Ward-LeonardWard-Leonard系統(tǒng)），系統(tǒng)），圖圖中中VTVT是晶閘管可控整流器，是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置觸發(fā)裝置 GT GT 的控制電壓的控制電壓 U Uc c 來移動(dòng)觸來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓U Ud d ，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。 Shanghai university V-MV-M

19、系統(tǒng)的特點(diǎn)系統(tǒng)的特點(diǎn) 晶閘管可控整流器的晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在功率放大倍數(shù)在10 4 以上以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制。其門極電流可以直接用晶體管來控制。 控制的快速性控制的快速性，晶閘管整流器是毫秒級(jí)晶閘管整流器是毫秒級(jí)，這將，這將大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 Shanghai university V-M系統(tǒng)的問題 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。 晶閘管對(duì)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(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)損壞器件。 由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，造成“電力公害”。 Sh

20、anghai university 1.1.3 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a）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton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 +MUsLVDM+-SS通S斷 Shanghai university 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)ton ，直流電源電壓 Us 加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng)VT 關(guān)斷時(shí)T ton ，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。 Shanghai university這樣，電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為 輸出電壓：s

21、sondUUTtU(1-2)式中 T 功率器件的開關(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。 Shanghai universityH形主電路結(jié)構(gòu)+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4圖1-6 橋式可逆PWM變換器脈寬調(diào)制變換器（PWM-Pulse Width Modulation） Shanghai university 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。（3）穩(wěn)速精度高，調(diào)

22、速范圍寬。（4）動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，抗擾能力強(qiáng)。（5）直流電源采用不控整流，功率因數(shù)高。 Shanghai university小小 結(jié)結(jié) 三種可控直流電源，V-M系統(tǒng)在20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。 Shanghai university1.2 1.2 晶閘管晶閘管- -電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（V-MV-M系統(tǒng)）系統(tǒng)） 的主要問題的主要問題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

23、。（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)。 Shanghai university 調(diào)節(jié)晶閘管觸發(fā)脈沖相位，可改變可控整流器輸出電壓的波形。 整流器輸出電瞬時(shí)值ud 的呈周期性變化。 一。觸發(fā)脈沖相位控制一。觸發(fā)脈沖相位控制a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+ + +OOOOO Shanghai universityud0IdE 等效電路分析 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。 ud0為整流電壓理想空載瞬時(shí)值 。圖1-7 V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖 Sh

24、anghai university 式中式中 電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)（V）； 整流電流瞬時(shí)值整流電流瞬時(shí)值（A）； 主電路總電感主電路總電感（H）； 主電路等效電阻主電路等效電阻（ ）， R = Rrec + Ra + RL。EidLR 瞬時(shí)電壓平衡方程瞬時(shí)電壓平衡方程tiLRiEuddddd0(1- 4) Shanghai university整流電壓的平均值計(jì)算整流電壓的平均值計(jì)算 ud0在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為理想空載整流理想空載整流電壓平均值電壓平均值Ud0 。 觸發(fā)脈沖控制角；觸發(fā)脈沖控制角； Um 交流電源線電交流電源線電壓峰值（壓峰值（V）；）；m交流電

25、源一周內(nèi)整流電壓交流電源一周內(nèi)整流電壓脈波數(shù)。脈波數(shù)。 cossinmd0mUmU(1-5) Shanghai university整流與逆變狀態(tài)整流與逆變狀態(tài) 當(dāng)當(dāng) 0 0 ，整流狀態(tài)整流狀態(tài)，電功率從，電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)；交流側(cè)輸送到直流側(cè)； 當(dāng)當(dāng) /2 max 時(shí)，時(shí)， Ud0 0 ，有源逆變狀態(tài)有源逆變狀態(tài)，電功率反向傳送。電功率反向傳送。 Shanghai university不同整流電路時(shí)，不同整流電路時(shí)， U Um m、m m及及U Ud0d0整流電路 單相全波 三相半波 三相全波 六相半波 Um 22U* 22U 26U 22U m 2 3 6 6 Ud0 cos9 .

26、 02U cos17. 12U cos34. 22U cos35. 12U * U2 是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。 Shanghai university二。二。 電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEUdudttudidida）電感量大，且負(fù)載電流也足夠大時(shí)，電流連續(xù)b）電感量小或負(fù)載輕時(shí)，電流斷續(xù) Shanghai university三。三。 抑制電流脈動(dòng)的措施抑制電流脈動(dòng)的措施 電流脈動(dòng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，為了避免或電流脈動(dòng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動(dòng)的

27、措減輕這種影響，須采用抑制電流脈動(dòng)的措施，主要是：施，主要是：設(shè)置平波電抗器設(shè)置平波電抗器：增加整流電路相數(shù)；增加整流電路相數(shù)；采用多重化技術(shù)。采用多重化技術(shù)。min2693. 0dIUL （三相橋式整流（三相橋式整流)mindI最小連續(xù)電流（A），一般取為電動(dòng)機(jī)額定電流的510。 Shanghai university四。四。 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-MV-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 C Ce e電機(jī)在額定磁通下的電機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)電動(dòng)勢(shì)系數(shù), ,C Ce e = = K Ke e N

28、 N 。)cossin(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn（1-9） Shanghai university（1 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G-MG-M系統(tǒng)的特性很相系統(tǒng)的特性很相似，如似，如圖圖1-101-10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)，式續(xù)，式（1-91-9）已經(jīng)）已經(jīng)不適用了。不適用了。圖1-10 電流連續(xù)時(shí)V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性 n = Id R / CenIdILO Shanghai university 三相半波整

29、流電路電流斷續(xù)時(shí)機(jī)械特性三相半波整流電路電流斷續(xù)時(shí)機(jī)械特性 (1-10) (1-11) 一個(gè)電流脈波的導(dǎo)通角一個(gè)電流脈波的導(dǎo)通角， 2/3 阻抗角阻抗角2)6cos()6cos(2232e2dnUCRUI)e1 (e )6sin()6sin(cos2ctgectg2CUnRLarctg（2 2）電流斷續(xù)情況）電流斷續(xù)情況 Shanghai university圖1-11 完整的V-M系統(tǒng)機(jī)械特性（3）V-M系統(tǒng) 機(jī)械特性 Shanghai university（4 4）V-MV-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1-111-11繪出了完整的繪出了完整的V-MV-M系統(tǒng)機(jī)械特性，分系統(tǒng)

30、機(jī)械特性，分為電流連續(xù)區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)。由圖可見：為電流連續(xù)區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)。由圖可見：當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，特性硬；當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，特性硬；電流斷續(xù)時(shí)，特性很軟，呈顯著的非線性，電流斷續(xù)時(shí)，特性很軟，呈顯著的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。 Shanghai university五。五。 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)遞函數(shù) 在進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)時(shí)，可在進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)時(shí)，可以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當(dāng)作系統(tǒng)中以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當(dāng)作系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)來看待。的一個(gè)環(huán)節(jié)來看待。 進(jìn)行直流調(diào)速系統(tǒng)分析或設(shè)計(jì)時(shí)，須進(jìn)行直流調(diào)速系統(tǒng)分

31、析或設(shè)計(jì)時(shí)，須事先求出這個(gè)環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和傳遞函事先求出這個(gè)環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。數(shù)。 Shanghai university 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)的計(jì)算晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)的計(jì)算 晶閘管觸發(fā)和整流晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)裝置的放大系數(shù)如果不可能實(shí)測(cè)特性，如果不可能實(shí)測(cè)特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。估算。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(cè)定 (1-12) Shanghai universityu2udUctt10Uc1Uc21tt00022Ud01Ud02TsOOOO晶閘管觸發(fā)與整流失控時(shí)間分析晶閘管觸發(fā)與整流失控

32、時(shí)間分析 Shanghai university 失控時(shí)間是隨機(jī)的，失控時(shí)間是隨機(jī)的，最大可能的失控時(shí)間就最大可能的失控時(shí)間就是兩個(gè)相鄰自然換相點(diǎn)之間的時(shí)間是兩個(gè)相鄰自然換相點(diǎn)之間的時(shí)間，與交流電，與交流電源頻率和整流電路形式有關(guān)，由下式確定源頻率和整流電路形式有關(guān)，由下式確定 (1-13)(1-13)式中式中 交流電流頻率（交流電流頻率（Hz）；）； 一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。fmmfT1maxs最大失控時(shí)間最大失控時(shí)間 Shanghai university T Ts s 值的選取值的選取 整流電路形式 最大失控時(shí)間 Tsmax（ms） 平均失控時(shí)間 Ts（ms）

33、 單相半波 單相橋式（全波） 三相半波 三相橋式、六相半波 20 10 6.67 3.33 10 5 3.33 1.67 在一般情況下，可取其統(tǒng)計(jì)平均值在一般情況下，可取其統(tǒng)計(jì)平均值 Ts = Tsmax /2，并認(rèn)為是常數(shù)。并認(rèn)為是常數(shù)。 也可按最嚴(yán)重的情況考慮，取也可按最嚴(yán)重的情況考慮，取Ts = Tsmax 。各種整流電路的失控時(shí)間（f =50Hz） Shanghai university 用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入流裝置的輸入-輸出關(guān)系為輸出關(guān)系為按拉氏變換的位移定理，晶閘管裝置的傳遞函數(shù)為按拉氏變換的位移定理，晶閘管裝

34、置的傳遞函數(shù)為（1-14）傳遞函數(shù)傳遞函數(shù))( 1scs0dTtUKUsTKsUsUsWse)()()(sc0ds Shanghai university傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化 由于式（由于式（1-141-14）中包含指數(shù)函數(shù)，它使系統(tǒng)成）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(jì)都比較麻煩。為為非最小相位系統(tǒng)，分析和設(shè)計(jì)都比較麻煩。為了簡(jiǎn)化，先將該指數(shù)函數(shù)按臺(tái)勞級(jí)數(shù)展開，則式了簡(jiǎn)化，先將該指數(shù)函數(shù)按臺(tái)勞級(jí)數(shù)展開，則式（1-141-14）變成）變成 （1-15） 33s22ssssss! 31! 211ee)(sssTsTsTKKKsWsTsT Shanghai universi

35、ty近似傳遞函數(shù)近似傳遞函數(shù) 考慮到考慮到 T Ts s 很小，可忽略高次項(xiàng)，則傳很小，可忽略高次項(xiàng)，則傳遞函數(shù)便近似成遞函數(shù)便近似成一階慣性環(huán)節(jié)一階慣性環(huán)節(jié)。（1-16）sTKsWsss1)( Shanghai university晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)sTssKeUc(s)Ud0(s)1sTKssUc(s)Ud0(s)a) 準(zhǔn)確模型b） 近似模型圖1-15 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖ssss Shanghai university1.3 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，自從全控型電力電子器

36、件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制（PWMPWM）的高的高頻開關(guān)控制方式形成的脈寬調(diào)制變換器頻開關(guān)控制方式形成的脈寬調(diào)制變換器- -直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱直流脈寬調(diào)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，即速系統(tǒng)，即直流直流PWMPWM調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)速系統(tǒng)。 Shanghai university一。一。 PWMPWM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 PWMPWM調(diào)制：把恒定的直流電源電壓調(diào)制調(diào)制：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，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平均電壓的大小。從而

37、可以改變平均輸出平均電壓的大小。 Shanghai university圖1-16 簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) VDUs+UgCVTidM+_Ea）主電路原理圖 M1. 不可逆不可逆PWMPWM變換器變換器21UdOtUg Shanghai university圖中：圖中： Us直流電源電壓直流電源電壓 C 濾波電容器濾波電容器 M 直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī) VD 續(xù)流二極管續(xù)流二極管VT 功率開關(guān)器件功率開關(guān)器件 VT 的柵極由脈寬可調(diào)的脈沖電壓系列的柵極由脈寬可調(diào)的脈沖電壓系列Ug驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)。 Shanghai university工作狀態(tài)與波形工作狀態(tài)與波形在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，在

38、一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)， 當(dāng)當(dāng)0 t ton時(shí)，時(shí)，Ug為為正，正，VT導(dǎo)通，電源導(dǎo)通，電源電壓通過電壓通過VT加到電加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端動(dòng)機(jī)電樞兩端； 當(dāng)當(dāng)ton t T 時(shí)，時(shí)， Ug為負(fù)，為負(fù)，VT關(guān)斷，電關(guān)斷，電樞失去電源，樞失去電源，經(jīng)經(jīng)VD續(xù)流。續(xù)流。U, iUdEidUsttonT0圖1-16 b 電壓和電流波形O Shanghai university電機(jī)兩端得到的平均電壓為電機(jī)兩端得到的平均電壓為(1-17)式中式中 = ton / T 為為 PWM 波形的占空比，波形的占空比， ssondUUTtU輸出電壓方程輸出電壓方程 改變改變 （ 0 1 ）即可調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，）即可調(diào)節(jié)電機(jī)的

39、轉(zhuǎn)速，若令若令 = Ud / Us為為PWM電壓系數(shù)電壓系數(shù)，則在不可逆，則在不可逆PWM 變換器中變換器中 = (1-18) Shanghai university2. 橋式可逆橋式可逆PWMPWM變換器變換器 可逆可逆PWM變換器主電路有多種形式，變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（最常用的是橋式（亦稱亦稱H形）電路，如形）電路，如圖圖1-18所示。所示。 這時(shí)，電動(dòng)機(jī)這時(shí)，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓的極性隨開關(guān)兩端電壓的極性隨開關(guān)器件柵極驅(qū)動(dòng)電壓極性的變化而改變，其器件柵極驅(qū)動(dòng)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

40、最常用的等多種，這里只著重分析最常用的雙極式雙極式控制的可逆控制的可逆PWM變換器變換器。 Shanghai university+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2Ug3VT4Ug4圖1-18 橋式可逆PWM變換器n H形主電路結(jié)構(gòu)形主電路結(jié)構(gòu) Shanghai universityn 雙極式控制方式雙極式控制方式（1）正向運(yùn)行）正向運(yùn)行 第第1階段階段，在，在 0 t ton 期間，期間， Ug1 、 Ug4為正，為正， VT1 、 VT4導(dǎo)通，導(dǎo)通， Ug2 、 Ug3為負(fù)，為負(fù)，VT2 、 VT3截止

41、，電流截止，電流 id 沿回路沿回路1流流通，電動(dòng)機(jī)通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓兩端電壓UAB = +Us ； 第第2階段，階段，在在ton t T期間期間， Ug1 、 Ug4為負(fù)，為負(fù)， VT1 、 VT4截止，截止， VD2 、 VD3續(xù)流，續(xù)流， 并并鉗位使鉗位使VT2 、 VT3保持截止，保持截止，電流電流 id 沿回路沿回路2流通，電動(dòng)機(jī)流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓兩端電壓UAB = Us ；U, iUdEid+UsttonT0-UsO(1) 正向電動(dòng)運(yùn)行波形12 Shanghai universityn 雙極式控制方式（續(xù)）雙極式控制方式（續(xù)）（2）反向運(yùn)行）反向運(yùn)行 第第1階段，在階段，在

42、0 t ton 期間，期間， Ug2 、 Ug3為負(fù)為負(fù)，VT2 、 VT3截截止，止， VD1 、 VD4 續(xù)流，并鉗位續(xù)流，并鉗位使使 VT1 、 VT4截止，電流截止，電流 id 沿回路沿回路4流通，電動(dòng)機(jī)流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電兩端電壓壓UAB = +Us ； 第第2階段階段，在，在ton t T 期間期間， Ug2 、 Ug3 為正，為正， VT2 、 VT3導(dǎo)導(dǎo)通通， Ug1 、 Ug4為負(fù)，使為負(fù)，使VT1 、 VT4保持截止，電流保持截止，電流 id 沿回沿回路路3流通，電動(dòng)機(jī)流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓兩端電壓UAB = Us ；U, iUdEid+UsttonT0-UsO(2) 反向

43、電動(dòng)運(yùn)行波形34 Shanghai universityU, iUdEid+UsttonT0-UsO輕載時(shí)電動(dòng)運(yùn)行波形輕載運(yùn)行波形4123 Shanghai universityn 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（1-19） 如果占空比和電壓系數(shù)的定義與不可逆變換器中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相同，則在雙極式控制的可逆變換器中 = 2 1 （1-20）注意：注意：這里這里 的計(jì)算公式與的計(jì)算公式與不可逆變換器中的公不可逆變換器中的公式就不一樣式就不一樣了了。sonsonso

44、nd) 12(UTtUTtTUTtU Shanghai universityn 調(diào)速范圍調(diào)速范圍 調(diào)速時(shí)，調(diào)速時(shí)， 的可調(diào)范圍的可調(diào)范圍為為01， 1 0.5時(shí)，時(shí)， 為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)為正，電機(jī)正轉(zhuǎn) 當(dāng)當(dāng) 0.5時(shí)，時(shí)， 為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn) 當(dāng)當(dāng) = 0.5時(shí)，時(shí)， = 0 ，電機(jī)停止，電機(jī)停止 Shanghai university 當(dāng)電機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零，當(dāng)電機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個(gè)交變電流的平而電流也是交變的。這個(gè)交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大均值為零，不產(chǎn)生平均

45、轉(zhuǎn)矩，徒然增大電機(jī)的損耗，這是雙極式控制的缺點(diǎn)。電機(jī)的損耗，這是雙極式控制的缺點(diǎn)。但它也有好處，在電機(jī)停止時(shí)仍有高頻但它也有好處，在電機(jī)停止時(shí)仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時(shí)的靜微振電流，從而消除了正、反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)，起著所謂摩擦死區(qū)，起著所謂“動(dòng)力潤(rùn)滑動(dòng)力潤(rùn)滑”的作的作用。用。 Shanghai universityn 性能評(píng)價(jià)性能評(píng)價(jià)雙極式控制的橋式可逆雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點(diǎn)變換器有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）電流一定連續(xù)；）電流一定連續(xù)；（2）可使電機(jī)在四象限運(yùn)行；）可使電機(jī)在四象限運(yùn)行；（3）電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；）電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦

46、死區(qū)；（4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)1:20000左右；左右；（5）低速時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，）低速時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。 Shanghai university 雙極式控制方式的不足之處：雙極式控制方式的不足之處：在工作過程中，在工作過程中，4個(gè)開關(guān)器件可能都處于個(gè)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(shí)開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且在切換時(shí)可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了可能發(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(dòng)脈沖之防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)

47、脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。 Shanghai university二。二。 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性 由于采用脈寬調(diào)制，嚴(yán)格地說，即使由于采用脈寬調(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(dòng)的，所謂穩(wěn)態(tài)，是指電轉(zhuǎn)速也都是脈動(dòng)的，所謂穩(wěn)態(tài)，是指電機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)，狀態(tài)，機(jī)械特性是平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩機(jī)械特性是平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩（電流）的關(guān)系（電流）的關(guān)系。 Shanghai university 對(duì)于雙極式控制的可逆電路電壓方程對(duì)于雙極式控

48、制的可逆電路電壓方程為為EtiLRiUdddds( 0 t ton ) (1-23) n 雙極式可逆電路電壓方程雙極式可逆電路電壓方程EtiLRiUdddds(ton t R，因此因此（1-44）sspcom*nspdbl)(RKKRUUKKIscom*ndblRUUI Shanghai university4. 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計(jì) Idbl應(yīng)小于電機(jī)允許的最大電流，一般取應(yīng)小于電機(jī)允許的最大電流，一般取 Idbl =（1.52） IN 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

49、般足夠大，截止電流應(yīng)大于電機(jī)的額定電流，一般取取 Idcr （1.11.2）INscomdcrRUI/scom*ndblRUUI Shanghai university1.5 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(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì) 引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，且放大系數(shù)足夠引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，且放大系數(shù)足夠大時(shí)，就可以滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能要求。大時(shí)，就可以滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能要求。然而放大系數(shù)太大又可能引起閉環(huán)系統(tǒng)然而放大系數(shù)太大又可能引起閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定，這時(shí)應(yīng)再增加動(dòng)態(tài)校正措施，不穩(wěn)定，這時(shí)應(yīng)再增加動(dòng)態(tài)校正措施，才能保證系統(tǒng)的正常工作才能保證系統(tǒng)的正常工作。 此外，還須滿足系統(tǒng)的各項(xiàng)動(dòng)

50、態(tài)指此外，還須滿足系統(tǒng)的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求。標(biāo)的要求。 Shanghai university 為了分析調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)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)圖拉氏變換，可用傳遞函數(shù)和動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖表示。表示。 一。一。 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 Shanghai university建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟

51、建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟（1）根據(jù)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列出）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；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)；）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）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)。傳遞函數(shù)。 Shanghai university1. 電力電子器件的傳遞函數(shù)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，的傳遞函數(shù)，它們的表達(dá)式是相同的，都

52、是都是1)(ssssTKsW(1-45) 只是在不同場(chǎng)合下，參數(shù)只是在不同場(chǎng)合下，參數(shù)Ks和和Ts的數(shù)值不同而的數(shù)值不同而已。已。 Shanghai universityTL+-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)直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)EtILRIUddddd0(1-46) 動(dòng)態(tài)電壓方程為動(dòng)態(tài)電壓方程為 電路方程電路方程 Shanghai university 如果忽略粘性磨擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電機(jī)軸上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

53、為額定勵(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) Shanghai university式中式中 TL 包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩(Nm)； GD2 電力拖動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的飛輪電力拖動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的飛輪 慣量慣量(Nm2)； Cm 電機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)電機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)(Nm/A)， 。em30CC Shanghai universityTl 電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)(s)， ；Tm電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)(s) ， 。RLTlme2m375CCRGDT 定

54、義下列時(shí)間常數(shù)定義下列時(shí)間常數(shù) Shanghai university整理后得整理后得)dd(dd0dtITIREUltERTIIddmdLdmLdLCTI(1-50) (1-51) 式中 為負(fù)載電流。 n 微分方程微分方程 Shanghai university 在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉氏變換，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)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)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)傳遞函數(shù) Shanghai unive

55、rsityn 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 Id (s)IdL(s)+-E (s) R Tmsb)電流電動(dòng)勢(shì)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(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 Shanghai university圖1-34c 整個(gè)直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)的結(jié)構(gòu)框圖n(s) 1/CeUd0(s)IdL (s) EId (s)Un+- 1/R Tl s+1 R Tms Shanghai university 直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)輸入量，一個(gè)是施直流電動(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)是加在電

56、樞上的理想空載電壓，另一個(gè)是負(fù)載電流。負(fù)載電流。 前者是控制輸入量，后者是擾動(dòng)輸入前者是控制輸入量，后者是擾動(dòng)輸入量。量。 Shanghai universityn(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)化動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡(jiǎn)化a. IdL 0 Shanghai universityn(s)1/Ce TmTl s2+Tms+1Ud0 (s)n 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡(jiǎn)化（續(xù)）b. IdL= 0 Shanghai university 直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的其他環(huán)節(jié)還直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的其他環(huán)節(jié)還有比

57、例放大器和測(cè)速反饋環(huán)節(jié)，它們的有比例放大器和測(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)傳遞函數(shù)就是它們的放大系數(shù)，即，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)控制與檢測(cè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù) Shanghai university圖1-36 反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖n(s)U*n (s)IdL (s) Uct (s)Un (s)+- KsTss+1KP1/Ce TmTl s2+Tms+1 +-R (Tl s+1)Ud0 (

58、s)Un (s)三階系統(tǒng)4. 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 Shanghai university5. 調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)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)是環(huán)傳遞函數(shù)是 ) 1)(1()(m2mssTsTTsTKsWl式中式中 K = Kp Ks / Ce （1-56） Shanghai university6. 調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù) 設(shè)設(shè)Idl=0，從給定輸入作用上看，閉環(huán)直流調(diào)速?gòu)慕o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)是系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是 111)(

59、1)1 () 1)(1(/) 1)(1(/1) 1)(1(/)(sm2sm3smespm2msespm2msespm2msespcsKTTsKTTTsKTTTKCKKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsWllllll（1-57） Shanghai university二。二。 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)定條件反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特征方程反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為為 0111)(1sm2sm3smsKTTsKTTTsKTTTll（1-58） 穩(wěn)定條件穩(wěn)定條件0111)(smsmsmKTTTKTTKTTTll或ssms

60、)1 ()(TTKTTTTll Shanghai university整理后整理后得得 s2ssm)(TTTTTTKll（1-59） 式（式（1-59）右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)）右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù) Kcr，當(dāng)當(dāng) K Kcr 時(shí)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。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。能否正常工作的首要條件，是必須保證的。 Shanghai university 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析舉例系統(tǒng)穩(wěn)定性分析舉例例題例題1-5 在例題在例題1-4中，已知中，已知 R = 1.0 ， Ks = 44， Ce = 0