電力拖動與控制系統(tǒng)第2章轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)-匯編

1、第1篇直流調(diào)速系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng) 運動控制系統(tǒng)9/20/20221直流電動機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速 式中 n轉(zhuǎn)速（r/min）; U電樞電壓（V）； I電樞電流（A）； R電樞回路總電阻(）； 勵磁磁通（Wb）； Ke 由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。9/20/20222調(diào)節(jié)直流電動機轉(zhuǎn)速的方法 （1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓； （2）減弱勵磁磁通； （3）改變電樞回路電阻。自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。9/20/20223（1）調(diào)壓調(diào)速工作條件： 保持勵磁 = 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，機械特性曲線平行下移。nn0OIIL

2、UNU 1U 2U 3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線9/20/20224（2）調(diào)阻調(diào)速工作條件： 保持勵磁 = N ； 保持電壓 U =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，機械特性曲線變軟。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線9/20/20225（3）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： 減小勵磁 N n ， n0 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)磁調(diào)速特性曲線9/20/20226 三種調(diào)速方法的性能與比較

3、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（即電機額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。 因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。9/20/20227第2章 轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 電力拖動自動控制系統(tǒng) 運動控制系統(tǒng)9/20/20228內(nèi) 容 提 要直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源 穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標和直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性 轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制 轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的限流保護 轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真9/20/202292.1

4、 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源晶閘管整流器-電動機系統(tǒng) 直流PWM變換器-電動機系統(tǒng) 9/20/2022102.1.1 晶閘管整流器-電動機系統(tǒng)圖21 晶閘管整流器-電動機調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖9/20/202211在理想情況下，Ud和Uc之間呈線性關(guān)系：（2-1）式中， Ud平均整流電壓， Uc 控制電壓， Ks晶閘管整流器放大系數(shù)。9/20/2022121觸發(fā)脈沖相位控制調(diào)節(jié)控制電壓Uc， 移動觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，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。 9/20/202213(2-2)式中 E電動機反電動勢(V)； id整流電流瞬時值(A)；

5、L主電路總電感(H)； R主電路總電阻(), ；瞬時電壓平衡方程式9/20/202214圖2-2 V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖 9/20/202215對于一般的全控整流電路，當(dāng)電流波形連續(xù)時， 可用下式表示(2-3) 式中，從自然換相點算起的觸發(fā)脈沖控制角； Um=0時的整流電壓波形峰值； m交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)。9/20/202216整流電路單相全波三相半波三相橋式（全波）m236表2-1不同整流電路的整流電壓波峰值、脈沖數(shù)及平均整流電壓* U2 是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。9/20/202217 整流與逆變狀態(tài)當(dāng) 0 0 ，晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，電功率從交流側(cè)輸送到直

6、流側(cè)； 當(dāng) /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 9/20/202218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。9/20/2022192電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)在整流變壓器二次側(cè)額定相電壓u2的瞬時值大于反電動勢E時，晶閘管才可能被觸發(fā)導(dǎo)通。導(dǎo)通后如果u2降低到E以下，靠電感作用可以維持電流id繼續(xù)流通。由于電壓波形的脈動，造成了電流波形的脈動。 圖2-3 帶負載單相全控橋式整流電路的輸出電壓和電流波形9/20/202220在I

7、d上升階段，電感儲能；在Id下降階段，電感中的能量將釋放出來維持電流連續(xù)。圖24 V-M系統(tǒng)的電流波形(a) 電流連續(xù)9/20/202221圖24 V-M系統(tǒng)的電流波形 （b）電流斷續(xù)當(dāng)負載電流較小時，電感中的儲能較少，等到Id下降到零時，造成電流波形斷續(xù)。9/20/202222 抑制電流脈動的措施 （1）增加整流電路相數(shù)，或采用多重化技術(shù)；（2）設(shè)置電感量足夠大的平波電抗器。9/20/202223（1）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M9/20/202224（2）平波電抗器的設(shè)置與計算單相

8、橋式全控整流電路 三相半波整流電路 三相橋式整流電路 （2-6）（2-4）（2-5）9/20/2022253晶閘管整流器-電動機系統(tǒng)的機械特性當(dāng)電流波形連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的機械特性方程式為（2-7）式中，Ce電動機在額定磁通下的電動勢 系數(shù)9/20/202226圖2-5 電流連續(xù)時V-M系統(tǒng)的機械特性只要電流連續(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。（1）電流連續(xù)情況9/20/202227 當(dāng)電流斷續(xù)時，由于非線性因素，機械特性方程要復(fù)雜得多。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。（

9、2）電流斷續(xù)情況9/20/202228圖26 V-M系統(tǒng)機械特性在電流連續(xù)區(qū)，顯示出較硬的機械特性在電流斷續(xù)區(qū)，機械特性很軟，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。 電流斷續(xù)區(qū)與電流連續(xù)區(qū)的分界線是 = 2/3的曲線，當(dāng) = 2/3時，電流便開始連續(xù)了。 ：一個電流脈波的導(dǎo)通角（3）V-M系統(tǒng)機械特性9/20/202229 4晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù) 和傳遞函數(shù)晶閘管觸發(fā)電路和整流電路的特性是非線性的。在設(shè)計調(diào)速系統(tǒng)時，只能在一定的工作范圍內(nèi)近似地看成線性環(huán)節(jié)，得到了它的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)后，用線性控制理論分析整個調(diào)速系統(tǒng)。9/20/202230（1）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

10、流裝置的放大系數(shù)可由工作范圍內(nèi)的特性率決定，計算方法是圖2-7 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出特性和Ks的測定 (2-12)用實驗方法測出該環(huán)節(jié)的輸入-輸出特性，即曲線9/20/202231晶閘管觸發(fā)和整流裝置的輸入量是Uc，輸出量是Ud，晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)Ks可由工作范圍內(nèi)的特性斜率決定 。如果沒有得到實測特性，也可根據(jù)裝置的參數(shù)估算。9/20/202232 如果不可能實測特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。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（2）晶閘管觸發(fā)和整流裝置的

11、放大系數(shù)估算9/20/202233（3）失控時間和純滯后環(huán)節(jié) 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)，滯后作用是由晶閘管整流裝置的失控時間引起的。失控時間是個隨機值。最大失控時間是兩個相鄰自然換相點之間的時間，它與交流電源頻率和晶閘管整流器的類型有關(guān)。9/20/202234圖28 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時間 9/20/202235最大失控時間 (2-13) 平均失控時間 式中，f 交流電源頻率(Hz)， m 一周內(nèi)整流電壓的脈 波數(shù)。9/20/202236整流電路形式最大失控時間 Tsmax(ms)平均失控時間 Ts(ms)單相半波單相橋式（全波）三相半波三相橋式201

12、06.673.331053.331.67表2-2 晶閘管整流器的失控時間（f=50Hz）9/20/202237（4）晶閘管觸發(fā)電路與整流裝置的傳遞函數(shù) 滯后環(huán)節(jié)的輸入為階躍信號1(t)，輸出要隔一定時間后才出現(xiàn)響應(yīng)1(t-Ts)。輸入輸出關(guān)系為： 傳遞函數(shù)為（214） 9/20/202238（5）傳遞函數(shù)的近似處理按泰勒級數(shù)展開，可得 考慮到 Ts 很小，依據(jù)工程近似處理的原則，可忽略高次項，把整流裝置近似看作一階慣性環(huán)節(jié) （2-16） 9/20/202239圖29 晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)圖準確的近似的（6）晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)9/20/2022405. 晶閘管整流器運行中存在的

13、問題（1）晶閘管是單向?qū)щ姷?，不允許電流反向，給電動機的可逆運行帶來困難。 （2）晶閘管對過電壓、過電流和過高的du/dt與di/dt都十分敏感。任一指標過高都可以使晶閘管損壞。（3）晶閘管的導(dǎo)通角變小時會使得系統(tǒng)的功率因數(shù)也隨之減少，并在交流側(cè)產(chǎn)生較大的諧波電流，引起電網(wǎng)電壓畸變，被稱之為“電力公害”。 9/20/2022412.1.2 直流PWM變換器-電動機系統(tǒng)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)制的高頻開關(guān)控制方式, 形成了脈寬調(diào)制變換器-直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。與V-M系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性。直流PWM調(diào)

14、速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的高動態(tài)性能系統(tǒng)中，已經(jīng)完全取代了V-M系統(tǒng)。 9/20/2022421PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形脈寬調(diào)制變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速。PWM變換器電路有多種形式，總體上可分為不可逆與可逆兩大類。9/20/202243圖2-10 簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)電路原理圖 簡單的 不可逆PWM-直流電動機系統(tǒng)9/20/202244圖2-10 簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)電壓和電流波形 9/20/202245在

15、一個開關(guān)周期T內(nèi)，當(dāng) 時，Ug為正，VT飽和導(dǎo)通，電源電壓Us通過VT加到直流電動機電樞兩端。當(dāng) 時， Ug為負， VT關(guān)斷，電樞電路中的電流通過續(xù)流二極管VD續(xù)流，直流電動機電樞電壓近似等于零。 9/20/202246直流電動機電樞兩端的平均電壓為 （2-17） 改變占空比 ，即可實現(xiàn)直流電動機的調(diào)壓調(diào)速。令 為PWM電壓系數(shù)，則在不可逆PWM變換器中 （2-18）9/20/202247不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)不允許電流反向，續(xù)流二極管VD的作用只是為id提供一個續(xù)流的通道。如果要實現(xiàn)電動機的制動，必須為其提供反向電流通道 。9/20/202248圖2-11有制動電流通路的不可逆P

16、WM變換器-直流電動機系統(tǒng)電路原理圖 有制動電流通路的 不可逆PWM-直流電動機系統(tǒng)9/20/202249一般電動狀態(tài)在一般電動狀態(tài)中，id始終為正值（其正方向示于圖2-11(a)中）。在0tton期間，VT1導(dǎo)通，VT2關(guān)斷。電流id沿圖中的回路1流通。在tontT期間，VT1關(guān)斷，id沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流。VT1和VD2交替導(dǎo)通， VT2和VD1始終關(guān)斷。電路原理圖 圖2-11有制動電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)9/20/202250圖2-11有制動電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)一般電動狀態(tài)的電壓、電流波形 9/20/202251制動狀態(tài) 在tontT期間

17、，Vg2為正，VT2導(dǎo)通，在感應(yīng)電動勢E的作用下，反向電流沿回路3能耗制動。在TtT+ton（即下一周期的0tton）期間，Vg2為負， VT2關(guān)斷，-id沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，向電源回饋能量。VT2和VD1交替導(dǎo)通， VT1和VD2始終關(guān)斷。 電路原理圖 圖2-11有制動電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)9/20/202252圖2-11有制動電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)的正脈沖變窄負脈沖變寬 ，平均電壓Ud降低 始終為負。 制動狀態(tài)的電壓、電流波形 9/20/202253輕載電動狀態(tài) 在VT1關(guān)斷后，id經(jīng)VD2續(xù)流。還沒有到達周期T，電流已經(jīng)衰減到零，在t=t2時

18、刻，VT2導(dǎo)通，使電流反向，產(chǎn)生局部時間的制動作用。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，一個周期分成四個階段。 電路原理圖 圖2-11有制動電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)9/20/202254圖2-11有制動電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng) (d) 輕載電動狀態(tài)的電流波形 VT1、VD2、VT2和VD1四個管子輪流導(dǎo)通。 9/20/202255 有制動電流通路的 不可逆PWM-直流電動機系統(tǒng) 圖2-11(a)所示電路之所以為不可逆是因為平均電壓Ud始終大于零，電流雖然能夠反向，而電壓和轉(zhuǎn)速仍不能反向。如果要求轉(zhuǎn)速反向，需要再增加VT和VD，構(gòu)成可逆

19、的PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)，在第4章中將進一步討論。 9/20/202256小 結(jié)表2-3 二象限不可逆PWM變換器的不同工作狀態(tài)9/20/2022572.直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機械特性對于帶制動電流通路的不可逆電路，其電壓平衡方程式分兩個階段： (2-19) (2-20)式中R、L分別為電樞電路的電阻和電感。9/20/202258電壓平均值方程 平均電壓 平均電流 電樞電感壓降的均值（穩(wěn)態(tài)時） 平均轉(zhuǎn)速 （2-21） 求一個周期內(nèi)的平均值，則電壓平均值方程為：9/20/202259機械特性 機械特性方程式為 (2-22)或用轉(zhuǎn)矩表示， (2-23)式中， 電動機在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)； 理

20、想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比。9/20/202260圖2-12直流PWM調(diào)速系統(tǒng)（電流連續(xù)）的機械特性9/20/2022613PWM控制器與變換器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型圖2-13 PWM控制器與變換器框圖 9/20/202262傳遞函數(shù) 傳遞函數(shù)為 (2-24)式中：KsPWM裝置的放大系數(shù) TsPWM裝置的延遲時間，近似的傳遞函數(shù) (2-25)9/20/2022634直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的電能回饋和泵升電壓PWM變換器的直流電源通常由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容C濾波，以獲得恒定的直流電壓。當(dāng)電動機工作在回饋制動狀態(tài)時，電能不可能通過整流裝置送回交流電網(wǎng)，只能向濾波電容充電，形成直

21、流PWM變換器-電動機系統(tǒng)特有的電能回饋問題。CC+9/20/202264對濾波電容充電的結(jié)果造成直流側(cè)電壓升高，稱作“泵升電壓”。系統(tǒng)在制動時釋放的動能將表現(xiàn)為電容儲能的增加，所以要適當(dāng)?shù)剡x擇電容的電容量，或采取其它措施，以保護電力電子開關(guān)器件不被泵升電壓擊穿。 過電壓信號UsRbVTbC+泵升電壓限制電路9/20/2022652.2 穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標和 直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性對于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求：（1）調(diào)速在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)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)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動；（3）加、減速頻繁起、制動的設(shè)備要求加、減速盡量快；不宜經(jīng)

22、受劇烈速度變化的機械則要求起、制動盡量平穩(wěn)。9/20/2022662.2.1轉(zhuǎn)速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標1、調(diào)速范圍生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比稱為調(diào)速范圍，用字母D表示，即（2-27）nmax和nmin是電動機在額定負載時的最高和最低轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)負載很輕的機械，也可用實際負載時的最高和最低轉(zhuǎn)速。9/20/2022672、靜差率s當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載增加到額定值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落nN與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比：（2-28）用百分數(shù)表示（2-29）9/20/202268靜差率與機械特性硬度的區(qū)別圖2-14 不同轉(zhuǎn)速下的靜差率特性a和b的硬度相

23、同，特性a和b額定速降相同，特性a和b的靜差率不相同。 9/20/202269例如：在1000r/min時降落10r/min，只占1%；在100r/min時同樣降落10r/min，就占10%； 如果在只有10r/min時，再降落10r/min，就占100%，這時電動機已經(jīng)停止轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速全部降落完了。 因此，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標應(yīng)以最低速時所能達到的數(shù)值為準。靜差率與機械特性硬度的區(qū)別（續(xù)）9/20/2022703. 調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系（2-30）對于同一個調(diào)速系統(tǒng)，nN值是定值。要求s值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速

24、范圍D也越小。一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。9/20/202271結(jié)論1：調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標應(yīng)以最低速時所能達到的數(shù)值為準。調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。 9/20/202272例題2-1 某直流調(diào)速系統(tǒng)電動機額定轉(zhuǎn)速為nN=1430r/min，額定速降nN=115r/min， 當(dāng)要求靜差率s30%時，允許多大的調(diào)速范圍？ 如果要求靜差率s 20%，則調(diào)速范圍是多少？ 如果希望調(diào)速范圍達到10，所能滿足的靜差率是多少？ 9/20/202273解 在要

25、求s 30%時，允許的調(diào)速范圍為 若要求s 20%，則允許的調(diào)速范圍只有 若調(diào)速范圍達到10，則靜差率只能是9/20/202274圖215 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖2.2.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性9/20/2022752.2.2 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，用UPE來統(tǒng)一表示可控直流電源， 9/20/202276機械特性 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：電力電子變換器直流電動機 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機械特性為 （2-31） 9/20/202277圖2-16 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)

26、圖9/20/202278圖2-17 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性額定速降 nN=RIN/Ce制約了開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的調(diào)速范圍和靜差率9/20/202279例題2-2 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s5%，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nN最多能有多少？ 9/20/202280解:當(dāng)電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的額定速降為開環(huán)系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)速時的靜差率為如要求 ， ，即要求9/20/202281

27、 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，需采用轉(zhuǎn)速反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來解決這個問題。9/20/2022822.3 轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)自動控制原理，將系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)量作為反饋量引入系統(tǒng)，與給定量進行比較，用比較后的偏差值對系統(tǒng)進行控制，可以有效地抑制甚至消除擾動造成的影響，而維持被調(diào)節(jié)量很少變化或不變，這就是反饋控制的基本作用。調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負載引起的轉(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。 9/20/2022832.3.1 轉(zhuǎn)速反饋

28、控制直流調(diào)速系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型在負反饋基礎(chǔ)上的“檢測誤差，用以糾正誤差”這一原理組成的系統(tǒng)，其輸出量反饋的傳遞途徑構(gòu)成一個閉合的環(huán)路，因此被稱作閉環(huán)控制系統(tǒng)。在直流調(diào)速系統(tǒng)中，被調(diào)節(jié)量是轉(zhuǎn)速，所構(gòu)成的是轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。9/20/2022841轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性圖2-18 帶轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 9/20/202285 穩(wěn)態(tài)關(guān)系電壓比較環(huán)節(jié)比例調(diào)節(jié)器測速反饋環(huán)節(jié) 電力電子變換器 直流電動機 Kp比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（Vmin/r）9/20/202286靜特性方程式 （2-32） 式中: 閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán) 放大系數(shù) 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)

29、電動機轉(zhuǎn)速與負載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。 9/20/202287注意： 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)速與負載電流（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。9/20/202288KpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- IdR-UnKs閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖2-19 轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（a）閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 9/20/202289 圖中各方塊內(nèi)的符號代表該環(huán)節(jié)的放大系數(shù)。運用結(jié)構(gòu)圖運算法同樣可以推出式（2-32）所表示的靜特性方程式，方法如下：將給定量和擾動量看成兩個獨立的輸入量，先按它們分

30、別作用下的系統(tǒng)求出各自的輸出與輸入關(guān)系式，9/20/202290b）只考慮給定作用時的閉環(huán)系統(tǒng)c）只考慮擾動作用時的閉環(huán)系統(tǒng)U*nKpKs 1/CeUcUn n Ud0Un+-+KpKs 1/Ce-IdR nUd0+-E9/20/202291 由于已認為系統(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（2-32）9/20/202292圖2-19轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（b）只考慮給定作用時的閉環(huán)系統(tǒng) 9/20/202293圖2-19轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（c）只考慮擾動作用時的閉環(huán)系統(tǒng)9/20/202294圖2-19轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（

31、a）閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 9/20/2022952轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型一個帶有儲能環(huán)節(jié)的線性物理系統(tǒng)的動態(tài)過程可以用線性微分方程描述，微分方程的解即系統(tǒng)的動態(tài)過程，它包括兩部分：動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)解。在動態(tài)過程中，從施加給定輸入值的時刻開始，到輸出達到穩(wěn)態(tài)值以前，是系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)；系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，可用穩(wěn)態(tài)解來描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。9/20/202296比例放大器的傳遞函數(shù) 電力電子變換器的傳遞函數(shù)測速反饋的傳遞函數(shù)(2-33) （2-42） (2-43) 9/20/202297圖2-20 他勵直流電動機在額定勵磁下的等效電路假定主電路電流連續(xù)， 動態(tài)電壓方程： (2-34) 忽略粘性摩擦及

32、彈性轉(zhuǎn)矩， 電動機軸上的動力學(xué)方程： (2-35)9/20/202298額定勵磁下的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩分別為 (2-36) (2-37) 包括電動機空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負載轉(zhuǎn)矩，（Nm） 電力拖動裝置折算到電動機軸上的飛輪慣量，(Nm2) 電動機額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，(Nm/A)再定義下列時間常數(shù)： 電樞回路電磁時間常數(shù)(s) 電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)(s)9/20/202299整理后得 (2-38) (2-39)式中， 負載電流（A）。9/20/2022100在零初始條件下，取拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù) (2-40)電流與電動勢間的傳遞函數(shù) (2-41)9/20/2022101圖2-21

33、 額定勵磁下直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖(a)電壓電流間的結(jié)構(gòu)框圖 (b)電流電動勢間的結(jié)構(gòu)框圖 (c）直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖9/20/2022102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Ud0，是控制輸入量， 另一個是負載電流IdL，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，得圖2-22。 9/20/2022103額定勵磁下的直流電動機是一個二階線性環(huán)節(jié)，時間常數(shù)Tm表示機電慣性時間常數(shù)Tl表示電磁慣性。 圖2-22 直流電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的變換 9/20/2022104圖2-23 轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖由圖可見，

34、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)。9/20/2022105轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù) (2-44) 式中 9/20/2022106轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù) （2-45） 9/20/20221072.3.2 比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1開環(huán)系統(tǒng)機械特性和比例控制閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系開環(huán)機械特性為 (2-46) 式中， 表示開環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速， 表示開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。比例控制閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性為 (2-47) 式中， 表示閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速， 表示閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。9/20/2022108（1）閉環(huán)系統(tǒng)

35、靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng) 機械特性硬得多在同樣的負載擾動下， 開環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落 閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落它們的關(guān)系是 (2-48)9/20/2022109（2）閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要比開環(huán)系統(tǒng) 小得多閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率為開環(huán)系統(tǒng)的靜差率為當(dāng) 時， （2-49）9/20/2022110（3）如果所要求的靜差率一定，則 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nN，最低速靜差率都是s，可得 開環(huán)時， 閉環(huán)時， 得到 （2-50）9/20/2022111結(jié)論2： 把以上三點概括起來，可得下述結(jié)論： 比值控制的直流閉環(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

36、調(diào)速范圍，為此所需付出的代價是，須增設(shè)電壓放大器以及轉(zhuǎn)速檢測與反饋裝置。 9/20/2022112圖2-24 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)系統(tǒng)機械特性的關(guān)系閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機械特性9/20/2022113系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程開環(huán)系統(tǒng) Id n 例如：在圖2-24中工作點從A A 閉環(huán)系統(tǒng) Id n Un Un Uc n Ud0 例如：在圖2-24中工作點從A B比例控制直流調(diào)速系統(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)地改變電樞電壓，以補償電樞回路電阻壓降的變化。9/20/2022114例題2-3 在例題2-2中，龍門刨床要求D=20，s5%，已知 Ks=30,= 0.0

37、15Vmin/r，Ce=0.2Vmin/r，采用比例控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)滿足上述要求時，比例放大器的放大系數(shù)應(yīng)該有多少？ 9/20/2022115解: 開環(huán)系統(tǒng)額定速降為 =275 r/min，閉環(huán)系統(tǒng)額定速降須為 2.63 r/min，由式（2-48）可得則得即只要放大器的放大系數(shù)等于或大于46。9/20/20221162反饋控制規(guī)律（1）比例控制的反饋控制系統(tǒng)是被調(diào)量有靜差的控制系統(tǒng) 比例控制反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)值越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好。但只要比例放大系數(shù)Kp常數(shù)，開環(huán)放大系數(shù)K，反饋控制就只能減小穩(wěn)態(tài)誤差，而不能消除它，這樣的控制系統(tǒng)叫做有靜差控制系統(tǒng)。比例控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是一

38、種基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有以下三個基本特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律，9/20/2022117（2）反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動, 服從給定反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它能有效地抑制一切被負反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動作用，對于給定作用的變化唯命是從。擾動除給定信號外，作用在控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)上的一切會引起輸出量變化的因素都叫做“擾動作用”。9/20/2022118調(diào)速系統(tǒng)的擾動源負載變化的擾動（使Id變化）；交流電源電壓波動的擾動（使Ks變化）；電動機勵磁的變化的擾動（造成Ce 變化 ）；放大器輸出電壓漂移的擾動（使Kp變化）；溫升引起主電路電阻增大的擾動（使R變化）；檢測誤差的擾動（

39、使變化） 。 在圖2-25中，各種擾動作用都在穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖上表示出來了，所有這些因素最終都要影響到轉(zhuǎn)速。9/20/2022119圖2-25 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用9/20/2022120 結(jié)論3： 反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是：一方面能夠有效地抑制一切被包在負反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，對給定信號的任何變化都是唯命是從的。9/20/2022121（3）系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精度反饋控制系統(tǒng)無法鑒別是對給定電壓的正常調(diào)節(jié)還是不應(yīng)有的給定電壓的電源波動。反饋檢測裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無法克服的?，F(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是用數(shù)字給定和數(shù)字測速來提高調(diào)

40、速系統(tǒng)的精度。 9/20/20221223比例控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 動態(tài)穩(wěn)定性比例控制閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為 (2-51)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整理后得 (2-52)9/20/2022123例題2-4 在例題2-3中，系統(tǒng)采用的是三相橋式可控整流電路，已知電樞回路總電阻 ，電感量 3mH，系統(tǒng)運動部分的飛輪慣量 ，試判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。9/20/2022124解 ：電磁時間常數(shù)機電時間常數(shù) 晶閘管裝置的滯后時間常數(shù)為 為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)滿足的穩(wěn)定條件：閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性和例題2-3中穩(wěn)態(tài)性能要求 是矛盾的。9/20/2022125例題2-5 在上題的閉環(huán)直流

41、調(diào)速系統(tǒng)中，若改用全控型器件的PWM調(diào)速系統(tǒng)，電動機不變，電樞回路參數(shù)為： ， ， ，PWM開關(guān)頻率為8 。按同樣的穩(wěn)態(tài)性能指標 ， ，該系統(tǒng)能否穩(wěn)定？如果對靜差率的要求不變，在保證穩(wěn)定時，系統(tǒng)能夠達到的最大調(diào)速范圍有多少？9/20/2022126解 ：9/20/2022127按照穩(wěn)態(tài)性能指標 、 要求 PWM調(diào)速系統(tǒng)能夠在滿足穩(wěn)態(tài)性能指標要求下穩(wěn)定運行。 （見例題2-2） 0，積分調(diào)節(jié)器的輸出Uc便一直增長；只有達到Un=0時， Uc才停止上升；只有到Un變負， Uc才會下降。當(dāng)Un=0時， Uc并不是零，而是某一個固定值Ucf 積分控制可以使系統(tǒng)在無靜差的情況下保持恒速運行，實現(xiàn)無靜差調(diào)速

42、9/20/2022133突加負載時，由于Idl的增加，轉(zhuǎn)速n下降，導(dǎo)致Un變正，在積分調(diào)節(jié)器的作用下，Uc上升，電樞電壓Ud上升，以克服Idl增加的壓降，最終進入新的穩(wěn)態(tài) 。圖2-27積分控制無靜差調(diào)速系統(tǒng)突加負載時的動態(tài)過程9/20/2022134積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的根本區(qū)別：比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀，而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。積分調(diào)節(jié)器到穩(wěn)態(tài)時Un =0，只要歷史上有過Un ，其積分就有一定數(shù)值，足以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)運行所需要的控制電壓。9/20/20221352比例積分控制規(guī)律比例積分調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)器）的輸入輸出關(guān)系為 （2-55）式中，UinPI

43、調(diào)節(jié)器的輸入，UexPI調(diào)節(jié)器的輸出。其傳遞函數(shù)為 （2-56）式中，KpPI調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)， PI調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)。令1=Kp，則PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)也可寫成如下形式 （2-57）表明，PI調(diào)節(jié)器也可用積分和比例微分兩個環(huán)節(jié)表示，式中，1微分項中的超前時間常數(shù)。9/20/2022136用運算放大器來實現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器的輸入極性和輸出極性是反相的； (2-58)式中 Rbal為運算放大器同相輸入端的平衡電阻。圖2-28 比例積分（PI）調(diào)節(jié)器線路圖9/20/2022137PI控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點，又克服了各自的缺點。比例部分能迅速響應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)

44、偏差。9/20/2022138在t=0時就有Uex(t)=KpUin，實現(xiàn)了快速控制；隨后Uex(t)按積分規(guī)律增長， 在t=t1時，Uin=0， 圖2-29 PI調(diào)節(jié)器的輸入輸出特性9/20/2022139在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，采用PI調(diào)節(jié)器輸出部分Uc由兩部分組成，比例部分和Un成正比，積分部分表示了從t=0到此時刻對Un(t)的積分值，Uc是這兩部分之和。圖2-30 閉環(huán)系統(tǒng)中PI調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動態(tài)過程9/20/20221402.3.4 直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析圖2-31 直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器用ASR表示） 穩(wěn)態(tài)誤差是衡量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的指標9/20/2022141使用

45、比例調(diào)節(jié)器時，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 （2-44） 式中 使用積分調(diào)節(jié)器時，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 （2-59） 式中 使用比例積分調(diào)節(jié)器時，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 （2-60） 式中 9/20/2022142根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)中積分環(huán)節(jié)的數(shù)目劃分控制系統(tǒng)的類型， 比例控制的調(diào)速系統(tǒng)是0型系統(tǒng)， 積分控制、比例積分控制的調(diào)速系統(tǒng)是型系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)誤差定義為輸入量和反饋量的差值，即 （2-61）衡量系統(tǒng)控制的準確度的是系統(tǒng)對給定輸入Un*的跟隨能力；衡量系統(tǒng)抑制干擾能力的是系統(tǒng)抑制負載電流IdL的抗擾能力。9/20/20221431階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差在分析階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差時，令I(lǐng)dL(s)=0

46、。比例調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為 （2-62）階躍給定輸入 的穩(wěn)態(tài)誤差是 （2-65） 9/20/2022144積分調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為 （2-63）階躍給定輸入 的穩(wěn)態(tài)誤差是 （2-66） 9/20/2022145比例積分調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為 （2-64）階躍給定輸入 的穩(wěn)態(tài)誤差是 （2-67） 9/20/2022146階躍給定輸入分析結(jié)果在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，0型系統(tǒng)對于階躍給定輸入穩(wěn)態(tài)有差，被稱作有靜差調(diào)速系統(tǒng)；型系統(tǒng)對于階躍給定輸入穩(wěn)態(tài)無差，被稱作無靜差調(diào)速系統(tǒng)。9/20/20221472擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差在分析由擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差時，令Un*(s)=0。比例調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差

47、為 （2-68）階躍擾動 引起的的穩(wěn)態(tài)誤差是 (2-72) 9/20/2022148積分調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差為 （2-70）階躍擾動 引起的的穩(wěn)態(tài)誤差是 (2-73) 9/20/2022149比例積分調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差為 （2-71）階躍擾動 引起的的穩(wěn)態(tài)誤差是 (2-74) 9/20/2022150階躍擾動分析結(jié)果由擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差取決于誤差點與擾動加入點之間的傳遞函數(shù)。比例控制的調(diào)速系統(tǒng)，該傳遞函數(shù)無積分環(huán)節(jié)，故存在擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差，稱作有靜差調(diào)速系統(tǒng)；積分控制或比例積分控制的調(diào)速系統(tǒng)，該傳遞函數(shù)具有積分環(huán)節(jié)，所以由階躍擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差為0，稱作無靜差調(diào)速系統(tǒng)。9/20/20221512.

48、4 直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)（簡稱微機數(shù)字控制系統(tǒng)）硬件電路的標準化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的影響；其控制軟件能夠進行邏輯判斷和復(fù)雜運算，可以實現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律，而且更改起來靈活方便。 9/20/20221522.4.1微機數(shù)字控制的特殊問題圖2-32 微型計算機采樣控制系統(tǒng)框圖 9/20/2022153微機控制的調(diào)速系統(tǒng)是一個數(shù)字采樣系統(tǒng)。其中K1是給定值的采樣開關(guān)，K2是反饋值的采樣開關(guān)，K3是輸出的采樣開關(guān)。若所有的采樣開關(guān)是等周期地一起開和閉，則稱為同步采樣。微型計算機只有在采樣開關(guān)閉合時才能輸入和

49、輸出信號。只能在采樣時刻對模擬的連續(xù)信號進行采樣，把連續(xù)信號變成脈沖信號，即離散的模擬信號。信號的離散化是微機數(shù)字控制系統(tǒng)的第一個特點。9/20/2022154采樣后得到的離散模擬信號本質(zhì)上還是模擬信號，不能直接送入計算機，還須經(jīng)過數(shù)字量化。用一組數(shù)碼（如二進制數(shù)）來逼近離散模擬信號的幅值，將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。信號的數(shù)字化是微機數(shù)字控制系統(tǒng)的第二個特點。9/20/2022155根據(jù)香農(nóng)（Shannon）采樣定理： 如果模擬信號的最高頻率為fmax ，只要按照f2fmax采樣頻率進行采樣，取出的樣品序列就可以代表（或恢復(fù)）模擬信號。在電動機調(diào)速系統(tǒng)中，控制對象是電動機的轉(zhuǎn)速和電流，是快速變化的物

50、理量，必須具有較高的采樣頻率。微型計算機控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是一種快速數(shù)字采樣系統(tǒng)，要求微型計算機在較短的采樣周期之內(nèi)，完成信號的轉(zhuǎn)換、采集，完成按某種控制規(guī)律實施的控制運算，完成控制信號的輸出。9/20/20221562.4.2轉(zhuǎn)速檢測的數(shù)字化圖2-33 增量式旋轉(zhuǎn)編碼器示意圖 9/20/20221571旋轉(zhuǎn)編碼器光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是檢測轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的元件，旋轉(zhuǎn)編碼器與電動機相連，當(dāng)電動機轉(zhuǎn)動時，帶動編碼器旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號。旋轉(zhuǎn)編碼器可分為絕對式和增量式兩種。絕對式編碼器常用于檢測轉(zhuǎn)角。增量式編碼器在碼盤上均勻地刻制一定數(shù)量的光柵，在接收裝置的輸出端便得到頻率與轉(zhuǎn)速成正比的方波脈沖序列，從

51、而可以計算轉(zhuǎn)速。9/20/2022158增加一對發(fā)光與接收裝置，使兩對發(fā)光與接收裝置錯開光柵節(jié)距的1/4。正轉(zhuǎn)時A相超前B相；反轉(zhuǎn)時B相超前A相。采用簡單的鑒相電路可以分辨出轉(zhuǎn)向。 圖2-34 區(qū)分旋轉(zhuǎn)方向的A、B兩組脈沖序列 9/20/20221592數(shù)字測速方法的精度指標（1）分辨率用改變一個計數(shù)值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化量來表示分辨率，用符號Q表示。當(dāng)被測轉(zhuǎn)速由n1變?yōu)閚2時，引起記數(shù)值增量為1，則該測速方法的分辨率是 （2-75）分辨率Q越小，說明測速裝置對轉(zhuǎn)速變化的檢測越敏感，從而測速的精度也越高。9/20/2022160（2）測速誤差率轉(zhuǎn)速實際值和測量值之差與實際值之比定義為測速誤差率，記

52、作 （2-76）測速誤差率反映了測速方法的準確性，越小，準確度越高。9/20/20221613M法測速記取一個采樣周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖個數(shù)來算出轉(zhuǎn)速的方法稱為M法測速，又稱頻率法測速。 (2-77)式中: n轉(zhuǎn)速，單位為r/min； M1時間Tc內(nèi)的脈沖個數(shù)； z旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)輸出的脈沖個數(shù); Tc采樣周期，單位為s。9/20/2022162由系統(tǒng)的定時器按采樣周期的時間定期地發(fā)出一個采樣脈沖信號，計數(shù)器記錄下在兩個采樣脈沖信號之間的旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖個數(shù)。圖235 M法測速原理示意圖9/20/20221633. M法測速 工作原理：由計數(shù)器記錄PLG發(fā)出的脈沖信號； 定時器每隔時間Tc向

53、CPU發(fā)出中斷請求INTt； CPU響應(yīng)中斷后，讀出計數(shù)值 M1，并將計數(shù)器清零重新計數(shù)； 根據(jù)計數(shù)值 M1 計算出對應(yīng)的轉(zhuǎn)速值 n。測速原理與波形圖9/20/2022164M法測速分辨率為 （2-78）M法測速的分辨率與實際轉(zhuǎn)速的大小無關(guān)。M法的測速誤差率的最大值為 （2-79）max與M1成反比。轉(zhuǎn)速愈低，M1愈小，誤差率愈大。所以，M法測速只適用于高速段。 9/20/20221654T法測速T法測速是測出旋轉(zhuǎn)編碼器兩個輸出脈沖之間的間隔時間來計算轉(zhuǎn)速，又被稱為周期法測速。與M法測速不同的是， T法測速所計的是計算機發(fā)出的高頻時鐘脈沖的個數(shù)，以旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的相鄰兩個脈沖的同樣變化沿作為計

54、數(shù)器的起始點和終止點。9/20/20221664. T法測速工作原理：計數(shù)器記錄來自CPU的高頻脈沖 f0；PLG每輸出一個脈沖，中斷電路向CPU發(fā)出一次中斷請求；CPU 響應(yīng) INTn中斷，從計數(shù)器中讀出計數(shù)值 M2，并立即清零，重新計數(shù)。電路與波形9/20/2022167圖2-36T法測速原理示意圖準確的測速時間是用所得的高頻時鐘脈沖個數(shù)M2計算出來的，即 ，電動機轉(zhuǎn)速為 （2-80）9/20/2022168T法測速的分辨率定義為時鐘脈沖個數(shù)由M2變成(M2-1)時轉(zhuǎn)速的變化量， （2-81）綜合式（2-80）和式（2-81），可得 (2-82)T法測速的分辨率與轉(zhuǎn)速高低有關(guān)，轉(zhuǎn)速越低，Q

55、值越小，分辨能力越強。9/20/2022169T法測速誤差率的最大值為 （2-83）低速時，編碼器相鄰脈沖間隔時間長，測得的高頻時鐘脈沖M2個數(shù)多，誤差率小，測速精度高。T法測速更適用于低速段。9/20/2022170M法測速在高速段分辨率強；T法測速在低速段分辨率強； 因此，可以將兩種測速方法相結(jié)合，取長補短。既檢測 Tc 時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個數(shù)M1，又檢測同一時間間隔的高頻時鐘脈沖個數(shù)M2，用來計算轉(zhuǎn)速，稱作M/T法測速。 兩種測速方法的比較9/20/20221715M/T法測速在M法測速中，隨著電動機的轉(zhuǎn)速的降低，計數(shù)值減少，測速裝置的分辨能力變差，測速誤差增大。T法測速正好相反

56、，隨著電動機轉(zhuǎn)速的增加，計數(shù)值減小，測速裝置的分辨能力越來越差。綜合這兩種測速方法的特點，產(chǎn)生了M/T測速法，它無論在高速還是在低速時都具有較高的分辨能力和檢測精度。9/20/20221725. M/T法測速電路結(jié)構(gòu)：9/20/2022173工作原理：T0定時器控制采樣時間；M1計數(shù)器記錄PLG脈沖；M2計數(shù)器記錄時鐘脈沖。波形圖：9/20/2022174圖2-37 M/T法測速原理示意圖9/20/2022175關(guān)鍵是M1和M2計數(shù)同步開始和關(guān)閉，實際的檢測時間與旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖一致，能有效減小測速誤差。采樣時鐘Tc 由系統(tǒng)的定時器產(chǎn)生，其數(shù)值始終不變。檢測周期由采樣脈沖Tc的邊沿之后的第

57、一個脈沖編碼器的輸出脈沖的邊沿來決定，即T= Tc T1+ T2 。 9/20/2022176檢測周期T內(nèi)被測轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角為 (2-84)旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出Z個脈沖，在檢測周期T內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)是M1，則 (2-85)若時鐘脈沖頻率是f0，在檢測周期T內(nèi)時鐘脈沖計數(shù)值為M2 ，則 (2-86)綜合式(2-84)、式(2-85)和式(2-86)便可求出被測的轉(zhuǎn)速為： (2-87)9/20/2022177在高速段，TcT1，TcT2，可看成TTc： (2-88)M2f0Tf0Tc，代入式（2-78)可得： (2-89) 在高速段，與M法測速的分辨率完全相同。在低速段，M11，M2隨轉(zhuǎn)速變化，

58、分辨率與T法測速完全相同。M/T法測速無論是在高速還是在低速都有較強的分辨能力。9/20/2022178在M/T法測速中，檢測時間是以脈沖編碼器的輸出脈沖的邊沿為基準，計數(shù)值M2最多產(chǎn)生一個時鐘脈沖的誤差。M2的數(shù)值在中、高速時，基本上是一個常數(shù) M2Tf0Tcf0，其測速誤差率為 ，在低速時， M2 Tf0 Tc f0 ，M/T法測速具有較高的測量精度。 9/20/20221792.4.3數(shù)字PI調(diào)節(jié)器PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)列出如下： （2-56） 輸出函數(shù)和輸入誤差函數(shù)關(guān)系的時域表達式為 （2-90） 式中 Kp 為比例系數(shù)，KI 為積分系數(shù)。轉(zhuǎn)換為差分方程，其第k拍輸出為 （2-91） 式

59、中Tsam為采樣周期。積分部分輸出9/20/2022180數(shù)字PI調(diào)節(jié)器有位置式和增量式兩種算法，位置式算法中，u(k)為第k拍的輸出值。比例部分只與當(dāng)前的偏差有關(guān)，積分部分則是系統(tǒng)過去所有偏差的累積。增量式算法只需要當(dāng)前的和上一拍的偏差即可計算輸出值。 （2-93） （2-94） 9/20/2022181在數(shù)字控制算法中，要對u限幅，須在程序內(nèi)設(shè)置限幅值 um，當(dāng)|u(k)|um時，便以限幅值 um作為輸出。增量式PI調(diào)節(jié)器算法只需輸出限幅，位置式算法必須同時設(shè)積分限幅和輸出限幅，缺一不可。若沒有積分限幅，積分項可能很大，將產(chǎn)生較大的退飽和超調(diào)。9/20/20221822.5 轉(zhuǎn)速反饋控制直

60、流調(diào)速系統(tǒng)的 限流保護2.5.1轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的過流問題在轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)上突加給定電壓時，電樞電壓立即達到它的最高值，對電動機來說，相當(dāng)于全壓起動，會造成電動機過流。當(dāng)直流電動機被堵轉(zhuǎn)時，電流將遠遠超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器來保護，過載時就跳閘。9/20/2022183解決辦法系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。引入電流負反饋，可以使它不超過允許值。但這種作用只應(yīng)在起動和堵轉(zhuǎn)時存在，在正常的穩(wěn)速運行時又得取消。當(dāng)電流大到一定程度時才出現(xiàn)的電流負反饋，叫做電流截止負反饋。9/20/20221842.5.2帶電流截止負反饋環(huán)節(jié)的 直流調(diào)速系統(tǒng)圖2-38電流截止負反