第1章 開環(huán)控制系統(tǒng)

運動控制系統(tǒng)第1篇直流調速系統(tǒng)直流電動機的調速方法改變電樞回路電阻R。減弱勵磁磁通Φ。調節(jié)電樞電壓U。改變電樞回路電阻調速法理想空載轉速不變轉速降落隨電阻的增加而增大額定轉速以下調速方法，特性軟，有級調速nNnT0n0TNRaRa+Rad1Ra+Rad2n1n2Rad2>Rad1減弱磁通調速法理想空載轉速隨磁通的減少而增大。轉速降落隨磁通的減小而增大額定轉速以上調速方法，特性軟，無級調速nT0n0TNnNN12n01n02調節(jié)電樞電壓調速法nT0n0TNnNUNU1n’0n1U2n’’0n2U1>U2理想空載轉速隨U的減少而成比例地降低轉速降落與U的大小無關額定轉速以下調速方法，特性硬，無級調速三種調速方法之比較改變電樞回路電阻調速只能對電動機轉速作有級的調節(jié)，轉速的穩(wěn)定性差。減弱磁通調速能夠實現(xiàn)平滑調速，但只能在基速（額定轉速）以上的范圍內調節(jié)轉速。調節(jié)電樞電壓調速所得到的人為機械特性與電動機的固有機械特性平行，轉速的穩(wěn)定性好，能在基速（額定轉速）以下實現(xiàn)平滑調速。直流調速系統(tǒng)往往以調壓調速為主，只有當轉速要達到基速以上時才輔以弱磁調速。問題？為了實現(xiàn)調壓調速，必須配備？可控直流電源運動控制系統(tǒng)第1章可控直流電源-電動機系統(tǒng)相控整流器——把交流電源直接轉換成可控的直流電源。直流脈寬調制（PWM）變換器——用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關器件斬波或進行脈寬調制，產(chǎn)生可變的平均電壓。常用的可控直流電源內容提要1.1相控整流器-電動機調速系統(tǒng)1.2直流PWM變換器-電動機系統(tǒng)

1.3調速系統(tǒng)性能指標1.1相控整流器-電動機（V-M）系統(tǒng)1.1.1相控整流器-電動機系統(tǒng)原理：電位器調節(jié)→觸發(fā)裝置的控制電壓Uc→α變化→Ud=UdmaxCOSα→n。1.1.2相控整流器-電動機系統(tǒng)的特殊問題1．觸發(fā)脈沖相位控制觸發(fā)脈沖的相位角α控制整流電壓Ud0的平均值。a=30°u2uaubucOwtOwtOwtuGudwt1三相半波可控整流電路，電阻負載，=30時的波形2．電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)輸出電流是脈動電流，交流電源一周內存在的脈波數(shù)m與整流電路的形式相關。a=30°u2uaubucOwtOwtOwtuGudwt1三相半波可控整流電路，電阻負載，=30時的波形圖1-5V-M系統(tǒng)的電流波形a）電流連續(xù)b）電流斷續(xù)OuaubucaudOiaibicictEUdtOuaubucaudOiaibicicEUdudttudidid(1)電壓及電流波形(2)電流波形斷續(xù)原因①電感較?、谪撦d較輕影響

（1）脈動電流產(chǎn)生脈動轉矩，對生產(chǎn)機械不利；（2）脈動電流造成較大的諧波分量，流入電源后對電網(wǎng)不利，同時也增加電機發(fā)熱。抑制措施（1）增加整流電路的相數(shù)。（2）設置平波電抗器。(3)電流脈動的影響及抑制措施(4)平波電抗器的計算單相橋式全控整流電路三相半波整流電路三相橋式整流電路（1-6）（1-8）（1-7）Ud0IdE

R=Rrec+Ra+RL3.等效電路1.1.3相控整流直流調速系統(tǒng)的機械特性及數(shù)學模型1.相控整流器－電動機系統(tǒng)的機械特性①改變α，n0改變，但斜率不變。②Id增加，△

n線性增加，

n0不變。（理想空載轉速）（轉速降）2．晶閘管觸發(fā)電路和整流裝置的數(shù)學模型(1)

放大系數(shù)的計算圖1-7晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入輸出特性和Ks的測定

如果不可能實測特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。例如：設觸發(fā)電路控制電壓的調節(jié)范圍為

Uc=0~10V

相對應的整流電壓的變化范圍是

Ud=0~220V

可取Ks

=220/10=22（2）晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)估算（3）晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)

在動態(tài)過程中，可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置看成是一個純滯后環(huán)節(jié)。圖1－8晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時間滯后的產(chǎn)生及失控時間滯后環(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1(t-Ts)。輸入輸出關系為：

傳遞函數(shù)為晶閘管觸發(fā)電路與整流裝置的傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)的簡化近似條件：1.2直流PWM變換器-電動機系統(tǒng)1.2.1直流PWM變換器根據(jù)PWM變換器主電路的形式可分為可逆和不可逆兩大類。1.簡單不可逆PWM變換器UsIdE0tI20i

(t)I10VT導通IdEVT截止0tI20i（t)I100tI20i

(t)I10一個周期內的電流波形電壓和電流波形及平均電壓平均輸出電壓

=ton

/T:占空比電機的運行象限：第一象限電流不能反向

改變（0≤

≤1

）即可調節(jié)電機的轉速. 2.橋式可逆PWM變換器U,i+UstonT0-UsO正向電動運行波形平均輸出電壓電機的運行象限：第一象限

正脈沖電壓的寬度大于負脈沖的寬度>0.5(1)正向電動運行(2)反向電動運行

輸出波形及平均電壓U,iUdEid+UsttonT0-UsO反向電動運行波形

正脈沖電壓的寬度小于負脈沖的寬度<0.5平均輸出電壓電機的運行象限：第三象限（3）停轉狀態(tài)正脈沖電壓的寬度等于負脈沖的寬度平均輸出電壓電動機停轉。U,i+UstonT0-UsO停轉波形電樞兩端的瞬時電壓和瞬時電流不為零（4）雙極式可逆PWM變換器的優(yōu)點①電流一定連續(xù)；②電動機能在四象限運行；③電動機停止時有微振電流，消除了靜磨擦死區(qū)；

（5）雙極式控制方式的不足之處4個開關器件在工作中都處于開關狀態(tài)，在切換時容易容易發(fā)生上、下橋臂直通的事故，在上、下橋臂的驅動脈沖之間，應設置邏輯延時。1.2.2直流PWM變換器-電動機系統(tǒng)的能量回饋問題圖1-13橋式可逆直流脈寬調速系統(tǒng)主電路的原理圖泵升電壓及其限制

對濾波電容充電的結果造成電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”。1.2.3直流PWM調速系統(tǒng)的數(shù)學模型及機械特性1、PWM控制與變換器的數(shù)學模型（1）動態(tài)數(shù)學模型

式中，

Ks——PWM控制與變換器的放大系數(shù)，

Ts——PWM控制與變換器的延遲時間。（2）PWM裝置數(shù)學模型的近似當開關頻率為10kHz時，滯后時間明顯小于相控整流電源。2、PWM調速系統(tǒng)的機械特性脈寬調制變換器的輸出電壓是高度和頻率一定、寬度可變的脈沖序列，改變平均輸出的電壓的大小，可以調節(jié)電機的轉速。（1）不可逆電路的電壓方程式中的R、L分別為電樞電路的電阻和電感

（2）雙極式的可逆電路的電壓方程

（3）電壓平均值方程

平均電壓

平均電流電樞電感壓降的均值轉速

（4）機械特性方程（5）直流PWM調速系統(tǒng)的機械特性1.3調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能指標1.3.1調速范圍和靜差率1）調速，要求系統(tǒng)能夠在指定的范圍內的轉速上運行。

2）穩(wěn)速，要求系統(tǒng)調速的重復性和精確度要好，不允許有過大的轉速波動。1.調速范圍(D)生產(chǎn)機械要求電動機在額定負載情況下提供的最高轉速和最低轉速之比稱為調速范圍nminn02nN2Temn01nmaxTNnN10n●●2.靜差率（s）當系統(tǒng)在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應的轉速降落nN

，與理想空載轉速n0之比，稱作靜差率s靜差率受兩個因素影響：一是轉速變化量，二是理想空載轉速。0TeNTen0an0bab?

nNa

?

nNb

nO3.靜差率與機械特性硬度的區(qū)別特性越硬，s越

??；(2)硬度相同，n0

越小，s越大。調速系統(tǒng)的靜差率指標應以調速范圍的最低速時能達到的數(shù)值為準。4.D與s的相互約束關系對系統(tǒng)的調速精度要求越高，即要求s越小，則可達到的D必定越小。當要求的D越大時，則所能達到的調速精度就越低，即s越大，所以這是一對矛盾的指標。1.3.2開環(huán)調速系統(tǒng)的

機械特性及性能指標圖1－17開環(huán)調速系統(tǒng)的原理圖unitofpowerelectronics1.機械特性方程式

2.穩(wěn)態(tài)結構框圖圖1-18開環(huán)調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構框圖3.機械特性0TeNTen0an0bab?

nN

nO固有機械特性人為機械特性解要求s≤30%時，調速范圍為若要求s≤20%，則調速范圍只有若調速范圍達到10，則靜差率只能是例題1-1解當電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的額定速降為開環(huán)系統(tǒng)機械特性連續(xù)段在額定轉速時的靜差率為

這已大大超過了5%的要求。例題1-2最低速時：

如果要求D=20，s

≤

5%由上例可以看出，開環(huán)調速系統(tǒng)的額定速降是275r/min，而生產(chǎn)工藝的要求卻只有2.63r/min，相差幾乎百倍！

（1）對靜差率要求越嚴，即要求s