電力電子電機(jī)直流調(diào)速運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

第1篇直流調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)用最普遍：自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)是最古老的電動(dòng)機(jī)也是控制性能最好的電動(dòng)機(jī)第1篇直流調(diào)速系統(tǒng)重要性及必要性直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：具有極好的運(yùn)行性能和控制特性，良好的起、制動(dòng)性能，易于在廣范圍內(nèi)平滑調(diào)速。應(yīng)用：在軋鋼機(jī)、礦井卷揚(yáng)機(jī)、挖掘機(jī)、海洋鉆機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)、高層電梯等需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域中得到廣范應(yīng)用。長(zhǎng)期以來直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位。第1篇直流調(diào)速系統(tǒng)引言直流電機(jī)的工作原理和主要結(jié)構(gòu)第1篇直流調(diào)速系統(tǒng)1、直流電機(jī)的物理模型圖解及基本結(jié)構(gòu)2、直流電機(jī)的工作原理：第1篇直流調(diào)速系統(tǒng)第1篇直流調(diào)速系統(tǒng)

將直流電動(dòng)機(jī)的工作原理歸結(jié)如下：將直流電源通過電刷接通電樞繞組，使電樞導(dǎo)體有電流流過。電機(jī)內(nèi)部有磁場(chǎng)存在。載流的轉(zhuǎn)子（即電樞）導(dǎo)體將受到電磁力f

的作用f=Blia

（左手定則）所有導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁力作用于轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子以n(轉(zhuǎn)/分)旋轉(zhuǎn)。第1篇直流調(diào)速系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的等效電路圖M+_0dUdIRL+_EnLTeT第1篇直流調(diào)速系統(tǒng)瞬時(shí)電壓平衡方程式：n0nNTNTnn當(dāng)T

時(shí)--

n

機(jī)械特性曲線圖第1篇直流調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性：

當(dāng)Ud0不變時(shí)，轉(zhuǎn)速隨電磁轉(zhuǎn)矩變化而變化的規(guī)律：工作機(jī)械系統(tǒng)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。：電動(dòng)機(jī)的角速度：電動(dòng)機(jī)提供的電磁轉(zhuǎn)矩（動(dòng)力轉(zhuǎn)矩）：負(fù)載對(duì)運(yùn)動(dòng)力的反抗作用表現(xiàn)為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（阻力轉(zhuǎn)矩）運(yùn)動(dòng)平衡方程：系統(tǒng)加速系統(tǒng)減速系統(tǒng)恒速

穩(wěn)定運(yùn)行的含義：（1）使系統(tǒng)以一定的速度勻速運(yùn)轉(zhuǎn)；（2）系統(tǒng)受到干擾轉(zhuǎn)速稍有變化時(shí)，應(yīng)保證干擾消除后仍能以原來的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。要使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，必須使電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小相等，方向相反，相互平衡。即直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的電壓平衡方程：機(jī)械特性：負(fù)載的機(jī)械特性（工作特性）：同一軸上負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性：電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的之間的關(guān)系。n0nNTLTnn斜率大，特性軟斜率小，特性硬直流調(diào)速方法：根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速方程：nUd0IdR

Ke式中

—

轉(zhuǎn)速（r/min）；

—

電樞電壓（V）；

—

電樞電流（A）；

—

電樞回路總電阻（

）；

—

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)；

—

電機(jī)在恒定磁通下的電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速比第1篇直流調(diào)速系統(tǒng)Ce有三種方法可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：

（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓Ud0；（2）減弱勵(lì)磁磁通

；（3）改變電樞回路電阻R

；第1篇直流調(diào)速系統(tǒng)（1）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。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線第1篇直流調(diào)速系統(tǒng)（2）調(diào)阻調(diào)速工作條件：保持勵(lì)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(jī)械特性曲線變軟。OIILnn0RaR1R2R3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線第1篇直流調(diào)速系統(tǒng)（3）調(diào)磁調(diào)速工作條件：保持電壓U=UN

；保持電阻R=Ra

；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)速特性曲線第1篇直流調(diào)速系統(tǒng)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（額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。第1篇直流調(diào)速系統(tǒng)第1章速度閉環(huán)控制的調(diào)速系統(tǒng)本章提要

速度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)無靜差調(diào)速系統(tǒng)和比例、積分控制規(guī)律電壓負(fù)反饋電流補(bǔ)償控制的調(diào)速系統(tǒng)1.1速度閉環(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。1.1.1系統(tǒng)組成及其靜特性帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖a)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)SF，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓

，與給定電壓

相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓

，經(jīng)放大器FD放大后產(chǎn)生觸發(fā)裝置CF的控制電壓

，用以調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通角，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。KGAVTTRa)u1u2uVTudidaqwtp2pwwwwt0tttu2uguduVT0b)c)d)e)00晶閘管原理b)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；2）假定系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性是連續(xù)的；2）忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻。c)穩(wěn)態(tài)關(guān)系

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)放大器電力電子變換器調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性測(cè)速反饋環(huán)節(jié)

其中，——放大器電壓放大倍數(shù)——

觸發(fā)器和晶閘管整流裝置的電壓放大倍數(shù)——

測(cè)速反饋系數(shù)——

理想空載整流電壓的平均值——

主回路總的等效電阻，包括整流裝置內(nèi)阻、電機(jī)電樞電阻和平波電抗器內(nèi)阻根據(jù)各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系式可以畫出閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖：KpKs

1/CeUgdUk?UEnUd0Uf++-IdR-d)靜特性方程閉環(huán)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，稱為靜特性。從前述五個(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：——

閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)式中，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K為：含義：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：

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。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。開環(huán)機(jī)械特性：在恒定的情況下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。

開環(huán)機(jī)械特性閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性1.1.1反饋控制規(guī)律轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有以下三個(gè)基本特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律，各種不另加其他調(diào)節(jié)器的基本反饋控制系統(tǒng)都服從于這些規(guī)律。1.應(yīng)用比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)是有靜差的控制系統(tǒng)從靜特性分析中可以看出，由于采用了比例放大器，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K值越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好。然而，Kp=常數(shù)，穩(wěn)態(tài)速差就只能減小，卻不可能消除。只有K=

，才能使

ncl

=0，而這是不可能的。因此，這樣的調(diào)速系統(tǒng)叫做有靜差調(diào)速系統(tǒng)。實(shí)際上，這種系統(tǒng)正是依靠被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的。

反饋控制系統(tǒng)一方面能夠有效地抑制一切被包在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動(dòng)作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，對(duì)給定信號(hào)的任何變化都是唯命是從的。2.閉環(huán)系統(tǒng)絕對(duì)服從于給定輸入圖2閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動(dòng)作用

勵(lì)磁變化Id變化電源波動(dòng)Kp變化電阻變化檢測(cè)誤差KpKs

1/CeUgdUk?UEnUd0Uf++--

R

3.閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)于被包圍在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)的一切主通道上的擾動(dòng)作用都能有效地加以抑制4.對(duì)給定電源和反饋檢測(cè)元件中的誤差無力克服

給定精度——由于給定決定系統(tǒng)輸出，輸出精度自然取決于給定精度。如果產(chǎn)生給定電壓的電源發(fā)生波動(dòng)，反饋控制系統(tǒng)無法鑒別是對(duì)給定電壓的正常調(diào)節(jié)還是不應(yīng)有的電壓波動(dòng)。因此，高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須有更高精度的給定穩(wěn)壓電源。檢測(cè)精度——反饋檢測(cè)裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無法克服的，因此檢測(cè)精度決定了系統(tǒng)輸出精度。

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；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；

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)。轉(zhuǎn)速控制的要求1.1.2限流保護(hù)——電流截止負(fù)反饋

問題的提出起動(dòng)時(shí)的沖擊電流——直流電動(dòng)機(jī)全電壓起動(dòng)時(shí)，如果沒有限流措施，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，這不僅對(duì)電機(jī)換向不利，對(duì)過載能力低的電力電子器件來說，更是不能允許。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定時(shí)的沖擊電流——采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓時(shí)，由于慣性，轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來，反饋電壓仍為零，相當(dāng)于偏差電壓，這樣的話電樞電壓很快就達(dá)到它的最大值，對(duì)電動(dòng)機(jī)來說就相當(dāng)于全壓?jiǎn)?dòng)。

堵轉(zhuǎn)電流——

有些生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)可能會(huì)遇到堵轉(zhuǎn)的情況。例如，由于故障，機(jī)械軸被卡住，或挖土機(jī)運(yùn)行時(shí)碰到堅(jiān)硬的石塊等等。由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬，若無限流環(huán)節(jié)，硬干下去，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護(hù)，一過載就跳閘，也會(huì)給正常工作帶來不便。

解決辦法1）電樞串電阻起動(dòng)2）引入電流截止負(fù)反饋1)電流負(fù)反饋

為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動(dòng)限制電樞電流的環(huán)節(jié)。根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個(gè)物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個(gè)物理量的負(fù)反饋。那么，引入電流負(fù)反饋，應(yīng)該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。M+-UdIdRsUi接放大器a.電流檢測(cè)與反饋

電樞回路串檢測(cè)電阻。

電流檢測(cè)與反饋電路b.系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

轉(zhuǎn)速和電流負(fù)反饋系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖KpKs

1/CeUgdUk?UIdEnUd0Ufn++--

R

-

Rs

Ufic.靜特性方程（1-3）

與轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)特性方程相比，式（1-3）多了一項(xiàng)由電流反饋引起的轉(zhuǎn)速降落。d.穩(wěn)態(tài)特性采用轉(zhuǎn)速電流負(fù)反饋的調(diào)速系統(tǒng)靜特性Idbl0n0A—轉(zhuǎn)速負(fù)反饋特性B—轉(zhuǎn)速電流負(fù)反饋特性Idn'02)電流截止負(fù)反饋

考慮到，限流作用只需在起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)起作用，正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)讓電流自由地隨著負(fù)載增減。如果采用某種方法，當(dāng)電流大到一定程度時(shí)才接入電流負(fù)反饋以限制電流，而電流正常時(shí)僅有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起作用控制轉(zhuǎn)速。這種方法叫做電流截止負(fù)反饋，簡(jiǎn)稱截流反饋。a.電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)圖1-2電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)a）利用獨(dú)立直流電源作比較電壓M++--UdId

RcVDUfi

Ubj接放大器Mb)利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓

UwM+-UdIdVS接放大器MUfi

RcOUiIdRs

-

Ubj圖1.3電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的I/O特性圖1.4帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖nKpKs

1/CeUgdUkUfiIdEUd0Ufn+--RRc-Ubj-++b.系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)IdRs

-

Ubjc.靜特性方程與特性曲線

由圖1-4可寫出該系統(tǒng)兩段靜特性的方程式。當(dāng)Id

≤

Idj

時(shí)，電流負(fù)反饋被截止，靜特性和只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性式相同，現(xiàn)重寫于下：

當(dāng)Id

Idj時(shí)，引入了電流負(fù)反饋，靜特性變成

圖1-5帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性IduIdjn0IdOn'0ABDC

靜特性兩個(gè)特點(diǎn)（1）電流負(fù)反饋的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個(gè)大電阻KpKsRc

，因而穩(wěn)態(tài)速降極大，特性急劇下垂。（2）比較電壓Ubj

與給定電壓Ugd

的作用一致，好象把理想空載轉(zhuǎn)速提高到

這樣的兩段式靜特性常稱作下垂特性或挖土機(jī)特性。當(dāng)挖土機(jī)遇到堅(jiān)硬的石塊而過載時(shí)，電動(dòng)機(jī)停下，電流也不過是堵轉(zhuǎn)電流，在上式中，令n=0，得

一般KpKsRc>>R，因此d.電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)Idu應(yīng)小于電機(jī)允許的最大電流，一般取

Idu=（1.5~2）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)行范圍足夠大，截止電流應(yīng)大于電機(jī)的額定電流，一般取

Idu

≥（1.1~1.2）IN補(bǔ)充1：拉氏變換解：設(shè)回路電流為i(t)，由基爾霍夫電律可寫出回路方程為：定義：在零初始條件下，線性定常系統(tǒng)輸出量的拉氏變換與輸入量的拉氏變換之比，稱為系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，即補(bǔ)充2：傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)的性質(zhì)傳遞函數(shù)是復(fù)變量S的有理真分式函數(shù)，分子多項(xiàng)式的次數(shù)

m低于或等于分母多項(xiàng)的次數(shù)n，所有系數(shù)均為實(shí)數(shù)；2)傳遞函數(shù)只取決于系統(tǒng)和元件的結(jié)構(gòu)，與輸入信號(hào)無關(guān)；3)傳遞函數(shù)與微分方程有相通性，可經(jīng)簡(jiǎn)單置換而轉(zhuǎn)換；4)傳遞函數(shù)的拉氏反變換是系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)。傳遞函數(shù)是在零初始條件下定義的，它只反應(yīng)系統(tǒng)的零狀態(tài)特性；零初始條件含義要明確。RLCi(t)ur(t)uc(t)1)零初始條件下取拉氏變換：2）傳遞函數(shù)：1.1.3

速度閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析1）速度閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型a)晶閘管出發(fā)電路及整流裝置構(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，都是只是在不同場(chǎng)合下，參數(shù)Ks和Ts的數(shù)值不同而已。例：晶閘管整流裝置

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)中的一個(gè)環(huán)節(jié)來看待。（1）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)可由工作范圍內(nèi)的特性率決定，計(jì)算方法是晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出特性和的測(cè)定（2)晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)在動(dòng)態(tài)過程中，可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置看成是一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應(yīng)是由晶閘管的失控時(shí)間引起的。眾所周知，晶閘管一旦導(dǎo)通后，控制電壓的變化在該器件關(guān)斷以前就不再起作用，直到下一相觸發(fā)脈沖來到時(shí)才能使輸出整流電壓發(fā)生變化，這就造成整流電壓滯后于控制電壓的狀況。

最大失控時(shí)間計(jì)算失控制時(shí)間是隨機(jī)的，它的大小隨發(fā)生變化的時(shí)刻而改變，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，與交流電源頻率和整流電路形式有關(guān)，由下式確定式中f----交流電流頻率（Hz）；

m----一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。Ts

值的選取相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間來說，Ts是不大的，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)。也有人主張按最嚴(yán)重的情況考慮，取Ts=Tsmax

。表1-1列出了不同整流電路的失控時(shí)間。各種整流電路的失控時(shí)間（f=50Hz）見教材P11

傳遞函數(shù)的求取

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-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)為為了簡(jiǎn)化，先將該指數(shù)函數(shù)按泰勒級(jí)數(shù)展開，則上式變成：考慮到Ts

很小，可忽略高次項(xiàng)，則傳遞函數(shù)便近似成一階慣性環(huán)節(jié)：（4）晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)a)準(zhǔn)確的b）近似的晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖b)直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)式中為負(fù)載電流。

Tl

—

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)(s)

，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):電流與電動(dòng)勢(shì)間的傳遞函數(shù):動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖Id

(s)IdL(s)+-E

(s)RTmsb)電流電動(dòng)勢(shì)間的結(jié)構(gòu)框圖E(s)Ud0(s)+-1/RTls+1Id

(s)a)電壓電流間的結(jié)構(gòu)框圖+圖1-3-7額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖n(s)1/CeUd0(s)IdL

(s)

EId(s)E++--1/RTls+1RTms圖1-3-8整個(gè)直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

由圖1-3-8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)框圖即簡(jiǎn)化成下圖b。n(s)Ud0

(s)+-1/CeTmTls2+Tms+1IdL

(s)R(Tls+1)

動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡(jiǎn)化a.IdL≠0n(s)1/CeTmTls2+Tms+1Ud0

(s)

動(dòng)態(tài)結(jié)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)，即放大器測(cè)速反饋c)控制與檢測(cè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)圖1-3-9反饋控制單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖n(s)Ugd(s)IdL

(s)

Uct

(s)Uf

(s)+-KsTss+1KP1/CeTmTl

s2+Tms+1

+-R(Tls+1)Ud0(s)△U

(s)d)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖e)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 式中K=KpKs

/Ce

（1-3-14）

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f)調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)

由式（1-3-15）可知，反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為它的一般表達(dá)式為

2)反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件

根據(jù)三階系統(tǒng)的勞斯-赫爾維茨判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是式（1-3-16）的各項(xiàng)系數(shù)顯然都是大于零的，因此穩(wěn)定條件就只要：

或整理后得

式（1-3-17）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。補(bǔ)充說明穩(wěn)定是控制系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的首要條件。1、穩(wěn)定性定義定義：設(shè)一線性定常系統(tǒng)原處于某一平衡狀態(tài)，若它瞬間受到某一擾動(dòng)作用而偏離了原來的平衡狀態(tài)，當(dāng)此擾動(dòng)撤消后，系統(tǒng)仍能回到原有的平衡狀態(tài)，則稱該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。反之，系統(tǒng)為不穩(wěn)定。線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于系統(tǒng)的固有特征（結(jié)構(gòu)、參數(shù)），與系統(tǒng)的輸入信號(hào)無關(guān)。線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件：閉環(huán)系統(tǒng)特征方程的所有根都具有負(fù)實(shí)部.（或者說閉環(huán)特征方程的根必須位于S平面的左半平面）1.2

無靜差調(diào)速系統(tǒng)和比例、積分控制規(guī)律前幾節(jié)主要討論，采用比例（P）放大器控制的直流調(diào)速系統(tǒng)，可使系統(tǒng)穩(wěn)定，并有一定的穩(wěn)定裕度，同時(shí)還能滿足一定的穩(wěn)態(tài)精度指標(biāo)。但是，帶比例放大器的反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是有靜差的調(diào)速系統(tǒng)。

本節(jié)將討論，采用積分（I）調(diào)節(jié)器或比例積分（PI）調(diào)節(jié)器代替比例放大器，構(gòu)成無靜差調(diào)速系統(tǒng)。問題的提出采用比例放大器控制的有靜差的調(diào)速系統(tǒng)，Kp

越大，系統(tǒng)精度越高；但Kp

過大，將降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定。進(jìn)一步分析靜差產(chǎn)生的原因，由于采用比例調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出為：Uc=Kp

UnUc0，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，即Un

0；Uc

=0，電動(dòng)機(jī)停止。

1.2.1

積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律1）積分調(diào)節(jié)器如右圖，由運(yùn)算放大器可構(gòu)成一個(gè)積分電路。根據(jù)電路分析，其電路方程為：CUsc1.8積分調(diào)節(jié)器原理圖+-RbalUsrR0+Ai0if當(dāng)初始值為零時(shí)，在階躍輸入作用下，對(duì)上式進(jìn)行積分運(yùn)算，得積分調(diào)節(jié)器的輸出為：方程兩邊取積分，得式中—

積分時(shí)間常數(shù)。2）積分調(diào)節(jié)器的特性

UsrtUscUsrOa)階躍輸入時(shí)的輸出特性Φ(ω)ωL/dBOL(ω)-20dB1/

ωΦO-π/2b)Bode圖圖1.9積分調(diào)節(jié)器Usc積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：3）積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)4）基于轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的積分控制規(guī)律如果轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制系統(tǒng)采用積分調(diào)節(jié)器，則控制電壓Uk是轉(zhuǎn)速偏差電壓

U的積分，即：如果

U

是階躍函數(shù)，則Uk按線性規(guī)律增長(zhǎng)，每一時(shí)刻Uk

的大小和

U

與橫軸所包圍的面積成正比，如下圖a所示。圖1.10積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動(dòng)態(tài)過程a）為一般函數(shù)a）為階躍函數(shù)b）為一般函數(shù)由上圖可見，在動(dòng)態(tài)過程中，當(dāng)變化時(shí)，只要其極性不變，即只要仍是，積分調(diào)節(jié)器的輸出便一直增長(zhǎng)；只有達(dá)到時(shí)，

才停止上升；不到變負(fù)，

不會(huì)下降。在這里，值得特別強(qiáng)調(diào)的是，當(dāng)

時(shí)，

并不是零，而是一個(gè)終值；如果不再變化，此終值便保持恒定不變，這是積分控制的特點(diǎn)。

有靜差調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由TL1突增到TL2時(shí)，有靜差調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速n、偏差電壓

Un

和控制電壓Uc

的變化過程示于右圖。圖有靜差調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載過程5）比例與積分控制的比較

無靜差調(diào)速系統(tǒng)

當(dāng)負(fù)載突增時(shí)，積分控制的無靜差調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程曲線示于右圖。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速偏差電壓

U

必為零。如果

U不為零，則Uk繼續(xù)變化，就不是穩(wěn)態(tài)了。在突加負(fù)載引起動(dòng)態(tài)速降時(shí)產(chǎn)生

U，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時(shí)，

U

又恢復(fù)為零，但Uk已從Uc1上升到Uc2

，使電樞電壓由Ud1上升到Ud2，以克服負(fù)載電流增加的壓降。在這里，Uk

的改變并非僅僅依靠

U

本身，而是依靠

Ugd

在一段時(shí)間內(nèi)的積累。圖積分控制無靜差調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)過程將以上的分析歸納起來，可得下述論斷：

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。1.2.2

比例積分控制規(guī)律上一小節(jié)從無靜差的角度突出地表明了積分控制優(yōu)于比例控制的地方，但是另一方面，在控制的快速性上，積分控制卻又不如比例控制。如圖所示，在同樣的階躍輸入作用之下，比例調(diào)節(jié)器的輸出可以立即響應(yīng)，而積分調(diào)節(jié)器的輸出卻只能逐漸地變。a)P調(diào)節(jié)器UexUintUinUexOτ

UexUinUexmtUinUexOb)I調(diào)節(jié)器1.4.5兩種調(diào)節(jié)器I/O特性曲線那么，如果既要穩(wěn)態(tài)精度高，又要?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)快，該怎么辦呢？把比例和積分兩種控制結(jié)合起來形成比例積分控制，行不行？1）PI調(diào)節(jié)器在模擬電子控制技術(shù)中，可用運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器，其線路如下圖所示。圖1.10比例積分（PI）調(diào)節(jié)器+-C1RbalUsrR0+AR1Uscifi02）PI的輸入輸出關(guān)系按照運(yùn)算放大器的輸入輸出關(guān)系，可得：式中

—PI調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)；

—PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)。由此可見，PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓由比例和積分兩部分相加而成。3）PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)當(dāng)初始條件為零時(shí)，取上式兩側(cè)的拉氏變換，移項(xiàng)后，得PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù):圖1.11PI調(diào)節(jié)器輸出響應(yīng)1.2.3

無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)及其穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算

系統(tǒng)組成工作原理穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與靜特性參數(shù)計(jì)算(1)系統(tǒng)組成圖1.12無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)示例++-+MTG+-RP2nRP1U*nR0R0RbalUcVBTVSUiTAIdR1C1UnUd-+MTG+++-UPE·(2)工作原理圖1.12所示是一個(gè)無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)例，采用比例積分調(diào)節(jié)器以實(shí)現(xiàn)無靜差，采用電流截止負(fù)反饋來限制動(dòng)態(tài)過程的沖擊電流。TA為檢測(cè)電流的交流互感器，經(jīng)整流后得到電流反饋信號(hào)。當(dāng)電流超過截止電流時(shí)，高于穩(wěn)壓管VS的擊穿電壓，使晶體三極管VBT導(dǎo)通，則PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓接近于零，電力電子變換器UPE的輸出電壓急劇下降，達(dá)到限制電流的目的。(3)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與靜特性當(dāng)電動(dòng)機(jī)電流低于其截止值時(shí)，上述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖示于下圖，其中代表PI調(diào)節(jié)器的方框中無法用放大系數(shù)表示，一般畫出它的輸出特性，以表明是比例積分作用。圖1.13無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（Id

<

Idcr）

Ks

1/CeU*nUc?UnIdREnUd0Un++--無靜差系統(tǒng)的理想靜特性如右圖所示。

當(dāng)Id

<

Idcr

時(shí)，系統(tǒng)無靜差，靜特性是不同轉(zhuǎn)速時(shí)的一族水平線。

當(dāng)Id

>Idcr

時(shí)，電流截止負(fù)反饋起作用，靜特性急劇下垂，基本上是一條垂直線。整個(gè)靜特性近似呈矩形。OIdIdcrn1n2nmaxn圖1.4.11帶電流截止的無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性

(4)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算無靜差調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算很簡(jiǎn)單，在理想情況下，穩(wěn)態(tài)時(shí)

Un=0，因而Un=Un*

，可以按式（1-4-2）直接計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)式（1-4-2）

—

電動(dòng)機(jī)調(diào)壓時(shí)的最高轉(zhuǎn)速(r/min)；

—

相應(yīng)的最高給定電壓(V)。nmaxU*nmax電流截止環(huán)節(jié)的參數(shù)很容易根據(jù)其電路和截止電流值Idcr計(jì)算出。PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)Kpi和τ可按動(dòng)態(tài)校正的要求計(jì)算。帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖1.3

電壓負(fù)反饋電流補(bǔ)償控制的調(diào)速系統(tǒng)1.3.1

電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)（1）系統(tǒng)原理圖圖1.3.1電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)原理