电机及电力拖动自动控制系统第6章直流电动机调速控制系统

1、第第6章章 直流电动机调速控制系统直流电动机调速控制系统 主要内容主要内容直流调速系统的组成及数学模型直流调速系统的组成及数学模型调速系统的控制要求和开环直流调速系统调速系统的控制要求和开环直流调速系统转速负反馈单闭环直流调速系统转速负反馈单闭环直流调速系统转速电流负反馈双闭环直流调速系统转速电流负反馈双闭环直流调速系统调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法转速电流双闭环直流调速系统的设计转速电流双闭环直流调速系统的设计5.1 5.1 直流调速系统的组成及数学模型直流调速系统的组成及数学模型控制电压用来控制可控直流电源的输出直流电压，从而调节电动控制电压用来控制可控直流电源的输出直流电压，从

2、而调节电动机转速。开环调速系统往往不能满足生产机械的性能要求。为了机转速。开环调速系统往往不能满足生产机械的性能要求。为了提高系统的各项调速性能指标，需要引入反馈控制，最常用的反提高系统的各项调速性能指标，需要引入反馈控制，最常用的反馈变量是转速和电枢电流，分别由转速检测装置和电流检测装置馈变量是转速和电枢电流，分别由转速检测装置和电流检测装置得到反馈信号作用到反馈控制器，自动调节控制电压，使输出转得到反馈信号作用到反馈控制器，自动调节控制电压，使输出转速的性能满足要求。速的性能满足要求。5.1.1 5.1.1 直流调速系统的组成直流调速系统的组成 上世纪中期之前，可控直流电源主要是由一台上世

3、纪中期之前，可控直流电源主要是由一台交流电动机驱动一台直流发电机，通过改变直流发电交流电动机驱动一台直流发电机，通过改变直流发电机的励磁电流来控制直流发电机的输出电压。机的励磁电流来控制直流发电机的输出电压。 从从6060年代开始晶闸管控制的相控整流电源逐渐年代开始晶闸管控制的相控整流电源逐渐取代了旋转变流机组。随着全控型电力电子开关器件取代了旋转变流机组。随着全控型电力电子开关器件的进步，直流脉宽调制的进步，直流脉宽调制PWMPWM变换电源发展很快，但在变换电源发展很快，但在大功率及超大功率大功率及超大功率( (兆瓦以上兆瓦以上) )直流调速范围内，相控直流调速范围内，相控整流电源是不可替代

4、的。整流电源是不可替代的。 在要求快速响应的直流调速场合，特别在中、在要求快速响应的直流调速场合，特别在中、小容量的系统中，小容量的系统中，PWMPWM变换电源已取代变换电源已取代V VM M系统成为系统成为主要的直流调速方式。主要的直流调速方式。5.1.2 5.1.2 可控直流电源可控直流电源相控整流电源相控整流电源 PWMPWM变换电源变换电源1、相控整流电源、相控整流电源1957年年晶闸管（晶闸管（SCR）问世，它是一种大功率半导体可控整流元件，简称问世，它是一种大功率半导体可控整流元件，简称“可控硅可控硅”，20世纪世纪60年代起就已生产出成套的晶闸管整流装置，变流技术年代起就已生产出

5、成套的晶闸管整流装置，变流技术出现了根本性的变革。出现了根本性的变革。 单相半波可控整流带电阻性负载 单相桥式全控整流电阻性负载（1）单相可控整流电路）单相可控整流电路（2）三相可控整流电路）三相可控整流电路三相半波不可控整流电路三相半波不可控整流电路三相半波可控整流电路三相半波可控整流电路 a=0 a=30 a=60三相桥式全控整流电路三相桥式全控整流电路 a=0 V-M系统工作原理系统工作原理 晶闸管晶闸管-电动机调速系统（简称电动机调速系统（简称V-M系统），图中系统），图中VT是晶闸管是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置可控整流器，通过调节触发装置 GT 的控制电压的控制电压 Uc 来

6、移动触发来移动触发脉冲的相位，即可脉冲的相位，即可改变整流电压改变整流电压Ud ，从而实现平滑调速。，从而实现平滑调速。晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）系统） V-M系统的特点系统的特点 与与G-M系统相比较：系统相比较：n晶闸管整流装置不仅在晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性经济性和可靠性上都有上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。优越性。n晶闸管可控整流器的功率放大倍数在晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10 4 以上，以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像其门极电流可以直接用

7、晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。直流发电机那样需要较大功率的放大器。n在控制作用的快速性上在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是晶闸管整流器是毫秒级毫秒级，这将大大提高系统的，这将大大提高系统的动态性能。动态性能。 V-M系统的问题系统的问题n由于晶闸管的由于晶闸管的单向导电性单向导电性，它不允许电流反，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。向，给系统的可逆运行造成困难。n晶闸管对晶闸管对过电压、过电流过电压、过电流和过高的和过高的dV/dt与与di/dt 都十分敏感，若超过允许值会在很短的都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间

8、内损坏器件。时间内损坏器件。n由谐波与无功功率引起电网由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成殃及附近的用电设备，造成“电力公害电力公害”。a）原理图b）电压波形图tOuUsUdTton控制电路控制电路M直流斩波器直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形电动机系统的原理图和电压波形 ssondUUTtU（1）脉宽调制（直流斩波器）的基本结构）脉宽调制（直流斩波器）的基本结构2、 脉宽调制（脉宽调制（PWM）变换电源）变换电源（2） 斩波器的基本控制原理斩波器的基本控制原理 （3）输出电压计算）输出电压计算电动机得到的平均电压电动机得到的平均电压ssondUUT

9、tU电力电子开关器件，如快速晶闸管、电力电子开关器件，如快速晶闸管、GTO、 IGBT等等.采用简单的单管控制时，称作采用简单的单管控制时，称作直流斩波器直流斩波器，后来逐渐发，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，脉宽调制变换脉宽调制变换器（器（PWM-Pulse Width Modulation）。 （4）斩波电路三种控制方式）斩波电路三种控制方式根据对输出电压平均值的根据对输出电压平均值的调制方式调制方式，分三种控制方式：，分三种控制方式：T 不变，变不变，变 ton 脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWM）；）；ton不变，变不变，变 T 脉冲频

10、率调制（脉冲频率调制（PFM）；）；ton和和 T 都可调，改变占空比都可调，改变占空比混合型混合型 PWM系统的优点系统的优点（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；）主电路线路简单，需用的功率器件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1: :10000左右；左右；（4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；应快，动态抗扰能力强；（5）功率开关器件

11、工作在开关状态，导通损耗小，当开）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。流器高。小小 结结 三种可控直流电源，三种可控直流电源，V-M系统在上世系统在上世纪纪6070年代得到广泛应用，目前主要用年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统。于大容量系统。 直流直流PWM调速系统作为一种新技术，调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统

12、中，已取代小容量的系统中，已取代V-M系统成为系统成为主要的直流调速方式。主要的直流调速方式。5.1.3 5.1.3 直流调速系统及数学模型直流调速系统及数学模型 VT是晶闸管可控整流器，它可以是任意一种整流电路，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，从而改变整流输出电压平均值，实现电动机的平滑调速。晶闸管整流在经济性和可靠性上有很大提高，技术性能上更有很大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数大约在104以上，控制功率小，有利于微电子技术引入到强电领域，在控制作用的快速性上也大大提高，有利于改善系统的动态性能。 1. 1. 相控整流相控整流电动机（电动机（V-MV-M）系统）

13、系统Ud0IdE(1)等效电路分析等效电路分析tiLRiEuddddd0V-M系统主电路的等效电路图 瞬时电压平衡方程瞬时电压平衡方程R = Rrec + Ra + RLcossinmd0mUmU整流电压的平均值计算整流电压的平均值计算全控整流电路，电流波形连续时全控整流电路，电流波形连续时* U2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值1 1） 可控直流电源的数学模型可控直流电源的数学模型（2） 电流脉动及其波形的连续与断续电流脉动及其波形的连续与断续V-M系统的电流波形系统的电流波形a）电流连续b）电流断续OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEU

14、dudttudididV-M系统主电路系统主电路的输出的输出（3） 抑制电流脉动的措施抑制电流脉动的措施脉动电流的影响脉动电流的影响会产生脉动的转矩，对生产机械不利，谐波分量大，对电网不利，同时增加电机的发热。抑制电流脉动的措施抑制电流脉动的措施：n设置平波电抗器；设置平波电抗器；n增加整流电路相数；增加整流电路相数；n采用多重化技术采用多重化技术。（4） 晶闸管晶闸管-电动机系统的机械特性电动机系统的机械特性 )cossin(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn电流连续时电流连续时V-M系统的机械特性系统的机械特性 n = Id R / CenIdILO只要只要电流连续电流连续，晶闸

15、管可控整流晶闸管可控整流器就可以看成是器就可以看成是一个一个线性的可控线性的可控电压源电压源。Ce=KeCe额定磁通下电动势系数额定磁通下电动势系数V-M系统机械特性电流断续时，由于电流断续时，由于非线性因素，机械非线性因素，机械特性方程复杂得多特性方程复杂得多. .当电流连续时，特当电流连续时，特性还比较硬；性还比较硬；断续段特性则很软，断续段特性则很软，而且呈显著的非线而且呈显著的非线性，理想空载转速性，理想空载转速翘得很高。翘得很高。放大系数的放大系数的计算计算晶闸管触发和整流装置的放大系数可由工作范围内的特性率决定.cdsUUK2） 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数晶闸管触发和

16、整流装置的放大系数和传递函数放大系数放大系数估算估算触发电路控制电压调节范围为触发电路控制电压调节范围为 Uc = 010V 相对应的整流电压的变化范围相对应的整流电压的变化范围 Ud = 0220V 可取可取 Ks = 220/10 = 22u2udUctt10Uc1Uc21tt00022Ud01Ud02Ts（1）晶闸管触发与整流失控时间分析）晶闸管触发与整流失控时间分析 （3）Ts 值的选取值的选取 Ts 可取其统计平均值 Ts = Tsmax /2，并认为是常数。或按最严重的情况考虑，取Ts = Tsmax 。表1 各种整流电路的失控时间（f =50Hz） （2）最大失控时间计算）最大失

17、控时间计算mfT1maxs传递函数传递函数（4）传递函数的求取）传递函数的求取33s22ssssss! 31! 211ee)(sssTsTsTKKKsWsTsT)( 1scs0dTtUKUsTKsUsUsWse)()()(sc0ds （5）近似传递函数）近似传递函数sTKsWsss1)(Ts 很小，可忽略高次项很小，可忽略高次项，得得 （6）晶闸管触发与整流装置动态结构）晶闸管触发与整流装置动态结构sTsseKUc(s)Ud0(s)1sTKssUc(s)Ud0(s)(a) 准确的（b） 近似的晶闸管触发与整流装置动态结构图晶闸管触发与整流装置动态结构图ssss PWM变换器的作用是：用变换器的

18、作用是：用PWM调制调制的方法，的方法，把恒定的直流电源电压调制成把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压系列频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。调节电机转速。 PWM变换器电路有多种形式，主要变换器电路有多种形式，主要分为分为不可逆与可逆不可逆与可逆两大类，下面分别阐两大类，下面分别阐述其工作原理。述其工作原理。2 直流直流PWM变换器变换器电动机系统电动机系统+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4

19、Ug4桥式可逆PWM变换器（1）桥式可逆）桥式可逆PWM变换器变换器-H形主电路结构形主电路结构U, iUdEid+UsttonT-UsO正向电动运行波形U, iUdEid+UsttonT0-UsO反向电动运行波形输出平均电压输出平均电压( = 2 1)sonsonsond) 12(UTtUTtTUTtU 调速范围调速范围 的可调范围为的可调范围为01， 1 0.5时，时， 为正，电机正转；为正，电机正转；n当当 4Tl，则，则Ud0、n间的传递函数可以间的传递函数可以分解成两个惯性环节分解成两个惯性环节，突加给定时，转速呈现单调变化；若若T Tm4Tl，则直流电动机是一个二阶振荡环，则直流电

20、动机是一个二阶振荡环节，节，机械和电磁能量互相转换，使电动机的运动过程带有振荡的性质。4. 4. 直流电动机调压调速系统直流电动机调压调速系统 控制电压控制电压u uc c控制直流电源的输出电压，从而调节控制直流电源的输出电压，从而调节电动机的转速，实现调压调速电动机的转速，实现调压调速. . 1. 控制要求控制要求（1 1）调速）调速在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地（有在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地（有级）或级）或 平滑地（无级）调节转速；平滑地（无级）调节转速；（2 2）稳速）稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不

21、允许有过大的转速波动，以确保产品质量；下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；（3 3）加、减速）加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，制动尽量提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。平稳。5.2.1 转速控制的要求和调速指标转速控制的要求和调速指标5.2 调速系统的要求及开环系统的问题调速系统的要求及开环系统的问题 虽然开环调速系统能实现一定范围内的无级虽然开环调速系统能实现一定范围内的无级调速，可以适于某些用途。但是，许多生产场调速，可以适于某些用途。但是，许多生产场合

22、常常对静差率有一定的要求，此时合常常对静差率有一定的要求，此时开环调速开环调速系统往往不能满足要求。系统往往不能满足要求。5.2.2 5.2.2 开环调速系统及其存在的问题开环调速系统及其存在的问题例如例如龙门刨床龙门刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工时负载大小常有波动，但是为，由于毛坯表面粗糙不平，加工时负载大小常有波动，但是为了保证工件表面的加工精度和加工后的表面光洁度，就要求加工过程中的了保证工件表面的加工精度和加工后的表面光洁度，就要求加工过程中的速速度基本稳定度基本稳定，也就是说，也就是说静差率不能太大静差率不能太大，一般要求，调速范围，一般要求，调速范围D=2040，静差率静差率s5

23、%。 又如又如热连轧机热连轧机，各机架轧辊分别由单独的电动机拖动，钢材在几个机架内，各机架轧辊分别由单独的电动机拖动，钢材在几个机架内连续轧制，连续轧制，要求各机架出口线速度保持严格的比例关系要求各机架出口线速度保持严格的比例关系，使被轧金属的每秒，使被轧金属的每秒流量相等，才不致造成钢材的拱起或拉断，根据工艺要求，须使调速范围流量相等，才不致造成钢材的拱起或拉断，根据工艺要求，须使调速范围D=310，静差率，静差率s0.20.5%。下面通过实例来研究开环系统的静态和动态特性。下面通过实例来研究开环系统的静态和动态特性。例例5-15-1 某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，其额定数据如下：某龙

24、门刨床工作台拖动采用直流电动机，其额定数据如下：60kW60kW、440V440V、140A140A、1000r/min1000r/min，采用，采用V-MV-M系统，主电路总电阻系统，主电路总电阻R=0.18R=0.18，电动机电动势系数，电动机电动势系数Ce=0.416Ce=0.416。采用三相全控桥整流供电的。采用三相全控桥整流供电的V VM M系统结构，电枢回路总电阻系统结构，电枢回路总电阻R=R=0.250.25，电枢回路总电感，电枢回路总电感L L= =5 5mHmH。如果要求。如果要求调速范围调速范围 D D=20=20，静差率，静差率5%5%，采，采用开环调速能否满足？若要满足

25、这个要求，系统的额定速降最多能有多少？用开环调速能否满足？若要满足这个要求，系统的额定速降最多能有多少？解解 当电流连续时，当电流连续时，V-MV-M系统的额定速降为系统的额定速降为开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为 这已超过了这已超过了5%5%的要求的要求, ,显然最低速时的静差率更大了。显然最低速时的静差率更大了。dNNe1400.25/min84.13 /min0.416IRnrrCNNNN84.130.0787.8%100084.13nsnn 1. 1. 静态特性分析静态特性分析 如果要求如果要求D = 20，s 5%，则则而开环调

26、速系统的额定速降是而开环调速系统的额定速降是84.13r/min84.13r/min，而生产工艺要求却只有，而生产工艺要求却只有2.63r/min2.63r/min，相差很多！由此相差很多！由此开环调速已不能满足要求，开环调速已不能满足要求，需采用反馈控制的闭环调速系统来解需采用反馈控制的闭环调速系统来解决这个问题。决这个问题。min/63. 2min/)05. 01 (2005. 01000)1 (NNrrsDsnn在启动或大范围阶跃升速时，动态电枢电流可能远远超过电在启动或大范围阶跃升速时，动态电枢电流可能远远超过电机额定电流，因此必须设法限制电枢动态电流的幅值。机额定电流，因此必须设法限

27、制电枢动态电流的幅值。开环系统的额定速降一般都比较大，使得开环系统的调速范开环系统的额定速降一般都比较大，使得开环系统的调速范围围D都很小，对于大部分需要调速的生产机械都无法满足要求。都很小，对于大部分需要调速的生产机械都无法满足要求。因此必须采用闭环反馈控制的方法减小额定动态速降，以增大因此必须采用闭环反馈控制的方法减小额定动态速降，以增大调速范围。调速范围。开环系统对于负载扰动是有静差的，必须采用闭环反馈控制开环系统对于负载扰动是有静差的，必须采用闭环反馈控制消除扰动静差。消除扰动静差。5. 5. 开环直流调速系统的局限性开环直流调速系统的局限性 通过控制可调直流电源的输入信号通过控制可调

28、直流电源的输入信号uc，可以连续调节直流电，可以连续调节直流电动机的电枢电压动机的电枢电压Ud，实现直流电动机的平滑无极调速，但是，实现直流电动机的平滑无极调速，但是，存在以下问题：存在以下问题：1. 1. 单闭环调速系统的组成单闭环调速系统的组成5.3 5.3 转速负反馈单闭环直流调速系统转速负反馈单闭环直流调速系统5.3.1 5.3.1 单闭环调速系统的组成及静特性单闭环调速系统的组成及静特性调速系统的稳态结构图调速系统的稳态结构图特性方程式特性方程式*psndpsndepseee(1/)(1)(1)K K UI RK K URInCK KCCKCKK=KpKs/Ce，闭环系统的开环放大系

29、数，闭环系统的开环放大系数 根据自动控制原理，反馈控制的闭环系根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。纠正偏差的作用。调速系统的转速降落调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，正是由负载引起的转速偏差，显然，显然，引引入转速闭环将使调速系统应该能够大大入转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转速降落减少转速降落。2 2、闭环静特性与开环机械特性的比较、闭环静特性与开环机械特性的比较Knnl1opc断开反馈回路，系统的开环机械特性断开反馈回路，系统的

30、开环机械特性opop0ede*nsped0dnnCRICUKKCRIUn闭环时的静特性闭环时的静特性 llnnKCRIKCUKKncc0ede*nsp)1()1(特性比较特性比较（1 1）闭环系统静硬得多）闭环系统静硬得多（2 2）闭环系统的静差率要小得多。）闭环系统的静差率要小得多。Kssl1opc（3 3）闭环系统调速范围大）闭环系统调速范围大opc)1 (DKDl（4 4）闭环系统必须设置放大器）闭环系统必须设置放大器结论结论：闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，：闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所从

31、而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。6 .103163. 22751coplnnK462 . 0/015. 0306 .103/espCKKK例例5-2 某龙门刨床工作台的拖动直流电动机额定数据为：某龙门刨床工作台的拖动直流电动机额定数据为：60kW、220V、305A、1000r/min，采用，采用V-M系统，主电路总电阻系统，主电路总电阻R=0.18，电动机电，电动机电动势系数动势系数Ce=0.2Vmin/r，转速反馈系数，转速反馈系数 =0.015Vmin/r。整流装置

32、放。整流装置放大系数大系数Ks=30，要求，要求D=20，s5%，如何采用闭环系统满足此要求？，如何采用闭环系统满足此要求？解：解：当电流连续时，当电流连续时，V-M系统的额定系统的额定速降为速降为dNope305 0.18/min275 /min0.2I RnrrC而为了满足而为了满足D=20，s5%的调速要求，的调速要求，则则Ncl1000 0.05/min 2.63 /min(1)20 (1 0.05)n snrrDs ，放大器的放大倍数为放大器的放大倍数为开环放大倍数为开环放大倍数为只要放大器的放大系数等于或大于只要放大器的放大系数等于或大于46，闭环系统就能满足所需的稳态性能指标。，

33、闭环系统就能满足所需的稳态性能指标。 稳态分析条件稳态分析条件假定:（1）忽略各种非线性因素，假定系统中各环节的输入输出关系都是线性的，或者只取其线性工作段； （2）忽略控制电源和电位器的内阻。)1 ()1 ()/1 (ede*nspesped*nspKCRIKCUKKCKKCRIUKKn 稳态关系稳态关系电压比较环节 n*nnUUU放大器 npcUKU电力电子变换器 cs0dUKU开环机械特性 ed0dCRIUn测速反馈环节 nUn转速负反馈闭环直流调速系统的转速负反馈闭环直流调速系统的静特性静特性方程式方程式espCKKKnEC e3、闭环系统的静特性、闭环系统的静特性式中式中闭环系统静特

34、性和开环机械特性的关系nOIdId1Id3Id2Id4ABCAD闭环静特性开环机械特性Ud4Ud3Ud2Ud1闭环系统的稳态结构框图闭环系统的稳态结构框图3、闭环系统的静特性、闭环系统的静特性)1 ()1 ()/1 (ede*nspesped*nspKCRIKCUKKCKKCRIUKKn闭环系统能够减少稳态速降的闭环系统能够减少稳态速降的实质实质在于它的在于它的自动调节作用自动调节作用，能随着负载的变化而相应，能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降。地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降。4、反馈控制规律、反馈控制规律转速反馈闭环调速系统具转速反馈闭环调速系统具三个基本特

35、征三个基本特征（1）只用比例放大器的反馈控制作用）只用比例放大器的反馈控制作用，被调量有静差。被调量有静差。 （2）反馈控制系统的作用：抵抗扰动，服从给定。）反馈控制系统的作用：抵抗扰动，服从给定。（3）只用比例放大器的反馈控制作用）只用比例放大器的反馈控制作用，被调量有静差被调量有静差。励磁变化励磁变化Id变化变化电源波动电源波动Kp变化变化电阻变化电阻变化检测误差检测误差KpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- R 调速系统的扰动源调速系统的扰动源n负载变化的扰动（使Id变化）；n交流电源电压波动的扰动（使Ks变化）；n电动机励磁的变化的扰动（造成Ce 变化 ）；n放大器输出电压

36、漂移的扰动（使Kp变化）；n温升引起主电路电阻增大的扰动（使R变化）；n检测误差的扰动（使变化） 。 各种扰动作用在稳态结构框图上表示出来，这些因素这些因素最终都要影响到转速。最终都要影响到转速。（1）抗扰能力）抗扰能力反馈控制系统对被反馈环包围的前向通道上的扰动都有反馈控制系统对被反馈环包围的前向通道上的扰动都有抑制功能抑制功能例如：例如：Us Ud0 n Un Un n Ud0 Uc 但是，在反馈通道上的测速反馈系数受到某种影响而发但是，在反馈通道上的测速反馈系数受到某种影响而发生变化，它非但不能得到反馈控制系统的抑制，反而会生变化，它非但不能得到反馈控制系统的抑制，反而会增大被调量的误差

37、。增大被调量的误差。 例如例如 Un Un Uc Ud0 n 因此，因此，反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动。前向通道上的扰动。 （2）给定作用）给定作用在反馈环外的给定作用，如转速给定信号，它的些微变化都会使在反馈环外的给定作用，如转速给定信号，它的些微变化都会使被调量随之变化，丝毫不受反馈作用的抑制。被调量随之变化，丝毫不受反馈作用的抑制。 （3） 系统的精度系统的精度依赖于给定和反馈检测精度依赖于给定和反馈检测精度给定精度给定精度由于给定决定系统输出，输出精度自然取决于给定精度。由于给定决定系统输出，输出精度自然取决于给定精度

38、。 如果产生给定电压的电源发生波动，反馈控制系统无法鉴别是如果产生给定电压的电源发生波动，反馈控制系统无法鉴别是对给定电压的正常调节还是不应有的电压波动。因此，高精度的调对给定电压的正常调节还是不应有的电压波动。因此，高精度的调速系统必须有更高精度的给定稳压电源。速系统必须有更高精度的给定稳压电源。 检测精度检测精度反馈检测装置的误差也是反馈控制系统无法克服反馈检测装置的误差也是反馈控制系统无法克服的，因此检测精度决定了系统输出精度。的，因此检测精度决定了系统输出精度。结论结论 反馈控制系统的规律是反馈控制系统的规律是：抵抗扰动，服从给定抵抗扰动，服从给定一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环

39、内前向通道上的扰动一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何作用；另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。变化都是唯命是从的。 稳态参数计算是自动控制系统设计的第一步，稳态参数计算是自动控制系统设计的第一步，它决定了控制系统的基本构成环节，有了基本环它决定了控制系统的基本构成环节，有了基本环节组成系统之后，再通过动态参数设计，就可使节组成系统之后，再通过动态参数设计，就可使系统臻于完善。近代自动控制系统的控制器主要系统臻于完善。近代自动控制系统的控制器主要是模拟电子控制和数字电子控制，由于数字控

40、制是模拟电子控制和数字电子控制，由于数字控制的明显优点，在实际应用中数字控制系统已占主的明显优点，在实际应用中数字控制系统已占主要地位，但从物理概念和设计方法上看，模拟控要地位，但从物理概念和设计方法上看，模拟控制仍是基础。制仍是基础。5.3.2 直流闭环调速系统稳态参数的计算直流闭环调速系统稳态参数的计算+-+-M TG+-RP2nRP1U*nR0R0RbalUcLIdR1UnUd-+MTG+-系统稳态参数计算系统稳态参数计算电动机：额定数据电动机：额定数据10kW，220V，55A，1000r/min,电枢电阻电枢电阻 Ra = 0.5；晶闸管触发整流装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器

41、晶闸管触发整流装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器Y/Y联结，二次线电联结，二次线电压压 U2l = 230V，电压放大系数，电压放大系数 Ks = 44；V-M系统电枢回路总电阻：系统电枢回路总电阻：R = 1.0；测速发电机：永磁式，额定数据为测速发电机：永磁式，额定数据为23.1W，110V，0.21A，1900r/min；直流稳压电源：直流稳压电源：15V。若生产机械要求调速范围若生产机械要求调速范围D=10，静差率，静差率5%，试计算调速系统的稳态参数（暂，试计算调速系统的稳态参数（暂不考虑电动机的起动问题）。不考虑电动机的起动问题）。 例例5-3解解 （1）为满足调速系统的稳态性

42、能指标，额定负载时的稳态速降应为 = 5.26r/min（2）求闭环系统应有的开环放大系数先计算电动机的电动势系数：min/)05. 01 (1005. 01000)1 (NcrsDsnnl10005.055220NaNNenRIUC=Vmin/r = 0.1925Vmin/r则开环系统额定速降为 闭环系统的开环放大系数应为1925. 00 . 155eNopCRInr/min = 285.7r/min3 .5313 .54126. 57 .2851coplnnK（3）计算转速反馈环节的反馈系数和参数 转速反馈系数包含测速发电机的电动势系数Cetg和其输出电位器的分压系数 2，即 = 2 Ce

43、tg 根据测速发电机的额定数据，先试取2 =0.2，再检验是否合适。现假定测速发电机与主电动机直接联接，则在电动机最高转速1000r/min时,转速反馈电压为V=11.58V 稳态时Un很小， U*n只要略大于 Un 即可，现有直流稳压电源为15V，完全能够满足给定电压的需要。因此，取2 =0.2是正确的。 1900110etgC于是，转速反馈系数的计算结果是 = 0.01158Vmin/r（4）计算运算放大器的放大系数和参数 根据调速指标要求，前已求出，闭环系统的开环放大系数应为 K 53.3，则运算放大器的放大系数 Kp 应为 实取=21。根据所用运算放大器的型号，取 R0 = 40k，则

44、 14.201925. 04401158. 03 .53espCKKKkRKR84040210P10579. 02 . 0etg2C内容提要内容提要n反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型n反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件n动态校正动态校正PI调节器的设计调节器的设计n系统设计举例与参数计算系统设计举例与参数计算5.3.3 单闭环调速系统的动态分析单闭环调速系统的动态分析前面讨论了闭环调速系统的稳态性能及其分析与设计前面讨论了闭环调速系统的稳态性能及其分析与设计方法，引入转速负反馈，且方法，引入转速负反馈，且放大系数足够

45、大时就可以放大系数足够大时就可以满足系统的稳态性能要求。但是放大系数太大又会引满足系统的稳态性能要求。但是放大系数太大又会引起系统不稳定，起系统不稳定，这就需要这就需要增加动态校正装置，才能保增加动态校正装置，才能保证系统正常工作，此外还须满足系统的各项动态性能证系统正常工作，此外还须满足系统的各项动态性能指标的要求。指标的要求。因此必须进一步分析系统的动态性能。因此必须进一步分析系统的动态性能。 调速系统的开环传递函数调速系统的开环传递函数) 1)(1()(m2mssTsTTsTKsWlK = Kp Ks / Ce1. 转速负反馈调速系统的动态结构图转速负反馈调速系统的动态结构图闭环传递函数

46、闭环传递函数111)(1)1 () 1)(1(/) 1)(1(/1) 1)(1(/)(sm2sm3smespm2msespm2msespm2msespcsKTTsKTTTsKTTTKCKKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsWllllll5.3.3 单闭环调速系统的动态分析单闭环调速系统的动态分析2 反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件反馈控制闭环直流调速系统的特征方程为反馈控制闭环直流调速系统的特征方程为 0111)(1sm2sm3smsKTTsKTTTsKTTTll稳定条件稳定条件0111)(smsmsmKTTTKTTKTTTll

47、或整理后得整理后得 s2ssm)(TTTTTTKll当当 K Kcr 时，系统将不稳定时，系统将不稳定。稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证的。稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证的。 ssms)1 ()(TTKTTTTll电动机：额定数据电动机：额定数据10kW，220V，55A，1000r/min, Ra= 0.5；晶闸管触发整流装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器晶闸管触发整流装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器Y/Y联结，二次线电压联结，二次线电压 U2l = 230V，电压放大系数，电压放大系数 Ks = 44；V-M系统电枢回路总电阻：系统电枢回路总电阻：R =

48、 1.0；Ce = 0.1925Vmin/r，系统运动部分的飞轮惯量系统运动部分的飞轮惯量GD2 = 10Nm2。根据稳态性能指标。根据稳态性能指标 D =10，s 0.05计算，系统的开环放大系数应有计算，系统的开环放大系数应有K 53.3 ，试判别，试判别这个系统的稳定性。这个系统的稳定性。 系统稳定性分析系统稳定性分析+-+-M TG+-RP2nRP1U*nR0R0RbalUcLIdR1UnUd-+MTG+-例题例题5-4平波电抗器的设置与计算平波电抗器的设置与计算n单相桥式全控整流电路 n三相半波整流电路 n三相桥式整流电路 mind287. 2IUL mind246. 1IUL mi

49、nd2693. 0IUL例题例题5-4 在例题在例题5-4中，已知中，已知 R = 1.0 ， Ks = 44， Ce = 0.1925Vmin/r，系统运动部分，系统运动部分的飞轮惯量的飞轮惯量GD2 = 10Nm2。根据稳态性能指标。根据稳态性能指标 D =10，s 0.05计算，系统计算，系统的开环放大系数应有的开环放大系数应有K 53.3 ，试判别这个系统的稳定性。，试判别这个系统的稳定性。 系统稳定性分析系统稳定性分析解解 首先应确定主电路的电感值，用以计算电磁时间常数。 对于V-M系统，为了使主电路电流连续，应设置平波电抗器。前边例题给出的是三相桥式可控整流电路，为了保证最小电流时

50、电流仍能连续，应采用式,计算电枢回路总电感量，即V 8 .1323230322lUUmH 73.16%10558 .132693. 0Lmind2693. 0IUL 取 = 17mH = 0.017H计算系统中各环节的时间常数： 电磁时间常数 机电时间常数 对于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为 Ts = 0.00167 s s 017. 00 . 1017. 0RLTls 075. 01925. 0301925. 03750 . 110375me2mCCRGDTs2ssm)(TTTTTTKll为保证系统稳定，开环放大系数应满足式（1-59）的稳定条件按稳态调速性能指标要求K 53.

51、3 ，因此，闭环系统是不稳定的闭环系统是不稳定的。4 .4900167. 0017. 000167. 0)00167. 0017. 0(075. 0)(2s2ssmTTTTTTKll0.0050.00833s0.6lLTsR2mem10 0.60.045 s375375 0.1925 9.55 0.1925GD RTsC C22msss()0.045 (0.008330.0001)0.0001455.40.00833 0.0001llTTTTKTTNopeI R55 0.6n =/min171.4 /minC0.1925rropcln171.41132.6 131.6n5.26K 例例5-55

52、-5 在上例在上例5-45-4的闭环直流调速系统中，如果改用的闭环直流调速系统中，如果改用IGBTIGBT脉宽调速系统，电动脉宽调速系统，电动机不变，电枢回路参数为：机不变，电枢回路参数为：R=R=0.60.6，L=L=5mH5mH，K Ks s= =4444，T Ts s= =0.1ms0.1ms（开关频率为（开关频率为10kHz10kHz）。按同样的稳态性能指标）。按同样的稳态性能指标D=D=1010，s s5%5%，该系统能否稳定？，该系统能否稳定？按照稳态性能指标要求，闭环系统稳态速降应为ncl5.26r/min，而脉宽调速系统的开环额定转速降为：为保持稳态性能指标，闭环系统的开环放大

53、系数应满足显然，系统完全能在满足稳态性能的条件下稳定运行。解：采用脉宽调速系统时，各环节时间常数为解：采用脉宽调速系统时，各环节时间常数为opcln171.4n/min0.376 /min1149.4rrKcl1000 0.05140n (1)0.376 (1 0.05)Ncln sDs例例5-65-6 上例上例5-55-5中的闭环脉宽调速系统在临界稳定的条件下，如果静差率指标中的闭环脉宽调速系统在临界稳定的条件下，如果静差率指标不变，最多能达到多大的调速范围？不变，最多能达到多大的调速范围？闭环系统的调速范围最多能够达到闭环系统的调速范围最多能够达到 比较这三个例题，可以看出，由于比较这三个

54、例题，可以看出，由于IGBT的开关频率高，的开关频率高，PWM装置的滞后时间常数装置的滞后时间常数Ts非常小，同时主电路不需要串接平波电抗非常小，同时主电路不需要串接平波电抗器，电磁时间常数器，电磁时间常数Tl也不大，因此闭环的脉宽也不大，因此闭环的脉宽调速系统容易稳定。调速系统容易稳定。或者说，在保证稳定的条件下，脉宽调速系统的稳态性能指标或者说，在保证稳定的条件下，脉宽调速系统的稳态性能指标可以大大提高。可以大大提高。解：根据上例计算结果，系统保证稳定的条件是解：根据上例计算结果，系统保证稳定的条件是K K49.449.4，临界稳定时，临界稳定时K=K=49.449.4，系，系统开环额定速

55、降为统开环额定速降为nop= =171.4r/min171.4r/min。此时闭环系统的稳态速降可达。此时闭环系统的稳态速降可达将比原来的调速范围将比原来的调速范围D=10高得多。高得多。主要内容主要内容n积分调节器和积分控制规律积分调节器和积分控制规律n比例积分控制规律比例积分控制规律n无静差直流调速系统及其稳态参数计算无静差直流调速系统及其稳态参数计算n系统设计举例与参数计算系统设计举例与参数计算5.4 无静差调速系统和积分控制规律无静差调速系统和积分控制规律采用比例（采用比例（P P）放大器控制的有静差的调速系统）放大器控制的有静差的调速系统，KpKp越大，系统越大，系统精度越高；但精度

56、越高；但 KpKp过大，将降低系统稳定性过大，将降低系统稳定性，使系统动态不稳定。，使系统动态不稳定。 进一步分析静差产生的原因，由于采用比例调节器，转速调进一步分析静差产生的原因，由于采用比例调节器，转速调节器的输出为节器的输出为U Uc c=K=Kp p U Un n。UcUc 0 0，电动机运行，即，电动机运行，即 UnUn 0 0 ；UcUc=0=0，电动机停止。，电动机停止。因此，在采用因此，在采用比例调节器控制的自动比例调节器控制的自动系统中，输入偏差是维系系统中，输入偏差是维系系统运行的基础，必然要产生静差，因此是有静差系统系统运行的基础，必然要产生静差，因此是有静差系统。如果要

57、如果要消除系统误差消除系统误差，必须寻找其他控制方法，比如：，必须寻找其他控制方法，比如：采用积采用积分调节器或比例积分（分调节器或比例积分（PIPI）调节器来代替比例放大器）调节器来代替比例放大器。5.4.1 5.4.1 比例（比例（P P）放大器）放大器5.4.2 5.4.2 积分调节器和积分控制规律积分调节器和积分控制规律 1. 积分调节器积分调节器dtUdtUCRidtCUinin0ex111+CUexRbalUinR0+Ain0ex1ddUCRtU当初始值为零，阶跃输入作用下，输出tUUinex积分调节器的传递函数积分调节器的传递函数ssUsUsW1)()()(inexi转速的积分控

58、制规律转速的积分控制规律t0ncd1tUU输入和输出动态过程若初值不是零，0c0ncd1UtUUt 由上图由上图 b 可见，在动态过程中，当可见，在动态过程中，当 Un 变化时，只要其极性变化时，只要其极性不变，即只要仍是不变，即只要仍是 Un* Un，积分调节器的输出，积分调节器的输出 Uc 便一直增长；便一直增长；只有达到只有达到 Un*=Un ， Un=0时，时，Uc 才停止上升；不到才停止上升；不到 Un 变负，变负，Uc 不会下降。在这里，特别强调的是，不会下降。在这里，特别强调的是，当当 Un=0时，时，Uc并不是零，并不是零，而是一个终值而是一个终值 Ucf ；如果如果 Un不再

59、变化，此终值便保持恒定不变，不再变化，此终值便保持恒定不变，这是积分控制的特点。这是积分控制的特点。分析结果：分析结果： 采用积分调节器，当转速在稳态时达到与给定转速一致，系统采用积分调节器，当转速在稳态时达到与给定转速一致，系统仍有控制信号，保持系统稳定运行，实现无静差调速。仍有控制信号，保持系统稳定运行，实现无静差调速。2 2 比例积分控制规律比例积分控制规律 从无静差的角度突出地表明了积分控制优于比例控制的地方，但从无静差的角度突出地表明了积分控制优于比例控制的地方，但是另一方面，在控制的快速性上，积分控制却又不如比例控制。是另一方面，在控制的快速性上，积分控制却又不如比例控制。两种调节

60、器特性比较两种调节器特性比较 UexUinUexmtUinUexOI调节器P调节器UexUintUinUexO既要稳态精度高，又要动态响应快，该怎么办呢？既要稳态精度高，又要动态响应快，该怎么办呢？把比例和积分两种控制结合起来，这便是比例积分控制比例积分控制。（1 1） PIPI调节器调节器在模拟电子控制技术中，可用在模拟电子控制技术中，可用运算放大器来实现运算放大器来实现PIPI调节器。调节器。Uex+C1RbalUinR0+AR1（2 2） PIPI输入输出关系输入输出关系tUUKtUCRURRUd1d1ininpiin10in01ex（3 3）传递函数）传递函数ssKsKsUsUsW11