电力拖动自动控制系统1

1、1电力拖动自动控制系电力拖动自动控制系统统运动控制系统运动控制系统第第4版版上海大学上海大学 阮毅阮毅 陈伯时陈伯时 主编主编2/243先修课程先修课程n自动控制理论自动控制理论n电力电子技术电力电子技术n电机及拖动基础电机及拖动基础n单片机原理及应用单片机原理及应用 3/243第第 1 章章 绪绪 论论n运动控制系统的任务：运动控制系统的任务：n通过控制电动机的电压、电流、频率，通过控制电动机的电压、电流、频率，来改变工作机械的转矩、速度、位移来改变工作机械的转矩、速度、位移等，使所驱动的工作机械，按照我们等，使所驱动的工作机械，按照我们期望的要求运行。以满足生产工艺及期望的要求运行。以满足

2、生产工艺及其它应用的需要。其它应用的需要。4/2431.1 运动控制系统的组成运动控制系统的组成n运动控制系统由电动机、功率放大与变运动控制系统由电动机、功率放大与变换装置、控制器以及相应的传感器组成。换装置、控制器以及相应的传感器组成。n运动控制系统是多门学科相互交叉的综运动控制系统是多门学科相互交叉的综合性学科。合性学科。 5/243运动控制系统及其组成运动控制系统及其组成 n运动控制系统是多学科交叉的综合性学科。运动控制系统是多学科交叉的综合性学科。 6/243n运动控制的相关学科运动控制的相关学科 7/243运动控制的相关学科运动控制的相关学科n现代运动控制技术已成为电机学、现代运动控

3、制技术已成为电机学、电力电子技术、微电子技术，计算电力电子技术、微电子技术，计算机控制技术、控制理论、信号检测机控制技术、控制理论、信号检测与处理技术等多门学科相互交叉的与处理技术等多门学科相互交叉的综合性学科综合性学科8/243电动机电动机n电动机是运动控制系统的控制对象电动机是运动控制系统的控制对象n直流电动机直流电动机n交流感应电动机交流感应电动机n交流同步电动机交流同步电动机9/243功率放大与变换装置功率放大与变换装置 n功率放大与变换装置有电机型、电磁功率放大与变换装置有电机型、电磁型、电力电子型等，现在多用电力电型、电力电子型等，现在多用电力电子型的。子型的。n电力电子电力电子运

4、动控制系统的物质基运动控制系统的物质基础。础。10/243功率放大与变换装置功率放大与变换装置n电力电子器件电力电子器件发展历程：发展历程： 半控型半控型全控型；全控型； SCRIGBT、MOSFET、IPM 低频开关低频开关高频开关高频开关 分立器件分立器件功率模块功率模块 下一代器件：碳化硅下一代器件：碳化硅(SiC) 、氮化镓、氮化镓( GaN) 开关速度、温度、导通电阻等。开关速度、温度、导通电阻等。11/243控制器控制器 n控制器分为模拟控制器和数字控制器控制器分为模拟控制器和数字控制器两类。两类。n模拟控制器模拟控制器 运算放大器运算放大器n数字控制器数字控制器 微处理器微处理器

5、(MCU)12/243信号检测与处理信号检测与处理 n运动控制系统，需要检测的有电压、电运动控制系统，需要检测的有电压、电流、转速、位置、温度等。这需要相应流、转速、位置、温度等。这需要相应的传感器。的传感器。n由于控制系统对反馈通道上的扰动无抑由于控制系统对反馈通道上的扰动无抑制能力，所以，这些信号传感器必须有制能力，所以，这些信号传感器必须有一定的精度和抗扰能力，才能满足控制一定的精度和抗扰能力，才能满足控制系统的要求。系统的要求。 13/243信号检测与处理信号检测与处理n信号转换和处理，包括电压匹配、极性信号转换和处理，包括电压匹配、极性转换，脉冲整形等转换，脉冲整形等 n检测信号的滤

6、波检测信号的滤波n模拟系统常用运算放大器为中心构成的模拟系统常用运算放大器为中心构成的模拟滤波器模拟滤波器n计算机数字控制系统常采用模拟滤波电计算机数字控制系统常采用模拟滤波电路和软件数字滤波相结合的方法。路和软件数字滤波相结合的方法。 14/2431.2运动控制系统的历史与发展运动控制系统的历史与发展 n1 旋转变流机组旋转变流机组(G-M系统系统)(Ward-Leonard系统系统)15/243运动控制系统的历史与发展运动控制系统的历史与发展n2 晶闸管整流器晶闸管整流器-电动机调速系统电动机调速系统(V-M系统系统)16/243运动控制系统的历史与发展运动控制系统的历史与发展n3 直流直

7、流PWM变换器变换器-电动机系统电动机系统17/243运动控制系统的历史与发展运动控制系统的历史与发展n矢量控制理论的提出，微处理器、矢量控制理论的提出，微处理器、电力电子技术的发展使得交流调速电力电子技术的发展使得交流调速系统得到了迅速的发展，其动态响系统得到了迅速的发展，其动态响应可以做到与直流调速相媲美。应可以做到与直流调速相媲美。n近年来，模糊控制、专家系统和神近年来，模糊控制、专家系统和神经网络的应用，使运动控制系统向经网络的应用，使运动控制系统向智能化的方向发展。智能化的方向发展。18/2431.3 运动控制系统的转矩控制规律运动控制系统的转矩控制规律 n运动控制系统的基本方程式运

8、动控制系统的基本方程式 mmLemKDTTdtdJ mmdtd 19/243运动控制系统的基本方程式运动控制系统的基本方程式n式中式中 J机械转动惯量机械转动惯量(kg.m2)； n m 转子的机械角速度转子的机械角速度(rad/s)；n m转子的机械转角转子的机械转角(rad)；n Te电磁转矩电磁转矩(N.m)；n Tl负载转矩负载转矩(N.m)；n D阻转矩阻尼系数；阻转矩阻尼系数；n K扭转弹性转矩系数。扭转弹性转矩系数。20/243运动控制系统的基本方程式运动控制系统的基本方程式n忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，可简化为忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，可简化为 LemTTdtdJ mmdtd

9、 n采用工程单位制，则采用工程单位制，则nGD2 飞轮力矩飞轮力矩 ，是转动部分的重量与其，是转动部分的重量与其惯性直径平方的乘积。惯性直径平方的乘积。LeTTdtdnGD375221/243运动控制系统的基本方程式运动控制系统的基本方程式n式中式中 nGD2 飞轮惯量，也叫飞轮力矩飞轮惯量，也叫飞轮力矩(N.m2)；nGD2与转动惯量的关系：与转动惯量的关系： nn转子的机械转速转子的机械转速(r/min)，。，。gGDDgGmJ42222 260mn 22/243n运动控制系统的任务就是控制电动机运动控制系统的任务就是控制电动机的转速和转角，对于直线电动机就是的转速和转角，对于直线电动机就

10、是控制速度和位移。控制速度和位移。n要控制转速和转角，唯一的途径就是要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机的电磁转矩。控制电动机的电磁转矩。23/2431.4 生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性n生产机械的负载转矩是一个必然存在的不生产机械的负载转矩是一个必然存在的不可控制的扰动输入。其负载转矩特性直接可控制的扰动输入。其负载转矩特性直接影响运动控制系统控制方案的选择和系统影响运动控制系统控制方案的选择和系统的动态性能。的动态性能。n典型的生产机械负载转矩特性有：典型的生产机械负载转矩特性有：n恒转矩负载特性恒转矩负载特性n恒功率负载特性恒功率负载特性n风机、泵类负载特性风机、泵

11、类负载特性24/243生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性n恒转矩负载特性恒转矩负载特性n负载转矩负载转矩TL的大小恒定，与转速无关，称做恒的大小恒定，与转速无关，称做恒转矩负载转矩负载 。25/243生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性n恒功率负载特性恒功率负载特性n恒功率负载特性的特征是负载转矩与转速成反恒功率负载特性的特征是负载转矩与转速成反比，功率为常数比，功率为常数 mmLLPT 常数nnPTLL常数 26026/243生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性n风机、泵类负载特性风机、泵类负载特性n风机、泵类的转矩与转速的平方成正比风机、泵类的转矩与转速的平方成正

12、比 22nTmL 27/243第一篇第一篇 直流调速系统直流调速系统n直流电动机具有良好的起、制动性能，宜直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，于在大范围内平滑调速，在许多需要调速在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。泛的应用。n近年来，虽然交流调速技术发展很快，已近年来，虽然交流调速技术发展很快，已经在许多场合取代直流调速系统，但直流经在许多场合取代直流调速系统，但直流调速系统在理论上和实践上比较成熟，调速系统在理论上和实践上比较成熟，也也是交流调速系统的理论基础。是交流调速系统的理论基础。因此，掌握因此，掌握直流

13、调速系统的基本规律和控制方法是很直流调速系统的基本规律和控制方法是很重要的。重要的。28/243直流电动机的稳态转速可表示为直流电动机的稳态转速可表示为 n式中式中 n 转速转速(r/min)；n U电枢电压电枢电压(V)；n I电枢电流电枢电流(A)；n R电枢回路总电阻电枢回路总电阻()；n 励磁磁通励磁磁通(Wb)n Ke由电机结构决定的电动势常数由电机结构决定的电动势常数；eKIRUn29/243调节电动机的转速有三种方法调节电动机的转速有三种方法 n1) 调节电枢供电电压调节电枢供电电压Un2) 减弱励磁磁通减弱励磁磁通n3) 改变电枢回路电阻改变电枢回路电阻Rn对于一定范围内无级平

14、滑调速的系对于一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方统来说，以调节电枢供电电压的方式最好。式最好。 30/243第二章第二章 转速反馈控制的直转速反馈控制的直流调速系统流调速系统n主要内容主要内容n直流调速系统的可控直流电源直流调速系统的可控直流电源n稳态调速性能指标和机械特性稳态调速性能指标和机械特性n转速反馈的直流调速系统转速反馈的直流调速系统n直流调速系统的数字控制直流调速系统的数字控制n转速反馈的直流调速系统的限流保护转速反馈的直流调速系统的限流保护31/2432.1 直流调速系统用的可控直流电源直流调速系统用的可控直流电源n 对直流电动机调压调速可以获得良好的对直流

15、电动机调压调速可以获得良好的调速性能。调速性能。n调节电枢供电电压，先要解决可控直流调节电枢供电电压，先要解决可控直流电源的问题。电源的问题。n随着电力电子技术的发展，近代直流调随着电力电子技术的发展，近代直流调速系统常使用以电力电子器件组成的静速系统常使用以电力电子器件组成的静止式可控直流电源作为电动机的供电电止式可控直流电源作为电动机的供电电源。源。 32/243n上世纪上世纪(二十世纪二十世纪)60年代起得到广泛应年代起得到广泛应用的是晶闸管整流器用的是晶闸管整流器电动机系统电动机系统(简简称称V-M系统系统)。n用全控型电力电子器件的直流用全控型电力电子器件的直流PWM变换变换器器电动

16、机系统，已经越来越多地取电动机系统，已经越来越多地取代了晶闸管整流器代了晶闸管整流器电动机系统。电动机系统。 33/2432.1.1晶闸管整流器晶闸管整流器电动机系统电动机系统 n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，系统，又称静止的又称静止的Ward-Leonard系统）系统） 34/243n通过调节控制电压通过调节控制电压 Uc 来移动触发脉冲的来移动触发脉冲的相位，可改变整流电压相位，可改变整流电压Ud ，从而实现平，从而实现平滑调速。滑调速。 n此整流器的放大倍数可达此整流器的放大倍数可达104以上，响应以上，响应时间为毫秒级。时间为毫秒级。n理想情况下，理

17、想情况下， Uc和和Ud之间呈线性关系：之间呈线性关系：35/243n式中式中 Ud平均整流电压；平均整流电压；n Uc控制电压；控制电压；n Ks晶闸管整流器放大倍数晶闸管整流器放大倍数。csdUKU 36/2431 触发脉冲相位控制触发脉冲相位控制n调节控制电压调节控制电压Uc ，可以移动触发装置，可以移动触发装置GT输出脉冲的相位，可改变可控整流器输出脉冲的相位，可改变可控整流器VT输出瞬时电压输出瞬时电压ud的波形，以及输出平均的波形，以及输出平均电压电压Ud的数值。如果把整流装置内阻移的数值。如果把整流装置内阻移到装置外边，看成是其负载电路电阻的到装置外边，看成是其负载电路电阻的一部

18、分。整流电压可以用其理想空载值一部分。整流电压可以用其理想空载值和平均值表示。这时瞬时电压平衡方程和平均值表示。这时瞬时电压平衡方程式为式为37/243n式中式中 E电动机反电动势电动机反电动势(V)；n id整流电流瞬时值整流电流瞬时值(A)；n L主电路总电感主电路总电感(H)；n R主电路总电阻主电路总电阻()；R=Rrec+Ra+RLn Rrec整流装置内阻整流装置内阻()，包括整流器内，包括整流器内部的电阻、整流器件正向压降所对应的电阻、部的电阻、整流器件正向压降所对应的电阻、整流变压器漏抗换相压降相应的电阻；整流变压器漏抗换相压降相应的电阻；n Ra电动机电枢电阻电动机电枢电阻()

19、；n RL平波电抗器电阻平波电抗器电阻()；dtdiLRiEuddd038/243V-M系统主电路的等效电路图系统主电路的等效电路图39/243理想空载整流电压的平均值理想空载整流电压的平均值n两个自然换相点之间的时间为一个周期，对两个自然换相点之间的时间为一个周期，对ud0进行积分，取平均值进行积分，取平均值(全控整流电路全控整流电路) cossin0mUmUmdn式中式中 n 从自然换相点算起的触发脉冲延迟角；从自然换相点算起的触发脉冲延迟角；n Um=0时的整流电压波形峰值；时的整流电压波形峰值；n m交流电源一周内的整流电压脉冲数；交流电源一周内的整流电压脉冲数；40/243当电流波形

20、连续时，不同整流电路的整当电流波形连续时，不同整流电路的整流电压波峰值、脉冲数及平均整流电压流电压波峰值、脉冲数及平均整流电压 整流电路整流电路单相全波单相全波三相半波三相半波三相全波三相全波UmM236Udo22U22U26Ucos9 . 02Ucos17. 12Ucos34. 22UU2为整流变压器二次侧额定相电压的有效值为整流变压器二次侧额定相电压的有效值 41/2432 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n带带R-L-E负载的单相全桥式可控整流电路负载的单相全桥式可控整流电路的输出电压和电流波形的输出电压和电流波形 42/243n只有在整流变压器二次侧额定相电压的

21、瞬只有在整流变压器二次侧额定相电压的瞬时值时值u2大于反电动势大于反电动势E时，晶闸管才有可能时，晶闸管才有可能被触发导通。导通后如果被触发导通。导通后如果u2降低到降低到E以下，以下，靠电感作用可以维持电流靠电感作用可以维持电流id继续流通。由于继续流通。由于电压波形脉动，造成了电流波形的脉动。电压波形脉动，造成了电流波形的脉动。 n脉动的电流波形使脉动的电流波形使V-M系统主电路可能出现系统主电路可能出现电流连续和电流脉动两种情况。电流连续和电流脉动两种情况。 43/243 V-M系统电流连续时的波形系统电流连续时的波形 44/243 V-M系统电流断续时的波形系统电流断续时的波形 45/

22、243n在在V-M系统中，脉动电流会增加电动机系统中，脉动电流会增加电动机的发热，同时也产生脉动转矩，对生产的发热，同时也产生脉动转矩，对生产机械不利。此外，电流波形的断续给用机械不利。此外，电流波形的断续给用平均值描述的系统带来一种非线性的因平均值描述的系统带来一种非线性的因素，也引起机械特性的非线性，影响系素，也引起机械特性的非线性，影响系统的运行性能。因此，实际应用中希望统的运行性能。因此，实际应用中希望尽量避免发生电流断续。尽量避免发生电流断续。46/243抑制电流脉动的措施抑制电流脉动的措施n为了避免或减轻电流脉动的影响，需采为了避免或减轻电流脉动的影响，需采用抑制电流脉动的措施，主

23、要有：用抑制电流脉动的措施，主要有：n1) 增加整流电路相数，或采用多重化技增加整流电路相数，或采用多重化技术；术；n2) 设置电感量足够大的平波电抗器。设置电感量足够大的平波电抗器。47/243平波电抗器的电感量选择平波电抗器的电感量选择 n一般按低速轻载时保证电流连续的条件一般按低速轻载时保证电流连续的条件来选择。计算出所需的总电感量来选择。计算出所需的总电感量(以以mH为单位为单位)，减去电枢电感，即得平波电抗，减去电枢电感，即得平波电抗器应有的电感值器应有的电感值 n对于三相桥式整流电路对于三相桥式整流电路 min2693. 0dIUL 48/243n对于三相半波整流电路对于三相半波整

24、流电路n对于单相桥式全波整流电路对于单相桥式全波整流电路min246. 1dIUL min287. 2dIUL n一般取一般取Idmin为电动机额定电流的为电动机额定电流的5%10%49/2433 晶闸管整流器晶闸管整流器-电动机系统的机械特性电动机系统的机械特性n当电流连续时，当电流连续时，V-M系统的机械特性方程式为系统的机械特性方程式为 RIUCndde01n式中式中 Ce电动机在额定磁通下的电动势系电动机在额定磁通下的电动势系数，数，NeeKC50/243n整流电压的平均值整流电压的平均值Ud0=f()cossin0mUmUmdn改变触发延迟角可得到不同的，相应的改变触发延迟角可得到不

25、同的，相应的机械特性曲线为一族平行的直线机械特性曲线为一族平行的直线 51/243n当电流断续时，由于非线性因素，机械特当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多性方程要复杂得多 n右图为完整的右图为完整的V-M系统机械特性。系统机械特性。包含了整流状态包含了整流状态和逆变状态、电和逆变状态、电流连续区和电流流连续区和电流断续区断续区 52/243n当电流连续时，特性比较硬；当电流连续时，特性比较硬；n当电流断续时，特性很软，呈显著的非当电流断续时，特性很软，呈显著的非线性上翘，使得理想空载转速很高。线性上翘，使得理想空载转速很高。53/2434 晶闸管触发和整流装置的放晶闸管触发和

26、整流装置的放大系数和传递函数大系数和传递函数n把晶闸管触发和整流装置当作调速系统把晶闸管触发和整流装置当作调速系统中的一个环节来看待。在分析或设计时，中的一个环节来看待。在分析或设计时，须事先求出这个环节的放大系数和传递须事先求出这个环节的放大系数和传递函数。函数。n希望系统中的环节都是线性环节。希望系统中的环节都是线性环节。n实际的触发电路和整流电路都是非线性实际的触发电路和整流电路都是非线性的，只能在一定的工作范围内近似看成的，只能在一定的工作范围内近似看成是线性环节。是线性环节。 54/243采用锯齿波触发器移相时的采用锯齿波触发器移相时的Ud=f(Uc)特性特性的实测曲线的实测曲线 n

27、晶闸管触发和晶闸管触发和整流装置的放整流装置的放大系数大系数 cdsUUK55/243n如果不可能实测特性，只好根据装置的如果不可能实测特性，只好根据装置的参数估算。例如，当触发电路控制电压参数估算。例如，当触发电路控制电压Uc的调节范围是的调节范围是0-10V，对应的整流输出，对应的整流输出电压电压Ud的变化范围是的变化范围是0-220V时，可取时，可取Ks=220/10=22。n以上是稳态时的放大系数，在考虑动态以上是稳态时的放大系数，在考虑动态过程时，过程时，可把晶闸管触发与整流装置看可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节，成是一个纯滞后环节，其滞后效应是由其滞后效应是由晶闸管的失

28、控时间引起的。晶闸管的失控时间引起的。56/243晶闸管触发与整流装置的晶闸管触发与整流装置的失控时间失控时间 57/243n失控时间是随机的，最大可能的失控时间失控时间是随机的，最大可能的失控时间就是两个相邻自然换相点之间的时间，与就是两个相邻自然换相点之间的时间，与交流电源频率和整流电路形式有关交流电源频率和整流电路形式有关 n式中式中 f交流电源频率交流电源频率(Hz)；n m一个交流电源周期内整流电一个交流电源周期内整流电压的脉波数。压的脉波数。mfTs1max58/243n在实际计算中，一般采用平均失控时间在实际计算中，一般采用平均失控时间 n如果考虑最严重情况，则取如果考虑最严重情

29、况，则取Ts=Tsmax。n下表列出了不同整流电路的失控时间。下表列出了不同整流电路的失控时间。 max21ssTT 59/243n用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入发与整流装置的输入-输出关系为：输出关系为：scsdTtUKU10n用拉氏变换的位移定理，晶闸管装置的用拉氏变换的位移定理，晶闸管装置的传递函数为：传递函数为： sTscdsseKsUsUsW060/243n此传递函数中包含指数函数，系统为非最此传递函数中包含指数函数，系统为非最小相位系统，分析和设计都比较麻烦。小相位系统，分析和设计都比较麻烦。n为了简化，先将该指数函数按泰勒级

30、数展为了简化，先将该指数函数按泰勒级数展开开n忽略高次项，把整流装置近似成一阶惯忽略高次项，把整流装置近似成一阶惯性环节，传递函数为性环节，传递函数为 3322! 31! 211sTsTsTKeKeKsWsssssTssTssss sTKsWsss161/243n晶闸管装置的动态结构框图晶闸管装置的动态结构框图 n在电流连续的条件下，可以把晶闸管触在电流连续的条件下，可以把晶闸管触发和整流装置看作一阶惯性环节，从而发和整流装置看作一阶惯性环节，从而可以应用线性控制理论来进行分析和设可以应用线性控制理论来进行分析和设计。计。 62/2435 晶闸管整流器运行中存在的问题晶闸管整流器运行中存在的问

31、题n晶闸管是单向导电的晶闸管是单向导电的 ，使电动机可逆运，使电动机可逆运行装置复杂。行装置复杂。 n晶闸管对过电压、过电流和过高的电压晶闸管对过电压、过电流和过高的电压变化率变化率du/dt和过高的电流变化率和过高的电流变化率di/dt都都很敏感很敏感 。n晶闸管的导通角很小时，产生较大的谐晶闸管的导通角很小时，产生较大的谐波电流，使得系统的功率因数变差，波电流，使得系统的功率因数变差， 成成为电力系统的公害。为电力系统的公害。63/2432.1.2 直流直流PWM变换器变换器电动机系统电动机系统n自从全控型电力电子器件问世以后，就自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制（出

32、现了采用脉冲宽度调制（PWM）的高）的高频开关控制方式，形成了频开关控制方式，形成了脉宽调制变换脉宽调制变换器器-直流电动机调速系统直流电动机调速系统。n简称简称直流脉宽调速系统直流脉宽调速系统，即，即直流直流PWM调调速系统速系统 。64/243与与V-M系统相比直流系统相比直流PWM调速系统的优越性调速系统的优越性n1) 主电路简单；主电路简单；n2) 开关频率高，电流容易连续；开关频率高，电流容易连续；n3) 低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；n4) 若与快速响应的电机配合，则系统频带宽、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

33、强；动态响应快，动态抗扰能力强；n5) 电力电子开关器件工作在开关状态，装置效电力电子开关器件工作在开关状态，装置效率较高；率较高；n6) 直流电源采用不控整流时，电网功率因数比直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。相控整流器高。65/2431 PWM变换器的工作状态和电压、电变换器的工作状态和电压、电流波形流波形 nPWM变换器的作用是：用脉宽调制的方变换器的作用是：用脉宽调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率法，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序列，从而一定，宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变输出平均电压的大小，以调节可以改变输出平均电压的大小，以

34、调节电动机转速。电动机转速。66/243n简单不可逆简单不可逆PWM变换器变换器-直流电动机系直流电动机系统主电路原理统主电路原理图图67/243n直流电动机电枢两端平均电压为直流电动机电枢两端平均电压为 改变占空比改变占空比，可实现电动机的调压调速。，可实现电动机的调压调速。ssondUUTtU若令若令=Ud /Us为为PWM电压系数，电压系数，则在不可逆则在不可逆PWM变换器中变换器中68/243n由于由于PWM变换器的开关频率高，电枢电变换器的开关频率高，电枢电流流id=f(t)脉动的幅值不大，其平均值等于脉动的幅值不大，其平均值等于负载电流负载电流n再影响到转速和反电动势，其波动就更再

35、影响到转速和反电动势，其波动就更小，可以忽略不计。小，可以忽略不计。 mLdLCTI69/243n以上为简单的不可逆以上为简单的不可逆PWM变换器变换器-直流直流电动机系统，电流不能反向。电动机系统，电流不能反向。n续流二极管的作用只是为电枢电流续流二极管的作用只是为电枢电流id提供提供一个续流通道。一个续流通道。n如果要实现电动机比较快的制动，必须如果要实现电动机比较快的制动，必须为其提供反向电流通道。为其提供反向电流通道。 70/243有制动电流通路的不可逆系统有制动电流通路的不可逆系统 71/243n上图是不可逆的，是因为加在电机两端上图是不可逆的，是因为加在电机两端的平均电压始终为正。

36、电流虽然能够反的平均电压始终为正。电流虽然能够反向，但向，但电压和转速仍然不能反向电压和转速仍然不能反向。 n能转速反向的系统，为能转速反向的系统，为可逆系统可逆系统，其中，其中最常用的是桥式可逆最常用的是桥式可逆PWM变换器。变换器。 72/243 2 直流直流PWM调速系统的机械特性调速系统的机械特性 n对于带制动电流通路的不可逆电路，电压对于带制动电流通路的不可逆电路，电压平衡方程式为平衡方程式为 n式中式中 、R、L电枢电路的电阻和电感。电枢电路的电阻和电感。)(0)0(TttEdtdiLRittEdtdiLRiUonddondds73/243机械特性方程式机械特性方程式 n按电压方程

37、求一个周期的平均值按电压方程求一个周期的平均值n机械特性方程式为机械特性方程式为 nCRIERIUeddssdUUeCEn ddsIRnIRUne0eeCCC74/243用转矩表示的机械特性方程式用转矩表示的机械特性方程式 n式中式中 Cm电动机在额定磁通下的转电动机在额定磁通下的转矩系数，；矩系数，；nn0理想空载转速，与电压系数成理想空载转速，与电压系数成正比，正比，eesTRnTRUnme0meeCCCCCNmmKCe0CsUndmeICT 75/243n对于带制动作用的不可逆电路，对于带制动作用的不可逆电路，n机械特性位于第机械特性位于第I、II象限。象限。 1076/243n对于电动

38、机在同一方向旋转时电流不对于电动机在同一方向旋转时电流不能反向的电路，轻载时会出现电流断能反向的电路，轻载时会出现电流断续现象，机械特性要复杂得多。续现象，机械特性要复杂得多。 77/24378/2433 PWM控制器与变换器的动态数学模型控制器与变换器的动态数学模型 nPWM控制器和变换器的框图，数学模型与控制器和变换器的框图，数学模型与晶闸管整流装置一致晶闸管整流装置一致 nPWM变换器输出平均电压变换器输出平均电压Ud按线性规律变化，按线性规律变化，但其响应会有延迟，最大的时延是一个开关周但其响应会有延迟，最大的时延是一个开关周期期T 。 Uc Ud Ug 是是PWM脉冲。脉冲。79/2

39、43nPWM控制器和变换器也可看作一个滞控制器和变换器也可看作一个滞后环节，其传递函数为后环节，其传递函数为 n式中式中 KsPWM装置的放大系数；装置的放大系数；n Ts PWM装置的延迟时间，装置的延迟时间， n Ts4Tl，则，则Ud0n间的传递函数可以分解间的传递函数可以分解成两个惯性环节，突加给定时，转速呈单成两个惯性环节，突加给定时，转速呈单调变化；调变化；n若，若，Tm0，在，在UcUcm的的情况下，积分调节器的输出就一直增长，情况下，积分调节器的输出就一直增长，只有达到只有达到un=0时，时，Uc才停止增长。才停止增长。n特别强调的是特别强调的是，当当un=0时，时，Uc并不是

40、零，并不是零，而是一个终值而是一个终值Ucf，如果，如果un不再变化，这不再变化，这个终值便保持恒定而不再变化，个终值便保持恒定而不再变化，这是积分这是积分控制不同于比例控制的特点控制不同于比例控制的特点。n正因为如此。积分控制可以使系统在无静正因为如此。积分控制可以使系统在无静差的情况下运行，实现差的情况下运行，实现无静差调速无静差调速。 159/243n积分控制无静积分控制无静差调速系统突差调速系统突加负载时的动加负载时的动态过程态过程 160/243n转速闭环调速系统除了给定输入量转速闭环调速系统除了给定输入量Un*以外，以外，还存在一个扰动量还存在一个扰动量IdL。n假定系统已进入稳定

41、运行。突加负载引起假定系统已进入稳定运行。突加负载引起动态速降时，产生动态速降时，产生un，Uc从从Uc1不断上升，不断上升，使电枢电压也由不断上升，使转速在下降使电枢电压也由不断上升，使转速在下降到一定程度后又回升。达到新的稳态时，到一定程度后又回升。达到新的稳态时，un又恢复为零，但又恢复为零，但Uc已从已从Uc1上升到上升到Uc2，使电枢电压由使电枢电压由Ud1上升到上升到Ud2，以克服负载，以克服负载电流增加的压降。电流增加的压降。n在这里，在这里，Uc的改变并非仅仅依靠的改变并非仅仅依靠un本身，本身，而是依靠而是依靠un在一段时间的积累。在一段时间的积累。161/243n综上，得出

42、结论：综上，得出结论：比例调节器的输出比例调节器的输出只取决于输入偏差的现状，而积分调只取决于输入偏差的现状，而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。部历史。这是比例控制规律与积分控这是比例控制规律与积分控制规律的根本区别。制规律的根本区别。162/243n2 比例积分控制规律比例积分控制规律n以上突出表明了积分控制优于比例控制的以上突出表明了积分控制优于比例控制的地方，但是，在控制的快速性上，积分控地方，但是，在控制的快速性上，积分控制不如比例控制。在阶跃输入的作用下，制不如比例控制。在阶跃输入的作用下，比例调节器可以立即响应，而积分调节器比例调节器可

43、以立即响应，而积分调节器的输出只能逐渐变化。的输出只能逐渐变化。n如果既要稳态精度高，又要动态响应快，如果既要稳态精度高，又要动态响应快，就要把比例积分两种作用结合起来，这就就要把比例积分两种作用结合起来，这就是比例积分是比例积分(PI)控制。控制。 163/243n比例积分调节器比例积分调节器(PI调节器调节器)的输出由比例和的输出由比例和积分两部分叠加而成积分两部分叠加而成 nUin表示表示PI调节器的输入，调节器的输入，Uex表示表示PI调节器调节器的输出。其传递函数为的输出。其传递函数为 tininpexdtUUKU01 ssKsKsWPPPI 11 n式中式中 KpPI调节器的比例放

44、大系数；调节器的比例放大系数；n PI调节器的积分时间常数。调节器的积分时间常数。164/243n令令1=Kp，则，则PI调节器的传递函数也调节器的传递函数也可写成可写成n表明。表明。PI调节器也可以用积分和比例微分调节器也可以用积分和比例微分两个环节表示，其中两个环节表示，其中1 是微分项中的超前是微分项中的超前时间常数。时间常数。 ssKsWPPI111 165/243n比例积分比例积分(PI)调节器线路图调节器线路图(模拟控制模拟控制) 166/243n采用模拟控制时，可用运算放大器来实现采用模拟控制时，可用运算放大器来实现PI调节器，调节器的输入极性调节器，调节器的输入极性Uin与输出

45、极与输出极性性Uex是反相的；是反相的；Rbal为运算放大器同相输为运算放大器同相输入的平衡电阻，一般取反相输入端各电路入的平衡电阻，一般取反相输入端各电路电阻的并联值，按照运算放大器的输入电阻的并联值，按照运算放大器的输入-输输出关系，可得出关系，可得 dtUUKdtUCRURRUininpininex 111001n式中式中 01RRKp 10CR 167/243nPI调节器在调节器在Uin为方为方波输入时的输出特波输入时的输出特性性 n当当t=0时，突加输时，突加输入入Uin，输出量立，输出量立即响应；随后按积即响应；随后按积分规律增长分规律增长 ininpexUtUKtU n在在t=t

46、1时时 0 inUinexUtU 1 ， 168/243n可见，比例积分控制相互补充，综合可见，比例积分控制相互补充，综合了比例控制和积分控制两种规律的优了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点。点，又克服了各自的缺点。n比例部分能快速响应控制作用，积分比例部分能快速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态误差。部分则最终消除稳态误差。 169/243n在闭环调速系统中，在闭环调速系统中，负载扰动引起输入偏负载扰动引起输入偏差电压差电压Un的变化。的变化。n设设Un的波形如图所的波形如图所示，则输出波形中比示，则输出波形中比例部分和例部分和Un成正成正比，积分部分是比，积分部分是Un

47、的积分曲线，而的积分曲线，而PI调节器的输出电压调节器的输出电压是这两部分的和，即是这两部分的和，即+。170/243n可见，比例积分调节器既具有快速响应性，可见，比例积分调节器既具有快速响应性，又足以消除调速系统的静差。又足以消除调速系统的静差。n除此之外，比例积分调节器还是提高系统除此之外，比例积分调节器还是提高系统稳定性的校正装置，因此，它在调速系统稳定性的校正装置，因此，它在调速系统和其它控制系统中获得了广泛的应用。和其它控制系统中获得了广泛的应用。 171/243n在设计在设计PI调节器时，如何选择参数调节器时，如何选择参数Kp和和1，是一个关键问题。是一个关键问题。n在自动控制理论

48、中提出很多在自动控制理论中提出很多PI调节器的设调节器的设计方法，如根轨迹法、频率法等。计方法，如根轨迹法、频率法等。n其关键之处在于既要求系统的其关键之处在于既要求系统的稳定性稳定性好，好，又要求系统的又要求系统的快速性快速性好，同时还要求好，同时还要求稳态稳态精度精度高和高和抗干扰性能抗干扰性能好。这些指标都是相好。这些指标都是相互矛盾的，在设计时要平衡这些矛盾，折互矛盾的，在设计时要平衡这些矛盾，折中选取参数。中选取参数。 172/2432.3.4 直流调速系统的稳态误差分析直流调速系统的稳态误差分析n对于稳定系统，稳态误差是衡量系统对于稳定系统，稳态误差是衡量系统稳定性能的指标，它根据

49、对典型信号稳定性能的指标，它根据对典型信号的控制误差来表征系统控制的准确度的控制误差来表征系统控制的准确度和抑制干扰的能力。和抑制干扰的能力。 173/243n直流调速系统的动态结构图直流调速系统的动态结构图n图中的转速调节器用图中的转速调节器用ASR来表示，它可以来表示，它可以是比例调节器、积分调节器或比例积分调是比例调节器、积分调节器或比例积分调节器。节器。 174/243n使用比例调节器时，系统的开环传递函数使用比例调节器时，系统的开环传递函数 112 sTsTTsTKsUsUsWmlmsnnn式中式中 espCKKK n使用积分调节器时，系统的开环传递函数使用积分调节器时，系统的开环传

50、递函数n式中式中 112 sTsTTsTsKsUsUsWmlmsnnesCKK 175/243n使用比例积分调节器时，系统的开环使用比例积分调节器时，系统的开环传递函数传递函数n式中式中 esCKK 1112 sTsTTsTssKKsUsUsWmlmspnn 176/243n根据系统开环传递函数中积分环节的数目，根据系统开环传递函数中积分环节的数目，划分了控制系统的类型，比例控制的调速划分了控制系统的类型，比例控制的调速系统是系统是0型系统型系统，而积分控制、比例积分控，而积分控制、比例积分控制的调速系统是制的调速系统是I型系统型系统。n稳态误差定义为输入量和反馈量的差值。稳态误差定义为输入量

51、和反馈量的差值。 tUtUtUnnn *n衡量系统控制的准确度的是系统对给定输衡量系统控制的准确度的是系统对给定输入入Un*的的跟随能力跟随能力；衡量系统抑制干扰能力；衡量系统抑制干扰能力的是系统抑制负载电流的是系统抑制负载电流IdL的的抗扰能力抗扰能力。 177/2431 阶跃给定输入的稳态误差阶跃给定输入的稳态误差n使用比例调节器时，系统的误差使用比例调节器时，系统的误差 11112* sTsTTsTKsUsUmlmsnnn式中式中 espCKKK n在分析阶跃给定输入稳态误差时，令在分析阶跃给定输入稳态误差时，令 0 sIdL178/243n使用积分调节器时，系统的误差使用积分调节器时，

52、系统的误差 n式中式中 esCKK n使用比例积分调节器时，系统的误差使用比例积分调节器时，系统的误差 n式中式中 esCKK 11112* sTsTTsTsKsUsUmlmsnn 111112* sTsTTsTssKKsUsUmlmspnn 179/243拉氏变换终值定理拉氏变换终值定理n设设Lf(t)=F(s)，并且，并且 ssFftfst0limlimn即即原函数原函数的终值等于的终值等于s乘以乘以象函数象函数的初值。的初值。 这一定理对于求这一定理对于求瞬态响应瞬态响应的稳态值是很有用的稳态值是很有用的。的。 存在，则存在，则 tftlim180/243n在阶跃给定输入时在阶跃给定输入

53、时 n对稳定系统，可以用终值定理求对稳定系统，可以用终值定理求t时的时的误差误差Un。 sUsUnn* n使用比例调节器的调速系统，在阶跃给定使用比例调节器的调速系统，在阶跃给定输入下的稳态误差输入下的稳态误差 KUsTsTTsTKsUssUsUnnmlmssnsn 11111limlim*2*00181/243n使用积分调节器的调速系统，在阶跃给定使用积分调节器的调速系统，在阶跃给定输入下的稳态误差输入下的稳态误差 01111limlim2*00 sTsTTsTsKsUssUsUmlmssnsnnn使用比例积分调节器的调速系统，在阶跃使用比例积分调节器的调速系统，在阶跃给定输入下的稳态误差给

54、定输入下的稳态误差 011111limlim2*00 sTsTTsTssKKsUssUsUmlmspsnsnn 182/243n在系统稳定情况下，在系统稳定情况下，0型系统型系统对于阶跃对于阶跃给定输入稳态有差，被称做给定输入稳态有差，被称做有静差调有静差调速系统速系统；n在系统稳定情况下，在系统稳定情况下，I型系统型系统对于阶跃对于阶跃给定输入稳态无差，被称做给定输入稳态无差，被称做无静差调无静差调速系统速系统。 183/2432 扰动引起的稳态误差扰动引起的稳态误差n在分析由扰动引起的稳态误差时，令在分析由扰动引起的稳态误差时，令 0* sUnn使用比例调节器时，使用比例调节器时，IdL(

55、s)引起的系统的误引起的系统的误差差 1111122 sTsTTsTKsTsTTCsTRsIsUmlmsmlmeldLn184/243n使用积分调节器时，使用积分调节器时，IdL(s)引起的系统的误引起的系统的误差差 1111122 sTsTTsTsKsTsTTCsTRsIsUmlmsmlmeldLnn使用比例积分调节器时，使用比例积分调节器时，IdL(s)引起的系统引起的系统的误差的误差 11111122 sTsTTsTssKKsTsTTCsTRsIsUmlmspmlmeldLn 185/243n当扰动为阶跃信号当扰动为阶跃信号 n可以用终值定理求可以用终值定理求t时的误差时的误差Un。 s

56、IsIdLdL n使用比例调节器的调速系统，在阶跃扰动使用比例调节器的调速系统，在阶跃扰动下的稳态误差下的稳态误差 KCRIsTsTTsTKsTsTTCsTRsIssUsUedLmlmsmlmeldLsnsn 111111limlim2200186/243n使用积分调节器的调速系统，在阶跃扰动使用积分调节器的调速系统，在阶跃扰动下的稳态误差下的稳态误差n使用比例积分调节器的调速系统，在阶跃使用比例积分调节器的调速系统，在阶跃扰动下的稳态误差扰动下的稳态误差 011111limlim2200 sTsTTsTsKsTsTTCsTRsIssUsUmlmsmlmeldLsnsn 0111111liml

57、im2200 sTsTTsTssKKsTsTTCsTRsIssUsUmlmspmlmeldLsnsn 187/243n表明：表明：由扰动引起的稳态误差取决于误差由扰动引起的稳态误差取决于误差点与扰动加入点之间的传递函数点与扰动加入点之间的传递函数。n对于比例控制的调速系统，该传递函数无对于比例控制的调速系统，该传递函数无积分环节，所以存在扰动引起的稳态误差，积分环节，所以存在扰动引起的稳态误差，称做有称做有静差调速系统静差调速系统；n对于积分控制或比例积分控制的调速系统，对于积分控制或比例积分控制的调速系统，该传递函数具有积分环节，所以由阶跃引该传递函数具有积分环节，所以由阶跃引起的稳态误差为

58、零，称做起的稳态误差为零，称做无静差调速系统无静差调速系统。 188/2432.4 直流调速系统的数字控制直流调速系统的数字控制n直流调速系统从开环发展到闭环，其中的直流调速系统从开环发展到闭环，其中的关键是由于运算放大器等模拟电子电路所关键是由于运算放大器等模拟电子电路所组成的调节器在起作用。它把转速给定和组成的调节器在起作用。它把转速给定和实际转速反馈进行比较后，控制电动机的实际转速反馈进行比较后，控制电动机的转速。这类系统的给定和反馈都是用模拟转速。这类系统的给定和反馈都是用模拟量的形式给出的，称为量的形式给出的，称为模拟控制直流调速模拟控制直流调速系统系统。 189/243n闭环直流调

59、速系统能抑制被反馈通道包围闭环直流调速系统能抑制被反馈通道包围的前向通道上扰动，但对于系统给定和反的前向通道上扰动，但对于系统给定和反馈通道的扰动，却无能为力。馈通道的扰动，却无能为力。n转速检测装置的误差。转速检测装置的误差。n转速给定装置的误差。转速给定装置的误差。n模拟控制直流调速系统难以达到很高的调模拟控制直流调速系统难以达到很高的调速精度。速精度。 190/243n微机数字控制系统的稳定性好、可靠微机数字控制系统的稳定性好、可靠性高、可以提高控制性能，此外，还性高、可以提高控制性能，此外，还拥有信息存储、数据通信和故障诊断拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制系统无法实现的功能。

60、等模拟控制系统无法实现的功能。191/2432.4.1 微机数字控制的特殊问题微机数字控制的特殊问题n微机控制的调速系统是一个数字采样系统。微机控制的调速系统是一个数字采样系统。n如果所有的采样开关等周期地一起开和闭，如果所有的采样开关等周期地一起开和闭，则称为同步采样。则称为同步采样。 192/243n信号的离散化是微机数字控制的第一个信号的离散化是微机数字控制的第一个特点。特点。 n当控制系统的输入量和反馈量是模拟的连续当控制系统的输入量和反馈量是模拟的连续信号时，为了把它们输入微控制器，只能在信号时，为了把它们输入微控制器，只能在采样时刻对模拟的连续信号进行采样，把连采样时刻对模拟的连续