第1章 开环控制系统

1、运动运动控制系统控制系统第第1篇篇直流调速系统直流调速系统直流电动机的调速方法直流电动机的调速方法 aeeURnICC改变电枢回路电阻改变电枢回路电阻R。减弱励磁磁通减弱励磁磁通。调节电枢电压调节电枢电压U。改变电枢回路电阻调速法改变电枢回路电阻调速法n理想空载转速理想空载转速不变不变n转速降落随电转速降落随电阻的增加而增阻的增加而增大大n额定转速以下额定转速以下调速方法，特调速方法，特性软，有级调性软，有级调速速nNnT0n0TNRaRa+Rad1Ra+Rad2n1n2Rad2Rad1减弱磁通调速法减弱磁通调速法n理想空载转速理想空载转速 随磁随磁通的减少而增大。通的减少而增大。n转速降落随

2、磁通的转速降落随磁通的减小而增大减小而增大n额定转速以上调速额定转速以上调速方法，特性软，无方法，特性软，无级调速级调速nT0n0TNnN N 1 2n01n02调节电枢电压调速法调节电枢电压调速法nT0n0TNnNUNU1n0n1U2n0n2U1U2n理想空载转速随理想空载转速随U的减少而成比例地的减少而成比例地降低降低n转速降落与转速降落与U的大的大小无关小无关n额定转速以下调速额定转速以下调速方法，特性硬，无方法，特性硬，无级调速级调速三种调速方法之比较三种调速方法之比较n改变电枢回路电阻调速只能对电动机转速作改变电枢回路电阻调速只能对电动机转速作有级的调节，转速的稳定性差。有级的调节，

3、转速的稳定性差。n减弱磁通调速能够实现平滑调速，但只能在减弱磁通调速能够实现平滑调速，但只能在基速（额定转速）以上的范围内调节转速。基速（额定转速）以上的范围内调节转速。n调节电枢电压调速所得到的人为机械特性与调节电枢电压调速所得到的人为机械特性与电动机的固有机械特性平行，转速的稳定性电动机的固有机械特性平行，转速的稳定性好，能在基速（额定转速）以下实现平滑调好，能在基速（额定转速）以下实现平滑调速。速。n直流调速系统往往以直流调速系统往往以调压调速调压调速为主，只有当为主，只有当转速要达到基速以上时才辅以弱磁调速。转速要达到基速以上时才辅以弱磁调速。 问题？问题？n为了实现调压调速，必须配备

4、？为了实现调压调速，必须配备？n可控直流电源可控直流电源运动运动控制系统控制系统第第1章章可控直流电源可控直流电源-电动机电动机系统系统n相控整流器相控整流器把交流电源直接转换成可把交流电源直接转换成可控的直流电源控的直流电源。n直流脉宽调制（直流脉宽调制（PWM）变换器）变换器用恒用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，产力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，产生可变的平均电压。生可变的平均电压。常用的可控直流电源常用的可控直流电源内内 容容 提提 要要n1.1 相控整流器相控整流器-电动机调速系统电动机调速系统 n1.2 直

5、流直流PWM变换器变换器-电动机系统电动机系统 n1.3 调速系统性能指标调速系统性能指标 1.1 相控整流器相控整流器-电动机（电动机（V-M）系统）系统1.1.1 相控相控整流器整流器-电动机系统电动机系统1.1.2 相控整流器相控整流器-电动机系统的特殊问题电动机系统的特殊问题1触发脉冲相位控制触发脉冲相位控制n触发脉冲的相位角触发脉冲的相位角控制整流电压控制整流电压Ud0的的平均值。平均值。d0maxd0cosUU =30u2uaubucOwtOwtOwtuGudwt1三相半波可控整流电路，电阻负载，三相半波可控整流电路，电阻负载， =30 时的波时的波形形2电流脉动及其波形的连续与断

6、续电流脉动及其波形的连续与断续n输出电流是脉动电流，交流电源一周输出电流是脉动电流，交流电源一周内存在的脉波数内存在的脉波数m与整流电路的形式与整流电路的形式相关。相关。 =30u2uaubucOwtOwtOwtuGudwt1三相半波可控整流电路，电阻负三相半波可控整流电路，电阻负载，载， =30 时的波形时的波形图1-5 V-M系统的电流波形a）电流连续b）电流断续OuaubucudOiaibicicwtEUdwtOuaubucudOiaibicicEUdudwtwtudidid(1)(1)电压及电流波形电压及电流波形(2)(2)电流波形断续原因电流波形断续原因n 电感较小电感较小 n 负载

7、较轻负载较轻n影响影响n （1 1） 脉动电流产生脉动转矩，对生产机械不利；脉动电流产生脉动转矩，对生产机械不利；n （2 2） 脉动电流造成较大的谐波分量，流入电源后脉动电流造成较大的谐波分量，流入电源后 n 对电网不利，同时也增加电机发热。对电网不利，同时也增加电机发热。n抑制措施抑制措施n （1 1） 增加整流电路的相数。增加整流电路的相数。n （2 2） 设置平波电抗器设置平波电抗器。(3)(3)电流脉动电流脉动的影响及抑制措施的影响及抑制措施(4) 平波电抗器的计算平波电抗器的计算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 mind24

8、6. 1IUL mind2693. 0IUL（1-6）（1-8）（1-7）Ud0IdE R = Rrec + Ra + RLd0maxd0cosUU3. 等效电路等效电路1.1.3 相控整流直流调速系统的机械特相控整流直流调速系统的机械特性及数学模型性及数学模型1.相控整流器电动机系统的机械特性相控整流器电动机系统的机械特性n 改变改变 ， n0改变，改变，n 但斜率不变。但斜率不变。n Id增加，增加， n线性增加，线性增加， n n0不变。不变。000ddeddUI RnKUI RCenn00dUnCe（理想空载（理想空载转速）转速）dI RnCe （转速降）（转速降）2晶闸管触发电路和整

9、流装置的数学模型晶闸管触发电路和整流装置的数学模型(1)(1) 放大系数的计算放大系数的计算图1-7 晶闸管触发与整流装置的输入输出特性和Ks的测定cdsUUK 如果不可能实测特性，只好根据装置的参数估算。n例如： 设触发电路控制电压的调节范围为 Uc = 010V 相对应的整流电压的变化范围是 Ud = 0220V 可取 Ks = 220/10 = 22（2）晶闸管触发和整流装置的放大系数估算）晶闸管触发和整流装置的放大系数估算（3）晶闸管触发和整流装置的传递函数）晶闸管触发和整流装置的传递函数 在动态过程中，可把晶闸管触发与整在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节。流装

10、置看成是一个纯滞后环节。图18 晶闸管触发与整流装置的失控时间滞后的产生及失控时间滞后的产生及失控时间n滞后环节的输入为阶跃信号滞后环节的输入为阶跃信号1(t)，输出要隔，输出要隔一定时间后才出现响应一定时间后才出现响应1(t-Ts)。n输入输出关系为：输入输出关系为： )( 10scsdTtUKUn 传递函数为传递函数为sTscdsseKsUsUsW)()()(0晶闸管触发电路与整流装置的传递函数晶闸管触发电路与整流装置的传递函数33s22ssssTssTsssT! 31sT! 21sT1KeKeK)s(WsssT1K)s(Wsss传递函数的简化传递函数的简化13csTw近似条件：近似条件：

11、1.2 直流直流PWM变换器变换器-电动机系统电动机系统1.2.1 直流直流PWM变换器变换器n根据根据PWM变换器主电路的形式可分为变换器主电路的形式可分为可逆和不可逆可逆和不可逆两大类。两大类。1.简单不可逆简单不可逆PWM变换器变换器sdiULRiEdtUsIdE/10(1)sttUEiI eeR0ontt 0 0t tI20i (t)I10VT导通导通LR0diLRiEdtIdE/20(1)ttEiI eeRonttT VT截止截止0 0tI20i i（t)t)I100 0t tI20i (t)I10一个周期内的电流波形一个周期内的电流波形电压电压和电流波形和电流波形 及平均电压及平均

12、电压n平均输出电压平均输出电压n = ton / T :占空比占空比n电机的运行象限：电机的运行象限：n第一象限第一象限n电流不能反向电流不能反向ssondUUTtU 改变 （ 0 1 ）即可调节电机的转速. 2.桥式桥式可逆可逆PWM变换器变换器U, i+UstonT0-UsO正向电动运行波形n平均输出电压平均输出电压n电机的运行象限：电机的运行象限：n第一象限第一象限2121onondssonsstTtUUUTTtUTU 正脉冲电压的宽度大于负脉冲的宽度正脉冲电压的宽度大于负脉冲的宽度 0.5(1) 正向电动运行正向电动运行(2) 反向电动运行反向电动运行n 输出波形及平均电压U, iUd

13、Eid+UsttonT0-UsO反向电动运行波形 正脉冲电压的宽度小于负脉冲的宽度正脉冲电压的宽度小于负脉冲的宽度 0.5n平均输出电压平均输出电压n电机的运行象限：电机的运行象限：n第三象限第三象限2121onondssonsstTtUUUTTtUTU（3 3）停转状态停转状态n正脉冲电压的宽度等正脉冲电压的宽度等于负脉冲的宽度于负脉冲的宽度n平均输出电压平均输出电压n电动机停转。电动机停转。(0.5)2onTt0ABUU, i+UstonT0-UsO停转波形电枢两端的瞬时电压和瞬时电流不为零电枢两端的瞬时电压和瞬时电流不为零（4）双极式可逆）双极式可逆 PWM变换器的优点变换器的优点 电流

14、一定连续；电流一定连续；电动机能在四象限运行；电动机能在四象限运行；电动机停止时有微振电流，消除了静磨擦电动机停止时有微振电流，消除了静磨擦死区；死区；（5）双极式控制方式的不足之处）双极式控制方式的不足之处 n4个开关器件在工作中都处于开关状态，在切换个开关器件在工作中都处于开关状态，在切换时容易容易发生上、下桥臂直通的事故，时容易容易发生上、下桥臂直通的事故，n在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。1.2.2 直流直流PWM变换器变换器-电动机系统电动机系统的能量回馈问题的能量回馈问题图图1-13 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的原理图桥式

15、可逆直流脉宽调速系统主电路的原理图泵升电压及其限制泵升电压及其限制 n对滤波电容充电的结果造成电容两端对滤波电容充电的结果造成电容两端电压升高，称作电压升高，称作“泵升电压泵升电压”。1.2.3 直流直流PWM调速系统的数学模调速系统的数学模型及机械特性型及机械特性1、PWM控制与变换器的数学模型控制与变换器的数学模型 （1）动态数学模型）动态数学模型 式中，式中， KsPWM控制与变换器的放大系数，控制与变换器的放大系数， TsPWM控制与变换器的延迟时间。控制与变换器的延迟时间。sTscdsseK)s(U)s(U)s(W（2）PWM装置装置数学模型数学模型的近似的近似1sTK)s(Wsss

16、当开关频率为当开关频率为10kHz时，滞后时间时，滞后时间msTs1 . 0明显小于相控整流电源。明显小于相控整流电源。2、PWM调速系统的机械特性调速系统的机械特性n脉宽调制变换器的输出电压是高度和频率脉宽调制变换器的输出电压是高度和频率一定、宽度可变的脉冲序列，一定、宽度可变的脉冲序列，n改变平均输出的电压的大小，可以调节电改变平均输出的电压的大小，可以调节电机的转速。机的转速。（1）不可逆电路的电压方程）不可逆电路的电压方程式中的式中的R、L分别为电枢电路的电阻和电感分别为电枢电路的电阻和电感 EdtdiLRiUddsontt0 EdtdiLRi0ddTtton （2）双极式的可逆电路的

17、电压方程）双极式的可逆电路的电压方程EdtdiLRiUddsontt0EdtdiLRiUddsTtton （3）电压平均值方程）电压平均值方程 平均电压平均电压 平均电流平均电流 电枢电感压降的均值电枢电感压降的均值 转速转速nCRIERIUeddssdUUdI0dtdiLd eEnC（4）机械特性方程）机械特性方程de0deesICRnICRCUneme0emeesTCCRnTCCRCUn（5）直流）直流PWM调速系统的机械特性调速系统的机械特性 1.3 调速系统调速系统稳态稳态性能指标性能指标1.3.1 调速范围和静差率调速范围和静差率n1）调速，要求系统能够在指定的范）调速，要求系统能够

18、在指定的范围内的转速上运行。围内的转速上运行。2）稳速，要求系统调速的重复性和）稳速，要求系统调速的重复性和精确度要好，不允许有过大的转速波精确度要好，不允许有过大的转速波动。动。1. 调速范围调速范围(D)(D)n生产机械要求电动机在额定负载情况下提供的最生产机械要求电动机在额定负载情况下提供的最高转速和最低转速之比称为调速范围高转速和最低转速之比称为调速范围minmaxnnD Nnnmaxnminn02 nN2Temn01nmaxTN nN10n2. 静差率（静差率（s）n当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落到额

19、定值时所对应的转速降落 nN ，与理想空载转，与理想空载转速速 n0 之比，称作静差率之比，称作静差率 s%100nns0N 静差率受两个因素静差率受两个因素影响：一是转速变化影响：一是转速变化量量 ，二是理想空载转，二是理想空载转速。速。0TeNTen0an0bab nNa nNb nO3. 静差率与机械特性硬度的区别静差率与机械特性硬度的区别0Nnns(1)特性越硬，特性越硬，s越越 小；小；(2)硬度相同，硬度相同，n0 越小，越小，s越大。越大。m in调速系统的静差率指标应以调速系统的静差率指标应以调速范围的调速范围的最低速时能达到的数值为准。最低速时能达到的数值为准。4. D与与s

20、的相互约束关系的相互约束关系n对系统的调速精度要求越高，即要求对系统的调速精度要求越高，即要求s越小，越小，则可达到的则可达到的D必定越小。必定越小。n当要求的当要求的D越大时，则所能达到的调速精度就越大时，则所能达到的调速精度就越低，即越低，即s越大，所以这是一对矛盾的指标。越大，所以这是一对矛盾的指标。 )s1(nsnDNN1.3.2 开环开环调速调速系统的系统的 机械特性及性能指标机械特性及性能指标图图117 开环调速系统的原理图开环调速系统的原理图 unit of power electronics1.机械特性方程式机械特性方程式 csdUKU0ed0dCRIUnedecsed0dCRICUKCRIUn2. 稳态结构框图稳态结构框图 图图1-18 开环调速系统稳态结构框图开环调速系统稳态结构框图 edecsed0dCRICUKCRIUn3. 机械特性机械特性0TeNTen0an0bab nN nO固有机械特性固有机械特性人为机械特性人为机械特性解解 要求s 30%时，调速范围为 若要求s 20%，则调速范围只有若调速范围达到10，则静差率只能是例题例题1-1 08. 4)3 . 01(1053 . 01000)s1(nsnDNN38. 2)2 . 01(1052 . 01000)s1(nsnDNN%2 .51512. 010510100010510nDnnD