运动控制器学习

1、 Shanghai university绪论绪论一。什么是运动控制系统一。什么是运动控制系统？运动控制系统（Motion Control System）也可称作电力拖动控制系统（Control Systems of Electric Drive） 运动控制系统通过对电动机电压、电流、频率等输入电量的控制，来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使各种工作机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。工业生产和科学技术的发展对运动控制系统提出了日益复杂的要求，同时也为研制和生产各类新型的控制装置提供了可能。 Shanghai university二。运动控制及其相关学科二。运动控制

2、及其相关学科现代运动控制已成为电机学、电力电子技术、微电子技术、计算机控制技术、控制理论、信号检测与处理技术等多门学科相互交叉的综合性学科 Shanghai university1电机学电动机是运动控制系统的控制对象电动机的结构和原理决定了运动控制系统的设计方法和运行性能，新型电机的发明就会带出新的运动控制系统。2电力电子技术以电力电子器件为基础的功率放大与变换装置是弱电控制强电的媒介，是运动控制系统的执行手段。在运动控制系统中作为电动机的可控电源，其输出电源质量直接影响运动控制系统的运行状态和性能。新型电力电子器件的诞生必将产生新型的功率放大与变换装置，对改善电动机供电电源质量，提高系统运行

3、性能，起到积极的推进作用。 Shanghai university3微电子技术控制基础微电子技术的快速发展，各种高性能的大规模或超大规模的集成电路层出不穷，方便和简化了运动控制系统的硬件电路设计及调试工作，提高了运动控制系统的可靠性。高速、大内存容量、多功能的微处理器或单片微机的问世，使各种复杂的控制算法在运动控制系统中的应用成为可能，并大大提高了控制精度。4计算机控制技术系统控制核心(1) 计算机控制(2) 计算机仿真 (3) 计算机辅助设计 Shanghai university计算机具有强大的逻辑判断、数据计算和处理、信息传输等能力，能进行各种复杂的运算，可以实现不同于一般线性调节的控制

4、规律，达到模拟控制系统难以实现的控制功能和效果。计算机控制技术的应用使对象参数辨识、控制系统的参数自整定和自学习、智能控制、故障诊断等成为可能，大大提高了运动控制系统的智能化和系统的可靠性。在工程实际中，对于一些难以求得其精确解析解的问题，可以通过计算机求得其数值解，这就是计算机数字仿真。计算机数字仿真具有成本低，结构灵活，结果直观，便于贮存和进行数据分析等优点。计算机辅助设计(CAD)是在数字仿真的基础上发展起来的，在系统数学模型基础上进行仿真，按给定指标寻优进行计算机辅助设计，已成为运动控制系统常用的分析和设计工具。 Shanghai university5信号检测与处理技术控制系统的“眼

5、睛” 运动控制系统的本质是反馈控制，即根据给定和输出的偏差实施控制，最终缩小或消除偏差，运动控制系统需通过传感器实时检测系统的运行状态，构成反馈控制，并进行故障分析和故障保护。 由于实际检测信号往往带有随机的扰动，这些扰动信号对控制系统的正常运行产生不利的影响，严重时甚至会破坏系统的稳定性。为了保证系统安全可靠的运行，必须对实际检测的信号进行滤波等处理，提高系统的抗干扰能力。此外，传感器输出信号的电压、极性和信号类型往往与控制器的需求不相吻合。所以，传感器输出信号一般不能直接用于控制，需要进行信号转换和数据处理。 Shanghai university6控制理论系统分析和设计的依据 控制理论是

6、运动控制系统的理论基础，是指导系统分析和设计的依据。控制系统实际问题的解决常常能推动理论的发展，而新的控制理论的诞生，诸如非线性控制、自适应控制、智能控制等，又为研究和设计各种新型的运动控制系统提供了理论依据。 Shanghai university三。三。运动控制系统及其组成运动控制系统及其组成 Shanghai university1电动机运动控制系统的控制对象（1）直流电动机结构复杂，制造成本高，电刷和换向器限制了它的转速与容量。 优点：易于控制。（2）交流异步电动机 结构简单、制造容易 ，无需机械换向器，其允许转速与容量均大于直流电动机 。（3）同步电动机 转速等于同步转速，具有机械特

7、性硬 ，在恒频电源供电时调速较为困难，变频器的诞生不仅解决了同步电动机的调速，还解决了其起动和失步问题，有效地促进了同步电动机在运动控制中的应用。 2功率放大与变换装置执行手段电力电子器件组成电力电子装置。 Shanghai university电力电子器件：第一代：半控型器件，如SCR，方便地应用于相控整流器(ACDC)和有源逆变器(DCAC) ，但用于无源逆变(DCAC)或直流PWM方式调压（DCDC）时，必须增加强迫换流回路，使电路结构复杂。 第二代：全控型器件，如GTO、BJT、IGBT、MOSFET等 。此类器件用于无源逆变(DCAC) 和直流调压（DCDC）时，无须强迫换流回路，主

8、回路结构简单。另一个特点是可以大大提高开关频率，用脉宽调制（PWM）技术控制功率器件的开通与关断，可大大提高可控电源的质量。 Shanghai university第三代 ：特点是由单一的器件发展为具有驱动、保护功能的复合功率模块，提高了使用的安全性和可靠性。3控制器：(1)模拟控制器 :模拟控制器常用运算放大器及相应的电气元件实现，具有物理概念清晰、控制信号流向直观等优点，其控制规律体现在硬件电路和所用的器件上，因而线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响。 (2)数字控制器 :硬件电路标准化程度高、制作成本低、而且不受器件温度漂移的影响。控制规律体现在软件上，修改起来灵活

9、方便。此外，还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制器无法实现的功能。 Shanghai university4信号检测与处理传感器运动控制系统中常用的反馈信号是电压、电流、转速和位置，为了真实可靠地得到这些信号，并实现功率电路（强电）和控制器（弱电）之间的电气隔离，需要相应的传感器。 精度信号传感器必须有足够高的精度，才能保证控制系统的准确性。滤波信号滤波，模拟控制系统常采用模拟器件构成的滤波电路，而计算机数字控制系统往往采用模拟滤波电路和计算机软件数字滤波相结合的方法。 Shanghai university四。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运动控制系统的基本运动

10、方程式 ：J机械转动惯量， m转子的机械角速度， m转子的机械转角， mmemdtdLTTdtdJ运动控制的目的：控制电动机的转速和转角，对于直线电动机来说是控制速度和位移 Shanghai university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 。使转速变化率按人们期望的规律变化。因此，转矩控制是运动控制的根本问题。在高性能的运动控制系统中，采用转速闭环控制，用转速偏差来调节系统的动态转矩。 Shanghai university五。运动控制系统的分类五。运动控制系统的分类直流电机直流电机交流电机交流电机（异步电机（异步电机*、同步电机）、同步电机）速度控制速度控制直流调速

11、系统直流调速系统*交流调速系统交流调速系统*位置控制位置控制直流伺服系统直流伺服系统交流伺服系统交流伺服系统直流调速系统第一篇，运动控制（一）直流调速系统第一篇，运动控制（一）交流调速系统第二篇，运动控制（二）交流调速系统第二篇，运动控制（二） Shanghai university六。课程性质及要求六。课程性质及要求综合型（综合应用多门课程）的专业课，所学综合型（综合应用多门课程）的专业课，所学知识的具体应用。包括理论教学及实验二部分。知识的具体应用。包括理论教学及实验二部分。理论教学：多思考、多分析理论教学：多思考、多分析考核：期终考试考核：期终考试80 平时平时20：a）考勤）考勤 b）

12、作业）作业 c）学习态度）学习态度 Shanghai university直流拖动控制系统直流拖动控制系统第第 1 1 篇篇 Shanghai university根据直流电动机转速方程根据直流电动机转速方程 eKIRUnq 直流调速方法直流调速方法（1-1）式中式中 n 转速（转速（r/minr/min）；）； U 电枢电压（电枢电压（V V）；）； I 电枢电流（电枢电流（A A）；）； R 电枢回路总电阻（电枢回路总电阻（ ）；）； 励磁磁通（励磁磁通（WbWb）；）； 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。 Shanghai university调节电动机转速的三

13、种方法 调节电枢供电电压调节电枢供电电压 U U 改变电枢回路电阻改变电枢回路电阻 R R 减弱励磁磁通减弱励磁磁通 Shanghai university1 1。调压调速。调压调速 工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电阻 R = Ra 调节过程： 改变电压 UN U U n ， n0 调速特性： 转速下降，机械特性曲线平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线 Shanghai university2。调阻调速。调阻调速 工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电压 U =UN ； 调节

14、过程： 增加电阻 Ra R R n ，n0不变； 调速特性： 转速下降，机械特性曲线变软。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3调阻调速特性曲线 Shanghai university3 3。调磁调速。调磁调速 工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a ； 调节过程： 减小励磁 N n ， n0 调速特性： 转速上升，机械特性曲线变软。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3调压调速特性曲线 Shanghai university 三种调速方法的性能与比较 改变电阻只能有级调速； 减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，在基速以上作小范围的弱磁升

15、速。 调压调速能在较大的范围内无级平滑调速。 Shanghai university恒转矩调速方式恒转矩调速方式 电机长期运行时，电枢电流应小于额定值 IN，而电磁转矩 Te = Km I 。 在调压调速范围内，励磁磁通不变，容许的输出转矩也不变，称作“恒转矩调速恒转矩调速方式方式”。 Shanghai university恒功率调速方式恒功率调速方式 在弱磁调速范围内，转速越高，磁通越弱，容许输出转矩减小，而容许输出转矩与转速的乘积则不变，即容许功率不变，为“恒功率调速方式恒功率调速方式”。Te = Km ImeMTP电磁功率：电磁转矩： Shanghai university两种调速方式：

16、两种调速方式：TeNnNnmax变电压调速弱磁调速UNUPPTeUnO两种调速方式 Shanghai university第第1 1章章 闭环控制的直流调速系统闭环控制的直流调速系统 本章着重讨论基本的闭环控制系统及其分析与设计方法。 Shanghai university1.1 1.1 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 调压调速需要有专门向电动机供电的可控直流电源。 本节介绍几种主要的可控直流电源。 Shanghai university常用的可控直流电源： 旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组，获得可调的直流电压。 静止式可控整流器用静止式的可控整流器获得可

17、调的直流电压。 直流斩波器或脉宽调制变换器用恒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，产生可变的平均电压。 Shanghai university1.1.1 旋转变流机组（旋转变流机组（G-M系统）系统）图1-1 旋转变流机组和由它供电的直流调速系统（G-M系统）原理图 Ward-Leonard系统 Shanghai university G-M系统特性n正向电动反向制动OTeTL-TLn0n1n2正向制动反向电动图1-2 G-M系统的机械特性 Shanghai university 1.1.2 静止式可控整流器静止式可控整流器图1-3 晶闸管-电动机调速系统（V

18、-M系统）原理图 Shanghai university V-MV-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-MV-M系系统，又称静止的统，又称静止的Ward-LeonardWard-Leonard系统），系统），图中图中VTVT是晶闸管可控整流器，是晶闸管可控整流器，通过调节通过调节触发装置触发装置 GT GT 的控制电压的控制电压 U Uc c 来移动触来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压发脉冲的相位，即可改变整流电压U Ud d ，从而实现平滑调速。从而实现平滑调速。 Shanghai university V-MV-M系统的特点系统的特

19、点 晶闸管可控整流器的晶闸管可控整流器的功率放大倍数在功率放大倍数在10 4 以上以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制。其门极电流可以直接用晶体管来控制。 控制的快速性控制的快速性，晶闸管整流器是毫秒级晶闸管整流器是毫秒级，这将，这将大大提高系统的动态性能。大大提高系统的动态性能。 Shanghai university V-M系统的问题 由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。 晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。 由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，造成“电力公害”。 Shanghai un

20、iversity 1.1.3 1.1.3 直流斩波器或脉宽调制变换器直流斩波器或脉宽调制变换器a）原理图b）电压波形图tOuUsUdTton图1-5 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形 +MUsLVDM+-SS通S断 Shanghai university 斩波器的基本控制原理 在原理图中，VT 表示电力电子开关器件，VD 表示续流二极管。 当VT 导通时ton ，直流电源电压 Us 加到电动机上；当VT 关断时T ton ，直流电源与电机脱开，电动机电枢经 VD 续流，两端电压接近于零。 Shanghai university这样，电动机得到的平均电压为 输出电压：ssondUUTtU

21、(1-2)式中 T 功率器件的开关周期； ton 开通时间； 占空比， = ton / T = ton f ,其中 f 为开关频率。 Shanghai universityH形主电路结构+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4图1-6 桥式可逆PWM变换器脉宽调制变换器（PWM-Pulse Width Modulation） Shanghai university PWM系统的优点（1）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。（3）稳速精度高，调速范围宽。（4）动

22、态响应快，抗扰能力强。（5）直流电源采用不控整流，功率因数高。 Shanghai university小小 结结 三种可控直流电源，V-M系统在20世纪6070年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统。 直流PWM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、小容量的系统中，已取代V-M系统成为主要的直流调速方式。 Shanghai university1.2 1.2 晶闸管晶闸管- -电动机系统（电动机系统（V-MV-M系统）系统） 的主要问题的主要问题V-M系统的几个主要问题：（1）触发脉冲相位控制。（2）电流脉动及其波形的连续与断续。（3）抑制电流脉动的措施。（4）晶闸管-电

23、动机系统的机械特性。（5）晶闸管触发和整流装置的放大系数和 传递函数。 Shanghai university 调节晶闸管触发脉冲相位，可改变可控整流器输出电压的波形。 整流器输出电瞬时值ud 的呈周期性变化。 一。触发脉冲相位控制一。触发脉冲相位控制a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+ + +OOOOO Shanghai universityud0IdE 等效电路分析 把整流装置内阻移到装置外边，看成是其负载电路电阻的一部分。 ud0为整流电压理想空载瞬时值 。图1-7 V-M系统主电路的等效电路图 Shanghai un

24、iversity 式中式中 电动机反电动势电动机反电动势（V）； 整流电流瞬时值整流电流瞬时值（A）； 主电路总电感主电路总电感（H）； 主电路等效电阻主电路等效电阻（ ）， R = Rrec + Ra + RL。EidLR 瞬时电压平衡方程瞬时电压平衡方程tiLRiEuddddd0(1- 4) Shanghai university整流电压的平均值计算整流电压的平均值计算 ud0在一个周期内的平均值为在一个周期内的平均值为理想空载整流理想空载整流电压平均值电压平均值Ud0 。 触发脉冲控制角；触发脉冲控制角； Um 交流电源线电交流电源线电压峰值（压峰值（V）；）；m交流电源一周内整流电压交

25、流电源一周内整流电压脉波数。脉波数。 cossinmd0mUmU(1-5) Shanghai university整流与逆变状态整流与逆变状态 当当 0 0 ，整流状态整流状态，电功率从，电功率从交流侧输送到直流侧；交流侧输送到直流侧； 当当 /2 max 时，时， Ud0 0 ，有源逆变状态有源逆变状态，电功率反向传送。电功率反向传送。 Shanghai university不同整流电路时，不同整流电路时， U Um m、m m及及U Ud0d0整流电路 单相全波 三相半波 三相全波 六相半波 Um 22U* 22U 26U 22U m 2 3 6 6 Ud0 cos9 . 02U cos1

26、7. 12U cos34. 22U cos35. 12U * U2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。 Shanghai university二。二。 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OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEUdudttudidida）电感量大，且负载电流也足够大时，电流连续b）电感量小或负载轻时，电流断续 Shanghai university三。三。 抑制电流脉动的措施抑制电流脉动的措施 电流脉动产生转矩脉动，为了避免或电流脉动产生转矩脉动，为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措减轻这种影响，须

27、采用抑制电流脉动的措施，主要是：施，主要是：设置平波电抗器设置平波电抗器：增加整流电路相数；增加整流电路相数；采用多重化技术。采用多重化技术。min2693. 0dIUL （三相桥式整流（三相桥式整流)mindI最小连续电流（A），一般取为电动机额定电流的510。 Shanghai university四。四。 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 当电流连续时，当电流连续时，V-MV-M系统的机械特性方程式为系统的机械特性方程式为 式中式中 C Ce e电机在额定磁通下的电机在额定磁通下的电动势系数电动势系数, ,C Ce e = = K Ke e N N 。)coss

28、in(1)(1dmed0deRImUmCRIUCn（1-9） Shanghai university（1 1）电流连续情况）电流连续情况 改变控制角改变控制角 ，得，得一族平行直线，这和一族平行直线，这和G-MG-M系统的特性很相系统的特性很相似，如图似，如图1-101-10所示。所示。 图中电流较小的图中电流较小的部分画成虚线，表明部分画成虚线，表明这时电流波形可能断这时电流波形可能断续，式（续，式（1-91-9）已经）已经不适用了。不适用了。图1-10 电流连续时V-M系统的机械特性 n = Id R / CenIdILO Shanghai university 三相半波整流电路电流断续时

29、机械特性三相半波整流电路电流断续时机械特性 (1-10) (1-11) 一个电流脉波的导通角一个电流脉波的导通角， 2/3 阻抗角阻抗角2)6cos()6cos(2232e2dnUCRUI)e1 (e )6sin()6sin(cos2ctgectg2CUnRLarctg（2 2）电流断续情况）电流断续情况 Shanghai university图1-11 完整的V-M系统机械特性（3）V-M系统 机械特性 Shanghai university（4 4）V-MV-M系统机械特性的特点系统机械特性的特点 图图1-111-11绘出了完整的绘出了完整的V-MV-M系统机械特性，分系统机械特性，分为电

30、流连续区和电流断续区。由图可见：为电流连续区和电流断续区。由图可见：当电流连续时，特性硬；当电流连续时，特性硬；电流断续时，特性很软，呈显著的非线性，电流断续时，特性很软，呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。理想空载转速翘得很高。 Shanghai university五。五。 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数递函数 在进行调速系统的分析和设计时，可在进行调速系统的分析和设计时，可以把晶闸管触发和整流装置当作系统中以把晶闸管触发和整流装置当作系统中的一个环节来看待。的一个环节来看待。 进行直流调速系统分析或设计时，须进行直流调速系统分析或设计时，须事

31、先求出这个环节的放大系数和传递函事先求出这个环节的放大系数和传递函数。数。 Shanghai university 晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算 晶闸管触发和整流晶闸管触发和整流装置的放大系数装置的放大系数如果不可能实测特性，如果不可能实测特性，只好根据装置的参数只好根据装置的参数估算。估算。cdsUUK图1-13 晶闸管触发与整流装置的输入-输出特性和的测定 (1-12) Shanghai universityu2udUctt10Uc1Uc21tt00022Ud01Ud02TsOOOO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 Sha

32、nghai university 失控时间是随机的，失控时间是随机的，最大可能的失控时间就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是两个相邻自然换相点之间的时间，与交流电，与交流电源频率和整流电路形式有关，由下式确定源频率和整流电路形式有关，由下式确定 (1-13)(1-13)式中式中 交流电流频率（交流电流频率（Hz）；）； 一周内整流电压的脉冲波数。一周内整流电压的脉冲波数。fmmfT1maxs最大失控时间最大失控时间 Shanghai university T Ts s 值的选取值的选取 整流电路形式 最大失控时间 Tsmax（ms） 平均失控时间 Ts（ms） 单相半波 单相

33、桥式（全波） 三相半波 三相桥式、六相半波 20 10 6.67 3.33 10 5 3.33 1.67 在一般情况下，可取其统计平均值在一般情况下，可取其统计平均值 Ts = Tsmax /2，并认为是常数。并认为是常数。 也可按最严重的情况考虑，取也可按最严重的情况考虑，取Ts = Tsmax 。各种整流电路的失控时间（f =50Hz） Shanghai university 用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整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流装置的输入-输出关系为输出关系为按拉氏变换的位移定理，晶闸管装置的传递函数为按拉氏变换的位移定理，晶闸管装置的传递函数为（

34、1-14）传递函数传递函数)( 1scs0dTtUKUsTKsUsUsWse)()()(sc0ds Shanghai university传递函数简化传递函数简化 由于式（由于式（1-141-14）中包含指数函数，它使系统成）中包含指数函数，它使系统成为非最小相位系统，分析和设计都比较麻烦。为为非最小相位系统，分析和设计都比较麻烦。为了简化，先将该指数函数按台劳级数展开，则式了简化，先将该指数函数按台劳级数展开，则式（1-141-14）变成）变成 （1-15） 33s22ssssss! 31! 211ee)(sssTsTsTKKKsWsTsT Shanghai university近似传递函数

35、近似传递函数 考虑到考虑到 T Ts s 很小，可忽略高次项，则传很小，可忽略高次项，则传递函数便近似成递函数便近似成一阶惯性环节一阶惯性环节。（1-16）sTKsWsss1)( Shanghai university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sTssKeUc(s)Ud0(s)1sTKssUc(s)Ud0(s)a) 准确模型b） 近似模型图1-15 晶闸管触发与整流装置动态结构框图ssss Shanghai university1.3 1.3 直流脉宽调速系统的主要问题直流脉宽调速系统的主要问题 自从全控型电力电子器件问世以后，自从全控型电力电子器件问世以后，就出

36、现了采用脉冲宽度调制（就出现了采用脉冲宽度调制（PWMPWM）的高）的高频开关控制方式形成的脉宽调制变换器频开关控制方式形成的脉宽调制变换器- -直流电动机调速系统，简称直流脉宽调直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即速系统，即直流直流PWMPWM调速系统。调速系统。 Shanghai university一。一。 PWMPWM变换器的工作状态和电压、变换器的工作状态和电压、 电流波形电流波形 PWMPWM调制：把恒定的直流电源电压调制调制：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，成频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而可以改变平均输出平均电压的大小。从而可以改变平均

37、输出平均电压的大小。 Shanghai university图1-16 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统 VDUs+UgCVTidM+_Ea）主电路原理图 M1. 不可逆不可逆PWMPWM变换器变换器21UdOtUg Shanghai university图中：图中： Us直流电源电压直流电源电压 C 滤波电容器滤波电容器 M 直流电动机直流电动机 VD 续流二极管续流二极管VT 功率开关器件功率开关器件 VT 的栅极由脉宽可调的脉冲电压系列的栅极由脉宽可调的脉冲电压系列Ug驱动。驱动。 Shanghai university工作状态与波形工作状态与波形在一个开关周期内，在一个开关周期

38、内， 当当0 t ton时，时，Ug为为正，正，VT导通，电源导通，电源电压通过电压通过VT加到电加到电动机电枢两端；动机电枢两端； 当当ton t T 时，时， Ug为负，为负，VT关断，电关断，电枢失去电源，经枢失去电源，经VD续流。续流。U, iUdEidUsttonT0图1-16 b 电压和电流波形O Shanghai university电机两端得到的平均电压为电机两端得到的平均电压为(1-17)式中式中 = ton / T 为为 PWM 波形的占空比，波形的占空比， ssondUUTtU输出电压方程输出电压方程 改变改变 （ 0 1 ）即可调节电机的转速，）即可调节电机的转速，若令

39、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 = (1-18) Shanghai university2. 桥式可逆桥式可逆PWMPWM变换器变换器 可逆可逆PWM变换器主电路有多种形式，变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称最常用的是桥式（亦称H形）电路，如图形）电路，如图1-18所示。所示。 这时，电动机这时，电动机M两端电压的极性随开关两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变，其器件栅极驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里只着重分析最常用的等

40、多种，这里只着重分析最常用的双极式双极式控制的可逆控制的可逆PWM变换器。变换器。 Shanghai university+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2Ug3VT4Ug4图1-18 桥式可逆PWM变换器n H形主电路结构形主电路结构 Shanghai universityn 双极式控制方式双极式控制方式（1）正向运行）正向运行 第第1阶段，在阶段，在 0 t ton 期间，期间， Ug1 、 Ug4为正，为正， VT1 、 VT4导通，导通， Ug2 、 Ug3为负，为负，VT2 、 VT3截止，电流截

41、止，电流 id 沿回路沿回路1流流通，电动机通，电动机M两端电压两端电压UAB = +Us ； 第第2阶段，在阶段，在ton t T期间，期间， Ug1 、 Ug4为负，为负， VT1 、 VT4截止，截止， VD2 、 VD3续流，续流， 并并钳位使钳位使VT2 、 VT3保持截止，保持截止，电流电流 id 沿回路沿回路2流通，电动机流通，电动机M两端电压两端电压UAB = Us ；U, iUdEid+UsttonT0-UsO(1) 正向电动运行波形12 Shanghai universityn 双极式控制方式（续）双极式控制方式（续）（2）反向运行）反向运行 第第1阶段，在阶段，在 0 t

42、 ton 期间，期间， Ug2 、 Ug3为负，为负，VT2 、 VT3截截止，止， VD1 、 VD4 续流，并钳位续流，并钳位使使 VT1 、 VT4截止，电流截止，电流 id 沿回路沿回路4流通，电动机流通，电动机M两端电两端电压压UAB = +Us ； 第第2阶段，在阶段，在ton t T 期间，期间， Ug2 、 Ug3 为正，为正， VT2 、 VT3导导通，通， Ug1 、 Ug4为负，使为负，使VT1 、 VT4保持截止，电流保持截止，电流 id 沿回沿回路路3流通，电动机流通，电动机M两端电压两端电压UAB = Us ；U, iUdEid+UsttonT0-UsO(2) 反向

43、电动运行波形34 Shanghai universityU, iUdEid+UsttonT0-UsO轻载时电动运行波形轻载运行波形4123 Shanghai universityn 输出平均电压输出平均电压双极式控制可逆双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为变换器的输出平均电压为（1-19） 如果占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中如果占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中相同，则在双极式控制的可逆变换器中相同，则在双极式控制的可逆变换器中 = 2 1 （1-20）注意：注意：这里这里 的计算公式与的计算公式与不可逆变换器中的公不可逆变换器中的公式就不一样了式就不一样了。sonsonso

44、nd) 12(UTtUTtTUTtU Shanghai universityn 调速范围调速范围 调速时，调速时， 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 当当 0.5时，时， 为负，电机反转为负，电机反转 当当 = 0.5时，时， = 0 ，电机停止，电机停止 Shanghai university 当电机停止时电枢电压并不等于零，当电机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个交变电流的平而电流也是交变的。这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大均值为零，不产生平均

45、转矩，徒然增大电机的损耗，这是双极式控制的缺点。电机的损耗，这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电机停止时仍有高频但它也有好处，在电机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓摩擦死区，起着所谓“动力润滑动力润滑”的作的作用。用。 Shanghai universityn 性能评价性能评价双极式控制的桥式可逆双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点变换器有下列优点：（1）电流一定连续；）电流一定连续；（2）可使电机在四象限运行；）可使电机在四象限运行；（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦

46、死区；（4）低速平稳性好，系统的调速范围可达）低速平稳性好，系统的调速范围可达1:20000左右；左右；（5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通有利于保证器件的可靠导通。 Shanghai university 双极式控制方式的不足之处：双极式控制方式的不足之处：在工作过程中，在工作过程中，4个开关器件可能都处于个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之防止直通，在上、下桥臂的驱动

47、脉冲之间，应设置逻辑延时间，应设置逻辑延时。 Shanghai university二。二。 直流脉宽调速系统的机械特性直流脉宽调速系统的机械特性 由于采用脉宽调制，严格地说，即使由于采用脉宽调制，严格地说，即使在稳态情况下，脉宽调速系统的转矩和在稳态情况下，脉宽调速系统的转矩和转速也都是脉动的，所谓稳态，是指电转速也都是脉动的，所谓稳态，是指电机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态，状态，机械特性是平均转速与平均转矩机械特性是平均转速与平均转矩（电流）的关系（电流）的关系。 Shanghai university 对于双极式控制的可逆电路电压方程为对于双极式

48、控制的可逆电路电压方程为EtiLRiUdddds( 0 t ton ) (1-23) n 双极式可逆电路电压方程双极式可逆电路电压方程EtiLRiUdddds(ton t R，因此，因此（1-44）sspcom*nspdbl)(RKKRUUKKIscom*ndblRUUI Shanghai university4. 电流截止负反馈环节参数设计电流截止负反馈环节参数设计 Idbl应小于电机允许的最大电流，一般取应小于电机允许的最大电流，一般取 Idbl =（1.52） IN 从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，

49、一般足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取取 Idcr （1.11.2）INscomdcrRUI/scom*ndblRUUI Shanghai university1.5 反馈控制闭环直流调速系统的反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计动态分析和设计 引入转速负反馈，且放大系数足够引入转速负反馈，且放大系数足够大时，就可以满足系统的稳态性能要求。大时，就可以满足系统的稳态性能要求。然而放大系数太大又可能引起闭环系统然而放大系数太大又可能引起闭环系统不稳定，这时应再增加动态校正措施，不稳定，这时应再增加动态校正措施，才能保证系统的正常工作才能保证系统的正常工作。 此外，还须满足系统的各项

50、动态指此外，还须满足系统的各项动态指标的要求。标的要求。 Shanghai university 为了分析调速系统的稳定性和动态为了分析调速系统的稳定性和动态品质，必须首先建立描述系统动态物理品质，必须首先建立描述系统动态物理规律的数学模型，对于连续的线性定常规律的数学模型，对于连续的线性定常系统，其数学模型是常微分方程，经过系统，其数学模型是常微分方程，经过拉氏变换，可用传递函数和动态结构图拉氏变换，可用传递函数和动态结构图表示。表示。 一。一。 反馈控制闭环直流调速系统的动态反馈控制闭环直流调速系统的动态 数学模型数学模型 Shanghai university建立系统动态数学模型的基本步

51、骤建立系统动态数学模型的基本步骤（1）根据系统中各环节的物理规律，列出）根据系统中各环节的物理规律，列出描述该环节动态过程的微分方程；描述该环节动态过程的微分方程；（2）求出各环节的传递函数；）求出各环节的传递函数；（3）组成系统的动态结构图并求出系统的）组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数。传递函数。 Shanghai university1. 电力电子器件的传递函数电力电子器件的传递函数 构成系统的主要环节是电力电子变换构成系统的主要环节是电力电子变换器和直流电动机。不同电力电子变换器器和直流电动机。不同电力电子变换器的传递函数，它们的表达式是相同的，的传递函数，它们的表达式是相同的，

52、都是都是1)(ssssTKsW(1-45) 只是在不同场合下，参数只是在不同场合下，参数Ks和和Ts的数值不同而的数值不同而已。已。 Shanghai universityTL+-MUd0+-E R LneidM图1-33 他励直流电动机等效电路 2. 直流电动机的传递函数直流电动机的传递函数EtILRIUddddd0(1-46) 动态电压方程为动态电压方程为 电路方程电路方程 Shanghai university 如果忽略粘性磨擦及弹性转矩，电机轴上如果忽略粘性磨擦及弹性转矩，电机轴上的动力学方程为的动力学方程为 (1-47) tnGDTTdd3752Le额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分

53、别为额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为 dmeICT nCEe(1-48) (1-49) Shanghai university式中式中 TL 包括电机空载转矩在内的负载转矩包括电机空载转矩在内的负载转矩(Nm)； GD2 电力拖动系统折算到电机轴上的飞轮电力拖动系统折算到电机轴上的飞轮 惯量惯量(Nm2)； Cm 电机额定励磁下的转矩系数电机额定励磁下的转矩系数(Nm/A)， 。em30CC Shanghai universityTl 电枢回路电磁时间常数电枢回路电磁时间常数(s)， ；Tm电力拖动系统机电时间常数电力拖动系统机电时间常数(s) ， 。RLTlme2m375CCRGDT

54、定义下列时间常数定义下列时间常数 Shanghai university整理后得整理后得)dd(dd0dtITIREUltERTIIddmdLdmLdLCTI(1-50) (1-51) 式中 为负载电流。 n 微分方程微分方程 Shanghai university 在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换， 得电压与电流间的传递函数得电压与电流间的传递函数 11)()()(0ddsTRsEsUsIl电流与电动势间的传递函数电流与电动势间的传递函数 sTRsIsIsEmdLd)()()(1-52) (1-53) n 传递函数传递函数 Shanghai univ

55、ersityn 动态结构框图动态结构框图 Id (s)IdL(s)+-E (s) R Tmsb)电流电动势间的结构框图 式（131）E(s)Ud0(s)+-1/RTl s+1Id (s)a)电压电流间的结构框图 式（130）+图1-34 额定励磁下直流电动机动态结构框图 Shanghai university图1-34c 整个直流电动机的动态的结构框图n(s) 1/CeUd0(s)IdL (s) EId (s)Un+- 1/R Tl s+1 R Tms Shanghai university 直流电动机有两个输入量，一个是施直流电动机有两个输入量，一个是施加在电枢上的理想空载电压，另一个是加在

56、电枢上的理想空载电压，另一个是负载电流。负载电流。 前者是控制输入量，后者是扰动输入前者是控制输入量，后者是扰动输入量。量。 Shanghai universityn(s)Ud0 (s)+-1/Ce TmTl s2+Tms+1IdL (s) R (Tl s+1)n 动态结构图的变换和简化动态结构图的变换和简化a. IdL 0 Shanghai universityn(s)1/Ce TmTl s2+Tms+1Ud0 (s)n 动态结构图的变换和简化动态结构图的变换和简化（续）b. IdL= 0 Shanghai university 直流闭环调速系统中的其他环节还直流闭环调速系统中的其他环节还有

57、比例放大器和测速反馈环节，它们的有比例放大器和测速反馈环节，它们的响应都可以认为是瞬时的，因此它们的响应都可以认为是瞬时的，因此它们的传递函数就是它们的放大系数，即传递函数就是它们的放大系数，即 放大器pnca)()()(KsUsUsW)()()(nfnsnsUsW测速反馈（1-55） （1-54） 3. 控制与检测环节的传递函数控制与检测环节的传递函数 Shanghai university图1-36 反馈控制闭环调速系统的动态结构框图n(s)U*n (s)IdL (s) Uct (s)Un (s)+- KsTss+1KP1/Ce TmTl s2+Tms+1 +-R (Tl s+1)Ud0

58、(s)Un (s)三阶系统4. 闭环调速系统的动态结构框图闭环调速系统的动态结构框图 Shanghai university5. 调速系统的开环传递函数调速系统的开环传递函数 由图可见，反馈控制闭环直流调速系统的开由图可见，反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是环传递函数是 ) 1)(1()(m2mssTsTTsTKsWl式中式中 K = Kp Ks / Ce （1-56） Shanghai university6. 调速系统的闭环传递函数调速系统的闭环传递函数 设设Idl=0，从给定输入作用上看，闭环直流调速，从给定输入作用上看，闭环直流调速系统的闭环传递函数是系统的闭环传递函数是 111

59、)(1)1 () 1)(1(/) 1)(1(/1) 1)(1(/)(sm2sm3smespm2msespm2msespm2msespcsKTTsKTTTsKTTTKCKKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsWllllll（1-57） Shanghai university二。二。 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（1-58） 稳定条件稳定条件0111)(smsmsmKTTTKTTKTTTll或ss

60、ms)1 ()(TTKTTTTll Shanghai university整理后得整理后得 s2ssm)(TTTTTTKll（1-59） 式（式（1-59）右边称作系统的临界放大系数）右边称作系统的临界放大系数 Kcr，当当 K Kcr 时，系统将不稳定。时，系统将不稳定。 对于一个自动控制系统来说，稳定性是它对于一个自动控制系统来说，稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证的。能否正常工作的首要条件，是必须保证的。 Shanghai university 系统稳定性分析举例系统稳定性分析举例例题例题1-5 在例题在例题1-4中，已知中，已知 R = 1.0 ， Ks = 44， Ce =