第1章 开环控制系统

运动控制系统第1篇直流调速系统直流电动机的调速方法改变电枢回路电阻R。减弱励磁磁通Φ。调节电枢电压U。改变电枢回路电阻调速法理想空载转速不变转速降落随电阻的增加而增大额定转速以下调速方法，特性软，有级调速nNnT0n0TNRaRa+Rad1Ra+Rad2n1n2Rad2>Rad1减弱磁通调速法理想空载转速随磁通的减少而增大。转速降落随磁通的减小而增大额定转速以上调速方法，特性软，无级调速nT0n0TNnNN12n01n02调节电枢电压调速法nT0n0TNnNUNU1n’0n1U2n’’0n2U1>U2理想空载转速随U的减少而成比例地降低转速降落与U的大小无关额定转速以下调速方法，特性硬，无级调速三种调速方法之比较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。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。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，转速的稳定性好，能在基速（额定转速）以下实现平滑调速。直流调速系统往往以调压调速为主，只有当转速要达到基速以上时才辅以弱磁调速。问题？为了实现调压调速，必须配备？可控直流电源运动控制系统第1章可控直流电源-电动机系统相控整流器——把交流电源直接转换成可控的直流电源。直流脉宽调制（PWM）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。常用的可控直流电源内容提要1.1相控整流器-电动机调速系统1.2直流PWM变换器-电动机系统

1.3调速系统性能指标1.1相控整流器-电动机（V-M）系统1.1.1相控整流器-电动机系统原理：电位器调节→触发装置的控制电压Uc→α变化→Ud=UdmaxCOSα→n。1.1.2相控整流器-电动机系统的特殊问题1．触发脉冲相位控制触发脉冲的相位角α控制整流电压Ud0的平均值。a=30°u2uaubucOwtOwtOwtuGudwt1三相半波可控整流电路，电阻负载，=30时的波形2．电流脉动及其波形的连续与断续输出电流是脉动电流，交流电源一周内存在的脉波数m与整流电路的形式相关。a=30°u2uaubucOwtOwtOwtuGudwt1三相半波可控整流电路，电阻负载，=30时的波形图1-5V-M系统的电流波形a）电流连续b）电流断续OuaubucaudOiaibicictEUdtOuaubucaudOiaibicicEUdudttudidid(1)电压及电流波形(2)电流波形断续原因①电感较小②负载较轻影响

（1）脉动电流产生脉动转矩，对生产机械不利；（2）脉动电流造成较大的谐波分量，流入电源后对电网不利，同时也增加电机发热。抑制措施（1）增加整流电路的相数。（2）设置平波电抗器。(3)电流脉动的影响及抑制措施(4)平波电抗器的计算单相桥式全控整流电路三相半波整流电路三相桥式整流电路（1-6）（1-8）（1-7）Ud0IdE

R=Rrec+Ra+RL3.等效电路1.1.3相控整流直流调速系统的机械特性及数学模型1.相控整流器－电动机系统的机械特性①改变α，n0改变，但斜率不变。②Id增加，△

n线性增加，

n0不变。（理想空载转速）（转速降）2．晶闸管触发电路和整流装置的数学模型(1)

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

如果不可能实测特性，只好根据装置的参数估算。例如：设触发电路控制电压的调节范围为

Uc=0~10V

相对应的整流电压的变化范围是

Ud=0~220V

可取Ks

=220/10=22（2）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

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。图1－8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环节的输入为阶跃信号1(t)，输出要隔一定时间后才出现响应1(t-Ts)。输入输出关系为：

传递函数为晶闸管触发电路与整流装置的传递函数传递函数的简化近似条件：1.2直流PWM变换器-电动机系统1.2.1直流PWM变换器根据PWM变换器主电路的形式可分为可逆和不可逆两大类。1.简单不可逆PWM变换器UsIdE0tI20i

(t)I10VT导通IdEVT截止0tI20i（t)I100tI20i

(t)I10一个周期内的电流波形电压和电流波形及平均电压平均输出电压

=ton

/T:占空比电机的运行象限：第一象限电流不能反向

改变（0≤

≤1

）即可调节电机的转速. 2.桥式可逆PWM变换器U,i+UstonT0-UsO正向电动运行波形平均输出电压电机的运行象限：第一象限

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(2)反向电动运行

输出波形及平均电压U,iUdEid+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<0.5平均输出电压电机的运行象限：第三象限（3）停转状态正脉冲电压的宽度等于负脉冲的宽度平均输出电压电动机停转。U,i+UstonT0-UsO停转波形电枢两端的瞬时电压和瞬时电流不为零（4）双极式可逆PWM变换器的优点①电流一定连续；②电动机能在四象限运行；③电动机停止时有微振电流，消除了静磨擦死区；

（5）双极式控制方式的不足之处4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，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。1.2.2直流PWM变换器-电动机系统的能量回馈问题图1-13桥式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

对滤波电容充电的结果造成电容两端电压升高，称作“泵升电压”。1.2.3直流PWM调速系统的数学模型及机械特性1、PWM控制与变换器的数学模型（1）动态数学模型

式中，

Ks——PWM控制与变换器的放大系数，

Ts——PWM控制与变换器的延迟时间。（2）PWM装置数学模型的近似当开关频率为10kHz时，滞后时间明显小于相控整流电源。2、PWM调速系统的机械特性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，改变平均输出的电压的大小，可以调节电机的转速。（1）不可逆电路的电压方程式中的R、L分别为电枢电路的电阻和电感

（2）双极式的可逆电路的电压方程

（3）电压平均值方程

平均电压

平均电流电枢电感压降的均值转速

（4）机械特性方程（5）直流PWM调速系统的机械特性1.3调速系统稳态性能指标1.3.1调速范围和静差率1）调速，要求系统能够在指定的范围内的转速上运行。

2）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动。1.调速范围(D)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nminn02nN2Temn01nmaxTNnN10n●●2.静差率（s）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nN

，与理想空载转速n0之比，称作静差率s静差率受两个因素影响：一是转速变化量，二是理想空载转速。0TeNTen0an0bab∆

nNa

∆

nNb

nO3.静差率与机械特性硬度的区别特性越硬，s越

小；(2)硬度相同，n0

越小，s越大。调速系统的静差率指标应以调速范围的最低速时能达到的数值为准。4.D与s的相互约束关系对系统的调速精度要求越高，即要求s越小，则可达到的D必定越小。当要求的D越大时，则所能达到的调速精度就越低，即s越大，所以这是一对矛盾的指标。1.3.2开环调速系统的

机械特性及性能指标图1－17开环调速系统的原理图unitofpowerelectronics1.机械特性方程式

2.稳态结构框图图1-18开环调速系统稳态结构框图3.机械特性0TeNTen0an0bab∆

nN

nO固有机械特性人为机械特性解要求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1-1解当电流连续时，V-M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

这已大大超过了5%的要求。例题1-2最低速时：

如果要求D=20，s

≤

5%由上例可以看出，开环调速系统的额定速降是275r/min，而生产工艺的要求却只有2.63r/min，相差几乎百倍！

（1）对静差率要求越严，即要求s