電力拖動自動控制系統(tǒng)1

1、1電力拖動自動控制系電力拖動自動控制系統(tǒng)統(tǒng)運動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)第第4版版上海大學(xué)上海大學(xué) 阮毅阮毅 陳伯時陳伯時 主編主編2/243先修課程先修課程n自動控制理論自動控制理論n電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)n電機及拖動基礎(chǔ)電機及拖動基礎(chǔ)n單片機原理及應(yīng)用單片機原理及應(yīng)用 3/243第第 1 章章 緒緒 論論n運動控制系統(tǒng)的任務(wù)：運動控制系統(tǒng)的任務(wù)：n通過控制電動機的電壓、電流、頻率，通過控制電動機的電壓、電流、頻率，來改變工作機械的轉(zhuǎn)矩、速度、位移來改變工作機械的轉(zhuǎn)矩、速度、位移等，使所驅(qū)動的工作機械，按照我們等，使所驅(qū)動的工作機械，按照我們期望的要求運行。以滿足生產(chǎn)工藝及期望的要求運行。以滿足

2、生產(chǎn)工藝及其它應(yīng)用的需要。其它應(yīng)用的需要。4/2431.1 運動控制系統(tǒng)的組成運動控制系統(tǒng)的組成n運動控制系統(tǒng)由電動機、功率放大與變運動控制系統(tǒng)由電動機、功率放大與變換裝置、控制器以及相應(yīng)的傳感器組成。換裝置、控制器以及相應(yīng)的傳感器組成。n運動控制系統(tǒng)是多門學(xué)科相互交叉的綜運動控制系統(tǒng)是多門學(xué)科相互交叉的綜合性學(xué)科。合性學(xué)科。 5/243運動控制系統(tǒng)及其組成運動控制系統(tǒng)及其組成 n運動控制系統(tǒng)是多學(xué)科交叉的綜合性學(xué)科。運動控制系統(tǒng)是多學(xué)科交叉的綜合性學(xué)科。 6/243n運動控制的相關(guān)學(xué)科運動控制的相關(guān)學(xué)科 7/243運動控制的相關(guān)學(xué)科運動控制的相關(guān)學(xué)科n現(xiàn)代運動控制技術(shù)已成為電機學(xué)、現(xiàn)代運動控

3、制技術(shù)已成為電機學(xué)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)，計算電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)，計算機控制技術(shù)、控制理論、信號檢測機控制技術(shù)、控制理論、信號檢測與處理技術(shù)等多門學(xué)科相互交叉的與處理技術(shù)等多門學(xué)科相互交叉的綜合性學(xué)科綜合性學(xué)科8/243電動機電動機n電動機是運動控制系統(tǒng)的控制對象電動機是運動控制系統(tǒng)的控制對象n直流電動機直流電動機n交流感應(yīng)電動機交流感應(yīng)電動機n交流同步電動機交流同步電動機9/243功率放大與變換裝置功率放大與變換裝置 n功率放大與變換裝置有電機型、電磁功率放大與變換裝置有電機型、電磁型、電力電子型等，現(xiàn)在多用電力電型、電力電子型等，現(xiàn)在多用電力電子型的。子型的。n電力電子電力電子運

4、動控制系統(tǒng)的物質(zhì)基運動控制系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。礎(chǔ)。10/243功率放大與變換裝置功率放大與變換裝置n電力電子器件電力電子器件發(fā)展歷程：發(fā)展歷程： 半控型半控型全控型；全控型； SCRIGBT、MOSFET、IPM 低頻開關(guān)低頻開關(guān)高頻開關(guān)高頻開關(guān) 分立器件分立器件功率模塊功率模塊 下一代器件：碳化硅下一代器件：碳化硅(SiC) 、氮化鎵、氮化鎵( GaN) 開關(guān)速度、溫度、導(dǎo)通電阻等。開關(guān)速度、溫度、導(dǎo)通電阻等。11/243控制器控制器 n控制器分為模擬控制器和數(shù)字控制器控制器分為模擬控制器和數(shù)字控制器兩類。兩類。n模擬控制器模擬控制器 運算放大器運算放大器n數(shù)字控制器數(shù)字控制器 微處理器微處理器

5、(MCU)12/243信號檢測與處理信號檢測與處理 n運動控制系統(tǒng)，需要檢測的有電壓、電運動控制系統(tǒng)，需要檢測的有電壓、電流、轉(zhuǎn)速、位置、溫度等。這需要相應(yīng)流、轉(zhuǎn)速、位置、溫度等。這需要相應(yīng)的傳感器。的傳感器。n由于控制系統(tǒng)對反饋通道上的擾動無抑由于控制系統(tǒng)對反饋通道上的擾動無抑制能力，所以，這些信號傳感器必須有制能力，所以，這些信號傳感器必須有一定的精度和抗擾能力，才能滿足控制一定的精度和抗擾能力，才能滿足控制系統(tǒng)的要求。系統(tǒng)的要求。 13/243信號檢測與處理信號檢測與處理n信號轉(zhuǎn)換和處理，包括電壓匹配、極性信號轉(zhuǎn)換和處理，包括電壓匹配、極性轉(zhuǎn)換，脈沖整形等轉(zhuǎn)換，脈沖整形等 n檢測信號的濾

6、波檢測信號的濾波n模擬系統(tǒng)常用運算放大器為中心構(gòu)成的模擬系統(tǒng)常用運算放大器為中心構(gòu)成的模擬濾波器模擬濾波器n計算機數(shù)字控制系統(tǒng)常采用模擬濾波電計算機數(shù)字控制系統(tǒng)常采用模擬濾波電路和軟件數(shù)字濾波相結(jié)合的方法。路和軟件數(shù)字濾波相結(jié)合的方法。 14/2431.2運動控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展運動控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展 n1 旋轉(zhuǎn)變流機組旋轉(zhuǎn)變流機組(G-M系統(tǒng)系統(tǒng))(Ward-Leonard系統(tǒng)系統(tǒng))15/243運動控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展運動控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展n2 晶閘管整流器晶閘管整流器-電動機調(diào)速系統(tǒng)電動機調(diào)速系統(tǒng)(V-M系統(tǒng)系統(tǒng))16/243運動控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展運動控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展n3 直流直

7、流PWM變換器變換器-電動機系統(tǒng)電動機系統(tǒng)17/243運動控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展運動控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展n矢量控制理論的提出，微處理器、矢量控制理論的提出，微處理器、電力電子技術(shù)的發(fā)展使得交流調(diào)速電力電子技術(shù)的發(fā)展使得交流調(diào)速系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展，其動態(tài)響系統(tǒng)得到了迅速的發(fā)展，其動態(tài)響應(yīng)可以做到與直流調(diào)速相媲美。應(yīng)可以做到與直流調(diào)速相媲美。n近年來，模糊控制、專家系統(tǒng)和神近年來，模糊控制、專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，使運動控制系統(tǒng)向經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，使運動控制系統(tǒng)向智能化的方向發(fā)展。智能化的方向發(fā)展。18/2431.3 運動控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律運動控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律 n運動控制系統(tǒng)的基本方程式運

8、動控制系統(tǒng)的基本方程式 mmLemKDTTdtdJ mmdtd 19/243運動控制系統(tǒng)的基本方程式運動控制系統(tǒng)的基本方程式n式中式中 J機械轉(zhuǎn)動慣量機械轉(zhuǎn)動慣量(kg.m2)； n m 轉(zhuǎn)子的機械角速度轉(zhuǎn)子的機械角速度(rad/s)；n m轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)角(rad)；n Te電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩(N.m)；n Tl負(fù)載轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N.m)；n D阻轉(zhuǎn)矩阻尼系數(shù)；阻轉(zhuǎn)矩阻尼系數(shù)；n K扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩系數(shù)。扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩系數(shù)。20/243運動控制系統(tǒng)的基本方程式運動控制系統(tǒng)的基本方程式n忽略阻尼轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩，可簡化為忽略阻尼轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩，可簡化為 LemTTdtdJ mmdtd

9、 n采用工程單位制，則采用工程單位制，則nGD2 飛輪力矩飛輪力矩 ，是轉(zhuǎn)動部分的重量與其，是轉(zhuǎn)動部分的重量與其慣性直徑平方的乘積。慣性直徑平方的乘積。LeTTdtdnGD375221/243運動控制系統(tǒng)的基本方程式運動控制系統(tǒng)的基本方程式n式中式中 nGD2 飛輪慣量，也叫飛輪力矩飛輪慣量，也叫飛輪力矩(N.m2)；nGD2與轉(zhuǎn)動慣量的關(guān)系：與轉(zhuǎn)動慣量的關(guān)系： nn轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速(r/min)，。，。gGDDgGmJ42222 260mn 22/243n運動控制系統(tǒng)的任務(wù)就是控制電動機運動控制系統(tǒng)的任務(wù)就是控制電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，對于直線電動機就是的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，對于直線電動機就

10、是控制速度和位移?？刂扑俣群臀灰?。n要控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，唯一的途徑就是要控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，唯一的途徑就是控制電動機的電磁轉(zhuǎn)矩?？刂齐妱訖C的電磁轉(zhuǎn)矩。23/2431.4 生產(chǎn)機械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性生產(chǎn)機械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性n生產(chǎn)機械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩是一個必然存在的不生產(chǎn)機械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩是一個必然存在的不可控制的擾動輸入。其負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性直接可控制的擾動輸入。其負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性直接影響運動控制系統(tǒng)控制方案的選擇和系統(tǒng)影響運動控制系統(tǒng)控制方案的選擇和系統(tǒng)的動態(tài)性能。的動態(tài)性能。n典型的生產(chǎn)機械負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性有：典型的生產(chǎn)機械負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性有：n恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性n恒功率負(fù)載特性恒功率負(fù)載特性n風(fēng)機、泵類負(fù)載特性風(fēng)機、泵

11、類負(fù)載特性24/243生產(chǎn)機械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性生產(chǎn)機械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性n恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性n負(fù)載轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的大小恒定，與轉(zhuǎn)速無關(guān)，稱做恒的大小恒定，與轉(zhuǎn)速無關(guān)，稱做恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩負(fù)載 。25/243生產(chǎn)機械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性生產(chǎn)機械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性n恒功率負(fù)載特性恒功率負(fù)載特性n恒功率負(fù)載特性的特征是負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反恒功率負(fù)載特性的特征是負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，功率為常數(shù)比，功率為常數(shù) mmLLPT 常數(shù)nnPTLL常數(shù) 26026/243生產(chǎn)機械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性生產(chǎn)機械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性n風(fēng)機、泵類負(fù)載特性風(fēng)機、泵類負(fù)載特性n風(fēng)機、泵類的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比風(fēng)機、泵類的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正

12、比 22nTmL 27/243第一篇第一篇 直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)n直流電動機具有良好的起、制動性能，宜直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。泛的應(yīng)用。n近年來，雖然交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展很快，已近年來，雖然交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展很快，已經(jīng)在許多場合取代直流調(diào)速系統(tǒng)，但直流經(jīng)在許多場合取代直流調(diào)速系統(tǒng)，但直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實踐上比較成熟，調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實踐上比較成熟，也也是交流調(diào)速系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。是交流調(diào)速系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。因此，掌握因此，掌握直流

13、調(diào)速系統(tǒng)的基本規(guī)律和控制方法是很直流調(diào)速系統(tǒng)的基本規(guī)律和控制方法是很重要的。重要的。28/243直流電動機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速可表示為直流電動機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速可表示為 n式中式中 n 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速(r/min)；n U電樞電壓電樞電壓(V)；n I電樞電流電樞電流(A)；n R電樞回路總電阻電樞回路總電阻()；n 勵磁磁通勵磁磁通(Wb)n Ke由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)；eKIRUn29/243調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速有三種方法調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速有三種方法 n1) 調(diào)節(jié)電樞供電電壓調(diào)節(jié)電樞供電電壓Un2) 減弱勵磁磁通減弱勵磁磁通n3) 改變電樞回路電阻改變電樞回路電阻Rn對于一定范圍內(nèi)無級平

14、滑調(diào)速的系對于一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式最好。式最好。 30/243第二章第二章 轉(zhuǎn)速反饋控制的直轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)流調(diào)速系統(tǒng)n主要內(nèi)容主要內(nèi)容n直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源n穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)和機械特性穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)和機械特性n轉(zhuǎn)速反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)n直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制n轉(zhuǎn)速反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)的限流保護(hù)轉(zhuǎn)速反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)的限流保護(hù)31/2432.1 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源n 對直流電動機調(diào)壓調(diào)速可以獲得良好的對直流

15、電動機調(diào)壓調(diào)速可以獲得良好的調(diào)速性能。調(diào)速性能。n調(diào)節(jié)電樞供電電壓，先要解決可控直流調(diào)節(jié)電樞供電電壓，先要解決可控直流電源的問題。電源的問題。n隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，近代直流調(diào)隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，近代直流調(diào)速系統(tǒng)常使用以電力電子器件組成的靜速系統(tǒng)常使用以電力電子器件組成的靜止式可控直流電源作為電動機的供電電止式可控直流電源作為電動機的供電電源。源。 32/243n上世紀(jì)上世紀(jì)(二十世紀(jì)二十世紀(jì))60年代起得到廣泛應(yīng)年代起得到廣泛應(yīng)用的是晶閘管整流器用的是晶閘管整流器電動機系統(tǒng)電動機系統(tǒng)(簡簡稱稱V-M系統(tǒng)系統(tǒng))。n用全控型電力電子器件的直流用全控型電力電子器件的直流PWM變換變換器器電動

16、機系統(tǒng)，已經(jīng)越來越多地取電動機系統(tǒng)，已經(jīng)越來越多地取代了晶閘管整流器代了晶閘管整流器電動機系統(tǒng)。電動機系統(tǒng)。 33/2432.1.1晶閘管整流器晶閘管整流器電動機系統(tǒng)電動機系統(tǒng) n晶閘管晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)，系統(tǒng)，又稱靜止的又稱靜止的Ward-Leonard系統(tǒng)）系統(tǒng)） 34/243n通過調(diào)節(jié)控制電壓通過調(diào)節(jié)控制電壓 Uc 來移動觸發(fā)脈沖的來移動觸發(fā)脈沖的相位，可改變整流電壓相位，可改變整流電壓Ud ，從而實現(xiàn)平，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速?；{(diào)速。 n此整流器的放大倍數(shù)可達(dá)此整流器的放大倍數(shù)可達(dá)104以上，響應(yīng)以上，響應(yīng)時間為毫秒級。時間為毫秒級。n理想情況下，理

17、想情況下， Uc和和Ud之間呈線性關(guān)系：之間呈線性關(guān)系：35/243n式中式中 Ud平均整流電壓；平均整流電壓；n Uc控制電壓；控制電壓；n Ks晶閘管整流器放大倍數(shù)晶閘管整流器放大倍數(shù)。csdUKU 36/2431 觸發(fā)脈沖相位控制觸發(fā)脈沖相位控制n調(diào)節(jié)控制電壓調(diào)節(jié)控制電壓Uc ，可以移動觸發(fā)裝置，可以移動觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，可改變可控整流器輸出脈沖的相位，可改變可控整流器VT輸出瞬時電壓輸出瞬時電壓ud的波形，以及輸出平均的波形，以及輸出平均電壓電壓Ud的數(shù)值。如果把整流裝置內(nèi)阻移的數(shù)值。如果把整流裝置內(nèi)阻移到裝置外邊，看成是其負(fù)載電路電阻的到裝置外邊，看成是其負(fù)載電路電阻的一部

18、分。整流電壓可以用其理想空載值一部分。整流電壓可以用其理想空載值和平均值表示。這時瞬時電壓平衡方程和平均值表示。這時瞬時電壓平衡方程式為式為37/243n式中式中 E電動機反電動勢電動機反電動勢(V)；n id整流電流瞬時值整流電流瞬時值(A)；n L主電路總電感主電路總電感(H)；n R主電路總電阻主電路總電阻()；R=Rrec+Ra+RLn Rrec整流裝置內(nèi)阻整流裝置內(nèi)阻()，包括整流器內(nèi)，包括整流器內(nèi)部的電阻、整流器件正向壓降所對應(yīng)的電阻、部的電阻、整流器件正向壓降所對應(yīng)的電阻、整流變壓器漏抗換相壓降相應(yīng)的電阻；整流變壓器漏抗換相壓降相應(yīng)的電阻；n Ra電動機電樞電阻電動機電樞電阻()

19、；n RL平波電抗器電阻平波電抗器電阻()；dtdiLRiEuddd038/243V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖系統(tǒng)主電路的等效電路圖39/243理想空載整流電壓的平均值理想空載整流電壓的平均值n兩個自然換相點之間的時間為一個周期，對兩個自然換相點之間的時間為一個周期，對ud0進(jìn)行積分，取平均值進(jìn)行積分，取平均值(全控整流電路全控整流電路) cossin0mUmUmdn式中式中 n 從自然換相點算起的觸發(fā)脈沖延遲角；從自然換相點算起的觸發(fā)脈沖延遲角；n Um=0時的整流電壓波形峰值；時的整流電壓波形峰值；n m交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈沖數(shù)；交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈沖數(shù)；40/243當(dāng)電流波形

20、連續(xù)時，不同整流電路的整當(dāng)電流波形連續(xù)時，不同整流電路的整流電壓波峰值、脈沖數(shù)及平均整流電壓流電壓波峰值、脈沖數(shù)及平均整流電壓 整流電路整流電路單相全波單相全波三相半波三相半波三相全波三相全波UmM236Udo22U22U26Ucos9 . 02Ucos17. 12Ucos34. 22UU2為整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值為整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值 41/2432 電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)n帶帶R-L-E負(fù)載的單相全橋式可控整流電路負(fù)載的單相全橋式可控整流電路的輸出電壓和電流波形的輸出電壓和電流波形 42/243n只有在整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的

21、瞬只有在整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的瞬時值時值u2大于反電動勢大于反電動勢E時，晶閘管才有可能時，晶閘管才有可能被觸發(fā)導(dǎo)通。導(dǎo)通后如果被觸發(fā)導(dǎo)通。導(dǎo)通后如果u2降低到降低到E以下，以下，靠電感作用可以維持電流靠電感作用可以維持電流id繼續(xù)流通。由于繼續(xù)流通。由于電壓波形脈動，造成了電流波形的脈動。電壓波形脈動，造成了電流波形的脈動。 n脈動的電流波形使脈動的電流波形使V-M系統(tǒng)主電路可能出現(xiàn)系統(tǒng)主電路可能出現(xiàn)電流連續(xù)和電流脈動兩種情況。電流連續(xù)和電流脈動兩種情況。 43/243 V-M系統(tǒng)電流連續(xù)時的波形系統(tǒng)電流連續(xù)時的波形 44/243 V-M系統(tǒng)電流斷續(xù)時的波形系統(tǒng)電流斷續(xù)時的波形 45/

22、243n在在V-M系統(tǒng)中，脈動電流會增加電動機系統(tǒng)中，脈動電流會增加電動機的發(fā)熱，同時也產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，對生產(chǎn)的發(fā)熱，同時也產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，對生產(chǎn)機械不利。此外，電流波形的斷續(xù)給用機械不利。此外，電流波形的斷續(xù)給用平均值描述的系統(tǒng)帶來一種非線性的因平均值描述的系統(tǒng)帶來一種非線性的因素，也引起機械特性的非線性，影響系素，也引起機械特性的非線性，影響系統(tǒng)的運行性能。因此，實際應(yīng)用中希望統(tǒng)的運行性能。因此，實際應(yīng)用中希望盡量避免發(fā)生電流斷續(xù)。盡量避免發(fā)生電流斷續(xù)。46/243抑制電流脈動的措施抑制電流脈動的措施n為了避免或減輕電流脈動的影響，需采為了避免或減輕電流脈動的影響，需采用抑制電流脈動的措施，主

23、要有：用抑制電流脈動的措施，主要有：n1) 增加整流電路相數(shù)，或采用多重化技增加整流電路相數(shù)，或采用多重化技術(shù)；術(shù)；n2) 設(shè)置電感量足夠大的平波電抗器。設(shè)置電感量足夠大的平波電抗器。47/243平波電抗器的電感量選擇平波電抗器的電感量選擇 n一般按低速輕載時保證電流連續(xù)的條件一般按低速輕載時保證電流連續(xù)的條件來選擇。計算出所需的總電感量來選擇。計算出所需的總電感量(以以mH為單位為單位)，減去電樞電感，即得平波電抗，減去電樞電感，即得平波電抗器應(yīng)有的電感值器應(yīng)有的電感值 n對于三相橋式整流電路對于三相橋式整流電路 min2693. 0dIUL 48/243n對于三相半波整流電路對于三相半波整

24、流電路n對于單相橋式全波整流電路對于單相橋式全波整流電路min246. 1dIUL min287. 2dIUL n一般取一般取Idmin為電動機額定電流的為電動機額定電流的5%10%49/2433 晶閘管整流器晶閘管整流器-電動機系統(tǒng)的機械特性電動機系統(tǒng)的機械特性n當(dāng)電流連續(xù)時，當(dāng)電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的機械特性方程式為系統(tǒng)的機械特性方程式為 RIUCndde01n式中式中 Ce電動機在額定磁通下的電動勢系電動機在額定磁通下的電動勢系數(shù)，數(shù)，NeeKC50/243n整流電壓的平均值整流電壓的平均值Ud0=f()cossin0mUmUmdn改變觸發(fā)延遲角可得到不同的，相應(yīng)的改變觸發(fā)延遲角可得到不

25、同的，相應(yīng)的機械特性曲線為一族平行的直線機械特性曲線為一族平行的直線 51/243n當(dāng)電流斷續(xù)時，由于非線性因素，機械特當(dāng)電流斷續(xù)時，由于非線性因素，機械特性方程要復(fù)雜得多性方程要復(fù)雜得多 n右圖為完整的右圖為完整的V-M系統(tǒng)機械特性。系統(tǒng)機械特性。包含了整流狀態(tài)包含了整流狀態(tài)和逆變狀態(tài)、電和逆變狀態(tài)、電流連續(xù)區(qū)和電流流連續(xù)區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)斷續(xù)區(qū) 52/243n當(dāng)電流連續(xù)時，特性比較硬；當(dāng)電流連續(xù)時，特性比較硬；n當(dāng)電流斷續(xù)時，特性很軟，呈顯著的非當(dāng)電流斷續(xù)時，特性很軟，呈顯著的非線性上翹，使得理想空載轉(zhuǎn)速很高。線性上翹，使得理想空載轉(zhuǎn)速很高。53/2434 晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放晶閘管觸發(fā)和

26、整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)大系數(shù)和傳遞函數(shù)n把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當(dāng)作調(diào)速系統(tǒng)把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當(dāng)作調(diào)速系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)來看待。在分析或設(shè)計時，中的一個環(huán)節(jié)來看待。在分析或設(shè)計時，須事先求出這個環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和傳遞須事先求出這個環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。函數(shù)。n希望系統(tǒng)中的環(huán)節(jié)都是線性環(huán)節(jié)。希望系統(tǒng)中的環(huán)節(jié)都是線性環(huán)節(jié)。n實際的觸發(fā)電路和整流電路都是非線性實際的觸發(fā)電路和整流電路都是非線性的，只能在一定的工作范圍內(nèi)近似看成的，只能在一定的工作范圍內(nèi)近似看成是線性環(huán)節(jié)。是線性環(huán)節(jié)。 54/243采用鋸齒波觸發(fā)器移相時的采用鋸齒波觸發(fā)器移相時的Ud=f(Uc)特性特性的實測曲線的實測曲線 n

27、晶閘管觸發(fā)和晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放整流裝置的放大系數(shù)大系數(shù) cdsUUK55/243n如果不可能實測特性，只好根據(jù)裝置的如果不可能實測特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。例如，當(dāng)觸發(fā)電路控制電壓參數(shù)估算。例如，當(dāng)觸發(fā)電路控制電壓Uc的調(diào)節(jié)范圍是的調(diào)節(jié)范圍是0-10V，對應(yīng)的整流輸出，對應(yīng)的整流輸出電壓電壓Ud的變化范圍是的變化范圍是0-220V時，可取時，可取Ks=220/10=22。n以上是穩(wěn)態(tài)時的放大系數(shù)，在考慮動態(tài)以上是穩(wěn)態(tài)時的放大系數(shù)，在考慮動態(tài)過程時，過程時，可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置看可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置看成是一個純滯后環(huán)節(jié)，成是一個純滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應(yīng)是由其滯后效應(yīng)是由晶閘管的失

28、控時間引起的。晶閘管的失控時間引起的。56/243晶閘管觸發(fā)與整流裝置的晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時間失控時間 57/243n失控時間是隨機的，最大可能的失控時間失控時間是隨機的，最大可能的失控時間就是兩個相鄰自然換相點之間的時間，與就是兩個相鄰自然換相點之間的時間，與交流電源頻率和整流電路形式有關(guān)交流電源頻率和整流電路形式有關(guān) n式中式中 f交流電源頻率交流電源頻率(Hz)；n m一個交流電源周期內(nèi)整流電一個交流電源周期內(nèi)整流電壓的脈波數(shù)。壓的脈波數(shù)。mfTs1max58/243n在實際計算中，一般采用平均失控時間在實際計算中，一般采用平均失控時間 n如果考慮最嚴(yán)重情況，則取如果考慮最嚴(yán)重情

29、況，則取Ts=Tsmax。n下表列出了不同整流電路的失控時間。下表列出了不同整流電路的失控時間。 max21ssTT 59/243n用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入發(fā)與整流裝置的輸入-輸出關(guān)系為：輸出關(guān)系為：scsdTtUKU10n用拉氏變換的位移定理，晶閘管裝置的用拉氏變換的位移定理，晶閘管裝置的傳遞函數(shù)為：傳遞函數(shù)為： sTscdsseKsUsUsW060/243n此傳遞函數(shù)中包含指數(shù)函數(shù)，系統(tǒng)為非最此傳遞函數(shù)中包含指數(shù)函數(shù)，系統(tǒng)為非最小相位系統(tǒng)，分析和設(shè)計都比較麻煩。小相位系統(tǒng)，分析和設(shè)計都比較麻煩。n為了簡化，先將該指數(shù)函數(shù)按泰勒級

30、數(shù)展為了簡化，先將該指數(shù)函數(shù)按泰勒級數(shù)展開開n忽略高次項，把整流裝置近似成一階慣忽略高次項，把整流裝置近似成一階慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為 3322! 31! 211sTsTsTKeKeKsWsssssTssTssss sTKsWsss161/243n晶閘管裝置的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖晶閘管裝置的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 n在電流連續(xù)的條件下，可以把晶閘管觸在電流連續(xù)的條件下，可以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置看作一階慣性環(huán)節(jié)，從而發(fā)和整流裝置看作一階慣性環(huán)節(jié)，從而可以應(yīng)用線性控制理論來進(jìn)行分析和設(shè)可以應(yīng)用線性控制理論來進(jìn)行分析和設(shè)計。計。 62/2435 晶閘管整流器運行中存在的問題晶閘管整流器運行中存在的問

31、題n晶閘管是單向?qū)щ姷木чl管是單向?qū)щ姷?，使電動機可逆運，使電動機可逆運行裝置復(fù)雜。行裝置復(fù)雜。 n晶閘管對過電壓、過電流和過高的電壓晶閘管對過電壓、過電流和過高的電壓變化率變化率du/dt和過高的電流變化率和過高的電流變化率di/dt都都很敏感很敏感 。n晶閘管的導(dǎo)通角很小時，產(chǎn)生較大的諧晶閘管的導(dǎo)通角很小時，產(chǎn)生較大的諧波電流，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)變差，波電流，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)變差， 成成為電力系統(tǒng)的公害。為電力系統(tǒng)的公害。63/2432.1.2 直流直流PWM變換器變換器電動機系統(tǒng)電動機系統(tǒng)n自從全控型電力電子器件問世以后，就自從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制（出

32、現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）的高）的高頻開關(guān)控制方式，形成了頻開關(guān)控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換脈寬調(diào)制變換器器-直流電動機調(diào)速系統(tǒng)直流電動機調(diào)速系統(tǒng)。n簡稱簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，即，即直流直流PWM調(diào)調(diào)速系統(tǒng)速系統(tǒng) 。64/243與與V-M系統(tǒng)相比直流系統(tǒng)相比直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越性調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越性n1) 主電路簡單；主電路簡單；n2) 開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)；開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)；n3) 低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬；低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬；n4) 若與快速響應(yīng)的電機配合，則系統(tǒng)頻帶寬、若與快速響應(yīng)的電機配合，則系統(tǒng)頻帶寬、動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力

33、強；動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強；n5) 電力電子開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，裝置效電力電子開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，裝置效率較高；率較高；n6) 直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。相控整流器高。65/2431 PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形流波形 nPWM變換器的作用是：用脈寬調(diào)制的方變換器的作用是：用脈寬調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定，寬度可變的脈沖電壓序列，從而一定，寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變輸出平均電壓的大小，以調(diào)節(jié)可以改變輸出平均電壓的大小，以

34、調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速。電動機轉(zhuǎn)速。66/243n簡單不可逆簡單不可逆PWM變換器變換器-直流電動機系直流電動機系統(tǒng)主電路原理統(tǒng)主電路原理圖圖67/243n直流電動機電樞兩端平均電壓為直流電動機電樞兩端平均電壓為 改變占空比改變占空比，可實現(xiàn)電動機的調(diào)壓調(diào)速。，可實現(xiàn)電動機的調(diào)壓調(diào)速。ssondUUTtU若令若令=Ud /Us為為PWM電壓系數(shù)，電壓系數(shù)，則在不可逆則在不可逆PWM變換器中變換器中68/243n由于由于PWM變換器的開關(guān)頻率高，電樞電變換器的開關(guān)頻率高，電樞電流流id=f(t)脈動的幅值不大，其平均值等于脈動的幅值不大，其平均值等于負(fù)載電流負(fù)載電流n再影響到轉(zhuǎn)速和反電動勢，其波動就更再

35、影響到轉(zhuǎn)速和反電動勢，其波動就更小，可以忽略不計。小，可以忽略不計。 mLdLCTI69/243n以上為簡單的不可逆以上為簡單的不可逆PWM變換器變換器-直流直流電動機系統(tǒng)，電流不能反向。電動機系統(tǒng)，電流不能反向。n續(xù)流二極管的作用只是為電樞電流續(xù)流二極管的作用只是為電樞電流id提供提供一個續(xù)流通道。一個續(xù)流通道。n如果要實現(xiàn)電動機比較快的制動，必須如果要實現(xiàn)電動機比較快的制動，必須為其提供反向電流通道。為其提供反向電流通道。 70/243有制動電流通路的不可逆系統(tǒng)有制動電流通路的不可逆系統(tǒng) 71/243n上圖是不可逆的，是因為加在電機兩端上圖是不可逆的，是因為加在電機兩端的平均電壓始終為正。

36、電流雖然能夠反的平均電壓始終為正。電流雖然能夠反向，但向，但電壓和轉(zhuǎn)速仍然不能反向電壓和轉(zhuǎn)速仍然不能反向。 n能轉(zhuǎn)速反向的系統(tǒng)，為能轉(zhuǎn)速反向的系統(tǒng)，為可逆系統(tǒng)可逆系統(tǒng)，其中，其中最常用的是橋式可逆最常用的是橋式可逆PWM變換器。變換器。 72/243 2 直流直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機械特性調(diào)速系統(tǒng)的機械特性 n對于帶制動電流通路的不可逆電路，電壓對于帶制動電流通路的不可逆電路，電壓平衡方程式為平衡方程式為 n式中式中 、R、L電樞電路的電阻和電感。電樞電路的電阻和電感。)(0)0(TttEdtdiLRittEdtdiLRiUonddondds73/243機械特性方程式機械特性方程式 n按電壓方程

37、求一個周期的平均值按電壓方程求一個周期的平均值n機械特性方程式為機械特性方程式為 nCRIERIUeddssdUUeCEn ddsIRnIRUne0eeCCC74/243用轉(zhuǎn)矩表示的機械特性方程式用轉(zhuǎn)矩表示的機械特性方程式 n式中式中 Cm電動機在額定磁通下的轉(zhuǎn)電動機在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，；矩系數(shù)，；nn0理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比，正比，eesTRnTRUnme0meeCCCCCNmmKCe0CsUndmeICT 75/243n對于帶制動作用的不可逆電路，對于帶制動作用的不可逆電路，n機械特性位于第機械特性位于第I、II象限。象限。 1076/243n對于電動

38、機在同一方向旋轉(zhuǎn)時電流不對于電動機在同一方向旋轉(zhuǎn)時電流不能反向的電路，輕載時會出現(xiàn)電流斷能反向的電路，輕載時會出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象，機械特性要復(fù)雜得多。續(xù)現(xiàn)象，機械特性要復(fù)雜得多。 77/24378/2433 PWM控制器與變換器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型控制器與變換器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 nPWM控制器和變換器的框圖，數(shù)學(xué)模型與控制器和變換器的框圖，數(shù)學(xué)模型與晶閘管整流裝置一致晶閘管整流裝置一致 nPWM變換器輸出平均電壓變換器輸出平均電壓Ud按線性規(guī)律變化，按線性規(guī)律變化，但其響應(yīng)會有延遲，最大的時延是一個開關(guān)周但其響應(yīng)會有延遲，最大的時延是一個開關(guān)周期期T 。 Uc Ud Ug 是是PWM脈沖。脈沖。79/2

39、43nPWM控制器和變換器也可看作一個滯控制器和變換器也可看作一個滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為 n式中式中 KsPWM裝置的放大系數(shù)；裝置的放大系數(shù)；n Ts PWM裝置的延遲時間，裝置的延遲時間， n Ts4Tl，則，則Ud0n間的傳遞函數(shù)可以分解間的傳遞函數(shù)可以分解成兩個慣性環(huán)節(jié)，突加給定時，轉(zhuǎn)速呈單成兩個慣性環(huán)節(jié)，突加給定時，轉(zhuǎn)速呈單調(diào)變化；調(diào)變化；n若，若，Tm0，在，在UcUcm的的情況下，積分調(diào)節(jié)器的輸出就一直增長，情況下，積分調(diào)節(jié)器的輸出就一直增長，只有達(dá)到只有達(dá)到un=0時，時，Uc才停止增長。才停止增長。n特別強調(diào)的是特別強調(diào)的是，當(dāng)當(dāng)un=0時，時，Uc并不是

40、零，并不是零，而是一個終值而是一個終值Ucf，如果，如果un不再變化，這不再變化，這個終值便保持恒定而不再變化，個終值便保持恒定而不再變化，這是積分這是積分控制不同于比例控制的特點控制不同于比例控制的特點。n正因為如此。積分控制可以使系統(tǒng)在無靜正因為如此。積分控制可以使系統(tǒng)在無靜差的情況下運行，實現(xiàn)差的情況下運行，實現(xiàn)無靜差調(diào)速無靜差調(diào)速。 159/243n積分控制無靜積分控制無靜差調(diào)速系統(tǒng)突差調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載時的動加負(fù)載時的動態(tài)過程態(tài)過程 160/243n轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)除了給定輸入量轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)除了給定輸入量Un*以外，以外，還存在一個擾動量還存在一個擾動量IdL。n假定系統(tǒng)已進(jìn)入穩(wěn)定

41、運行。突加負(fù)載引起假定系統(tǒng)已進(jìn)入穩(wěn)定運行。突加負(fù)載引起動態(tài)速降時，產(chǎn)生動態(tài)速降時，產(chǎn)生un，Uc從從Uc1不斷上升，不斷上升，使電樞電壓也由不斷上升，使轉(zhuǎn)速在下降使電樞電壓也由不斷上升，使轉(zhuǎn)速在下降到一定程度后又回升。達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時，到一定程度后又回升。達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時，un又恢復(fù)為零，但又恢復(fù)為零，但Uc已從已從Uc1上升到上升到Uc2，使電樞電壓由使電樞電壓由Ud1上升到上升到Ud2，以克服負(fù)載，以克服負(fù)載電流增加的壓降。電流增加的壓降。n在這里，在這里，Uc的改變并非僅僅依靠的改變并非僅僅依靠un本身，本身，而是依靠而是依靠un在一段時間的積累。在一段時間的積累。161/243n綜上，得出

42、結(jié)論：綜上，得出結(jié)論：比例調(diào)節(jié)器的輸出比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差的現(xiàn)狀，而積分調(diào)只取決于輸入偏差的現(xiàn)狀，而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。部歷史。這是比例控制規(guī)律與積分控這是比例控制規(guī)律與積分控制規(guī)律的根本區(qū)別。制規(guī)律的根本區(qū)別。162/243n2 比例積分控制規(guī)律比例積分控制規(guī)律n以上突出表明了積分控制優(yōu)于比例控制的以上突出表明了積分控制優(yōu)于比例控制的地方，但是，在控制的快速性上，積分控地方，但是，在控制的快速性上，積分控制不如比例控制。在階躍輸入的作用下，制不如比例控制。在階躍輸入的作用下，比例調(diào)節(jié)器可以立即響應(yīng)，而積分調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)器可

43、以立即響應(yīng)，而積分調(diào)節(jié)器的輸出只能逐漸變化。的輸出只能逐漸變化。n如果既要穩(wěn)態(tài)精度高，又要動態(tài)響應(yīng)快，如果既要穩(wěn)態(tài)精度高，又要動態(tài)響應(yīng)快，就要把比例積分兩種作用結(jié)合起來，這就就要把比例積分兩種作用結(jié)合起來，這就是比例積分是比例積分(PI)控制?？刂?。 163/243n比例積分調(diào)節(jié)器比例積分調(diào)節(jié)器(PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器)的輸出由比例和的輸出由比例和積分兩部分疊加而成積分兩部分疊加而成 nUin表示表示PI調(diào)節(jié)器的輸入，調(diào)節(jié)器的輸入，Uex表示表示PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器的輸出。其傳遞函數(shù)為的輸出。其傳遞函數(shù)為 tininpexdtUUKU01 ssKsKsWPPPI 11 n式中式中 KpPI調(diào)節(jié)器的比例放

44、大系數(shù)；調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)；n PI調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)。調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)。164/243n令令1=Kp，則，則PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)也調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)也可寫成可寫成n表明。表明。PI調(diào)節(jié)器也可以用積分和比例微分調(diào)節(jié)器也可以用積分和比例微分兩個環(huán)節(jié)表示，其中兩個環(huán)節(jié)表示，其中1 是微分項中的超前是微分項中的超前時間常數(shù)。時間常數(shù)。 ssKsWPPI111 165/243n比例積分比例積分(PI)調(diào)節(jié)器線路圖調(diào)節(jié)器線路圖(模擬控制模擬控制) 166/243n采用模擬控制時，可用運算放大器來實現(xiàn)采用模擬控制時，可用運算放大器來實現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器的輸入極性調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器的輸入極性Uin與輸出

45、極與輸出極性性Uex是反相的；是反相的；Rbal為運算放大器同相輸為運算放大器同相輸入的平衡電阻，一般取反相輸入端各電路入的平衡電阻，一般取反相輸入端各電路電阻的并聯(lián)值，按照運算放大器的輸入電阻的并聯(lián)值，按照運算放大器的輸入-輸輸出關(guān)系，可得出關(guān)系，可得 dtUUKdtUCRURRUininpininex 111001n式中式中 01RRKp 10CR 167/243nPI調(diào)節(jié)器在調(diào)節(jié)器在Uin為方為方波輸入時的輸出特波輸入時的輸出特性性 n當(dāng)當(dāng)t=0時，突加輸時，突加輸入入Uin，輸出量立，輸出量立即響應(yīng)；隨后按積即響應(yīng)；隨后按積分規(guī)律增長分規(guī)律增長 ininpexUtUKtU n在在t=t

46、1時時 0 inUinexUtU 1 ， 168/243n可見，比例積分控制相互補充，綜合可見，比例積分控制相互補充，綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點，又克服了各自的缺點。點，又克服了各自的缺點。n比例部分能快速響應(yīng)控制作用，積分比例部分能快速響應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)誤差。部分則最終消除穩(wěn)態(tài)誤差。 169/243n在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，負(fù)載擾動引起輸入偏負(fù)載擾動引起輸入偏差電壓差電壓Un的變化。的變化。n設(shè)設(shè)Un的波形如圖所的波形如圖所示，則輸出波形中比示，則輸出波形中比例部分和例部分和Un成正成正比，積分部分是比，積分部分是Un

47、的積分曲線，而的積分曲線，而PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓調(diào)節(jié)器的輸出電壓是這兩部分的和，即是這兩部分的和，即+。170/243n可見，比例積分調(diào)節(jié)器既具有快速響應(yīng)性，可見，比例積分調(diào)節(jié)器既具有快速響應(yīng)性，又足以消除調(diào)速系統(tǒng)的靜差。又足以消除調(diào)速系統(tǒng)的靜差。n除此之外，比例積分調(diào)節(jié)器還是提高系統(tǒng)除此之外，比例積分調(diào)節(jié)器還是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的校正裝置，因此，它在調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定性的校正裝置，因此，它在調(diào)速系統(tǒng)和其它控制系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。和其它控制系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。 171/243n在設(shè)計在設(shè)計PI調(diào)節(jié)器時，如何選擇參數(shù)調(diào)節(jié)器時，如何選擇參數(shù)Kp和和1，是一個關(guān)鍵問題。是一個關(guān)鍵問題。n在自動控制理論

48、中提出很多在自動控制理論中提出很多PI調(diào)節(jié)器的設(shè)調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法，如根軌跡法、頻率法等。計方法，如根軌跡法、頻率法等。n其關(guān)鍵之處在于既要求系統(tǒng)的其關(guān)鍵之處在于既要求系統(tǒng)的穩(wěn)定性穩(wěn)定性好，好，又要求系統(tǒng)的又要求系統(tǒng)的快速性快速性好，同時還要求好，同時還要求穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)精度精度高和高和抗干擾性能抗干擾性能好。這些指標(biāo)都是相好。這些指標(biāo)都是相互矛盾的，在設(shè)計時要平衡這些矛盾，折互矛盾的，在設(shè)計時要平衡這些矛盾，折中選取參數(shù)。中選取參數(shù)。 172/2432.3.4 直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析n對于穩(wěn)定系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)誤差是衡量系統(tǒng)對于穩(wěn)定系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)誤差是衡量系統(tǒng)穩(wěn)定性能的指標(biāo)，它根據(jù)

49、對典型信號穩(wěn)定性能的指標(biāo)，它根據(jù)對典型信號的控制誤差來表征系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確度的控制誤差來表征系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確度和抑制干擾的能力。和抑制干擾的能力。 173/243n直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖n圖中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器用圖中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器用ASR來表示，它可以來表示，它可以是比例調(diào)節(jié)器、積分調(diào)節(jié)器或比例積分調(diào)是比例調(diào)節(jié)器、積分調(diào)節(jié)器或比例積分調(diào)節(jié)器。節(jié)器。 174/243n使用比例調(diào)節(jié)器時，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)使用比例調(diào)節(jié)器時，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù) 112 sTsTTsTKsUsUsWmlmsnnn式中式中 espCKKK n使用積分調(diào)節(jié)器時，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)使用積分調(diào)節(jié)器時，系統(tǒng)的開環(huán)傳

50、遞函數(shù)n式中式中 112 sTsTTsTsKsUsUsWmlmsnnesCKK 175/243n使用比例積分調(diào)節(jié)器時，系統(tǒng)的開環(huán)使用比例積分調(diào)節(jié)器時，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)n式中式中 esCKK 1112 sTsTTsTssKKsUsUsWmlmspnn 176/243n根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)中積分環(huán)節(jié)的數(shù)目，根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)中積分環(huán)節(jié)的數(shù)目，劃分了控制系統(tǒng)的類型，比例控制的調(diào)速劃分了控制系統(tǒng)的類型，比例控制的調(diào)速系統(tǒng)是系統(tǒng)是0型系統(tǒng)型系統(tǒng)，而積分控制、比例積分控，而積分控制、比例積分控制的調(diào)速系統(tǒng)是制的調(diào)速系統(tǒng)是I型系統(tǒng)型系統(tǒng)。n穩(wěn)態(tài)誤差定義為輸入量和反饋量的差值。穩(wěn)態(tài)誤差定義為輸入量

51、和反饋量的差值。 tUtUtUnnn *n衡量系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確度的是系統(tǒng)對給定輸衡量系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確度的是系統(tǒng)對給定輸入入Un*的的跟隨能力跟隨能力；衡量系統(tǒng)抑制干擾能力；衡量系統(tǒng)抑制干擾能力的是系統(tǒng)抑制負(fù)載電流的是系統(tǒng)抑制負(fù)載電流IdL的的抗擾能力抗擾能力。 177/2431 階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差n使用比例調(diào)節(jié)器時，系統(tǒng)的誤差使用比例調(diào)節(jié)器時，系統(tǒng)的誤差 11112* sTsTTsTKsUsUmlmsnnn式中式中 espCKKK n在分析階躍給定輸入穩(wěn)態(tài)誤差時，令在分析階躍給定輸入穩(wěn)態(tài)誤差時，令 0 sIdL178/243n使用積分調(diào)節(jié)器時，系統(tǒng)的誤差使用積分調(diào)節(jié)器時，

52、系統(tǒng)的誤差 n式中式中 esCKK n使用比例積分調(diào)節(jié)器時，系統(tǒng)的誤差使用比例積分調(diào)節(jié)器時，系統(tǒng)的誤差 n式中式中 esCKK 11112* sTsTTsTsKsUsUmlmsnn 111112* sTsTTsTssKKsUsUmlmspnn 179/243拉氏變換終值定理拉氏變換終值定理n設(shè)設(shè)Lf(t)=F(s)，并且，并且 ssFftfst0limlimn即即原函數(shù)原函數(shù)的終值等于的終值等于s乘以乘以象函數(shù)象函數(shù)的初值。的初值。 這一定理對于求這一定理對于求瞬態(tài)響應(yīng)瞬態(tài)響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值是很有用的穩(wěn)態(tài)值是很有用的。的。 存在，則存在，則 tftlim180/243n在階躍給定輸入時在階躍給定輸入

53、時 n對穩(wěn)定系統(tǒng)，可以用終值定理求對穩(wěn)定系統(tǒng)，可以用終值定理求t時的時的誤差誤差Un。 sUsUnn* n使用比例調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)，在階躍給定使用比例調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)，在階躍給定輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差 KUsTsTTsTKsUssUsUnnmlmssnsn 11111limlim*2*00181/243n使用積分調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)，在階躍給定使用積分調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)，在階躍給定輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差 01111limlim2*00 sTsTTsTsKsUssUsUmlmssnsnnn使用比例積分調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)，在階躍使用比例積分調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)，在階躍給定輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差給

54、定輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差 011111limlim2*00 sTsTTsTssKKsUssUsUmlmspsnsnn 182/243n在系統(tǒng)穩(wěn)定情況下，在系統(tǒng)穩(wěn)定情況下，0型系統(tǒng)型系統(tǒng)對于階躍對于階躍給定輸入穩(wěn)態(tài)有差，被稱做給定輸入穩(wěn)態(tài)有差，被稱做有靜差調(diào)有靜差調(diào)速系統(tǒng)速系統(tǒng)；n在系統(tǒng)穩(wěn)定情況下，在系統(tǒng)穩(wěn)定情況下，I型系統(tǒng)型系統(tǒng)對于階躍對于階躍給定輸入穩(wěn)態(tài)無差，被稱做給定輸入穩(wěn)態(tài)無差，被稱做無靜差調(diào)無靜差調(diào)速系統(tǒng)速系統(tǒng)。 183/2432 擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差n在分析由擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差時，令在分析由擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差時，令 0* sUnn使用比例調(diào)節(jié)器時，使用比例調(diào)節(jié)器時，IdL(

55、s)引起的系統(tǒng)的誤引起的系統(tǒng)的誤差差 1111122 sTsTTsTKsTsTTCsTRsIsUmlmsmlmeldLn184/243n使用積分調(diào)節(jié)器時，使用積分調(diào)節(jié)器時，IdL(s)引起的系統(tǒng)的誤引起的系統(tǒng)的誤差差 1111122 sTsTTsTsKsTsTTCsTRsIsUmlmsmlmeldLnn使用比例積分調(diào)節(jié)器時，使用比例積分調(diào)節(jié)器時，IdL(s)引起的系統(tǒng)引起的系統(tǒng)的誤差的誤差 11111122 sTsTTsTssKKsTsTTCsTRsIsUmlmspmlmeldLn 185/243n當(dāng)擾動為階躍信號當(dāng)擾動為階躍信號 n可以用終值定理求可以用終值定理求t時的誤差時的誤差Un。 s

56、IsIdLdL n使用比例調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)，在階躍擾動使用比例調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)，在階躍擾動下的穩(wěn)態(tài)誤差下的穩(wěn)態(tài)誤差 KCRIsTsTTsTKsTsTTCsTRsIssUsUedLmlmsmlmeldLsnsn 111111limlim2200186/243n使用積分調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)，在階躍擾動使用積分調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)，在階躍擾動下的穩(wěn)態(tài)誤差下的穩(wěn)態(tài)誤差n使用比例積分調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)，在階躍使用比例積分調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)，在階躍擾動下的穩(wěn)態(tài)誤差擾動下的穩(wěn)態(tài)誤差 011111limlim2200 sTsTTsTsKsTsTTCsTRsIssUsUmlmsmlmeldLsnsn 0111111liml

57、im2200 sTsTTsTssKKsTsTTCsTRsIssUsUmlmspmlmeldLsnsn 187/243n表明：表明：由擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差取決于誤差由擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差取決于誤差點與擾動加入點之間的傳遞函數(shù)點與擾動加入點之間的傳遞函數(shù)。n對于比例控制的調(diào)速系統(tǒng)，該傳遞函數(shù)無對于比例控制的調(diào)速系統(tǒng)，該傳遞函數(shù)無積分環(huán)節(jié)，所以存在擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差，積分環(huán)節(jié)，所以存在擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差，稱做有稱做有靜差調(diào)速系統(tǒng)靜差調(diào)速系統(tǒng)；n對于積分控制或比例積分控制的調(diào)速系統(tǒng)，對于積分控制或比例積分控制的調(diào)速系統(tǒng)，該傳遞函數(shù)具有積分環(huán)節(jié)，所以由階躍引該傳遞函數(shù)具有積分環(huán)節(jié)，所以由階躍引起的穩(wěn)態(tài)誤差為

58、零，稱做起的穩(wěn)態(tài)誤差為零，稱做無靜差調(diào)速系統(tǒng)無靜差調(diào)速系統(tǒng)。 188/2432.4 直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制n直流調(diào)速系統(tǒng)從開環(huán)發(fā)展到閉環(huán)，其中的直流調(diào)速系統(tǒng)從開環(huán)發(fā)展到閉環(huán)，其中的關(guān)鍵是由于運算放大器等模擬電子電路所關(guān)鍵是由于運算放大器等模擬電子電路所組成的調(diào)節(jié)器在起作用。它把轉(zhuǎn)速給定和組成的調(diào)節(jié)器在起作用。它把轉(zhuǎn)速給定和實際轉(zhuǎn)速反饋進(jìn)行比較后，控制電動機的實際轉(zhuǎn)速反饋進(jìn)行比較后，控制電動機的轉(zhuǎn)速。這類系統(tǒng)的給定和反饋都是用模擬轉(zhuǎn)速。這類系統(tǒng)的給定和反饋都是用模擬量的形式給出的，稱為量的形式給出的，稱為模擬控制直流調(diào)速模擬控制直流調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)。 189/243n閉環(huán)直流調(diào)

59、速系統(tǒng)能抑制被反饋通道包圍閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)能抑制被反饋通道包圍的前向通道上擾動，但對于系統(tǒng)給定和反的前向通道上擾動，但對于系統(tǒng)給定和反饋通道的擾動，卻無能為力。饋通道的擾動，卻無能為力。n轉(zhuǎn)速檢測裝置的誤差。轉(zhuǎn)速檢測裝置的誤差。n轉(zhuǎn)速給定裝置的誤差。轉(zhuǎn)速給定裝置的誤差。n模擬控制直流調(diào)速系統(tǒng)難以達(dá)到很高的調(diào)模擬控制直流調(diào)速系統(tǒng)難以達(dá)到很高的調(diào)速精度。速精度。 190/243n微機數(shù)字控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性好、可靠微機數(shù)字控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性好、可靠性高、可以提高控制性能，此外，還性高、可以提高控制性能，此外，還擁有信息存儲、數(shù)據(jù)通信和故障診斷擁有信息存儲、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)的功能。

60、等模擬控制系統(tǒng)無法實現(xiàn)的功能。191/2432.4.1 微機數(shù)字控制的特殊問題微機數(shù)字控制的特殊問題n微機控制的調(diào)速系統(tǒng)是一個數(shù)字采樣系統(tǒng)。微機控制的調(diào)速系統(tǒng)是一個數(shù)字采樣系統(tǒng)。n如果所有的采樣開關(guān)等周期地一起開和閉，如果所有的采樣開關(guān)等周期地一起開和閉，則稱為同步采樣。則稱為同步采樣。 192/243n信號的離散化是微機數(shù)字控制的第一個信號的離散化是微機數(shù)字控制的第一個特點。特點。 n當(dāng)控制系統(tǒng)的輸入量和反饋量是模擬的連續(xù)當(dāng)控制系統(tǒng)的輸入量和反饋量是模擬的連續(xù)信號時，為了把它們輸入微控制器，只能在信號時，為了把它們輸入微控制器，只能在采樣時刻對模擬的連續(xù)信號進(jìn)行采樣，把連采樣時刻對模擬的連續(xù)