運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)緒論課件

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

MotionControlSystem緒論運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

MotionControlSystem緒論本節(jié)內(nèi)容提要運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)分類運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展本節(jié)內(nèi)容提要運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成1.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成

圖1-11.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成圖1-1現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)電機(jī)學(xué)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、控制理論、信號(hào)檢測(cè)與處理技術(shù)等多門學(xué)科相互交叉的綜合性學(xué)科。圖1-2運(yùn)動(dòng)控制及其相關(guān)學(xué)科現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)電機(jī)學(xué)、電力電子技術(shù)、微電子技1.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成

圖1-3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成1.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成圖1-3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組1.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)概念：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備—電動(dòng)機(jī)為被控對(duì)象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論指導(dǎo)下組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)功能：

主要控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)要求。

1.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)概念：具體應(yīng)用

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)種類繁多，功能各異

工業(yè)領(lǐng)域：

數(shù)控機(jī)床；印刷電路板生產(chǎn)線：表面貼焊，快速打孔，機(jī)械手放置器件；

國(guó)防領(lǐng)域：雷達(dá)跟蹤，自動(dòng)武器，飛行器控制；

家電領(lǐng)域：冰箱，空調(diào)，洗衣機(jī)，電風(fēng)扇等；

科學(xué)研究：倒立擺

機(jī)器人：機(jī)械手、足球機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人等。具體應(yīng)用

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)種類繁多，功能各異按被控物理量分：

調(diào)速系統(tǒng)－－以轉(zhuǎn)速為被控量；伺服系統(tǒng)－－以角位移或直線位移為被控量；按驅(qū)動(dòng)電機(jī)分：

直流控制系統(tǒng)－－用直流電機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械；

交流控制系統(tǒng)－－用交流電機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械；按控制器的類型分：

模擬控制系統(tǒng)－－以模擬電路構(gòu)成控制器；

數(shù)字控制系統(tǒng)－－以數(shù)字電路構(gòu)成控制器；按閉環(huán)數(shù)分：

單環(huán)；雙環(huán)；多環(huán)系統(tǒng)1.2運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的分類按被控物理量分：1.2運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史19世紀(jì)80年代以前－－僅有直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)；19世紀(jì)末，出現(xiàn)交流電機(jī)（鼠籠式異步交流電機(jī)）－－開(kāi)始逐步使用交流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)；20世紀(jì)30年代起，形成直流調(diào)速，交流不調(diào)速的格局；20世紀(jì)后期，交流調(diào)速興起1.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史19世紀(jì)80年代以前－－僅有直控制對(duì)象—電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)、交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（交流異步電動(dòng)機(jī)）和交流同步電動(dòng)機(jī)。用于調(diào)速系統(tǒng)的拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)和用于伺服系統(tǒng)的伺服電動(dòng)機(jī)。電力電子型功率放大與變換裝置半控型向全控型發(fā)展低頻開(kāi)關(guān)向高頻開(kāi)關(guān)發(fā)展分立的器件向具有復(fù)合功能的功率模塊發(fā)展控制對(duì)象—電動(dòng)機(jī)控制器模擬控制器

物理概念清晰、控制信號(hào)流向直觀 控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路 線路復(fù)雜、通用性差 控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響以微處理器為核心的數(shù)字控制器 硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化程度高 控制規(guī)律體現(xiàn)在軟件上，修改靈活方便 擁有信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等功能控制器模擬控制器1.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史以省電為目的：改原來(lái)交流不調(diào)速為交流調(diào)速；以減少維護(hù)為目的：改直流調(diào)速為交流調(diào)速；原直流調(diào)速達(dá)不到的領(lǐng)域：大功率、高壓、高速場(chǎng)合應(yīng)用交流調(diào)速系統(tǒng)。1.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史以省電為目的：改原來(lái)交流不調(diào)速1.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)1）高頻化在功率驅(qū)動(dòng)裝置中，低頻半控器件（晶閘管）在中小功率范圍里將被高頻全控器件（大功率晶體管）所代替。優(yōu)越性：1）可以提高系統(tǒng)性能；2）可以改善電網(wǎng)功率因數(shù)。2）網(wǎng)絡(luò)化適應(yīng)自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的需要：大型化,復(fù)雜化,全集成化。1.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)1）高頻化1.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)3）交流化1.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)3）交流化本課程特點(diǎn)綜合性強(qiáng)，多個(gè)學(xué)科交叉（自動(dòng)控制、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等）。工程化－－理論與實(shí)踐相結(jié)合。相關(guān)課程：自動(dòng)控制理論、電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)、電力電子變流技術(shù)、模擬與數(shù)字電路、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、微機(jī)原理等。重視能力培養(yǎng)，學(xué)會(huì)如何將學(xué)到的知識(shí)具體應(yīng)用到實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中。本課程特點(diǎn)綜合性強(qiáng)，多個(gè)學(xué)科交叉（自動(dòng)控制、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)本課程主要內(nèi)容1）直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)單閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)；雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)及其調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法；可逆直流調(diào)速系統(tǒng)和位置隨動(dòng)系統(tǒng)2）交流調(diào)速系統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速、變頻調(diào)速；本課程主要內(nèi)容1）直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)第1篇直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)第1篇內(nèi)容提要直流調(diào)速方法直流調(diào)速電源直流調(diào)速控制內(nèi)容提要直流調(diào)速方法

引言

直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。由于直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，而且從控制的角度來(lái)看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，為了保持由淺入深的教學(xué)順序，應(yīng)該首先很好地掌握直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)。引言直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方程

直流調(diào)速方法nUIRKe式中

—

轉(zhuǎn)速（r/min）；

—電樞電壓（V）；

—電樞電流（A）；

—電樞回路總電阻（

）；

—?jiǎng)?lì)磁磁通（Wb）；

—

由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。（1-1）根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方程

由式（1-1）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：

（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U；（2）減弱勵(lì)磁磁通；（3）改變電樞回路電阻R。由式（1-1）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)（1）調(diào)壓調(diào)速工作條件：保持勵(lì)磁=N；保持電阻R=Ra調(diào)節(jié)過(guò)程：改變電壓UN

U

Un，n0調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線（1）調(diào)壓調(diào)速工作條件：nn0OIILUNU1U2U3（2）調(diào)阻調(diào)速工作條件：保持勵(lì)磁=N

；保持電壓U=UN；調(diào)節(jié)過(guò)程：增加電阻Ra

R

Rn，n0不變；調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線（2）調(diào)阻調(diào)速工作條件：nn0OIILRaR1R2R（3）調(diào)磁調(diào)速工作條件：保持電壓U=UN

；保持電阻R=Ra；調(diào)節(jié)過(guò)程：減小勵(lì)磁N

n，n0調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線變軟。nn0OTeTL

N

1

2

3nNn1n2n3調(diào)磁調(diào)速特性曲線（3）調(diào)磁調(diào)速工作條件：nn0OTeTLN12

三種調(diào)速方法的性能與比較

對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（即電機(jī)額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。三種調(diào)速方法的性能與比較對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩是一個(gè)必然存在的不可控?cái)_動(dòng)輸入。歸納出幾種典型的生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性，實(shí)際負(fù)載可能是多個(gè)典型負(fù)載的組合，應(yīng)根據(jù)實(shí)際負(fù)載的具體情況加以分析。生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩是一個(gè)必然存在的不可恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小恒定，稱作恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

a）位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

b)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載圖1-3恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小恒定，稱作恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載圖1-3風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載

負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，稱作風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載圖1-5風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，稱作風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)恒功率負(fù)載負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，而功率為常數(shù)，稱作恒功率負(fù)載圖1-4恒功率轉(zhuǎn)矩負(fù)載

恒功率負(fù)載負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，而功率為常數(shù)，稱作恒功率負(fù)載第1章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

本章著重討論基本的閉環(huán)控制系統(tǒng)及其分析與設(shè)計(jì)方法。第1章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)本章著重討論基本本章提要1.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源1.2晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的主要問(wèn)題1.3直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問(wèn)題1.4反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì)1.5反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)1.6比例積分控制規(guī)律和無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)本章提要1.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源1.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源

根據(jù)前面分析，調(diào)壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方法，而調(diào)節(jié)電樞電壓需要有專門向電動(dòng)機(jī)供電的可控直流電源。本節(jié)介紹幾種主要的可控直流電源。1.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源根據(jù)前面常用的可控直流電源有以下三種旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組——用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。靜止式可控整流器——用靜止式的可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器——用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開(kāi)關(guān)器件斬波或進(jìn)行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)生可變的平均電壓。常用的可控直流電源有以下三種旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組——用交流電動(dòng)機(jī)和直1.1.1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組圖1-1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）

1.1.1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組圖1-1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速G-M系統(tǒng)工作原理

由原動(dòng)機(jī)（柴油機(jī)、交流異步或同步電動(dòng)機(jī)）拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)G實(shí)現(xiàn)變流，由G給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)M供電，調(diào)節(jié)G的勵(lì)磁電流if即可改變其輸出電壓U，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n。這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)稱G-M系統(tǒng)，國(guó)際上通稱Ward-Leonard系統(tǒng)。G-M系統(tǒng)工作原理由原動(dòng)機(jī)（柴油機(jī)、交流異步或同G-M系統(tǒng)特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限圖1-2G-M系統(tǒng)機(jī)械特性G-M系統(tǒng)特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n11.1.2靜止式可控整流器圖1-3晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）

1.1.2靜止式可控整流器圖1-3晶閘管可控整流器V-M系統(tǒng)工作原理

晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止的Ward-Leonard系統(tǒng)），圖中VT是晶閘管可控整流器，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc

來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud

，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。V-M系統(tǒng)工作原理晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱VV-M系統(tǒng)的特點(diǎn)

與G-M系統(tǒng)相比較：晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在104以上，其門極電流可以直接用晶體管來(lái)控制，不再像直流發(fā)電機(jī)那樣需要較大功率的放大器。在控制作用的快速性上，變流機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管整流器是毫秒級(jí)，這將大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。V-M系統(tǒng)的特點(diǎn)與G-M系統(tǒng)相比較：V-M系統(tǒng)的問(wèn)題由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。晶閘管對(duì)過(guò)電壓、過(guò)電流和過(guò)高的dV/dt與di/dt都十分敏感，若超過(guò)允許值會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)損壞器件。由諧波與無(wú)功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力公害”。V-M系統(tǒng)的問(wèn)題由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，1.1.3直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器

在干線鐵道電力機(jī)車、工礦電力機(jī)車、城市有軌和無(wú)軌電車和地鐵電機(jī)車等電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵(lì)或復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)，由恒壓直流電網(wǎng)供電，過(guò)去用切換電樞回路電阻來(lái)控制電機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速，在電阻中耗電很大。1.1.3直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器在干a）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton控制電路M1.直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)圖1-5直流斬波器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形

a）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton控制電路M2.斬波器的基本控制原理

在原理圖中，VT表示電力電子開(kāi)關(guān)器件，VD表示續(xù)流二極管。當(dāng)VT導(dǎo)通時(shí)，直流電源電壓Us加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng)VT關(guān)斷時(shí)，直流電源與電機(jī)脫開(kāi)，電動(dòng)機(jī)電樞經(jīng)VD續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，電樞端電壓波形如圖1-5b，好像是電源電壓Us在ton時(shí)間內(nèi)被接上，又在T–ton

時(shí)間內(nèi)被斬?cái)?，故稱“斬波”。2.斬波器的基本控制原理在原理圖中，VT這樣，電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為3.輸出電壓計(jì)算(1-2)式中T—晶閘管的開(kāi)關(guān)周期；

ton

—開(kāi)通時(shí)間；

—占空比，

=ton/T=tonf；其中f為開(kāi)關(guān)頻率。這樣，電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為3.輸出電壓計(jì)算(1-2)

為了節(jié)能，并實(shí)行無(wú)觸點(diǎn)控制，現(xiàn)在多用電力電子開(kāi)關(guān)器件，如快速晶閘管、GTO、IGBT等。采用簡(jiǎn)單的單管控制時(shí)，稱作直流斬波器，后來(lái)逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調(diào)制開(kāi)關(guān)的電路，脈寬調(diào)制變換器（PWM-PulseWidthModulation）。為了節(jié)能，并實(shí)行無(wú)觸點(diǎn)控制，現(xiàn)在多用電力電子

4.斬波電路三種控制方式根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同而劃分，有三種控制方式：T不變，變ton—脈沖寬度調(diào)制（PWM）；ton不變，變T—脈沖頻率調(diào)制（PFM）；ton和T都可調(diào)，改變占空比—混合型。4.斬波電路三種控制方式根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方PWM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（1）主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少；（2）開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較?。唬?）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:10000左右；（4）若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；PWM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（1）主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少；PWM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（續(xù)）（5）功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；（6）直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。PWM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（續(xù)）（5）功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通小結(jié)

三種可控直流電源，V-M系統(tǒng)在上世紀(jì)60~70年代得到廣泛應(yīng)用，目前主要用于大容量系統(tǒng)。直流PWM調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù)，發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的系統(tǒng)中，已取代V-M系統(tǒng)成為主要的直流調(diào)速方式。返回目錄小結(jié)三種可控直流電源，V-M系統(tǒng)在上世1.2晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）

的主要問(wèn)題

本節(jié)討論V-M系統(tǒng)的幾個(gè)主要問(wèn)題：（1）觸發(fā)脈沖相位控制；（2）電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)；（3）抑制電流脈動(dòng)的措施；（4）晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性；（5）晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。1.2晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）

在如圖可控整流電路中，調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，即可很方便地改變可控整流器VT輸出瞬時(shí)電壓ud

的波形，以及輸出平均電壓Ud

的數(shù)值。OOOOO1.2.1觸發(fā)脈沖相位控制在如圖可控整流電路中，調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT輸U(kuò)d0IdE

等效電路分析

如果把整流裝置內(nèi)阻移到裝置外邊，看成是其負(fù)載電路電阻的一部分，那么，整流電壓便可以用其理想空載瞬時(shí)值ud0和平均值Ud0來(lái)表示，相當(dāng)于用圖示的等效電路代替實(shí)際的整流電路。圖1-7V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖

Ud0IdE等效電路分析如果把整流裝置內(nèi)阻移

式中

—電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)；

—整流電流瞬時(shí)值；

—主電路總電感；

—主電路等效電阻；且有R=Rrec+Ra+RL；EidLR

瞬時(shí)電壓平衡方程(1-3)EidLR瞬時(shí)電壓平衡方程(1-3)

對(duì)ud0進(jìn)行積分，即得理想空載整流電壓平均值Ud0

。用觸發(fā)脈沖的相位角

控制整流電壓的平均值Ud0是晶閘管整流器的特點(diǎn)。

Ud0與觸發(fā)脈沖相位角

的關(guān)系因整流電路的形式而異，對(duì)于一般的全控整流電路，當(dāng)電流波形連續(xù)時(shí)，Ud0=f()可用下式表示對(duì)ud0進(jìn)行積分，即得理想空載整流電壓平均值Ud

式中—從自然換相點(diǎn)算起的觸發(fā)脈沖控制角；

—

=

0時(shí)的整流電壓波形峰值；

—交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)；對(duì)于不同的整流電路，它們的數(shù)值如表1-1所示。Umm

整流電壓的平均值計(jì)算(1-5) Umm整流電壓的平均值計(jì)算(1-5)表1-1不同整流電路的整流電壓值*U2

是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。表1-1不同整流電路的整流電壓值*U2是整流變壓器二

整流與逆變狀態(tài)當(dāng)0<</2時(shí)，Ud0>0，晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)；當(dāng)/2<<max

時(shí)，Ud0<0，裝置處于有源逆變狀態(tài)，電功率反向傳送。為避免逆變顛覆，應(yīng)設(shè)置最大的移相角限制。相控整流器的電壓控制曲線如下圖

整流與逆變狀態(tài)當(dāng)0<</2時(shí)，Ud0>圖1-8相控整流器的電壓控制曲線

O

逆變顛覆限制

通過(guò)設(shè)置控制電壓限幅值，來(lái)限制最大觸發(fā)角。圖1-8相控整流器的電壓控制曲線O逆變顛覆限制通過(guò)1.2.2電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)

由于電流波形的脈動(dòng)，可能出現(xiàn)電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，這是V-M系統(tǒng)不同于G-M系統(tǒng)的又一個(gè)特點(diǎn)。當(dāng)V-M系統(tǒng)主電路有足夠大的電感量，而且電動(dòng)機(jī)的負(fù)載也足夠大時(shí)，整流電流便具有連續(xù)的脈動(dòng)波形。當(dāng)電感量較小或負(fù)載較輕時(shí)，在某一相導(dǎo)通后電流升高的階段里，電感中的儲(chǔ)能較少；等到電流下降而下一相尚未被觸發(fā)以前，電流已經(jīng)衰減到零，于是，便造成電流波形斷續(xù)的情況。1.2.2電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)由V-M系統(tǒng)主電路的輸出圖1-9V-M系統(tǒng)的電流波形a）電流連續(xù)b）電流斷續(xù)OuaubucaudOiaibicictEUdtOuaubucaudOiaibicicEUdudttudididV-M系統(tǒng)主電路的輸出圖1-9V-M系統(tǒng)的電流波形a）電流1.2.3抑制電流脈動(dòng)的措施

在V-M系統(tǒng)中，脈動(dòng)電流會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)的轉(zhuǎn)矩，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械不利，同時(shí)也增加電機(jī)的發(fā)熱。為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動(dòng)的措施，主要是：設(shè)置平波電抗器；增加整流電路相數(shù)；采用多重化技術(shù)。1.2.3抑制電流脈動(dòng)的措施在V-M系統(tǒng)中，脈

（1）平波電抗器的設(shè)置與計(jì)算單相橋式全控整流電路三相半波整流電路三相橋式整流電路（1-6）（1-8）（1-7）（1）平波電抗器的設(shè)置與計(jì)算單相橋式全控整流電路（2）多重化整流電路

如圖電路為由2個(gè)三相橋并聯(lián)而成的12脈波整流電路，使用了平衡電抗器來(lái)平衡2組整流器的電流。并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的12脈波整流電路M（2）多重化整流電路如圖電路為由2個(gè)三相橋并聯(lián)1.2.4晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性

當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為

式中Ce=KeN—電機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)。式（1-9）等號(hào)右邊Ud0表達(dá)式的適用范圍如第1.2.1節(jié)中所述。（1-9）1.2.4晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性當(dāng)電流（1）電流連續(xù)情況

改變控制角，得一族平行直線，這和G-M系統(tǒng)的特性很相似，如圖1-10所示。圖中電流較小的部分畫(huà)成虛線，表明這時(shí)電流波形可能斷續(xù)，公式（1-9）已經(jīng)不適用了。圖1-10電流連續(xù)時(shí)V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性

△n=Id

R/CenIdILO（1）電流連續(xù)情況改變控制角，得一族平行直線上述分析說(shuō)明：只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個(gè)線性的可控電壓源。上述分析說(shuō)明：只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個(gè)

當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，由于非線性因素，機(jī)械特性方程要復(fù)雜得多。以三相半波整流電路構(gòu)成的V-M系統(tǒng)為例，電流斷續(xù)時(shí)機(jī)械特性須用下列方程組表示

(1-10)

(1-11)式中；—一個(gè)電流脈波的導(dǎo)通角。（2）電流斷續(xù)情況當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，由于非線性因素，機(jī)械特性方程要復(fù)雜得多（3）電流斷續(xù)機(jī)械特性計(jì)算

當(dāng)阻抗角值已知時(shí)，對(duì)于不同的控制角，可用數(shù)值解法求出一族電流斷續(xù)時(shí)的機(jī)械特性。對(duì)于每一條特性，求解過(guò)程都計(jì)算到

=2/3為止，因?yàn)榻窃俅髸r(shí)，電流便連續(xù)了。對(duì)應(yīng)于

=2/3的曲線是電流斷續(xù)區(qū)與連續(xù)區(qū)的分界線。（3）電流斷續(xù)機(jī)械特性計(jì)算當(dāng)阻抗角值已知圖1-11完整的V-M系統(tǒng)機(jī)械特性（4）V-M系統(tǒng)

機(jī)械特性圖1-11完整的V-M系統(tǒng)機(jī)械特性（4）V-M系統(tǒng)

（5）V-M系統(tǒng)機(jī)械特性的特點(diǎn)

圖1-11繪出了完整的V-M系統(tǒng)機(jī)械特性，分為電流連續(xù)區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)。由圖可見(jiàn)：當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，特性還比較硬；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。（5）V-M系統(tǒng)機(jī)械特性的特點(diǎn)圖1-11繪出1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和

傳遞函數(shù)

在進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)時(shí)，可以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當(dāng)作系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)看待。應(yīng)用線性控制理論進(jìn)行直流調(diào)速系統(tǒng)分析或設(shè)計(jì)時(shí)，須事先求出這個(gè)環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和

實(shí)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)近似看成線性環(huán)節(jié)。如有可能，最好先用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出該環(huán)節(jié)的輸入-輸出特性，即曲線，圖1-13是采用鋸齒波觸發(fā)器移相時(shí)的特性。設(shè)計(jì)時(shí)，希望整個(gè)調(diào)速范圍的工作點(diǎn)都落在特性的近似線性范圍之中，并有一定的調(diào)節(jié)余量。實(shí)際的觸發(fā)電路和整流電路都是非線性的，只能在

晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)的計(jì)算

晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)可由工作范圍內(nèi)的特性率決定，計(jì)算方法是 圖1-13晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出特性和的測(cè)定

(1-12)晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)的計(jì)算晶閘管觸發(fā)和整

如果不可能實(shí)測(cè)特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。例如：設(shè)觸發(fā)電路控制電壓的調(diào)節(jié)范圍為

Uc=0~10V

相對(duì)應(yīng)的整流電壓的變化范圍是

Ud=0~220V

可取Ks

=220/10=22

晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)估算如果不可能實(shí)測(cè)特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算

晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)

在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置看成是一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應(yīng)是由晶閘管的失控時(shí)間引起的。眾所周知，晶閘管一旦導(dǎo)通后，控制電壓的變化在該器件關(guān)斷以前就不再起作用，直到下一相觸發(fā)脈沖來(lái)到時(shí)才能使輸出整流電壓發(fā)生變化，這就造成整流電壓滯后于控制電壓的狀況。晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，u2udUctta10Uc1Uc2a1tt000a2a2Ud01Ud02TsOOOO（1）晶閘管觸發(fā)與整流失控時(shí)間分析圖1-14晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時(shí)間u2udUctta10Uc1Uc2a1tt000a2a2Ud

顯然，失控制時(shí)間是隨機(jī)的，它的大小隨發(fā)生變化的時(shí)刻而改變，最大可能的失控時(shí)間就是兩個(gè)相鄰自然換相點(diǎn)之間的時(shí)間，與交流電源頻率和整流電路形式有關(guān)，由下式確定

(1-13)

（2）最大失控時(shí)間計(jì)算式中

—交流電流頻率；

—一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。fm顯然，失控制時(shí)間是隨機(jī)的，它的大小隨發(fā)生變化

（3）Ts

值的選取

相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間來(lái)說(shuō)，Ts是不大的，在一般情況下，可取其統(tǒng)計(jì)平均值Ts

=Tsmax/2，并認(rèn)為是常數(shù)。也有人主張按最嚴(yán)重的情況考慮，取Ts=Tsmax

。表1-2列出了不同整流電路的失控時(shí)間。表1-2各種整流電路的失控時(shí)間（f=50Hz）（3）Ts值的選取相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的響

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-輸出關(guān)系為按拉氏變換的位移定理，晶閘管裝置的傳遞函數(shù)為

（1-14）（4）傳遞函數(shù)的求取用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整流

由于式（1-14）中包含指數(shù)函數(shù)，它使系統(tǒng)成為非最小相位系統(tǒng)，分析和設(shè)計(jì)都比較麻煩。為了簡(jiǎn)化，先將該指數(shù)函數(shù)按臺(tái)勞級(jí)數(shù)展開(kāi)，則式（1-14）變成

（1-15）

由于式（1-14）中包含指數(shù)函數(shù)，它使系統(tǒng)成

（5）近似傳遞函數(shù)

考慮到Ts

很小，可忽略高次項(xiàng)，則傳遞函數(shù)便近似成一階慣性環(huán)節(jié)。

（1-16）（5）近似傳遞函數(shù)考慮到Ts很小，可忽略

（6）晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)(a)準(zhǔn)確的（b）近似的圖1-15晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖ssss返回目錄（6）晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)Uc(s)Ud0(s)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

MotionControlSystem緒論運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

MotionControlSystem緒論本節(jié)內(nèi)容提要運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)分類運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展本節(jié)內(nèi)容提要運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成1.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成

圖1-11.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成圖1-1現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)電機(jī)學(xué)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、控制理論、信號(hào)檢測(cè)與處理技術(shù)等多門學(xué)科相互交叉的綜合性學(xué)科。圖1-2運(yùn)動(dòng)控制及其相關(guān)學(xué)科現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)電機(jī)學(xué)、電力電子技術(shù)、微電子技1.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成

圖1-3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成1.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成圖1-3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組1.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)概念：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備—電動(dòng)機(jī)為被控對(duì)象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論指導(dǎo)下組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)功能：

主要控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)要求。

1.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)概念：具體應(yīng)用

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)種類繁多，功能各異

工業(yè)領(lǐng)域：

數(shù)控機(jī)床；印刷電路板生產(chǎn)線：表面貼焊，快速打孔，機(jī)械手放置器件；

國(guó)防領(lǐng)域：雷達(dá)跟蹤，自動(dòng)武器，飛行器控制；

家電領(lǐng)域：冰箱，空調(diào)，洗衣機(jī)，電風(fēng)扇等；

科學(xué)研究：倒立擺

機(jī)器人：機(jī)械手、足球機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人等。具體應(yīng)用

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)種類繁多，功能各異按被控物理量分：

調(diào)速系統(tǒng)－－以轉(zhuǎn)速為被控量；伺服系統(tǒng)－－以角位移或直線位移為被控量；按驅(qū)動(dòng)電機(jī)分：

直流控制系統(tǒng)－－用直流電機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械；

交流控制系統(tǒng)－－用交流電機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械；按控制器的類型分：

模擬控制系統(tǒng)－－以模擬電路構(gòu)成控制器；

數(shù)字控制系統(tǒng)－－以數(shù)字電路構(gòu)成控制器；按閉環(huán)數(shù)分：

單環(huán)；雙環(huán)；多環(huán)系統(tǒng)1.2運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的分類按被控物理量分：1.2運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的分類1.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史19世紀(jì)80年代以前－－僅有直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)；19世紀(jì)末，出現(xiàn)交流電機(jī)（鼠籠式異步交流電機(jī)）－－開(kāi)始逐步使用交流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)；20世紀(jì)30年代起，形成直流調(diào)速，交流不調(diào)速的格局；20世紀(jì)后期，交流調(diào)速興起1.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史19世紀(jì)80年代以前－－僅有直控制對(duì)象—電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)、交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（交流異步電動(dòng)機(jī)）和交流同步電動(dòng)機(jī)。用于調(diào)速系統(tǒng)的拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)和用于伺服系統(tǒng)的伺服電動(dòng)機(jī)。電力電子型功率放大與變換裝置半控型向全控型發(fā)展低頻開(kāi)關(guān)向高頻開(kāi)關(guān)發(fā)展分立的器件向具有復(fù)合功能的功率模塊發(fā)展控制對(duì)象—電動(dòng)機(jī)控制器模擬控制器

物理概念清晰、控制信號(hào)流向直觀 控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路 線路復(fù)雜、通用性差 控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響以微處理器為核心的數(shù)字控制器 硬件電路標(biāo)準(zhǔn)化程度高 控制規(guī)律體現(xiàn)在軟件上，修改靈活方便 擁有信息存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等功能控制器模擬控制器1.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史以省電為目的：改原來(lái)交流不調(diào)速為交流調(diào)速；以減少維護(hù)為目的：改直流調(diào)速為交流調(diào)速；原直流調(diào)速達(dá)不到的領(lǐng)域：大功率、高壓、高速場(chǎng)合應(yīng)用交流調(diào)速系統(tǒng)。1.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史以省電為目的：改原來(lái)交流不調(diào)速1.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)1）高頻化在功率驅(qū)動(dòng)裝置中，低頻半控器件（晶閘管）在中小功率范圍里將被高頻全控器件（大功率晶體管）所代替。優(yōu)越性：1）可以提高系統(tǒng)性能；2）可以改善電網(wǎng)功率因數(shù)。2）網(wǎng)絡(luò)化適應(yīng)自動(dòng)化系統(tǒng)發(fā)展的需要：大型化,復(fù)雜化,全集成化。1.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)1）高頻化1.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)3）交流化1.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)3）交流化本課程特點(diǎn)綜合性強(qiáng)，多個(gè)學(xué)科交叉（自動(dòng)控制、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等）。工程化－－理論與實(shí)踐相結(jié)合。相關(guān)課程：自動(dòng)控制理論、電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)、電力電子變流技術(shù)、模擬與數(shù)字電路、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、微機(jī)原理等。重視能力培養(yǎng)，學(xué)會(huì)如何將學(xué)到的知識(shí)具體應(yīng)用到實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中。本課程特點(diǎn)綜合性強(qiáng)，多個(gè)學(xué)科交叉（自動(dòng)控制、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)本課程主要內(nèi)容1）直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)單閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)；雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)及其調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法；可逆直流調(diào)速系統(tǒng)和位置隨動(dòng)系統(tǒng)2）交流調(diào)速系統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)變壓調(diào)速、變頻調(diào)速；本課程主要內(nèi)容1）直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)第1篇直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)第1篇內(nèi)容提要直流調(diào)速方法直流調(diào)速電源直流調(diào)速控制內(nèi)容提要直流調(diào)速方法

引言

直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。由于直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，而且從控制的角度來(lái)看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，為了保持由淺入深的教學(xué)順序，應(yīng)該首先很好地掌握直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)。引言直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方程

直流調(diào)速方法nUIRKe式中

—

轉(zhuǎn)速（r/min）；

—電樞電壓（V）；

—電樞電流（A）；

—電樞回路總電阻（

）；

—?jiǎng)?lì)磁磁通（Wb）；

—

由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。（1-1）根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方程

由式（1-1）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：

（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U；（2）減弱勵(lì)磁磁通；（3）改變電樞回路電阻R。由式（1-1）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)（1）調(diào)壓調(diào)速工作條件：保持勵(lì)磁=N；保持電阻R=Ra調(diào)節(jié)過(guò)程：改變電壓UN

U

Un，n0調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線（1）調(diào)壓調(diào)速工作條件：nn0OIILUNU1U2U3（2）調(diào)阻調(diào)速工作條件：保持勵(lì)磁=N

；保持電壓U=UN；調(diào)節(jié)過(guò)程：增加電阻Ra

R

Rn，n0不變；調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線（2）調(diào)阻調(diào)速工作條件：nn0OIILRaR1R2R（3）調(diào)磁調(diào)速工作條件：保持電壓U=UN

；保持電阻R=Ra；調(diào)節(jié)過(guò)程：減小勵(lì)磁N

n，n0調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線變軟。nn0OTeTL

N

1

2

3nNn1n2n3調(diào)磁調(diào)速特性曲線（3）調(diào)磁調(diào)速工作條件：nn0OTeTLN12

三種調(diào)速方法的性能與比較

對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（即電機(jī)額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。三種調(diào)速方法的性能與比較對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩是一個(gè)必然存在的不可控?cái)_動(dòng)輸入。歸納出幾種典型的生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性，實(shí)際負(fù)載可能是多個(gè)典型負(fù)載的組合，應(yīng)根據(jù)實(shí)際負(fù)載的具體情況加以分析。生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩是一個(gè)必然存在的不可恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小恒定，稱作恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

a）位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

b)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載圖1-3恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小恒定，稱作恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載圖1-3風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載

負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，稱作風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載圖1-5風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，稱作風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)恒功率負(fù)載負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，而功率為常數(shù)，稱作恒功率負(fù)載圖1-4恒功率轉(zhuǎn)矩負(fù)載

恒功率負(fù)載負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，而功率為常數(shù)，稱作恒功率負(fù)載第1章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

本章著重討論基本的閉環(huán)控制系統(tǒng)及其分析與設(shè)計(jì)方法。第1章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)本章著重討論基本本章提要1.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源1.2晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的主要問(wèn)題1.3直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問(wèn)題1.4反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì)1.5反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)1.6比例積分控制規(guī)律和無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)本章提要1.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源1.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源

根據(jù)前面分析，調(diào)壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方法，而調(diào)節(jié)電樞電壓需要有專門向電動(dòng)機(jī)供電的可控直流電源。本節(jié)介紹幾種主要的可控直流電源。1.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源根據(jù)前面常用的可控直流電源有以下三種旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組——用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。靜止式可控整流器——用靜止式的可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器——用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開(kāi)關(guān)器件斬波或進(jìn)行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)生可變的平均電壓。常用的可控直流電源有以下三種旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組——用交流電動(dòng)機(jī)和直1.1.1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組圖1-1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）

1.1.1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組圖1-1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速G-M系統(tǒng)工作原理

由原動(dòng)機(jī)（柴油機(jī)、交流異步或同步電動(dòng)機(jī)）拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)G實(shí)現(xiàn)變流，由G給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)M供電，調(diào)節(jié)G的勵(lì)磁電流if即可改變其輸出電壓U，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n。這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)稱G-M系統(tǒng)，國(guó)際上通稱Ward-Leonard系統(tǒng)。G-M系統(tǒng)工作原理由原動(dòng)機(jī)（柴油機(jī)、交流異步或同G-M系統(tǒng)特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限圖1-2G-M系統(tǒng)機(jī)械特性G-M系統(tǒng)特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n11.1.2靜止式可控整流器圖1-3晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）

1.1.2靜止式可控整流器圖1-3晶閘管可控整流器V-M系統(tǒng)工作原理

晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止的Ward-Leonard系統(tǒng)），圖中VT是晶閘管可控整流器，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc

來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud

，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。V-M系統(tǒng)工作原理晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱VV-M系統(tǒng)的特點(diǎn)

與G-M系統(tǒng)相比較：晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在104以上，其門極電流可以直接用晶體管來(lái)控制，不再像直流發(fā)電機(jī)那樣需要較大功率的放大器。在控制作用的快速性上，變流機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管整流器是毫秒級(jí)，這將大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。V-M系統(tǒng)的特點(diǎn)與G-M系統(tǒng)相比較：V-M系統(tǒng)的問(wèn)題由于晶閘管的單向?qū)щ娦裕辉试S電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。晶閘管對(duì)過(guò)電壓、過(guò)電流和過(guò)高的dV/dt與di/dt都十分敏感，若超過(guò)允許值會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)損壞器件。由諧波與無(wú)功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力公害”。V-M系統(tǒng)的問(wèn)題由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，1.1.3直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器

在干線鐵道電力機(jī)車、工礦電力機(jī)車、城市有軌和無(wú)軌電車和地鐵電機(jī)車等電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵(lì)或復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)，由恒壓直流電網(wǎng)供電，過(guò)去用切換電樞回路電阻來(lái)控制電機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速，在電阻中耗電很大。1.1.3直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器在干a）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton控制電路M1.直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)圖1-5直流斬波器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形

a）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton控制電路M2.斬波器的基本控制原理

在原理圖中，VT表示電力電子開(kāi)關(guān)器件，VD表示續(xù)流二極管。當(dāng)VT導(dǎo)通時(shí)，直流電源電壓Us加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng)VT關(guān)斷時(shí)，直流電源與電機(jī)脫開(kāi)，電動(dòng)機(jī)電樞經(jīng)VD續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，電樞端電壓波形如圖1-5b，好像是電源電壓Us在ton時(shí)間內(nèi)被接上，又在T–ton

時(shí)間內(nèi)被斬?cái)啵史Q“斬波”。2.斬波器的基本控制原理在原理圖中，VT這樣，電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為3.輸出電壓計(jì)算(1-2)式中T—晶閘管的開(kāi)關(guān)周期；

ton

—開(kāi)通時(shí)間；

—占空比，

=ton/T=tonf；其中f為開(kāi)關(guān)頻率。這樣，電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為3.輸出電壓計(jì)算(1-2)

為了節(jié)能，并實(shí)行無(wú)觸點(diǎn)控制，現(xiàn)在多用電力電子開(kāi)關(guān)器件，如快速晶閘管、GTO、IGBT等。采用簡(jiǎn)單的單管控制時(shí)，稱作直流斬波器，后來(lái)逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調(diào)制開(kāi)關(guān)的電路，脈寬調(diào)制變換器（PWM-PulseWidthModulation）。為了節(jié)能，并實(shí)行無(wú)觸點(diǎn)控制，現(xiàn)在多用電力電子

4.斬波電路三種控制方式根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方式不同而劃分，有三種控制方式：T不變，變ton—脈沖寬度調(diào)制（PWM）；ton不變，變T—脈沖頻率調(diào)制（PFM）；ton和T都可調(diào)，改變占空比—混合型。4.斬波電路三種控制方式根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值進(jìn)行調(diào)制的方PWM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（1）主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少；（2）開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較??；（3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:10000左右；（4）若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；PWM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（1）主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少；PWM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（續(xù)）（5）功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；（6）直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。PWM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（續(xù)）（5）功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通小結(jié)

三種可控直流電源，V-M系統(tǒng)在上世紀(jì)60~70年代得到廣泛應(yīng)用，目前主要用于大容量系統(tǒng)。直流PWM調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù)，發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的系統(tǒng)中，已取代V-M系統(tǒng)成為主要的直流調(diào)速方式。返回目錄小結(jié)三種可控直流電源，V-M系統(tǒng)在上世1.2晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）

的主要問(wèn)題

本節(jié)討論V-M系統(tǒng)的幾個(gè)主要問(wèn)題：（1）觸發(fā)脈沖相位控制；（2）電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)；（3）抑制電流脈動(dòng)的措施；（4）晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性；（5）晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。1.2晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）

在如圖可控整流電路中，調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，即可很方便地改變可控整流器VT輸出瞬時(shí)電壓ud

的波形，以及輸出平均電壓Ud

的數(shù)值。OOOOO1.2.1觸發(fā)脈沖相位控制在如圖可控整流電路中，調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT輸U(kuò)d0IdE

等效電路分析

如果把整流裝置內(nèi)阻移到裝置外邊，看成是其負(fù)載電路電阻的一部分，那么，整流電壓便可以用其理想空載瞬時(shí)值ud0和平均值Ud0來(lái)表示，相當(dāng)于用圖示的等效電路代替實(shí)際的整流電路。圖1-7V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖

Ud0IdE等效電路分析如果把整流裝置內(nèi)阻移

式中

—電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)；

—整流電流瞬時(shí)值；

—主電路總電感；

—主電路等效電阻；且有R=Rrec+Ra+RL；EidLR

瞬時(shí)電壓平衡方程(1-3)EidLR瞬時(shí)電壓平衡方程(1-3)

對(duì)ud0進(jìn)行積分，即得理想空載整流電壓平均值Ud0

。用觸發(fā)脈沖的相位角

控制整流電壓的平均值Ud0是晶閘管整流器的特點(diǎn)。

Ud0與觸發(fā)脈沖相位角

的關(guān)系因整流電路的形式而異，對(duì)于一般的全控整流電路，當(dāng)電流波形連續(xù)時(shí)，Ud0=f()可用下式表示對(duì)ud0進(jìn)行積分，即得理想空載整流電壓平均值Ud

式中—從自然換相點(diǎn)算起的觸發(fā)脈沖控制角；

—

=

0時(shí)的整流電壓波形峰值；

—交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)；對(duì)于不同的整流電路，它們的數(shù)值如表1-1所示。Umm

整流電壓的平均值計(jì)算(1-5) Umm整流電壓的平均值計(jì)算(1-5)表1-1不同整流電路的整流電壓值*U2

是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。表1-1不同整流電路的整流電壓值*U2是整流變壓器二

整流與逆變狀態(tài)當(dāng)0<</2時(shí)，Ud0>0，晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)；當(dāng)/2<<max

時(shí)，Ud0<0，裝置處于有源逆變狀態(tài)，電功率反向傳送。為避免逆變顛覆，應(yīng)設(shè)置最大的移相角限制。相控整流器的電壓控制曲線如下圖

整流與逆變狀態(tài)當(dāng)0<</2時(shí)，Ud0>圖1-8相控整流器的電壓控制曲線

O

逆變顛覆限制

通過(guò)設(shè)置控制電壓限幅值，來(lái)限制最大觸發(fā)角。圖1-8相控整流器的電壓控制曲線O逆變顛覆限制通過(guò)1.2.2電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)

由于電流波形的脈動(dòng)，可能出現(xiàn)電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，這是V-M系統(tǒng)不同于G-M系統(tǒng)的又一個(gè)特點(diǎn)。當(dāng)V-M系統(tǒng)主電路有足夠大的電感量，而且電動(dòng)機(jī)的負(fù)載也足夠大時(shí)，整流電流便具有連續(xù)的脈動(dòng)波形。當(dāng)電感量較小或負(fù)載較輕時(shí)，在某一相導(dǎo)通后電流升高的階段里，電感中的儲(chǔ)能較少；等到電流下降而下一相尚未被觸發(fā)以前，電流已經(jīng)衰減到零，于是，便造成電流波形斷續(xù)的情況。1.2.2電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)由V-M系統(tǒng)主電路的輸出圖1-9V-M系統(tǒng)的電流波形a）電流連續(xù)b）電流斷續(xù)OuaubucaudOiaibicictEUdtOuaubucaudOiaibicicEUdudttudididV-M系統(tǒng)主電路的輸出圖1-9V-M系統(tǒng)的電流波形a）電流1.2.3抑制電流脈動(dòng)的措施

在V-M系統(tǒng)中，脈動(dòng)電流會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)的轉(zhuǎn)矩，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械不利，同時(shí)也增加電機(jī)的發(fā)熱。為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動(dòng)的措施，主要是：設(shè)置平波電抗器；增加整流電路相數(shù)；采用多重化技術(shù)。1.2.3抑制電流脈動(dòng)的措施在V-M系統(tǒng)中，脈

（1）平波電抗器的設(shè)置與計(jì)算單相橋式全控整流電路三相半波整流電路三相橋式整流電路（1-6）（1-8）（1-7）（1）平波電抗器的設(shè)置與計(jì)算單相橋式全控整流電路（2）多重化整流電路

如圖電路為由2個(gè)三相橋并聯(lián)而成的12脈波整流電路，使用了平衡電抗器來(lái)平衡2組整流器的電流。并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的12脈波整流電路M（2）多重化整流電路如圖電路為由2個(gè)三相橋并聯(lián)1.2.4晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性

當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為

式中Ce=KeN—電機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)。式（1-9）等號(hào)右邊Ud0表達(dá)式的適用范圍如第1.2.1節(jié)中所述。（1-9）1.2.4晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性當(dāng)電流（1）電流連續(xù)情況

改變控制角，得一族平行直線，這和G-M系統(tǒng)的特性很相似，如圖1-10所示。圖中電流較小的部分畫(huà)成虛線，表明這時(shí)電流波形可能斷續(xù)，公式（1-9）已經(jīng)不適用了。圖1-10電流連續(xù)時(shí)V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性

△n=Id

R/CenIdILO（1）電流連續(xù)情況改變控制角，得一族平行直線上述分析說(shuō)明：只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個(gè)線性的可控電壓源。上述分析說(shuō)明：只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個(gè)

當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，由于非線性因素，機(jī)械特性方程要復(fù)雜得多。以三相半波整流電路構(gòu)成的V-M系統(tǒng)為例，電流斷續(xù)時(shí)機(jī)械特性須用下列方程組表示

(1-10)