電力拖動自動控制系統課件

調壓調速工作條件：=N

R=Ra調節(jié)過程：UN

UUn，n0調速特性：轉速下降，機械特性曲線平行下移。2023/7/171nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3調阻調速工作條件：=NU=UN調節(jié)過程：Ra

RRn，n0不變；調速特性：轉速下降，機械特性曲線變軟。2023/7/172nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3調磁調速工作條件：R=RaU=UN調節(jié)過程：N

n，n0調速特性：轉速上升，機械特性曲線變軟。2023/7/173nn0OTeTL

N

1

2

3nNn1n2n3三種調速方法性能與比較對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統來說，以調節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級調速；減弱磁通雖然能夠平滑調速，但調速范圍不大，往往只是配合調壓方案，在基速（額定轉速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動控制的直流調速系統往往以調壓調速為主,以弱磁調速為配合調壓方案。2023/7/174第2章轉速反饋控制的直流調速系統電力拖動自動控制系統

-運動控制系統2023/7/175內容提要直流調速系統用的可控直流電源穩(wěn)態(tài)調速性能指標和直流調速系統的機械特性轉速反饋控制的直流調速系統直流調速系統的數字控制

轉速反饋控制直流調速系統的限流保護轉速反饋控制直流調速系統的仿真2023/7/1762.1可控直流電源晶閘管整流器-電動機系統直流PWM變換器-電動機系統2023/7/177系統在制動時釋放的動能將表現為電容儲能的增加，轉速反饋控制直流調速系統的仿真轉速負反饋閉環(huán)調速系統

仿真框圖及參數圖2-16 開環(huán)調速系統穩(wěn)態(tài)結構圖如果希望調速范圍達到10，所能滿足的靜差率是多少？轉速愈低，M1愈小，誤差率愈大。有制動電流通路的

不可逆PWM-直流電動機系統積分飽和值,可改為-10。積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的根本區(qū)別例如：在圖2-24中工作點從AA′當時，——電動機額定勵磁下的轉矩系數，(N·m/A)式中，Kp——PI調節(jié)器的比例放大系數，在比例控制直流V-M調速系統中，穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)穩(wěn)定性的要求常常是互相矛盾的。圖2-11 有制動電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動機系統直流穩(wěn)壓電源：±15V；5轉速反饋控制直流調速系統的限流保護在高速段，與M法測速分辨率完全相同。圖2-11(a)所示電路之所以為不可逆是因為平均電壓Ud始終大于零，電流雖然能夠反向，而電壓和轉速仍不能反向。T法測速正好相反，隨著電動機轉速的增加，計數值減小，測速裝置的分辨能力越來越差。晶閘管整流器-電動機系統2023/7/178圖2-1晶閘管整流器-電動機調速系統（V-M系統）原理圖在理想情況下，Ud和Uc之間呈線性關系式中，Ud——平均整流電壓，

Uc——控制電壓，

Ks——晶閘管整流器放大系數。2023/7/179m——交流電源一周內的整流電壓脈波數。在負反饋基礎上的“檢測誤差，用以糾正誤差”這一原理組成的系統，其輸出量反饋的傳遞途徑構成一個閉合的環(huán)路，因此被稱作閉環(huán)控制系統。015Vmin/r，Ce=0.晶閘管整流器-電動機系統式中，表示閉環(huán)系統的理想空載轉速，反饋控制系統無法鑒別是對給定電壓的正常調節(jié)還是不應有的給定電壓的電源波動。圖2-42無靜差直流調速系統例如：在圖2-24中工作點從ABM/T法測速無論是在高速還是在低速都有較強的分辨能力。直流調速系統的穩(wěn)態(tài)誤差分析L——主電路總電感(H)；當輸出值達到積分調節(jié)器輸出的飽和值Ucm時，便維持在Ucm不變。信號的離散化是微機數字控制系統的第一個特點。圖2-22直流電動機動態(tài)結構框圖的變換圖2-20 他勵直流電動機在額定勵磁下的等效電路開環(huán)系統反映內在規(guī)律，不反映轉速、電流的靜態(tài)關系；一個帶有儲能環(huán)節(jié)的線性物理系統的動態(tài)過程可以用線性微分方程描述，圖2-13PWM控制器與變換器框圖1．觸發(fā)脈沖相位控制調節(jié)控制電壓Uc，

移動觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，改變可控整流器VT輸出瞬時電壓ud的波形，以及輸出平均電壓Ud的數值。2023/7/1710式中E——電動機反電動勢(V)；id——整流電流瞬時值(A)；L——主電路總電感(H)；R——主電路總電阻(Ω),；2023/7/17112023/7/1712圖2-2V-M系統主電路的等效電路圖對于一般的全控整流電路，當電流波形連續(xù)時，可用下式表示式中，α——從自然換相點算起的觸發(fā)脈沖控制角；Um——α=0時的整流電壓波形峰值；m——交流電源一周內的整流電壓脈波數。2023/7/1713整流電路單相全波三相半波三相橋式（全波）m2362023/7/1714表2-1不同整流電路的整流電壓波峰值、脈沖數及平均整流電壓2．電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)在整流變壓器二次側額定相電壓u2的瞬時值大于反電動勢E時，晶閘管才可能被觸發(fā)導通。導通后如果u2降低到E以下，靠電感作用可以維持電流id繼續(xù)流通。由于電壓波形的脈動，造成了電流波形的脈動。2023/7/17152023/7/1716圖2-3帶負載單相全控橋式整流電路的輸出電壓和電流波形2023/7/1717圖2－4V-M系統的電流波形(a)電流連續(xù)在Id上升階段，電感儲能；在Id下降階段，電感中的能量將釋放出來維持電流連續(xù)。2023/7/1718圖2－4V-M系統的電流波形（b）電流斷續(xù)當負載電流較小時，電感中的儲能較少，等到Id下降到零時，造成電流波形斷續(xù)。抑制電流脈動的措施增加整流電路相數，或采用多重化技術；設置電感量足夠大的平波電抗器。2023/7/17193．晶閘管整流器-電動機系統機械特性當電流波形連續(xù)時，V-M系統的機械特性方程式為式中，Ce——電動機在額定磁通下的電動勢系數2023/7/17202023/7/1721圖2-5電流連續(xù)時V-M系統的機械特性當負載電流較小時，電感中的儲能較少，轉速反饋控制的直流調速系統的開環(huán)傳遞函數等到Id下降到零時，造成電流波形斷續(xù)。比例控制的調速系統，該傳遞函數無積分環(huán)節(jié)，故存在擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差，稱作有靜差調速系統；閉環(huán)系統IdnUnUnUc當直流電動機被堵轉時，電流將遠遠超過允許值。PWM變換器的直流電源通常由交流電網經不可控的二極管整流器產生，并采用大電容C濾波，以獲得恒定的直流電壓。R=RaU=UN在ton≤t<T期間，VT1關斷，id沿回路2經二極管VD2續(xù)流。5轉速反饋控制直流調速系統的限流保護轉速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調速性能指標圖2-33增量式旋轉編碼器示意圖信號的離散化是微機數字控制系統的第一個特點。截止電流Idcr=Ucom/Rs仿真過程的啟動：單擊啟動仿真工具條的按鈕或選擇Simulation→Start菜單項，則可啟動仿真過程，再雙擊示波器模塊就可以顯示仿真結果。電力電子變換器UPE的輸出電壓Ud=0，達到限制電流的目的。單擊某模塊，選取Format→RotateBlock菜單項可使模塊旋轉90°；額定電流,額定轉速電動機電勢系數比例積分調節(jié)器（PI調節(jié)器）的輸入輸出關系為在例題2-3中，系統采用的是三相橋式可控整流電路，已知電樞回路總電阻，電感量3mH，系統運動部分的飛輪慣量，試判別系統的穩(wěn)定性。2023/7/1722圖2－6V-M系統機械特性在電流連續(xù)區(qū)，顯示出較硬的機械特性；在電流斷續(xù)區(qū)，機械特性很軟，理想空載轉速翹得很高。當電流斷續(xù)時，由于非線性因素，機械特性方程要復雜得多。電流斷續(xù)區(qū)與電流連續(xù)區(qū)的分界線是曲線，當時，電流便開始連續(xù)了。

——一個電流脈波的導通角。2023/7/17234．晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數和傳遞函數晶閘管觸發(fā)電路和整流電路的特性是非線性的。在設計調速系統時，只能在一定的工作范圍內近似地看成線性環(huán)節(jié)，得到了它的放大系數和傳遞函數后，用線性控制理論分析整個調速系統。2023/7/1724放大系數的計算2023/7/1725圖2-7晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入輸出特性和Ks的測定晶閘管觸發(fā)和整流裝置的輸入量是ΔUc，輸出量是ΔUd，晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數Ks可由工作范圍內的特性斜率決定。如果沒有得到實測特性，也可根據裝置的參數估算。2023/7/1726失控時間和純滯后環(huán)節(jié)滯后作用是由晶閘管整流裝置的失控時間引起的。失控時間是個隨機值。最大失控時間是兩個相鄰自然換相點之間的時間，它與交流電源頻率和晶閘管整流器的類型有關。2023/7/17272023/7/1728圖2－8晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時間015Vmin/r，Ce=0.若生產機械要求調速范圍D=10，靜差率5%，試計算調速系統的穩(wěn)態(tài)參數（暫不考慮電動機的起動問題）。5轉速反饋控制直流調速系統的限流保護圖2-16 開環(huán)調速系統穩(wěn)態(tài)結構圖PWM調速系統能夠在滿足穩(wěn)態(tài)性能指標要求下穩(wěn)定運行。圖2-55 修改控制參數后的仿真結果式中，Kp——PI調節(jié)器的比例放大系數，若調速范圍達到10，則靜差率只能是帶電流截止負反饋環(huán)節(jié)的直流調速系統改動的方法有多種，其中一種方法是選中SIMULINK模型窗口的Simulation→ConfigurationParameters菜單項，打開仿真控制參數對話框，對仿真控制參數進行設置。直流調速系統的機械特性n，n0額定勵磁下的直流電動機是一個二階線性環(huán)節(jié)采用簡單的鑒相電路可以分辨出轉向。綜合式(2-74)、式(2-75)和式(2-76)便可求出被測的轉速為：nmax和nmin是電動機在額定負載時的最高和最低轉速，當電流斷續(xù)時，由于非線性因素，機械特性方程要復雜得多。3．比例控制閉環(huán)直流調速系統的動態(tài)穩(wěn)定性式中：Ks——PWM裝置的放大系數最大失控時間平均失控時間式中，f——交流電源頻率(Hz)，m——一周內整流電壓的脈波數。2023/7/1729式中R、L分別為電樞電路的電阻和電感。圖2-11 有制動電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動機系統額定電流,額定轉速電動機電勢系數圖2-45比例積分控制的直流調速系統的仿真框圖MATLAB下的SIMULINK軟件進行系統仿真是十分簡單和直觀的，PWM調速系統能夠在滿足穩(wěn)態(tài)性能指標要求下穩(wěn)定運行。轉速負反饋閉環(huán)調速系統

仿真框圖及參數Um——α=0時的整流電壓波形峰值；使用比例積分調節(jié)器時，系統的開環(huán)傳遞函數為2．數字測速方法的精度指標在直流調速系統中，被調節(jié)量是轉速，所構成的是轉速反饋控制的直流調速系統。表示開環(huán)系統的穩(wěn)態(tài)速降。VT1、VD2、VT2和VD1四個管子輪流導通。檢測周期由采樣脈沖Tc的邊沿之后的第一個脈沖編碼器的輸出脈沖的邊沿來決定，即T=Tc–ΔT1+ΔT2。（轉速調節(jié)器用ASR表示）M2＝f0Tf0Tc，代入式（2-78)可得：m——交流電源一周內的整流電壓脈波數。階躍擾動引起的的穩(wěn)態(tài)誤差是nmax和nmin是電動機在額定負載時的最高和最低轉速，Um——α=0時的整流電壓波形峰值；2023/7/1730表2-2晶閘管整流器的失控時間（f=50Hz）整流電路形式最大失控時間

Tsmax(ms)平均失控時間

Ts(ms)單相半波單相橋式（全波）三相半波三相橋式20106.673.331053.331.67晶閘管觸發(fā)電路與整流裝置的傳遞函數滯后環(huán)節(jié)的輸入為階躍信號1(t)，輸出要隔一定時間后才出現響應1(t-Ts)。輸入輸出關系為：傳遞函數為2023/7/1731傳遞函數的近似處理按泰勒級數展開，可得依據工程近似處理的原則，可忽略高次項，把整流裝置近似看作一階慣性環(huán)節(jié)2023/7/17322023/7/1733圖2－9晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結構圖5.晶閘管整流器運行中存在的問題晶閘管是單向導電的。晶閘管對過電壓、過電流和過高的du/dt與di/dt都十分敏感。晶閘管的導通角變小時會使得系統的功率因數也隨之減少，稱之為“電力公害”。2023/7/1734積分控制或比例積分控制的調速系統，該傳遞函數具有積分環(huán)節(jié)，所以由階躍擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差為0，稱作無靜差調速系統。比例控制的直流調速系統Un，n0要適當地選擇電容的電容量，或采取其它措施，以保護電力電子開關器件不被泵升電壓擊穿。一個帶有儲能環(huán)節(jié)的線性物理系統的動態(tài)過程可以用線性微分方程描述，填寫所需要的放大系數要求s值越小時，系統能夠允許的調速范圍D也越小。失控時間和純滯后環(huán)節(jié)在轉速反饋控制直流調速系統上突加給定電壓時，電樞電壓立即達到它的最高值，對電動機來說，相當于全壓起動，會造成電動機過流。0型系統對于階躍給定輸入穩(wěn)態(tài)有差，被稱作有差調速系統；平均失控時間Ts(ms)階躍擾動引起的的穩(wěn)態(tài)誤差是在ton≤t<T期間，VT1關斷，id沿回路2經二極管VD2續(xù)流。比例控制的直流調速系統晶閘管觸發(fā)整流裝置：三相橋式可控整流電路，整流變壓器Y/Y聯結，二次線電壓U2l=230V，電壓放大系數Ks=44；圖2-10簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統R=RaU=UN直流PWM變換器-電動機系統全控型電力電子器件問世以后，就出現了采用脈沖寬度調制的高頻開關控制方式,形成了脈寬調制變換器-直流電動機調速系統，簡稱直流脈寬調速系統，或直流PWM調速系統。與V-M系統相比，PWM調速系統在很多方面有較大的優(yōu)越性。直流PWM調速系統的應用日益廣泛，特別在中、小容量的高動態(tài)性能系統中，已經完全取代了V-M系統。2023/7/17351．PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形脈寬調制變換器的作用是：用脈沖寬度調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調節(jié)電動機轉速。PWM變換器電路有多種形式，總體上可分為不可逆與可逆兩大類。2023/7/17362023/7/1737圖2-10簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統2023/7/1738圖2-10簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統在一個開關周期T內，當時，Ug為正，VT飽和導通，電源電壓Us通過VT加到直流電動機電樞兩端。當時，Ug為負，VT關斷，電樞電路中的電流通過續(xù)流二極管VD續(xù)流，直流電動機電樞電壓近似等于零。2023/7/1739直流電動機電樞兩端的平均電壓為改變占空比，即可實現直流電動機的調壓調速。令為PWM電壓系數，則在不可逆PWM變換器中2023/7/1740不可逆PWM變換器-直流電動機系統不允許電流反向，續(xù)流二極管VD的作用只是為id提供一個續(xù)流的通道。如果要實現電動機的制動，必須為其提供反向電流通道。2023/7/17412023/7/1742圖2-11 有制動電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動機系統2023/7/1743圖2-11 有制動電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動機系統一般電動狀態(tài)在一般電動狀態(tài)中，id始終為正值（其正方向示于圖2-11(a)中）。在0≤t<ton期間，VT1導通，VT2關斷。電流id沿圖中的回路1流通。在ton≤t<T期間，VT1關斷，id沿回路2經二極管VD2續(xù)流。VT1和VD2交替導通，VT2和VD1始終關斷。2023/7/1744階躍時刻，可改到0。使用比例積分調節(jié)器時，系統的開環(huán)傳遞函數為在比例控制直流V-M調速系統中，穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)穩(wěn)定性的要求常常是互相矛盾的。3轉速反饋控制的直流調速系統開環(huán)系統反映內在規(guī)律，不反映轉速、電流的靜態(tài)關系；只有到ΔUn變負，Uc才會下降。圖2-45比例積分控制的直流調速系統的仿真框圖2．數字測速方法的精度指標Um——α=0時的整流電壓波形峰值；當要求靜差率s≤30%時，允許多大的調速范圍？假定主電路電流連續(xù)，動態(tài)電壓方程為檢測周期由采樣脈沖Tc的邊沿之后的第一個脈沖編碼器的輸出脈沖的邊沿來決定，即T=Tc–ΔT1+ΔT2。調節(jié)控制電壓Uc就可以改變電動機的轉速。積分飽和值,可改為-10。在M法測速中，隨著電動機的轉速的降低，計數值減少，測速裝置的分辨能力變差，測速誤差增大。只要ΔUn>0，積分調節(jié)器的輸出Uc便一直增長；在比例控制直流V-M調速系統中，穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)穩(wěn)定性的要求常常是互相矛盾的。一個帶有儲能環(huán)節(jié)的線性物理系統的動態(tài)過程可以用線性微分方程描述，階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差是其中，τ——積分時間常數。2023/7/1745圖2-11 有制動電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動機系統的正脈沖比負脈沖窄

，始終為負。

制動狀態(tài)在ton≤t<T期間，Vg2為正，VT2導通，在感應電動勢E的作用下，反向電流沿回路3能耗制動。在T≤t<T+ton（即下一周期的0≤t<ton）期間，Vg2為負，VT2關斷，-id沿回路4經VD1續(xù)流，向電源回饋能量。VT2和VD1交替導通，VT1和VD2始終關斷。2023/7/17462023/7/1747圖2-11 有制動電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動機系統VT1、VD2、VT2和VD1四個管子輪流導通。輕載電動狀態(tài)在VT1關斷后，id經VD2續(xù)流。還沒有到達周期T，電流已經衰減到零，在t=t2時刻，VT2導通，使電流反向，產生局部時間的制動作用。輕載時，電流可在正負方向之間脈動，平均電流等于負載電流，一個周期分成四個階段。2023/7/1748有制動電流通路的

不可逆PWM-直流電動機系統圖2-11(a)所示電路之所以為不可逆是因為平均電壓Ud始終大于零，電流雖然能夠反向，而電壓和轉速仍不能反向。如果要求轉速反向，需要再增加VT和VD，構成可逆的PWM變換器-直流電動機系統，在第4章中將進一步討論。2023/7/17492.直流PWM調速系統的機械特性對于帶制動電流通路的不可逆電路，其電壓平衡方程式分兩個階段：式中R、L分別為電樞電路的電阻和電感。2023/7/1750電壓平均值方程平均電壓平均電流電樞電感壓降的均值轉速2023/7/1751機械特性機械特性方程式為

或用轉矩表示，

式中，——電動機在額定磁通下的轉矩系數；

——理想空載轉速，與電壓系數成正比。2023/7/17522023/7/1753圖2-12 直流PWM調速系統（電流連續(xù)）的機械特性3．PWM控制器與變換器的動態(tài)數學模型2023/7/1754圖2-13PWM控制器與變換器框圖傳遞函數傳遞函數為

式中：Ks——PWM裝置的放大系數

Ts——PWM裝置的延遲時間，近似的傳遞函數2023/7/1755若生產機械要求調速范圍D=10，靜差率5%，試計算調速系統的穩(wěn)態(tài)參數（暫不考慮電動機的起動問題）。由系統的定時器按采樣周期的時間定期地發(fā)出一個采樣脈沖信號，微機控制的調速系統是一個數字采樣系統。仿真過程的啟動：單擊啟動仿真工具條的按鈕或選擇Simulation→Start菜單項，則可啟動仿真過程，再雙擊示波器模塊就可以顯示仿真結果。圖2-23轉速反饋控制直流調速系統的動態(tài)結構框圖（轉速調節(jié)器用ASR表示）n，n0當要求靜差率s≤30%時，允許多大的調速范圍？在一般電動狀態(tài)中，id始終為正值（其正方向示于圖2-11(a)中）。圖2-45比例積分控制的直流調速系統的仿真框圖對于調速系統轉速控制的要求：IdRc-Ucom>0時，輸出Ui=IdRc-Ucom，閉環(huán)系統的動態(tài)穩(wěn)定性和例題2-3中穩(wěn)態(tài)性能要求是矛盾的。3轉速反饋控制的直流調速系統圖2-55 修改控制參數后的仿真結果id——整流電流瞬時值(A)；R——主電路總電阻(Ω),；對于調速系統轉速控制的要求：4．直流PWM調速系統的電能回饋和泵升電壓PWM變換器的直流電源通常由交流電網經不可控的二極管整流器產生，并采用大電容C濾波，以獲得恒定的直流電壓。當電動機工作在回饋制動狀態(tài)時，電能不可能通過整流裝置送回交流電網，只能向濾波電容充電，形成直流PWM變換器-電動機系統特有的電能回饋問題。2023/7/1756對濾波電容充電的結果造成直流側電壓升高，稱作“泵升電壓”。系統在制動時釋放的動能將表現為電容儲能的增加，要適當地選擇電容的電容量，或采取其它措施，以保護電力電子開關器件不被泵升電壓擊穿。2023/7/17572.2穩(wěn)態(tài)調速性能指標和直流調速系統的機械特性對于調速系統轉速控制的要求：調速——在一定的最高轉速和最低轉速范圍內調節(jié)轉速；穩(wěn)速——以一定的精度在所需轉速上穩(wěn)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉速波動；加、減速——頻繁起、制動的設備要求加、減速盡量快；不宜經受劇烈速度變化的機械則要求起、制動盡量平穩(wěn)。2023/7/1758轉速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調速性能指標1、調速范圍生產機械要求電動機提供的最高轉速nmax和最低轉速nmin之比稱為調速范圍，用字母D表示，即nmax和nmin是電動機在額定負載時的最高和最低轉速，對于少數負載很輕的機械，也可用實際負載時的最高和最低轉速。2023/7/17592、靜差率s當系統在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值所對應的轉速降落ΔnN與理想空載轉速n0之比：用百分數表示2023/7/17602023/7/1761圖2-14不同轉速下的靜差率特性a和b的硬度相同，特性a和b額定速降相同，特性a和b的靜差率不相同。3.調速范圍、靜差率和額定速降之間的關系對于同一個調速系統，ΔnN值是定值。要求s值越小時，系統能夠允許的調速范圍D也越小。一個調速系統的調速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉速可調范圍。2023/7/1762比例控制的直流調速系統三種調速方法性能與比較（轉速調節(jié)器用ASR表示）閉環(huán)系統則只是閉環(huán)作用的結果，它只表示靜態(tài)關系，不反映動態(tài)過程。nmax和nmin是電動機在額定負載時的最高和最低轉速，在t=t1時，Uin=0，圖2-38(a)中用獨立的直流電源作為比較電壓Ucom，其大小可用電位器調節(jié)，其控制軟件能夠進行邏輯判斷和復雜運算，可以實現不同于一般線性調節(jié)的最優(yōu)化、自適應、非線性、智能化等控制規(guī)律，而且更改起來靈活方便?！姌谢芈冯姶艜r間常數(s)L——主電路總電感(H)；轉速實際值和測量值之差與實際值之比定義為測速誤差率，記作3．晶閘管整流器-電動機系統機械特性積分部分②表示了從t=0到此時刻對ΔUn(t)的積分值，下面分析閉環(huán)調速系統的穩(wěn)態(tài)特性，以確定它如何能夠減少轉速降落。仿真參數的設置：為了清晰地觀測仿真結果，需要對示波器顯示格式作一個修改，對示波器的默認值逐一改動。開環(huán)系統反映內在規(guī)律，不反映轉速、電流的靜態(tài)關系；令τ1=Kpτ，則PI調節(jié)器的傳遞函數也可寫成如下形式穩(wěn)態(tài)調速性能指標和直流調速系統的機械特性=NU=UN若生產機械要求調速范圍D=10，靜差率5%，試計算調速系統的穩(wěn)態(tài)參數（暫不考慮電動機的起動問題）。式中，Kp——PI調節(jié)器的比例放大系數，例題2-1某直流調速系統電動機額定轉速為nN=1430r/min，額定速降ΔnN=115r/min當要求靜差率s≤30%時，允許多大的調速范圍？如果要求靜差率s≤20%，則調速范圍是多少？如果希望調速范圍達到10，所能滿足的靜差率是多少？2023/7/1763解在要求s≤30%時，允許的調速范圍為若要求s≤20%，則允許的調速范圍只有若調速范圍達到10，則靜差率只能是2023/7/1764直流調速系統的機械特性開環(huán)調速系統，即無反饋控制的直流調速系統。調節(jié)控制電壓Uc就可以改變電動機的轉速。晶閘管整流器和PWM變換器都是可控的直流電源，用UPE來統一表示可控直流電源2023/7/17652023/7/1766圖2－15開環(huán)調速系統的原理圖機械特性開環(huán)調速系統中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關系如下： 電力電子變換器

直流電動機

開環(huán)調速系統的機械特性為2023/7/17672023/7/1768圖2-16 開環(huán)調速系統穩(wěn)態(tài)結構圖2023/7/1769圖2-17開環(huán)直流調速系統的機械特性例題2-2某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機，其額定數據如下：60kW，220V，305A，1000r/min，采用V-M系統，主電路總電阻R=0.18Ω，電動機電動勢系數Ce=0.2Vmin/r。如果要求調速范圍D=20，靜差率s≤5%，采用開環(huán)調速能否滿足？若要滿足這個要求，系統的額定速降ΔnN最多能有多少？2023/7/1770當電流連續(xù)時，V-M系統的額定速降為開環(huán)系統在額定轉速時的靜差率為如要求，，即要求2023/7/17712.3轉速反饋控制的直流調速系統根據自動控制原理，將系統的被調節(jié)量作為反饋量引入系統，與給定量進行比較，用比較后的偏差值對系統進行控制，可以有效地抑制甚至消除擾動造成的影響，而維持被調節(jié)量很少變化或不變，這就是反饋控制的基本作用。2023/7/1772轉速反饋控制直流調速系統的數學模型在負反饋基礎上的“檢測誤差，用以糾正誤差”這一原理組成的系統，其輸出量反饋的傳遞途徑構成一個閉合的環(huán)路，因此被稱作閉環(huán)控制系統。在直流調速系統中，被調節(jié)量是轉速，所構成的是轉速反饋控制的直流調速系統。2023/7/17731．轉速反饋控制直流調速系統的靜特性2023/7/1774圖2-18 帶轉速負反饋的閉環(huán)直流調速系統原理框圖圖中，UPE是由電力電子器件組成的變換器，其輸入接三組（或單相）交流電源，輸出為可控的直流電壓，控制電壓為Uc

。2023/7/1775UcUd0u~ACDCUd0Uc目前，組成UPE電力電子器件有如下幾種選擇方案：對于中、小容量系統，多采用由IGBT或P-MOSFET組成的PWM變換器對于較大容量的系統，可采用其他電力電子開關器件，如GTO、IGCT等對于特大容量的系統，則常用晶閘管觸發(fā)與整流裝置2023/7/1776下面分析閉環(huán)調速系統的穩(wěn)態(tài)特性，以確定它如何能夠減少轉速降落。為了突出主要矛盾，先作如下的假定：忽略各種非線性因素，假定系統中各環(huán)節(jié)的輸入輸出關系都是線性的，或者只取其線性工作段。忽略控制電源和電位器的內阻。2023/7/1777電壓比較環(huán)節(jié)比例調節(jié)器測速反饋環(huán)節(jié)電力電子變換器直流電動機2023/7/1778Kp——比例調節(jié)器的比例系數α——轉速反饋系數（V·min/r）靜特性方程式

式中:——閉環(huán)系統開環(huán)放大系數閉環(huán)調速系統的靜特性表示閉環(huán)系統電動機轉速與負載電流（或轉矩）間的穩(wěn)態(tài)關系。2023/7/17792023/7/1780圖2-19 轉速負反饋閉環(huán)直流調速系統穩(wěn)態(tài)結構框圖2023/7/1781圖2-19 轉速負反饋閉環(huán)直流調速系統穩(wěn)態(tài)結構框圖2023/7/1782圖2-19 轉速負反饋閉環(huán)直流調速系統穩(wěn)態(tài)結構框圖2．轉速反饋控制直流調速系統的動態(tài)數學模型一個帶有儲能環(huán)節(jié)的線性物理系統的動態(tài)過程可以用線性微分方程描述，微分方程的解即系統的動態(tài)過程，它包括兩部分：動態(tài)響應和穩(wěn)態(tài)解。在動態(tài)過程中，從施加給定輸入值的時刻開始，到輸出達到穩(wěn)態(tài)值以前，是系統的動態(tài)響應；系統達到穩(wěn)態(tài)后，可用穩(wěn)態(tài)解來描述系統的穩(wěn)態(tài)特性。2023/7/1783比例放大器的傳遞函數電力電子變換器的傳遞函數測速反饋的傳遞函數2023/7/17842023/7/1785圖2-20 他勵直流電動機在額定勵磁下的等效電路假定主電路電流連續(xù)，動態(tài)電壓方程為忽略粘性摩擦及彈性轉矩，電動機軸上的動力學方程為2023/7/1786額定勵磁下的感應電動勢和電磁轉矩分別為

——包括電動機空載轉矩在內的負載轉矩，（N·m）——電力拖動裝置折算到電動機軸上的飛輪慣量，(N·m2)——電動機額定勵磁下的轉矩系數，(N·m/A)2023/7/1787再定義下列時間常數：

—電樞回路電磁時間常數(s)

—電力拖動系統機電時間常數(s)2023/7/1788整理后得

式中，——負載電流（A）。2023/7/1789在零初始條件下，取拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數

電流與電動勢間的傳遞函數2023/7/17902023/7/1791圖2-21額定勵磁下直流電動機的動態(tài)結構框圖直流電動機有兩個輸入量，一個是施加在電樞上的理想空載電壓Ud0，是控制輸入量，另一個是負載電流IdL。擾動輸入量。如果不需要在結構圖中顯現出電流，可將擾動量的綜合點移前，再進行等效變換，得圖2-22。2023/7/1792額定勵磁下的直流電動機是一個二階線性環(huán)節(jié)時間常數Tm表示機電慣性時間常數Tl表示電磁慣性。2023/7/1793圖2-22直流電動機動態(tài)結構框圖的變換2023/7/1794圖2-23轉速反饋控制直流調速系統的動態(tài)結構框圖轉速反饋控制的直流調速系統的開環(huán)傳遞函數2023/7/1795轉速反饋控制直流調速系統的閉環(huán)傳遞函數2023/7/1796比例控制的直流調速系統1．開環(huán)系統機械特性和比例控制閉環(huán)系統靜特性的關系開環(huán)機械特性為

式中，表示開環(huán)系統的理想空載轉速，表示開環(huán)系統的穩(wěn)態(tài)速降。2023/7/1797比例控制閉環(huán)系統的靜特性為式中，表示閉環(huán)系統的理想空載轉速，表示閉環(huán)系統的穩(wěn)態(tài)速降。2023/7/1798閉環(huán)系統靜特性可以比開環(huán)系統機械特性硬得多開環(huán)系統的轉速降落閉環(huán)系統的轉速降落它們的關系是2023/7/1799閉環(huán)系統的靜差率要比開環(huán)系統小得多閉環(huán)系統的靜差率為開環(huán)系統的靜差率為當時，2023/7/17100如果所要求的靜差率一定，則閉環(huán)系統可以大大提高調速范圍如果電動機的最高轉速都是nN，最低速靜差率都是s，可得開環(huán)時，

閉環(huán)時，

得到2023/7/17101閉環(huán)調速系統可以獲得比開環(huán)調速系統硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調速范圍，為此所需付出的代價是，須增設電壓放大器以及檢測與反饋裝置。2023/7/171022023/7/17103圖2-24閉環(huán)系統靜特性和開環(huán)系統機械特性的關系開環(huán)系統Idn

例如：在圖2-24中工作點從AA′

閉環(huán)系統IdnUnUnUcUd0n

例如：在圖2-24中工作點從AB比例控制直流調速系統能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實質在于它的自動調節(jié)作用，在于它能隨著負載的變化而相應地改變電樞電壓，以補償電樞回路電阻壓降的變化。2023/7/17104由此看來，閉環(huán)系統能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實質在于它的自動調節(jié)作用，在于它能隨著負載的變化而相應地改變電樞電壓，以補償電樞回路電阻壓降。開環(huán)系統反映內在規(guī)律，不反映轉速、電流的靜態(tài)關系；閉環(huán)系統則只是閉環(huán)作用的結果，它只表示靜態(tài)關系，不反映動態(tài)過程。2023/7/17105例題2-3在例題2-2中，龍門刨床要求D=20，s≤5%，已知Ks=30,α=0.015Vmin/r，Ce=0.2Vmin/r，采用比例控制閉環(huán)調速系統滿足上述要求時，比例放大器的放大系數應該有多少？2023/7/17106開環(huán)系統額定速降為=275r/min，閉環(huán)系統額定速降須為2.63r/min，由式（2-48）可得則得即只要放大器的放大系數等于或大于46。2023/7/171072．反饋控制規(guī)律比例控制的反饋控制系統是被調量有靜差的控制系統比例控制反饋控制系統的開環(huán)放大系數值越大，系統的穩(wěn)態(tài)性能越好。但只要比例放大系數Kp＝常數，開環(huán)放大系數K≠∞，反饋控制就只能減小穩(wěn)態(tài)誤差，而不能消除它，這樣的控制系統叫做有靜差控制系統。2023/7/17108反饋控制系統的作用是：抵抗擾動,服從給定反饋控制系統具有良好的抗擾性能，它能有效地抑制一切被負反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動作用，對于給定作用的變化唯命是從。2023/7/171092023/7/17110圖2-25閉環(huán)調速系統的給定作用和擾動作用系統的精度依賴于給定和反饋檢測的精度反饋控制系統無法鑒別是對給定電壓的正常調節(jié)還是不應有的給定電壓的電源波動。反饋檢測裝置的誤差也是反饋控制系統無法克服的。現代調速系統的發(fā)展趨勢是用數字給定和數字測速來提高調速系統的精度。2023/7/171113．比例控制閉環(huán)直流調速系統的動態(tài)穩(wěn)定性比例控制閉環(huán)系統的特征方程為根據三階系統的勞斯-古爾維茨判據，系統穩(wěn)定的充分必要條件是整理后得2023/7/17112例題2-4在例題2-3中，系統采用的是三相橋式可控整流電路，已知電樞回路總電阻，電感量3mH，系統運動部分的飛輪慣量，試判別系統的穩(wěn)定性。2023/7/17113電磁時間常數機電時間常數

晶閘管裝置的滯后時間常數為為保證系統穩(wěn)定，應滿足的穩(wěn)定條件：閉環(huán)系統的動態(tài)穩(wěn)定性和例題2-3中穩(wěn)態(tài)性能要求是矛盾的。2023/7/17114例題2-5在上題的閉環(huán)直流調速系統中，若改用全控型器件的PWM調速系統，電動機不變，電樞回路參數為：，，，PWM開關頻率為8kHz。按同樣的穩(wěn)態(tài)性能指標，，該系統能否穩(wěn)定？如果對靜差率的要求不變，在保證穩(wěn)定時，系統能夠達到的最大調速范圍有多少？2023/7/171152023/7/17116按照穩(wěn)態(tài)性能指標、要求

PWM調速系統能夠在滿足穩(wěn)態(tài)性能指標要求下穩(wěn)定運行。2023/7/17117（見例題2-2）<337.5若系統處于臨界穩(wěn)定狀況，2023/7/17118用線性集成電路運算放大器作為電壓放大器的轉速負反饋閉環(huán)直流調速系統如圖所示，主電路是晶閘管可控整流器供電的V-M系統。已知數據如下：電動機：額定數據為10kW，220V，55A，1000r/min，電樞電阻Ra=0.5Ω；測速發(fā)電機：永磁式，額定數據為23.1W，110V，0.21A，1900r/min；直流穩(wěn)壓電源：±15V；2023/7/17119晶閘管觸發(fā)整流裝置：三相橋式可控整流電路，整流變壓器Y/Y聯結，二次線電壓U2l=230V，電壓放大系數Ks=44；V-M系統電樞回路總電阻：R=1.0Ω；若生產機械要求調速范圍D=10，靜差率5%，試計算調速系統的穩(wěn)態(tài)參數（暫不考慮電動機的起動問題）。2023/7/171202023/7/17121比例積分控制的無靜差

直流調速系統在比例控制直流V-M調速系統中，穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)穩(wěn)定性的要求常常是互相矛盾的。根據自動控制原理，要解決這個矛盾，必須恰當地設計動態(tài)校正裝置，用來改造系統。在電力拖動自動控制系統中，常用串聯校正和反饋校正。對于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調速系統，傳遞函數階次較低，一般采用PID調節(jié)器的串聯校正方案就能完成動態(tài)校正的任務。2023/7/171221．積分調節(jié)器和積分控制規(guī)律在輸入轉速誤差信號ΔUn的作用下，積分調節(jié)器的輸入輸出關系為其傳遞函數是其中，τ——積分時間常數。2023/7/171232023/7/17124圖2-26積分調節(jié)器的輸入和輸出動態(tài)過程輸入ΔUN是階躍信號，則輸出Uc

按線性規(guī)律增長。當輸出值達到積分調節(jié)器輸出的飽和值Ucm時，便維持在Ucm不變。2023/7/17125圖2-26積分調節(jié)器的輸入和輸出動態(tài)過程只要ΔUn>0，積分調節(jié)器的輸出Uc便一直增長；只有達到ΔUn=0時，Uc才停止上升；只有到ΔUn變負，Uc才會下降。當ΔUn=0時，Uc并不是零，而是某一個固定值Ucf

2023/7/17126突加負載時，由于Idl的增加，轉速n下降，導致ΔUn變正，在積分調節(jié)器的作用下，Uc上升，電樞電壓Ud上升，以克服Idl增加的壓降，最終進入新的穩(wěn)態(tài)。積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的根本區(qū)別比例調節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現狀，而積分調節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。積分調節(jié)器到穩(wěn)態(tài)時ΔUn=0，只要歷史上有過ΔUn

，其積分就有一定數值，足以產生穩(wěn)態(tài)運行所需要的控制電壓。2023/7/171272．比例積分控制規(guī)律比例積分調節(jié)器（PI調節(jié)器）的輸入輸出關系為式中，Uin——PI調節(jié)器的輸入，Uex——PI調節(jié)器的輸出。其傳遞函數為式中，Kp——PI調節(jié)器的比例放大系數，

τ——PI調節(jié)器的積分時間常數。2023/7/17128令τ1=Kpτ，則PI調節(jié)器的傳遞函數也可寫成如下形式表明，PI調節(jié)器也可用積分和比例微分兩個環(huán)節(jié)表示，式中，τ1——微分項中的超前時間常數。2023/7/17129用運算放大器來實現PI調節(jié)器的輸入極性和輸出極性是反相的Rbal為運算放大器同相輸入端的平衡電阻。2023/7/17130圖2-28比例積分（PI）調節(jié)器線路圖PI控制綜合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。比例部分能迅速響應控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。2023/7/17131在t=0時就有Uex(t)=KpUin，實現了快速控制；隨后Uex(t)按積分規(guī)律增長，在t=t1時，Uin=0，2023/7/17132圖2-29PI調節(jié)器的輸入輸出特性在閉環(huán)調速系統中，采用PI調節(jié)器輸出部分Uc由兩部分組成，比例部分①和ΔUn成正比，積分部分②表示了從t=0到此時刻對ΔUn(t)的積分值，Uc是這兩部分之和。2023/7/17133圖2-30閉環(huán)系統中PI調節(jié)器的輸入和輸出動態(tài)過程直流調速系統的穩(wěn)態(tài)誤差分析2023/7/17134圖2-31比例積分控制的直流調速系統的動態(tài)結構框圖（轉速調節(jié)器用ASR表示）使用比例調節(jié)器時，系統的開環(huán)傳遞函數使用積分調節(jié)器時，系統的開環(huán)傳遞函數使用比例積分調節(jié)器時，系統的開環(huán)傳遞函數為2023/7/17135根據系統開環(huán)傳遞函數中積分環(huán)節(jié)的數目劃分控制系統的類型，比例控制的調速系統是0型系統，積分控制、比例積分控制的調速系統是Ⅰ型系統。穩(wěn)態(tài)誤差定義為輸入量和反饋量的差值，即2023/7/17136衡量系統控制的準確度的是系統對給定輸入Un*的跟隨能力；衡量系統抑制干擾能力的是系統抑制負載電流IdL的抗擾能力。2023/7/171371．階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差在分析階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差時，令IdL(s)=0。比例調節(jié)器系統的誤差傳遞函數階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差是2023/7/17138積分調節(jié)器系統的誤差傳遞函數為階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差是2023/7/17139比例積分調節(jié)器系統的誤差傳遞函數為階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差是2023/7/17140在系統穩(wěn)定的情況下，0型系統對于階躍給定輸入穩(wěn)態(tài)有差，被稱作有差調速系統；Ⅰ型系統對于階躍給定輸入穩(wěn)態(tài)無差，被稱作無差調速系統。2023/7/171412．擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差在分析由擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差時，令Un*(s)=0。比例調節(jié)器系統的誤差為階躍擾動引起的的穩(wěn)態(tài)誤差是2023/7/17142積分調節(jié)器系統的誤差為階躍擾動引起的的穩(wěn)態(tài)誤差是2023/7/17143比例積分調節(jié)器系統的誤差為階躍擾動引起的的穩(wěn)態(tài)誤差是2023/7/17144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。比例控制的調速系統，該傳遞函數無積分環(huán)節(jié)，故存在擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差，稱作有靜差調速系統；積分控制或比例積分控制的調速系統，該傳遞函數具有積分環(huán)節(jié)，所以由階躍擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差為0，稱作無靜差調速系統。2023/7/171452.4直流調速系統的數字控制以微處理器為核心的數字控制系統（簡稱微機數字控制系統）硬件電路的標準化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的影響；其控制軟件能夠進行邏輯判斷和復雜運算，可以實現不同于一般線性調節(jié)的最優(yōu)化、自適應、非線性、智能化等控制規(guī)律，而且更改起來靈活方便。2023/7/17146微機數字控制的特殊問題2023/7/17147圖2-32微型計算機采樣控制系統框圖微機控制的調速系統是一個數字采樣系統。其中K1是給定值的采樣開關，K2是反饋值的采樣開關，K3是輸出的采樣開關。若所有的采樣開關是等周期地一起開和閉，則稱為同步采樣。微型計算機只有在采樣開關閉合時才能輸入和輸出信號。只能在采樣時刻對模擬的連續(xù)信號進行采樣，把連續(xù)信號變成脈沖信號，即離散的模擬信號。2023/7/17148信號的離散化是微機數字控制系統的第一個特點。采樣后得到的離散模擬信號本質上還是模擬信號，不能直接送入計算機，還須經過數字量化。用一組數碼（如二進制數）來逼近離散模擬信號的幅值，將它轉換成數字信號。信號的數字化是微機數字控制系統的第二個特點。2023/7/17149根據香農（Shannon）采樣定理：如果模擬信號的最高頻率為fmax

，只要按照f>2fmax采樣頻率進行采樣，取出的樣品序列就可以代表（或恢復）模擬信號。在電動機調速系統中，控制對象是電動機的轉速和電流，是快速變化的物理量，必須具有較高的采樣頻率。2023/7/17150微型計算機控制的直流調速系統是一種快速數字采樣系統，要求微型計算機在較短的采樣周期之內，完成信號的轉換、采集，完成按某種控制規(guī)律實施的控制運算，完成控制信號的輸出。2023/7/17151轉速檢測的數字化2023/7/17152圖2-33增量式旋轉編碼器示意圖1．旋轉編碼器光電式旋轉編碼器是檢測轉速或轉角的元件，旋轉編碼器與電動機相連，當電動機轉動時，帶動編碼器旋轉，產生轉速或轉角信號。旋轉編碼器可分為絕對式和增量式兩種。絕對式編碼器常用于檢測轉角。增量式編碼器在碼盤上均勻地刻制一定數量的光柵，在接收裝置的輸出端便得到頻率與轉速成正比的方波脈沖序列，從而可以計算轉速。2023/7/17153增加一對發(fā)光與接收裝置，使兩對發(fā)光與接收裝置錯開光柵節(jié)距的1/4。正轉時A相超前B相；反轉時B相超前A相。采用簡單的鑒相電路可以分辨出轉向。2023/7/17154圖2-34區(qū)分旋轉方向的A、B兩組脈沖序列2．數字測速方法的精度指標分辨率用改變一個計數值所對應的轉速變化量來表示分辨率，用符號Q表示。當被測轉速由n1變?yōu)閚2時，引起記數值增量為1，則該測速方法的分辨率是分辨率Q越小，說明測速裝置對轉速變化的檢測越敏感，從而測速的精度也越高。2023/7/17155測速誤差率轉速實際值和測量值之差與實際值之比定義為測速誤差率，記作測速誤差率反映了測速方法的準確性，δ越小，準確度越高。2023/7/171563．M法測速記取一個采樣周期內旋轉編碼器發(fā)出的脈沖個數來算出轉速的方法稱為M法測速，又稱頻率法測速。

式中:n轉速，單位為r/min；

M1時間Tc內的脈沖個數；

z旋轉編碼器每轉輸出的脈沖個數;

Tc采樣周期，單位為s。2023/7/17157由系統的定時器按采樣周期的時間定期地發(fā)出一個采樣脈沖信號，計數器記錄下在兩個采樣脈沖信號之間的旋轉編碼器的脈沖個數。2023/7/17158圖2－35M法測速原理示意圖M法測速分辨率為M法測速的分辨率與實際轉速的大小無關M法的測速誤差率的最大值為δmax與M1成反比。轉速愈低，M1愈小，誤差率愈大。2023/7/171594．T法測速T法測速是測出旋轉編碼器兩個輸出脈沖之間的間隔時間來計算轉速，又被稱為周期法測速。與M法測速不同的是，T法測速所計的是計算機發(fā)出的高頻時鐘脈沖的個數，以旋轉編碼器輸出的相鄰兩個脈沖的同樣變化沿作為計數器的起始點和終止點。2023/7/17160準確的測速時間是用所得的高頻時鐘脈沖個數M2計算出來的，即，電動機轉速為2023/7/17161圖2-36T法測速原理示意圖T法測速的分辨率定義為時鐘脈沖個數由M2變成(M2-1)時轉速的變化量，綜合式（2-80）和式（2-81），可得T法測速的分辨率與轉速高低有關，轉速越低，Q值越小，分辨能力越強。2023/7/17162T法測速誤差率的最大值為低速時，編碼器相鄰脈沖間隔時間長，測得的高頻時鐘脈沖M2個數多，誤差率小，測速精度高。T法測速更適用于低速段。2023/7/171635．M/T法測速在M法測速中，隨著電動機的轉速的降低，計數值減少，測速裝置的分辨能力變差，測速誤差增大。T法測速正好相反，隨著電動機轉速的增加，計數值減小，測速裝置的分辨能力越來越差。綜合這兩種測速方法的特點，產生了M/T測速法，它無論在高速還是在低速時都具有較高的分辨能力和檢測精度。2023/7/171642023/7/17165圖2-37 M/T法測速原理示意圖關鍵是和計數同步開始和關閉，實際的檢測時間與旋轉編碼器的輸出脈沖一致，能有效減小測速誤差。采樣時鐘Tc

由系統的定時器產生，其數值始終不變。檢測周期由采樣脈沖Tc的邊沿之后的第一個脈沖編碼器的輸出脈沖的邊沿來決定，即T=Tc–ΔT1+ΔT2

。2023/7/17166檢測周期T內被測轉軸的轉角為θ旋轉編碼器每轉發(fā)出Z個脈沖，在檢測周期T內旋轉編碼器發(fā)出的脈沖數是M1，則2023/7/17167若時鐘脈沖頻率是f0，在檢測周期T內時鐘脈沖計數值為M2

，則綜合式(2-74)、式(2-75)和式(2-76)便可求出被測的轉速為：2023/7/17168在高速段，TcΔT1，TcΔT2，可看成TTc：M2＝f0Tf0Tc，代入式（2-78)可得：2023/7/17169在高速段，與M法測速分辨率完全相同。在低速段，M1＝1，M2隨轉速變化，分辨率與T法測速完全相同。M/T法測速無論是在高速還是在低速都有較強的分辨能力。在M/T法測速中，檢測時間是以脈沖編碼器的輸出脈沖的邊沿為基準，計數值M2最多產生一個時鐘脈沖的誤差。2023/7/17170M2的數值在中、高速時，基本上是一個常數M2＝Tf0Tcf0，其測速誤差率為在低速時，M2＝Tf0>Tcf0

，M/T法測速具有較高的測量精度。2023/7/17171數字PI調節(jié)器PI調節(jié)器的傳遞函數列出如下：輸出函數和輸入誤差函數關系的時域表達式為式中Kp

為比例系數，KI

為積分系數。2023/7/17172轉換為差分方程，其第k拍輸出為式中Tsam為采樣周期。2023/7/17173數字PI調節(jié)器有位置式和增量式兩種算法位置式算法中，u(k)為第k拍的輸出值。比例部分只與當前的偏差有關，積分部分則是系統過去所有偏差的累積。增量式算法只需要當前的和上一拍的偏差即可計算輸出值。2023/7/17174在數字控制算法中，要對u限幅，須在程序內設置限幅值±um，當|u(k)|>um時，便以限幅值±um作為輸出。增量式PI調節(jié)器算法只需輸出限幅，位置式算法必須同時設積分限幅和輸出限幅，缺一不可。若沒有積分限幅，積分項可能很大，將產生較大的退飽和超調。2023/7/171752.5轉速反饋控制直流調速系統的限流保護轉速反饋控制直流調速系統過流問題在轉速反饋控制直流調速系統上突加給定電壓時，電樞電壓立即達到它的最高值，對電動機來說，相當于全壓起動，會造成電動機過流。當直流電動機被堵轉時，電流將遠遠超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器來保護，過載時就跳閘。2023/7/17176系統中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。引入電流負反饋，可以使它不超過允許值。但這種作用只應在起動和堵轉時存在，在正常的穩(wěn)速運行時又得取消。當電流大到一定程度時才出現的電流負反饋，叫做電流截止負反饋。2023/7/17177帶電流截止負反饋環(huán)節(jié)的直流調速系統2023/7/17178圖2-38電流截止負反饋環(huán)節(jié)1．電流截止負反饋環(huán)節(jié)電流反饋信號取自串入電動機電樞回路中的小阻值電阻Rs，IdRc正比于電流。圖2-38(a)中用獨立的直流電源作為比較電壓Ucom，其大小可用電位器調節(jié)，2023/7/171791．電流截止負反饋環(huán)節(jié)在IdRc與Ucom之間串接一個二極管VD，當IdRc>Ucom時，二極管導通，電流負反饋信號Ui即可加到放大器上去；當IdRc≤Ucom時，二極管截止，Ui消失。圖2-38(b)中利用穩(wěn)壓管VST的擊穿電壓Ubr作為比較電壓Ucom

。截止電流

Idcr=Ucom/Rs2023/7/171802023/7/17181圖2-39電流截止負反饋環(huán)節(jié)的輸入輸出特性當輸入信號IdRc-Ucom>0時，輸出Ui=IdRc-Ucom，當IdRc-Ucom≤0時，輸出Ui=0。2023/7/17182圖2-40帶電流截止負反饋的閉環(huán)直流調速系統穩(wěn)態(tài)結構框圖2．帶電流截止負反饋比例控制閉環(huán)直流調速系統的穩(wěn)態(tài)結構框圖和靜特性當Id≤Idcr時，電流負反饋被截止，靜特性與只有轉速負反饋調速系統的靜特性相同， 當Id>Idcr后，引入了電流負反饋，靜特性變成2023/7/171832023/7/17184圖2-41帶電流截止負反饋比例控制閉環(huán)直流調速系統的靜特性CA段:電流負反饋被截止AB段:電流負反饋起作用電流負反饋的作用相當于在主電路中串入一個大電阻。比較電壓與給定電壓的作用一致，好象把理想空載轉速提高到2023/7/17185令n=0，得到堵轉電流Iabl

，

一般KpKsRs>>R，因此2023/7/17186Iabl應小于電動機允許的最大電流，一般為

Iabl=（1.5~2）IN截止電流應大于電動機的額定電流，取

Idcr=（1.1~1.2）IN2023/7/171873．帶電流截止的無靜差直流調速系統2023/7/17188圖2-42無靜差直流調速系統TA為檢測電流的交流互感器，經整流后得到電流反饋信號Ui。當電流達到截止電流Idcr時，Ui高于穩(wěn)壓管VS的擊穿電壓，使晶體三極管VBT導通，忽略晶體三極管VBT導通壓降，則PI調節(jié)器的輸出電壓Uc為零，電力電子變換器UPE的輸出電壓Ud=0，達到限制電流的目的。2023/7/17189轉速反饋系數式中nmax——電動機調壓時的最高轉速；

U*nmax——相應的最高給定電壓。2023/7/17190圖2-43無靜差直流調速系統穩(wěn)態(tài)結構框圖（Id<Idcr）2023/7/17191圖2-44帶電流截止的無靜差直流調速系統的靜特性2.6轉速反饋控制直流調速系統的仿真MATLAB下的SIMULINK軟件進行系統仿真是十分簡單和直觀的，用戶可以用圖形化的方法直接建立起仿真系統的模型，并通過SIMULINK環(huán)境中的菜單直接啟動系統的仿真過程，同時將結果在示波器上顯示出來2023/7/17192轉速負反饋閉環(huán)調速系統

仿真框圖及參數直流電動機：額定電壓