電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

1會(huì)計(jì)學(xué)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)壓調(diào)速工作條件：=NR

=

Ra調(diào)節(jié)過(guò)程：UN

UU

n

，

n0

調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線(xiàn)平行下

移。n2022-02-282n0OIILUNU

1U

2U3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速工作條件：=NU

=UN調(diào)節(jié)過(guò)程：0Ra

RR

n

，n

不變；

調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線(xiàn)變軟。n2022-02-283n0OIILR

aR1R

2R

3nNn1n2n3調(diào)磁調(diào)速工作條件：R

=

R

a

U

=UN調(diào)節(jié)過(guò)程：Nn

，

n0

調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線(xiàn)變軟。nn0OTeTLN123n3n2n1nN2022-02-284三種調(diào)速方法性能與比較

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（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,以弱磁調(diào)速為配合調(diào)壓方案。2022-02-285第2章轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)-運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)2022-02-286內(nèi)容提要直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源

穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)和直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的限流保護(hù)轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真2022-02-2872.1可控直流電源晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)直流PWM變換器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)2022-02-288晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)圖2-1

晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖2022-02-289在理想情況下，Ud和Uc之間呈線(xiàn)性關(guān)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(shù)。2022-02-28101．觸發(fā)脈沖相位控制調(diào)節(jié)控制電壓Uc，移動(dòng)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(shí)電壓ud的波形，以及輸出平均電壓Ud的數(shù)值。2022-02-2811式中E——電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)(V)； id——整流電流瞬時(shí)值(A)； L——主電路總電感(H)；R——主電路總電阻(Ω),；2022-02-2812圖2-2

V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖2022-02-2813

對(duì)于一般的全控整流電路，當(dāng)電流波形連續(xù)時(shí)， 可用下式表示式中，α——從自然換相點(diǎn)算起的觸發(fā)脈沖控制角；Um——α=0時(shí)的整流電壓波形峰值；m——交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)。2022-02-2814整流電路單相全波三相半波三相橋式（全波）m236表2-1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2022-02-28152．電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)

在整流變壓器二次側(cè)額定相電壓u2的瞬時(shí)值大于反電動(dòng)勢(shì)E時(shí)，晶閘管才可能被觸發(fā)導(dǎo)通。

導(dǎo)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(dòng)，造成了電流波形的脈動(dòng)。2022-02-2816圖2-32022-02-2817帶負(fù)載單相全控橋式整流電路的輸出電壓和電流波形圖2－4

V-M系統(tǒng)的電流波形(a)電流連續(xù)2022-02-2818在Id上升階段，電感儲(chǔ)能；在Id下降階段，電感中的能量將釋放出來(lái)維持電流連續(xù)。圖2－4

V-M系統(tǒng)的電流波形（b）電流斷續(xù)2022-02-2819當(dāng)負(fù)載電流較小時(shí)，電感中的儲(chǔ)能較少，等到Id下降到零時(shí)，造成電流波形斷續(xù)。抑制電流脈動(dòng)的措施增加整流電路相數(shù)，或采用多重化技術(shù)；設(shè)置電感量足夠大的平波電抗器。2022-02-28203．晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)機(jī)械特性

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

式中，Ce——電動(dòng)機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢(shì)系數(shù)2022-02-2821圖2-52022-02-2822電流連續(xù)時(shí)V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性在電流連續(xù)區(qū)，顯示出較硬的機(jī)械特性；2022-02-2823在電流斷續(xù)區(qū)，機(jī)械特性很軟，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。圖2－6

V-M系統(tǒng)機(jī)械特性

當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，由于非線(xiàn)性因素，機(jī)械特性方程要復(fù)雜得多。電流斷續(xù)區(qū)與電流連續(xù)區(qū)的分界線(xiàn)是曲線(xiàn)，當(dāng) 時(shí)，電流便開(kāi)始連續(xù)了?！粋€(gè)電流脈波的導(dǎo)通角。2022-02-28244．晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)

晶閘管觸發(fā)電路和整流電路的特性是非線(xiàn)性的。

在設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，只能在一定的工作范圍內(nèi)近似地看成線(xiàn)性環(huán)節(jié)，

得到了它的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)后，用線(xiàn)性控制理論分析整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)。2022-02-2825放大系數(shù)的計(jì)算2022-02-2826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(cè)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(shù)Ks可由工作范圍內(nèi)的特性斜率決定。

如果沒(méi)有得到實(shí)測(cè)特性，也可根據(jù)裝置的參數(shù)估算。2022-02-2827失控時(shí)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(shí)間引起的。失控時(shí)間是個(gè)隨機(jī)值。

最大失控時(shí)間是兩個(gè)相鄰自然換相點(diǎn)之間的時(shí)間，它與交流電源頻率和晶閘管整流器的類(lèi)型有關(guān)。2022-02-2828圖2－8晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時(shí)間2022-02-2829最大失控時(shí)間平均失控時(shí)間式中，f

——交流電源頻率(Hz)，m

——一周內(nèi)整流電壓的脈波數(shù)。2022-02-2830表2-2晶閘管整流器的失控時(shí)間（f=50Hz）2022-02-2831整流電路形式最大失控時(shí)間Tsmax(ms)平均失控時(shí)間Ts(ms)單相半波2010單相橋式（全波）105三相半波6.673.33三相橋式3.331.67晶閘管觸發(fā)電路與整流裝置的傳遞函數(shù)

滯后環(huán)節(jié)的輸入為階躍信號(hào)1(t)，輸出要隔一定時(shí)間后才出現(xiàn)響應(yīng)1(t-Ts)。輸入輸出關(guān)系為：傳遞函數(shù)為2022-02-2832傳遞函數(shù)的近似處理按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，可得

依據(jù)工程近似處理的原則，可忽略高次項(xiàng)，把整流裝置近似看作一階慣性環(huán)節(jié)2022-02-2833圖2－9晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2022-02-28345.晶閘管整流器運(yùn)行中存在的問(wèn)題晶閘管是單向?qū)щ姷摹?/p>

晶閘管對(duì)過(guò)電壓、過(guò)電流和過(guò)高的du/dt與di/dt都十分敏感。

晶閘管的導(dǎo)通角變小時(shí)會(huì)使得系統(tǒng)的功率因數(shù)也隨之減少，稱(chēng)之為“電力公害”。2022-02-2835直流PWM變換器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

全控型電力電子器件問(wèn)世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開(kāi)關(guān)控制方式,形成了脈寬調(diào)制變換器-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。

與V-M系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性。

直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的高動(dòng)態(tài)性能系統(tǒng)中，已經(jīng)完全取代了V-M系統(tǒng)。2022-02-28361．PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形

脈寬調(diào)制變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，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，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(lèi)。2022-02-2837圖2-10簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)2022-02-2838圖2-10簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)2022-02-2839在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T內(nèi)，當(dāng)時(shí)，Ug為正，VT飽和導(dǎo)通，電源電壓Us通過(guò)VT加到直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端。當(dāng)時(shí)，Ug為負(fù)，VT關(guān)斷，電樞電路中的電流通過(guò)續(xù)流二極管VD續(xù)流，直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓近似等于零。2022-02-2840直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端的平均電壓為，即可實(shí)現(xiàn)直流電改變占空比動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。

令 為PWM電壓系數(shù)，則在不可逆PWM變換器中2022-02-2841

不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)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(gè)續(xù)流的通道。

如果要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)，必須為其提供反向電流通道。2022-02-2842圖2-11有制動(dòng)電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)2022-02-2843圖2-11有制動(dòng)電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)2022-02-2844一般電動(dòng)狀態(tài)

在一般電動(dòng)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(dǎo)通，VT2關(guān)斷。電流id沿圖中的回路1流通。

在ton≤t<T期間，VT1關(guān)斷，id沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流。VT1和VD2交替導(dǎo)通，VT2和VD1始終關(guān)斷。2022-02-28452022-02-2846圖2-11有制動(dòng)電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的正脈沖比負(fù)脈沖窄，始終為負(fù)。制動(dòng)狀態(tài)

在ton≤t<T期間，Vg2為正，VT2導(dǎo)通，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的作用下，反向電流沿回路3能耗制動(dòng)。

在T≤t<T+ton（即下一周期的0≤t<ton）期間

Vg2為負(fù)，VT2關(guān)斷，-id沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，向電源回饋能量。VT2和VD1交替導(dǎo)通，VT1和VD2始終關(guān)斷。2022-02-2847圖2-11有制動(dòng)電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)2022-02-2848VT1、VD2、VT2和VD1四個(gè)管子輪流導(dǎo)通。輕載電動(dòng)狀態(tài)在VT1關(guān)斷后，id經(jīng)VD2續(xù)流。還沒(méi)有到達(dá)周期T，電流已經(jīng)衰減到零，

在t=t2時(shí)刻，VT2導(dǎo)通，使電流反向，產(chǎn)生局部時(shí)間的制動(dòng)作用。

輕載時(shí)，電流可在正負(fù)方向之間脈動(dòng)，平均電流等于負(fù)載電流，一個(gè)周期分成四個(gè)階段。2022-02-2849有制動(dòng)電流通路的不可逆PWM-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

圖2-11(a)所示電路之所以為不可逆是因?yàn)槠骄妷篣d始終大于零，電流雖然能夠反向，而電壓和轉(zhuǎn)速仍不能反向。

如果要求轉(zhuǎn)速反向，需要再增加VT和VD，構(gòu)成可逆的PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，在第4章中將進(jìn)一步討論。2022-02-28502.直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性

對(duì)于帶制動(dòng)電流通路的不可逆電路，其電壓平衡方程式分兩個(gè)階段：式中R、L分別為電樞電路的電阻和電感。2022-02-2851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(zhuǎn)速2022-02-2852機(jī)械特性機(jī)械特性方程式為或用轉(zhuǎn)矩表示，式中，——電動(dòng)機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)；——理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比。2022-02-2853圖2-12直流PWM調(diào)速系統(tǒng)（電流連續(xù)）的機(jī)械特性2022-02-28543．PWM控制器與變換器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型圖2-13

PWM控制器與變換器框圖2022-02-2855傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)為式中：Ks——PWM裝置的放大系數(shù)Ts——PWM裝置的延遲時(shí)間，近似的傳遞函數(shù)2022-02-28564．直流PWM調(diào)速系統(tǒng)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(wǎng)經(jīng)不可控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容C濾波，以獲得恒定的直流電壓。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在回饋制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電能不可能通過(guò)整流裝置送回交流電網(wǎng)，只能向?yàn)V波電容充電，

形成直流PWM變換器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)特有的電能回饋問(wèn)題。2022-02-2857

對(duì)濾波電容充電的結(jié)果造成直流側(cè)電壓升高，稱(chēng)作“泵升電壓”。

系統(tǒng)在制動(dòng)時(shí)釋放的動(dòng)能將表現(xiàn)為電容儲(chǔ)能的增加，

要適當(dāng)?shù)剡x擇電容的電容量，或采取其它措施，以保護(hù)電力電子開(kāi)關(guān)器件不被泵升電壓擊穿。2022-02-28582.2

穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)和直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求：

調(diào)速——在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；

穩(wěn)速——以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過(guò)大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)；

加、減速——頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求加、減速盡量快；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起、制動(dòng)盡量平穩(wěn)。2022-02-2859轉(zhuǎn)速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)1、調(diào)速范圍

生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin之比稱(chēng)為調(diào)速范圍，用字母D表示，即

nmax和nmin是電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速，

對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速。2022-02-28602、靜差率s

當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落ΔnN與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比：用百分?jǐn)?shù)表示2022-02-2861圖2-14不同轉(zhuǎn)速下的靜差率2022-02-2862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(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，ΔnN值是定值。要求s值越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍D也越小。

一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿(mǎn)足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。2022-02-2863例題2-1某直流調(diào)速系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為nN=1430r/min，額定速降ΔnN=115r/min

當(dāng)要求靜差率s≤30%時(shí)，允許多大的調(diào)速范圍？

如果要求靜差率s≤20%，則調(diào)速范圍是多少？

如果希望調(diào)速范圍達(dá)到10，所能滿(mǎn)足的靜差率是多少？2022-02-2864解 在要求s≤

30%時(shí)，允許的調(diào)速范圍為若要求s≤20%，則允許的調(diào)速范圍只有若調(diào)速范圍達(dá)到10，則靜差率只能是2022-02-2865直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性

開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，即無(wú)反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)節(jié)控制電壓Uc就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

晶閘管整流器和PWM變換器都是可控的直流電源，用UPE來(lái)統(tǒng)一表示可控直流電源2022-02-2866圖2－15開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖2022-02-2867機(jī)械特性開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下： 電力電子變換器直流電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性為2022-02-2868圖2-162022-02-2869開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖2-17開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性2022-02-2870例題2-2

某龍門(mén)刨床工作臺(tái)拖動(dòng)采用直流電動(dòng)機(jī)，其額定數(shù)據(jù)如下：60kW，220V，305A，1000r/min，采用V-M系統(tǒng)，主電路總電阻R=0.18Ω，電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ce=0.2Vmin/r。如果要求調(diào)速范圍D=20，靜差率s≤5%，采用開(kāi)環(huán)調(diào)速能否滿(mǎn)足？若要滿(mǎn)足這個(gè)要求，系統(tǒng)的額定速降ΔnN最多能有多少？2022-02-2871當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的額定速降為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率為如要求，，即要求2022-02-28722.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

根據(jù)自動(dòng)控制原理，將系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)量作為反饋量引入系統(tǒng)，與給定量進(jìn)行比較，用比較后的偏差值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以有效地抑制甚至消除擾動(dòng)造成的影響，而維持被調(diào)節(jié)量很少變化或不變，這就是反饋控制的基本作用。2022-02-2873轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

在負(fù)反饋基礎(chǔ)上的“檢測(cè)誤差，用以糾正誤差”這一原理組成的系統(tǒng)，其輸出量反饋的傳遞途徑構(gòu)成一個(gè)閉合的環(huán)路，因此被稱(chēng)作閉環(huán)控制系統(tǒng)。

在直流調(diào)速系統(tǒng)中，被調(diào)節(jié)量是轉(zhuǎn)速，所構(gòu)成的是轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。2022-02-28741．轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性圖2-18帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖2022-02-2875

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

。Ud0u~ACDCUcc2022-02-2876

目前，組成UPE電力電子器件有如下幾種選擇方案：

對(duì)于中、小容量系統(tǒng)，多采用由IGBT或P-MOSFET組成的PWM變換器

對(duì)于較大容量的系統(tǒng)，可采用其他電力電子開(kāi)關(guān)器件，如GTO、IGCT等

對(duì)于特大容量的系統(tǒng)，則常用晶閘管觸發(fā)與整流裝置2022-02-2877

下面分析閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，以確定它如何能夠減少轉(zhuǎn)速降落。為了突出主要矛盾，先作如下的假定：

忽略各種非線(xiàn)性因素，假定系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線(xiàn)性的，或者只取其線(xiàn)性工作段。忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻。2022-02-2878電壓比較環(huán)節(jié)比例調(diào)節(jié)器測(cè)速反饋環(huán)節(jié)電力電子變換器直流電動(dòng)機(jī)Kp——比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)α——轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（V·min/r）2022-02-2879靜特性方程式式中: ——閉環(huán)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)放大系數(shù)

閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。2022-02-2880圖2-19轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2022-02-2881圖2-19轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2022-02-2882圖2-19轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2022-02-28832．轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型

一個(gè)帶有儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的線(xiàn)性物理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程可以用線(xiàn)性微分方程描述，

微分方程的解即系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，它包括兩部分：動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)解。

在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，從施加給定輸入值的時(shí)刻開(kāi)始，到輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值以前，是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；

系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，可用穩(wěn)態(tài)解來(lái)描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。2022-02-2884比例放大器的傳遞函數(shù)電力電子變換器的傳遞函數(shù)測(cè)速反饋的傳遞函數(shù)2022-02-2885圖2-202022-02-2886他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下的等效電路假定主電路電流連續(xù)，動(dòng)態(tài)電壓方程為

忽略粘性摩擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為2022-02-2887

額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩分別為——包括電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，（N·m）——電力拖動(dòng)裝置折算到電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量，(N·m2)——電動(dòng)機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，

(N·m/A)2022-02-2888再定義下列時(shí)間常數(shù)：—電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)(s)—電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)(s)2022-02-2889整理后得式中，——負(fù)載電流（A）。2022-02-2890

在零初始條件下，取拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù)電流與電動(dòng)勢(shì)間的傳遞函數(shù)2022-02-2891圖2-21額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2022-02-2892直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)輸入量，

一個(gè)是施加在電樞上的理想空載電壓Ud0，是控制輸入量，另一個(gè)是負(fù)載電流IdL。擾動(dòng)輸入量。

如果不需要在結(jié)構(gòu)圖中顯現(xiàn)出電流，可將擾動(dòng)量的綜合點(diǎn)移前，再進(jìn)行等效變換，得圖2-22。2022-02-2893圖2-22直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的變換額定勵(lì)磁下的直流電動(dòng)機(jī)是一個(gè)二階線(xiàn)性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)Tm表示機(jī)電慣性時(shí)間常數(shù)Tl表示電磁慣性。2022-02-2894圖2-23轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2022-02-2895轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)2022-02-2896轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)2022-02-2897比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和比例控制閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系開(kāi)環(huán)機(jī)械特性為式中， 表示開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速，表示開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。2022-02-2898比例控制閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性為式中，表示閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速，表示閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。2022-02-2899

閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落它們的關(guān)系是2022-02-28100閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)小得多閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的靜差率為當(dāng) 時(shí)，2022-02-28101

如果所要求的靜差率一定，則閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍

如果電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是nN，最低速靜差率都是s，可得開(kāi)環(huán)時(shí)，閉環(huán)時(shí)，得到2022-02-28102

閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)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(diào)速范圍，為此所需付出的代價(jià)是，須增設(shè)電壓放大器以及檢測(cè)與反饋裝置。2022-02-28103圖2-24閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性的關(guān)系2022-02-28104開(kāi)環(huán)系統(tǒng)Id

n例如：在圖2-24中工作點(diǎn)從A

A′閉環(huán)系統(tǒng)Id

n

UnUnUcUd0n例如：在圖2-24中工作點(diǎn)從A

B

比例控制直流調(diào)速系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實(shí)質(zhì)在于它的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變電樞電壓，以補(bǔ)償電樞回路電阻壓降的變化。2022-02-28105

由此看來(lái)，閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實(shí)質(zhì)在于它的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變電樞電壓，以補(bǔ)償電樞回路電阻壓降。

開(kāi)環(huán)系統(tǒng)反映內(nèi)在規(guī)律，不反映轉(zhuǎn)速、電流的靜態(tài)關(guān)系；

閉環(huán)系統(tǒng)則只是閉環(huán)作用的結(jié)果，它只表示靜態(tài)關(guān)系，不反映動(dòng)態(tài)過(guò)程。2022-02-28106例題2-3

在例題2-2中，龍門(mén)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(diào)速系統(tǒng)滿(mǎn)足上述要求時(shí)，比例放大器的放大系數(shù)應(yīng)該有多少？2022-02-28107=275

r/min，2.63

r/min，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)額定速降為

閉環(huán)系統(tǒng)額定速降須為由式（2-48）可得則得即只要放大器的放大系數(shù)等于或大于46。2022-02-281082．反饋控制規(guī)律

比例控制的反饋控制系統(tǒng)是被調(diào)量有靜差的控制系統(tǒng)

比例控制反饋控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)值越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好。

但只要比例放大系數(shù)Kp＝常數(shù)，開(kāi)環(huán)放大

系數(shù)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(tǒng)叫做有靜差控制系統(tǒng)。2022-02-28109

反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動(dòng),服從給定

反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它能有效地抑制一切被負(fù)反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動(dòng)作用，對(duì)于給定作用的變化唯命是從。2022-02-28110圖2-252022-02-28111閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動(dòng)作用系統(tǒng)的精度依賴(lài)于給定和反饋檢測(cè)的精度

反饋控制系統(tǒng)無(wú)法鑒別是對(duì)給定電壓的正常調(diào)節(jié)還是不應(yīng)有的給定電壓的電源波動(dòng)。

反饋檢測(cè)裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無(wú)法克服的。

現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是用數(shù)字給定和數(shù)字測(cè)速來(lái)提高調(diào)速系統(tǒng)的精度。2022-02-281123．比例控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性比例控制閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為

根據(jù)三階系統(tǒng)的勞斯-古爾維茨判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是整理后得2022-02-28113例題2-4

在例題2-3中，系統(tǒng)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(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分的飛輪慣量 ，試判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2022-02-28114電磁時(shí)間常數(shù)機(jī)電時(shí)間常數(shù)晶閘管裝置的滯后時(shí)間常數(shù)為為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)滿(mǎn)足的穩(wěn)定條件：

閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和例題2-3中穩(wěn)態(tài)性能要求 是矛盾的。2022-02-28115例題2-5

在上題的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，若改用全控型器件的PWM調(diào)速系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)不變，電樞回路參數(shù)為：

，

，，PWM開(kāi)關(guān)頻率為8kHz。按同樣的穩(wěn)態(tài)性能

指標(biāo)

， ，該系統(tǒng)能否穩(wěn)定？如果對(duì)靜差率的要求不變，在保證穩(wěn)定時(shí)，系統(tǒng)能夠達(dá)到的最大調(diào)速范圍有多少？2022-02-281162022-02-28117要求按照穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)

、（見(jiàn)例題2-2）<337.5

PWM調(diào)速系統(tǒng)能夠在滿(mǎn)足穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)要求下穩(wěn)定運(yùn)行。2022-02-28118若系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀況，2022-02-28119

用線(xiàn)性集成電路運(yùn)算放大器作為電壓放大器的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)如圖所示，主電路是晶閘管可控整流器供電的V-M系統(tǒng)。已知數(shù)據(jù)如下：

電動(dòng)機(jī)：額定數(shù)據(jù)為10kW，220V，55A，1000r/min，電樞電阻Ra=0.5Ω；

測(cè)速發(fā)電機(jī)：永磁式，額定數(shù)據(jù)為23.1W，110V，0.21A，1900r/min；直流穩(wěn)壓電源：±15V；2022-02-28120

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(lián)結(jié)，二次線(xiàn)電壓

U2l

=230V，電壓放大系數(shù)Ks=44；V-M系統(tǒng)電樞回路總電阻：R=1.0Ω；

若生產(chǎn)機(jī)械要求調(diào)速范圍D=10，靜差率5%，試計(jì)算調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)（暫不考慮電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)問(wèn)題）。2022-02-281212022-02-28122比例積分控制的無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)

在比例控制直流V-M調(diào)速系統(tǒng)中，穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的要求常常是互相矛盾的。

根據(jù)自動(dòng)控制原理，要解決這個(gè)矛盾，必須恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)校正裝置，用來(lái)改造系統(tǒng)。

在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，常用串聯(lián)校正和反饋校正。

對(duì)于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，傳遞函數(shù)階次較低，一般采用PID調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就能完成動(dòng)態(tài)校正的任務(wù)。2022-02-281231．積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律

在輸入轉(zhuǎn)速誤差信號(hào)ΔUn的作用下，積分調(diào)節(jié)器的輸入輸出關(guān)系為其傳遞函數(shù)是其中，τ——積分時(shí)間常數(shù)。2022-02-28124圖2-26積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動(dòng)態(tài)過(guò)程2022-02-28125輸入ΔUN是階躍信號(hào)，則輸出Uc按線(xiàn)性規(guī)律增長(zhǎng)。當(dāng)輸出值達(dá)到積分調(diào)節(jié)器輸出的飽和值Ucm時(shí)，便維持在Ucm不變。圖2-26積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動(dòng)態(tài)過(guò)程2022-02-28126只要ΔUn>0，積分調(diào)節(jié)器的輸出Uc便一直增長(zhǎng)；只有達(dá)到ΔUn=0時(shí)，Uc才停止上升；只有到ΔUn變負(fù)，Uc才會(huì)下降。當(dāng)ΔUn=0時(shí)，Uc并不是零，而是某一個(gè)固定值Ucf突加負(fù)載時(shí)，由于Idl的增加，轉(zhuǎn)速n下降，導(dǎo)致ΔUn變正，在積分調(diào)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(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)。2022-02-28127積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的根本區(qū)別

比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀，而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。

積分調(diào)節(jié)器到穩(wěn)態(tài)時(shí)ΔUn

=0，只要?dú)v史上有過(guò)ΔUn

，其積分就有一定數(shù)值，足以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所需要的控制電壓。2022-02-281282．比例積分控制規(guī)律

比例積分調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)器）的輸入輸出關(guān)系為

式中，Uin——PI調(diào)節(jié)器的輸入，Uex——PI調(diào)節(jié)器的輸出。其傳遞函數(shù)為式中，Kp——PI調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)，τ——PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)。2022-02-28129

令τ1=Kpτ，則PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)也可寫(xiě)成如下形式

表明，PI調(diào)節(jié)器也可用積分和比例微分兩個(gè)環(huán)節(jié)表示，式中，τ1——微分項(xiàng)中的超前時(shí)間常數(shù)。2022-02-28130

用運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)

PI調(diào)節(jié)器的輸入極性和輸出極性是反相的

Rbal為運(yùn)算放大器同相輸入端的平衡電阻。圖2-28比例積分（PI）調(diào)節(jié)器線(xiàn)路圖2022-02-28131

PI控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，又克服了各自的缺點(diǎn)。比例部分能迅速響應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。2022-02-28132

在t=0時(shí)就有

Uex(t)=KpUin，實(shí)現(xiàn)了快速控制；

隨后Uex(t)按積分規(guī)律增長(zhǎng)，在t=t1時(shí)，Uin=0，圖2-29

PI調(diào)節(jié)器的輸入輸出特性2022-02-28133

在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，采用PI調(diào)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(shí)刻對(duì)ΔUn(t)的積分值，Uc是這兩部分之和。圖2-30閉環(huán)系統(tǒng)中PI調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動(dòng)態(tài)過(guò)程2022-02-28134直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析圖2-31比例積分控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器用ASR表示）2022-02-28135使用比例調(diào)節(jié)器時(shí)，系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)使用積分調(diào)節(jié)器時(shí)，系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)

使用比例積分調(diào)節(jié)器時(shí)，系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為2022-02-28136

根據(jù)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)中積分環(huán)節(jié)的數(shù)目劃分控制系統(tǒng)的類(lèi)型，比例控制的調(diào)速系統(tǒng)是0型系統(tǒng)，積分控制、比例積分控制的調(diào)速系統(tǒng)是Ⅰ型系統(tǒng)。

穩(wěn)態(tài)誤差定義為輸入量和反饋量的差值，即2022-02-28137

衡量系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確度的是系統(tǒng)對(duì)給定輸入U(xiǎn)n*的跟隨能力；

衡量系統(tǒng)抑制干擾能力的是系統(tǒng)抑制負(fù)載電流IdL的抗擾能力。2022-02-281381．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(shí)，令I(lǐng)dL(s)=0。比例調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差是2022-02-28139積分調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差是2022-02-28140比例積分調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差是2022-02-28141在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，

0型系統(tǒng)對(duì)于階躍給定輸入穩(wěn)態(tài)有差，被稱(chēng)作有差調(diào)速系統(tǒng)；

Ⅰ型系統(tǒng)對(duì)于階躍給定輸入穩(wěn)態(tài)無(wú)差，被稱(chēng)作無(wú)差調(diào)速系統(tǒng)。2022-02-281422．?dāng)_動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)誤差在分析由擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)，令Un*(s)=0。比例調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差為階躍擾動(dòng)引起的的穩(wěn)態(tài)誤差是2022-02-28143積分調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差為階躍擾動(dòng)引起的的穩(wěn)態(tài)誤差是2022-02-28144比例積分調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差為階躍擾動(dòng)引起的的穩(wěn)態(tài)誤差是2022-02-28145

由擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)誤差取決于誤差點(diǎn)與擾動(dòng)加入點(diǎn)之間的傳遞函數(shù)。

比例控制的調(diào)速系統(tǒng)，該傳遞函數(shù)無(wú)積分環(huán)節(jié)，故存在擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)誤差，稱(chēng)作有靜差調(diào)速系統(tǒng)；

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)，所以由階躍擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)誤差為0，稱(chēng)作無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)。2022-02-281462.4

直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制

以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)）硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)不同于一般線(xiàn)性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、

自適應(yīng)、非線(xiàn)性、智能化等控制規(guī)律，而

且更改起來(lái)靈活方便。2022-02-28147微機(jī)數(shù)字控制的特殊問(wèn)題圖2-322022-02-28148微型計(jì)算機(jī)采樣控制系統(tǒng)框圖

微機(jī)控制的調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字采樣系統(tǒng)。其中K1是給定值的采樣開(kāi)關(guān)，K2是反饋值

的采樣開(kāi)關(guān)，K3是輸出的采樣開(kāi)關(guān)。若所

有的采樣開(kāi)關(guān)是等周期地一起開(kāi)和閉，則

稱(chēng)為同步采樣。

微型計(jì)算機(jī)只有在采樣開(kāi)關(guān)閉合時(shí)才能輸入和輸出信號(hào)。只能在采樣時(shí)刻對(duì)模擬的連續(xù)信號(hào)進(jìn)行采樣，把連續(xù)信號(hào)變成脈沖信號(hào)，即離散的模擬信號(hào)。2022-02-28149

信號(hào)的離散化是微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的第一個(gè)特點(diǎn)。

采樣后得到的離散模擬信號(hào)本質(zhì)上還是模擬信號(hào)，不能直接送入計(jì)算機(jī)，還須經(jīng)過(guò)數(shù)字量化。

用一組數(shù)碼（如二進(jìn)制數(shù)）來(lái)逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。

信號(hào)的數(shù)字化是微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的第二個(gè)特點(diǎn)。2022-02-28150根據(jù)香農(nóng)（Shannon）采樣定理：如果模擬信號(hào)的最高頻率為fmax

，只要按照

f>2fmax采樣頻率進(jìn)行采樣，取出的樣品序列就可以代表（或恢復(fù)）模擬信號(hào)。

在電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，控制對(duì)象是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流，是快速變化的物理量，必須具有較高的采樣頻率。2022-02-28151

微型計(jì)算機(jī)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是一種快速數(shù)字采樣系統(tǒng)，要求微型計(jì)算機(jī)在較短的采樣周期之內(nèi)，完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換、采集，完成按某種控制規(guī)律實(shí)施的控制運(yùn)算，完成控制信號(hào)的輸出。2022-02-28152轉(zhuǎn)速檢測(cè)的數(shù)字化圖2-33增量式旋轉(zhuǎn)編碼器示意圖2022-02-281531．旋轉(zhuǎn)編碼器

光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是檢測(cè)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的元件，旋轉(zhuǎn)編碼器與電動(dòng)機(jī)相連，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)編碼器旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號(hào)。旋轉(zhuǎn)編碼器可分為絕對(duì)式和增量式兩種。絕對(duì)式編碼器常用于檢測(cè)轉(zhuǎn)角。

增量式編碼器在碼盤(pán)上均勻地刻制一定數(shù)量的光柵，在接收裝置的輸出端便得到頻率與轉(zhuǎn)速成正比的方波脈沖序列，從而可以計(jì)算轉(zhuǎn)速。2022-02-28154

增加一對(duì)發(fā)光與接收裝置，使兩對(duì)發(fā)光與接收裝置錯(cuò)開(kāi)光柵節(jié)距的1/4。正轉(zhuǎn)時(shí)A相超前B相；反轉(zhuǎn)時(shí)B相超前A相。采用簡(jiǎn)單的鑒相電路可以分辨出轉(zhuǎn)向。圖2-34區(qū)分旋轉(zhuǎn)方向的A、B兩組脈沖序列2022-02-281552．?dāng)?shù)字測(cè)速方法的精度指標(biāo)分辨率

用改變一個(gè)計(jì)數(shù)值所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化量來(lái)表示分辨率，用符號(hào)Q表示。

當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)速由n1變?yōu)閚2時(shí)，引起記數(shù)值增量為1，則該測(cè)速方法的分辨率是

分辨率Q越小，說(shuō)明測(cè)速裝置對(duì)轉(zhuǎn)速變化的檢測(cè)越敏感，從而測(cè)速的精度也越高。2022-02-28156測(cè)速誤差率

轉(zhuǎn)速實(shí)際值和測(cè)量值之差與實(shí)際值之比定義為測(cè)速誤差率，記作

測(cè)速誤差率反映了測(cè)速方法的準(zhǔn)確性，δ越小，準(zhǔn)確度越高。2022-02-281573．M法測(cè)速

記取一個(gè)采樣周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)來(lái)算出轉(zhuǎn)速的方法稱(chēng)為M法測(cè)速，又稱(chēng)頻率法測(cè)速。式中:

n

轉(zhuǎn)速，單位為r/min；M1

時(shí)間Tc內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)；z

旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)輸出的脈沖個(gè)數(shù);Tc

采樣周期，單位為s。2022-02-28158

由系統(tǒng)的定時(shí)器按采樣周期的時(shí)間定期地發(fā)出一個(gè)采樣脈沖信號(hào)，

計(jì)數(shù)器記錄下在兩個(gè)采樣脈沖信號(hào)之間的旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖個(gè)數(shù)。圖2－35

M法測(cè)速原理示意圖2022-02-28159M法測(cè)速分辨率為M法測(cè)速的分辨率與實(shí)際轉(zhuǎn)速的大小無(wú)關(guān)M法的測(cè)速誤差率的最大值為

δmax與M1成反比。轉(zhuǎn)速愈低，M1愈小，誤差率愈大。2022-02-281604．T法測(cè)速

T法測(cè)速是測(cè)出旋轉(zhuǎn)編碼器兩個(gè)輸出脈沖之間的間隔時(shí)間來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速，又被稱(chēng)為周期法測(cè)速。

與M法測(cè)速不同的是，T法測(cè)速所計(jì)的是計(jì)算機(jī)發(fā)出的高頻時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)，以旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的相鄰兩個(gè)脈沖的同樣變化沿作為計(jì)數(shù)器的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)。2022-02-28161

準(zhǔn)確的測(cè)速時(shí)間是用所得的高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)M2計(jì)算出來(lái)的，即

，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為圖2-36

T法測(cè)速原理示意圖2022-02-28162

T法測(cè)速的分辨率定義為時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)由M2變成(M2-1)時(shí)轉(zhuǎn)速的變化量，綜合式（2-80）和式（2-81），可得

T法測(cè)速的分辨率與轉(zhuǎn)速高低有關(guān)，轉(zhuǎn)速越低，Q值越小，分辨能力越強(qiáng)。2022-02-28163T法測(cè)速誤差率的最大值為

低速時(shí)，編碼器相鄰脈沖間隔時(shí)間長(zhǎng)，測(cè)得的高頻時(shí)鐘脈沖M2個(gè)數(shù)多，誤差率小，測(cè)速精度高。T法測(cè)速更適用于低速段。2022-02-281645．M/T法測(cè)速

在M法測(cè)速中，隨著電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的降低，計(jì)數(shù)值減少，測(cè)速裝置的分辨能力變差，測(cè)速誤差增大。

T法測(cè)速正好相反，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，計(jì)數(shù)值減小，測(cè)速裝置的分辨能力越來(lái)越差。

綜合這兩種測(cè)速方法的特點(diǎn)，產(chǎn)生了M/T測(cè)速法，它無(wú)論在高速還是在低速時(shí)都具有較高的分辨能力和檢測(cè)精度。2022-02-28165圖2-372022-02-28166M/T法測(cè)速原理示意圖

關(guān)鍵是和計(jì)數(shù)同步開(kāi)始和關(guān)閉，實(shí)際的檢測(cè)時(shí)間與旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖一致，能有效減小測(cè)速誤差。

采樣時(shí)鐘Tc

由系統(tǒng)的定時(shí)器產(chǎn)生，其數(shù)值始終不變。

檢測(cè)周期由采樣脈沖Tc的邊沿之后的第一個(gè)脈沖編碼器的輸出脈沖的邊沿來(lái)決定，即

T=Tc

–ΔT1+ΔT2

。2022-02-28167檢測(cè)周期T內(nèi)被測(cè)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角為θ旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出Z個(gè)脈沖，在檢測(cè)周期T內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖數(shù)是M1，則2022-02-28168

若時(shí)鐘脈沖頻率是f0，在檢測(cè)周期T內(nèi)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)值為M2

，則

綜合式(2-74)、式(2-75)和式(2-76)便可求出測(cè)的轉(zhuǎn)速為：2022-02-28169ΔT1，TcΔT2，可看成T在高速段，TcTc：M2＝f0Tf0Tc，代入式（2-78)可得：2022-02-28170在高速段，與M法測(cè)速分辨率完全相同。

在低速段，M1＝1，M2隨轉(zhuǎn)速變化，分辨率與T法測(cè)速完全相同。

M/T法測(cè)速無(wú)論是在高速還是在低速都有較強(qiáng)的分辨能力。

在M/T法測(cè)速中，檢測(cè)時(shí)間是以脈沖編碼器的輸出脈沖的邊沿為基準(zhǔn)，計(jì)數(shù)值M2最多產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘脈沖的誤差。2022-02-28171

M2的數(shù)值在中、高速時(shí)，基本上是一個(gè)常數(shù)

M2＝Tf0

Tcf0，其測(cè)速誤差率為在低速時(shí)，M2＝

Tf0

>Tcf0

，M/T法測(cè)速具有較高的測(cè)量精度。2022-02-28172數(shù)字PI調(diào)節(jié)器PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)列出如下：

輸出函數(shù)和輸入誤差函數(shù)關(guān)系的時(shí)域表達(dá)式為式中Kp

為比例系數(shù)，KI

為積分系數(shù)。2022-02-28173轉(zhuǎn)換為差分方程，其第k拍輸出為式中Tsam為采樣周期。2022-02-28174數(shù)字PI調(diào)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(dāng)前的偏差有關(guān)，積分部分則是系統(tǒng)過(guò)去所有偏差的累積。

增量式算法只需要當(dāng)前的和上一拍的偏差即可計(jì)算輸出值。2022-02-28175

在數(shù)字控制算法中，要對(duì)u限幅，須在程序內(nèi)設(shè)置限幅值±um，當(dāng)|u(k)|>um時(shí)，便以限幅值±um作為輸出。增量式PI調(diào)節(jié)器算法只需輸出限幅，

位置式算法必須同時(shí)設(shè)積分限幅和輸出限幅，缺一不可。若沒(méi)有積分限幅，積分項(xiàng)可能很大，將產(chǎn)生較大的退飽和超調(diào)。2022-02-281762.5

轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的限流保護(hù)轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)過(guò)流問(wèn)題

在轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)上突加給定電壓時(shí)，電樞電壓立即達(dá)到它的最高值，對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于全壓起動(dòng)，會(huì)造成電動(dòng)機(jī)過(guò)流。

當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)被堵轉(zhuǎn)時(shí)，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)允許值。如果只依靠過(guò)流繼電器或熔斷器來(lái)保護(hù)，過(guò)載時(shí)就跳閘。2022-02-28177系統(tǒng)中必須有自動(dòng)限制電樞電流的環(huán)節(jié)。

引入電流負(fù)反饋，可以使它不超過(guò)允許值。但這種作用只應(yīng)在起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)存在，在

正常的穩(wěn)速運(yùn)行時(shí)又得取消。

當(dāng)電流大到一定程度時(shí)才出現(xiàn)的電流負(fù)反饋，叫做電流截止負(fù)反饋。2022-02-28178帶電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的直流調(diào)速系統(tǒng)圖2-38電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)2022-02-281791．電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)

電流反饋信號(hào)取自串入電動(dòng)機(jī)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(dú)立的直流電源作為比較電壓Ucom，其大小可用電位器調(diào)節(jié)，2022-02-281801．電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)

在IdRc與Ucom之間串接一個(gè)二極管VD，當(dāng)

IdRc>Ucom時(shí)，二極管導(dǎo)通，電流負(fù)反饋信

號(hào)Ui即可加到放大器上去；當(dāng)IdRc≤Ucom時(shí)，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/Rs2022-02-28181圖2-39電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的輸入輸出特性2022-02-28182當(dāng)輸入信號(hào)IdRc-Ucom>0時(shí)，輸出

Ui=IdRc-Ucom，當(dāng)IdRc-Ucom≤0時(shí)，輸出Ui=0。圖2-40帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2022-02-281832．帶電流截止負(fù)反饋比例控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性

當(dāng)Id≤Idcr時(shí)，電流負(fù)反饋被截止，靜特性與只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性相同，

當(dāng)Id>Idcr后，引入了電流負(fù)反饋，靜特性變成2022-02-28184圖2-41帶電流截止負(fù)反饋比例控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性2022-02-28185CA段:電流負(fù)反饋被截止AB段:電流負(fù)反饋起作用

電流負(fù)反饋的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個(gè)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(zhuǎn)速提高到2022-02-28186令n=0，得到堵轉(zhuǎn)電流Iabl

，一般KpKsRs>>R，因此2022-02-28187Iabl應(yīng)小于電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，一般為Iabl

=（1.5~2）IN截止電流應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的額定電流，取Idcr=

（

1.1~1.2

）IN2022-02-281883．帶電流截止的無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)圖2-42無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)2022-02-28189

TA為檢測(cè)電流的交流互感器，經(jīng)整流后得到電流反饋信號(hào)Ui。

當(dāng)電流達(dá)到截止電流Idcr時(shí)，Ui高于穩(wěn)壓管

VS的擊穿電壓，使晶體三極管VBT導(dǎo)通，

忽略晶體三極管VBT導(dǎo)通壓降，則PI調(diào)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(dá)到限制電流的目的。2022-02-28190圖2-43無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（Id<Idcr）轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)式中nmax——電動(dòng)機(jī)調(diào)壓時(shí)的最高轉(zhuǎn)速；

U*nmax——相應(yīng)的最高給定電壓。2022-02-28191圖2-44帶電流截止的無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性2022-02-281922.6轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真

MATLAB下的SIMULINK軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真是十分簡(jiǎn)單和直觀(guān)的，

用戶(hù)可以用圖形化的方法直接建立起仿真系統(tǒng)的模型，并通過(guò)SIMULINK環(huán)境中的菜單直接啟動(dòng)系統(tǒng)的仿真過(guò)程，同時(shí)將結(jié)果在示波器上顯示出來(lái)2022-02-28193轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真框圖及參數(shù)直流電動(dòng)機(jī)：額定電壓

，額定電流 ,額定轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)電勢(shì)系數(shù)

晶閘管整流裝置輸出電流可逆，裝置的放大系數(shù) ，滯后時(shí)間常數(shù)2022-02-28194轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真框圖及參數(shù)，電樞回路電磁，電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電，

電樞回路總電阻時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)對(duì)應(yīng)額定轉(zhuǎn)速時(shí)的給定電壓2022-02-28195圖2-45比例積分控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真框圖2022-02-28196仿真模型的建立

進(jìn)入MATLAB，單擊

MATLAB命令窗口工

具欄中的SIMULINK圖標(biāo)

或直接鍵入SIMULINK命令，