電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)2

第1篇直流調(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)2023/12/241直流調(diào)速方法有三種方法調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。減弱勵(lì)磁磁通。改變電樞回路電阻R。2023/12/242n——轉(zhuǎn)速〔r/min〕；U——電樞電壓〔V〕；I——電樞電流〔A〕；R——電樞回路總電阻(Ω〕；φ——?jiǎng)?lì)磁磁通〔Wb〕；Ke——由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。調(diào)壓調(diào)速工作條件：

=

N

R=Ra調(diào)節(jié)過(guò)程：UN

U

U

n

，n0

調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移。2023/12/243nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速工作條件：

=

NU=UN調(diào)節(jié)過(guò)程：Ra

R

R

n

，n0不變；調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。2023/12/244nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3調(diào)磁調(diào)速工作條件：R=RaU=UN調(diào)節(jié)過(guò)程：

N

n

，n0

調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線變軟。2023/12/245nn0OTeTL

N

1

2

3nNn1n2n3三種調(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。2023/12/246第2章轉(zhuǎn)速反響控制的直流調(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)2023/12/247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)速反響控制的直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制轉(zhuǎn)速反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)的限流保護(hù)轉(zhuǎn)速反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真2023/12/2482.1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)2023/12/2492.1.1晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)2023/12/2410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)〕原理圖在理想情況下，Ud和Uc之間呈線性關(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)。2023/12/24111．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。2023/12/2412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),；2023/12/24132023/12/2414圖2-2V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖對(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)。2023/12/2415整流電路單相全波三相半波三相橋式（全波）m2362023/12/2416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2．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)。2023/12/24172023/12/2418圖2-3帶負(fù)載單相全控橋式整流電路的輸出電壓和電流波形2023/12/2419圖2－4V-M系統(tǒng)的電流波形(a)電流連續(xù)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)。2023/12/2420圖2－4V-M系統(tǒng)的電流波形〔b〕電流斷續(xù)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。2023/12/24213．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)2023/12/24222023/12/2423圖2-5電流連續(xù)時(shí)V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性2023/12/2424圖2－6V-M系統(tǒng)機(jī)械特性在電流連續(xù)區(qū)，顯示出較硬的機(jī)械特性；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。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。電流斷續(xù)區(qū)與電流連續(xù)區(qū)的分界線是曲線，當(dāng)時(shí)，電流便開(kāi)始連續(xù)了。

——一個(gè)電流脈波的導(dǎo)通角。2023/12/24254．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)近似地看成線性環(huán)節(jié)，得到了它的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)后，用線性控制理論分析整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)。2023/12/2426放大系數(shù)的計(jì)算2023/12/2427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。2023/12/2428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)。2023/12/24292023/12/2430圖2－8晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時(shí)間最大失控時(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)。2023/12/24312023/12/2432表2-2晶閘管整流器的失控時(shí)間〔f=50Hz〕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(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2023/12/2433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)工程近似處理的原那么，可忽略高次項(xiàng)，把整流裝置近似看作一階慣性環(huán)節(jié)2023/12/24342023/12/2435圖2－9晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖5.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?。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〞。2023/12/24362.1.2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)。2023/12/24371．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)。2023/12/24382023/12/2439圖2-10簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)2023/12/2440圖2-10簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)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。2023/12/2441直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端的平均電壓為改變占空比，即可實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。令為PWM電壓系數(shù)，那么在不可逆PWM變換器中2023/12/2442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。2023/12/24432023/12/2444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)2023/12/2445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)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。2023/12/24462023/12/2447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。2023/12/24482023/12/2449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)VT1、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。2023/12/2450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。2023/12/24512.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。2023/12/2452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2023/12/2453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。2023/12/24542023/12/2455圖2-12 直流PWM調(diào)速系統(tǒng)〔電流連續(xù)〕的機(jī)械特性3．PWM控制器與變換器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型2023/12/2456圖2-13PWM控制器與變換器框圖傳遞函數(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)2023/12/24574．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。2023/12/2458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。2023/12/24592.2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)械那么要求起、制動(dòng)盡量平穩(wěn)。2023/12/2460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。2023/12/24612、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2023/12/24622023/12/2463圖2-14不同轉(zhuǎn)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(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。2023/12/2464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%，那么調(diào)速范圍是多少？如果希望調(diào)速范圍到達(dá)10，所能滿(mǎn)足的靜差率是多少？2023/12/2465解在要求s≤30%時(shí)，允許的調(diào)速范圍為假設(shè)要求s≤20%，那么允許的調(diào)速范圍只有假設(shè)調(diào)速范圍到達(dá)10，那么靜差率只能是2023/12/24662.2.2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)反響控制的直流調(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2023/12/24672023/12/2468圖2－15開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖機(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2023/12/24692023/12/2470圖2-16 開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2023/12/2471圖2-17開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性例題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？假設(shè)要滿(mǎn)足這個(gè)要求，系統(tǒng)的額定速降ΔnN最多能有多少？2023/12/2472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2023/12/24732.3轉(zhuǎn)速反響控制的直流調(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)量作為反響量引入系統(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，這就是反響控制的根本作用。2023/12/24742.3.1轉(zhuǎn)速反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型在負(fù)反響根底上的“檢測(cè)誤差，用以糾正誤差〞這一原理組成的系統(tǒng)，其輸出量反響的傳遞途徑構(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)速反響控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。2023/12/24751．轉(zhuǎn)速反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性2023/12/2476圖2-18 帶轉(zhuǎn)速負(fù)反響的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)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。2023/12/2477UcUd0u~ACDCUd0Uc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)，那么常用晶閘管觸發(fā)與整流裝置2023/12/2478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)系都是線性的，或者只取其線性工作段。忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻。2023/12/2479電壓比較環(huán)節(jié)比例調(diào)節(jié)器測(cè)速反響環(huán)節(jié)電力電子變換器直流電動(dòng)機(jī)2023/12/2480Kp——比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)α——轉(zhuǎn)速反響系數(shù)〔V·min/r〕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。2023/12/24812023/12/2482圖2-19 轉(zhuǎn)速負(fù)反響閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2023/12/2483圖2-19 轉(zhuǎn)速負(fù)反響閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2023/12/2484圖2-19 轉(zhuǎn)速負(fù)反響閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2．轉(zhuǎn)速反響控制直流調(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)的線性物理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程可以用線性微分方程描述，微分方程的解即系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，它包括兩局部：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，到輸出到達(dá)穩(wěn)態(tài)值以前，是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；系統(tǒng)到達(dá)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。2023/12/2485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)速反響的傳遞函數(shù)2023/12/24862023/12/2487圖2-20 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2023/12/2488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)2023/12/2489再定義以下時(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)2023/12/2490整理后得

式中，——負(fù)載電流〔A〕。2023/12/2491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)2023/12/24922023/12/2493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。2023/12/2494額定勵(lì)磁下的直流電動(dòng)機(jī)是一個(gè)二階線性環(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。2023/12/2495圖2-22直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的變換2023/12/2496圖2-23轉(zhuǎn)速反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)速反響控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)2023/12/2497轉(zhuǎn)速反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)2023/12/24982.3.2比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1．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。2023/12/2499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。2023/12/24100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2023/12/24101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)，2023/12/24102如果所要求的靜差率一定，那么閉環(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2023/12/24103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)與反響裝置。2023/12/241042023/12/24105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

Un

Un

Uc

Ud0

n

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。2023/12/24106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)那么只是閉環(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。2023/12/24107例題2-3在例題2-2中，龍門(mén)刨床要求D=20，s≤5%，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？2023/12/24108開(kāi)環(huán)系統(tǒng)額定速降為=275r/min，閉環(huán)系統(tǒng)額定速降須為2.63r/min，由式〔2-48〕可得那么得即只要放大器的放大系數(shù)等于或大于46。2023/12/241092．反響控制規(guī)律比例控制的反響控制系統(tǒng)是被調(diào)量有靜差的控制系統(tǒng)比例控制反響控制系統(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≠∞，反響控制就只能減小穩(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)。2023/12/24110反響控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動(dòng),服從給定反響控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它能有效地抑制一切被負(fù)反響環(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。2023/12/241112023/12/24112圖2-25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)于給定和反響檢測(cè)的精度反響控制系統(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)。反響檢測(cè)裝置的誤差也是反響控制系統(tǒng)無(wú)法克服的。現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)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。2023/12/241133．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2023/12/24114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，電樞回路總電阻，電感量3mH，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)局部的飛輪慣量，試判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2023/12/24115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。2023/12/24116例題2-5在上題的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，假設(shè)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)能夠到達(dá)的最大調(diào)速范圍有多少？2023/12/241172023/12/24118按照穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)、要求

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。2023/12/24119〔見(jiàn)例題2-2〕<337.5假設(shè)系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀況，2023/12/24120用線性集成電路運(yùn)算放大器作為電壓放大器的轉(zhuǎn)速負(fù)反響閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)如下圖，主電路是晶閘管可控整流器供電的V-M系統(tǒng)。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；2023/12/24121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；假設(shè)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〕。2023/12/241222023/12/241232.3.3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)校正和反響校正。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)。2023/12/241241．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)。2023/12/241252023/12/24126圖2-26積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動(dòng)態(tài)過(guò)程輸入ΔUN是階躍信號(hào)，那么輸出Uc按線性規(guī)律增長(zhǎng)。當(dāng)輸出值到達(dá)積分調(diào)節(jié)器輸出的飽和值Ucm時(shí)，便維持在Ucm不變。2023/12/24127圖2-26積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動(dòng)態(tài)過(guò)程只要ΔUn>0，積分調(diào)節(jié)器的輸出Uc便一直增長(zhǎng)；只有到達(dá)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Ucf2023/12/24128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)。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)器的輸出那么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。2023/12/241292．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)。2023/12/24130令τ1=Kpτ，那么PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)也可寫(xiě)成如下形式說(shuō)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)。2023/12/24131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。2023/12/24132圖2-28比例積分〔PI〕調(diào)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(diǎn)，又克服了各自的缺點(diǎn)。比例局部能迅速響應(yīng)控制作用，積分局部那么最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。2023/12/24133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=0，2023/12/24134圖2-29PI調(diào)節(jié)器的輸入輸出特性在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，采用PI調(diào)節(jié)器輸出局部Uc由兩局部組成，比例局部①和ΔUn成正比，積分局部②表示了從t=0到此時(shí)刻對(duì)ΔUn(t)的積分值，Uc是這兩局部之和。2023/12/24135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2.3.4直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析2023/12/24136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〕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2023/12/24137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響量的差值，即2023/12/24138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。2023/12/241391．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2023/12/24140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2023/12/24141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2023/12/24142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)。2023/12/241432．?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2023/12/24144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2023/12/24145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2023/12/24146由擾動(dòng)引起的穩(wěn)態(tài)誤差取決于誤差點(diǎn)與擾動(dòng)參加點(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)。2023/12/241472.4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，制作本錢(qián)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)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、非線性、智能化等控制規(guī)律，而且更改起來(lái)靈活方便。2023/12/24148微機(jī)數(shù)字控制的特殊問(wèn)題2023/12/24149圖2-32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是反響值的采樣開(kāi)關(guān)，K3是輸出的采樣開(kāi)關(guān)。假設(shè)所有的采樣開(kāi)關(guān)是等周期地一起開(kāi)和閉，那么稱(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)。2023/12/24150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)。2023/12/24151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(shuō)>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。2023/12/24152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。2023/12/24153轉(zhuǎn)速檢測(cè)的數(shù)字化2023/12/24154圖2-33增量式旋轉(zhuǎn)編碼器示意圖1．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。2023/12/24155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。2023/12/24156圖2-34區(qū)分旋轉(zhuǎn)方向的A、B兩組脈沖序列2．?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，那么該測(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。2023/12/24157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。2023/12/241583．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。2023/12/24159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)。2023/12/24160圖2－35M法測(cè)速原理示意圖M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。2023/12/241614．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)。2023/12/24162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2023/12/24163圖2-36T法測(cè)速原理示意圖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)速上下有關(guān)，轉(zhuǎn)速越低，Q值越小，分辨能力越強(qiáng)。2023/12/24164T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。2023/12/241655．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。2023/12/241662023/12/24167圖2-37 M/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

。2023/12/24168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，那么2023/12/24169假設(shè)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，那么綜合式(2-74)、式(2-75)和式(2-76)便可求出被測(cè)的轉(zhuǎn)速為：2023/12/24170在高速段，TcΔT1，TcΔT2，可看成TTc：M2＝f0Tf0Tc，代入式〔2-78)可得：2023/12/24171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。2023/12/24172M2的數(shù)值在中、高速時(shí)，根本上是一個(gè)常數(shù)M2＝Tf0Tcf0，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。2023/12/24173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)。2023/12/24174轉(zhuǎn)換為差分方程，其第k拍輸出為式中Tsam為采樣周期。2023/12/24175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。比例局部只與當(dāng)前的偏差有關(guān)，積分局部那么是系統(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。2023/12/24176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。假設(shè)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)。2023/12/241772.5轉(zhuǎn)速反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)的限流保護(hù)轉(zhuǎn)速反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)過(guò)流問(wèn)題在轉(zhuǎn)速反響控制直流調(diào)速系統(tǒng)上突加給定電壓時(shí)，電樞電壓立即到達(dá)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。2023/12/24178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)反響，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)反響，叫做電流截止負(fù)反響。2023/12/24179帶電流截止負(fù)反響環(huán)節(jié)的直流調(diào)速系統(tǒng)2023/12/24180圖2-38電流截止負(fù)反響環(huán)節(jié)1．電流截止負(fù)反響環(huán)節(jié)電流反響信號(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)，2023/12/241811．電流截止負(fù)反響環(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)反響信號(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/Rs2023/12/241822023/12/24183圖2-39電流截止負(fù)反響環(huán)節(jié)的輸入輸出特性當(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。2023/12/24184圖2-40帶電流截止負(fù)反響的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2．帶電流截止負(fù)反響比例控制閉環(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)反響被截止，靜特性與只有轉(zhuǎn)速負(fù)反響調(diào)速系統(tǒng)的靜特性相同， 當(dāng)Id>Idcr后，引入了電流負(fù)反響，靜特性變成2023/12/241852023/12/24186圖2-41帶電流截止負(fù)反響比例控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性CA段:電流負(fù)反響被截止AB段:電流負(fù)反響起作用電流負(fù)反響的作用相當(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2023/12/24187令n=0，得到堵轉(zhuǎn)電流Iabl

，

一般KpKsRs>>R，因此2023/12/24188Iabl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〕IN2023/12/241893．帶電流截止的無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)2023/12/24190圖2-42無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)TA為檢測(cè)電流的交流互感器，經(jīng)整流后得到電流反響信號(hào)Ui。當(dāng)電流到達(dá)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，那么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，到達(dá)限制電流的目的。2023/12/24191轉(zhuǎn)速反響系數(shù)式中nmax——電動(dòng)機(jī)調(diào)壓時(shí)的最高轉(zhuǎn)速；U*n