電機(jī)控制 課件 第一章 直流電動(dòng)機(jī)的控制

第一章直流電動(dòng)機(jī)的控制直流電機(jī)的控制本章內(nèi)容：直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型與機(jī)械特性直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型與機(jī)械特性直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型直流電機(jī)調(diào)速性能優(yōu)越性

調(diào)速范圍

調(diào)速精度

動(dòng)態(tài)性能

四象限運(yùn)行

控制方便直流電動(dòng)機(jī)的人工機(jī)械特性直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型

基本數(shù)學(xué)模型：電動(dòng)勢(shì)平衡方程式：轉(zhuǎn)矩平衡方程式：精確數(shù)學(xué)模型：將電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的機(jī)械過(guò)程和電量變化的電磁過(guò)程按照實(shí)際情況考慮認(rèn)為它們同時(shí)發(fā)生。

并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電路圖直流電機(jī)的精確模型轉(zhuǎn)速與電樞電壓：電樞電流與電樞電壓：直流電機(jī)調(diào)速性能優(yōu)越性

電機(jī)控制系統(tǒng)中電機(jī)有直、交流兩類(lèi)

直流電機(jī)調(diào)速性能最優(yōu)越：

1、調(diào)速范圍寬

無(wú)極調(diào)速：從<1轉(zhuǎn)/分~上萬(wàn)轉(zhuǎn)/分

量化指標(biāo)：調(diào)速比D=最高速/最低速(負(fù)載下)

D與負(fù)載類(lèi)型有關(guān)：

泵類(lèi)D=1.5

普通D=3

深（寬)調(diào)速D=3000直流電機(jī)調(diào)速性能優(yōu)越性2、調(diào)速精度高：變化額定負(fù)載與空載下，轉(zhuǎn)速小

機(jī)械特性自然機(jī)械特性

量化指標(biāo)：靜差度

越小，機(jī)械特性越硬直流電機(jī)調(diào)速性能優(yōu)越性3、動(dòng)態(tài)性能好——能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)控制

起、制動(dòng)快，超調(diào)、振蕩小

抗干擾（負(fù)載、電源干擾）力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)速降小，恢復(fù)時(shí)間短直流電機(jī)調(diào)速性能優(yōu)越性4、能四象限運(yùn)行直流電機(jī)調(diào)速性能優(yōu)越性5、控制方便

電樞電壓控制磁場(chǎng)控制采用電力電子手段，損耗小，控制性好。直流電機(jī)調(diào)速性能優(yōu)越性

結(jié)論直流電機(jī)有優(yōu)良的調(diào)速性能（調(diào)速典范）應(yīng)用于高動(dòng)態(tài)性能的機(jī)電運(yùn)動(dòng)控制冶金軋鋼電氣牽引高精度機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)伺服控制、機(jī)械手、機(jī)械人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)

原因：磁場(chǎng)與電樞電流能自然解耦

直流電機(jī)調(diào)速性能優(yōu)越性

缺點(diǎn)：

碳刷、換向器帶來(lái)的維護(hù)、火花

速度×容量極限：，不能滿(mǎn)足高速、大容量驅(qū)動(dòng)（時(shí)，）交流電機(jī)采用高性能解耦控制——矢量變換控制（模擬直流電機(jī)控制）直流電機(jī)的人工機(jī)械特性人為改變電樞回路外接電阻Raj、電樞端電壓US和勵(lì)磁回路外接電阻Rj（即磁通

）中的任一項(xiàng)，而其他項(xiàng)仍保持不變的情況下所獲得的機(jī)械特性稱(chēng)人工機(jī)械特性。人工機(jī)械特性：(a)改變電樞回路外接電阻Raj(b)改變電樞端電壓Us(c)改變勵(lì)磁電流If直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

可逆調(diào)速系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的脈寬調(diào)制調(diào)速

單極性控制

雙極性控制直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制

開(kāi)環(huán)控制

PI控制

雙閉環(huán)控制晶閘管供電直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

直流電機(jī)主要采用晶閘管可控整流器實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速

這是帶電感一反電勢(shì)的可控整流電路，根據(jù)平波電抗器L的大小，電樞電流有連續(xù)與斷續(xù)之分，導(dǎo)致直流調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性不同，須分開(kāi)討論。晶閘管供電直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

在電流連續(xù)的情況下，晶閘管整流器可等效為一個(gè)具有內(nèi)電勢(shì)Ud、內(nèi)電阻Re+Ro的直流電源。當(dāng)負(fù)載電流Id比較小時(shí)，晶閘管導(dǎo)通角θ<120°，電流斷續(xù)。電流連續(xù),α恒定時(shí)的機(jī)械特性三相半波整流電路供電的機(jī)械特性晶閘管一直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)二種調(diào)速系統(tǒng)

不可逆調(diào)速系統(tǒng)——只能一個(gè)方向提供轉(zhuǎn)矩，

不能四象限運(yùn)行

可逆調(diào)速系統(tǒng)——能在正、反二方向提供轉(zhuǎn)矩，能四象限運(yùn)行直流可逆調(diào)速系統(tǒng)主電路（反并聯(lián)連接）三相半波反并聯(lián)可逆調(diào)速系統(tǒng)主電路可逆調(diào)速系統(tǒng)

定義能實(shí)現(xiàn)以T-n為縱—橫坐標(biāo)的四個(gè)象限內(nèi)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)核心可逆調(diào)速系統(tǒng)只能提供單—方向電樞電流→產(chǎn)生單一方向電磁轉(zhuǎn)矩→不可逆系統(tǒng)

單橋

雙橋反并聯(lián)提供兩個(gè)方向電樞電流，產(chǎn)生兩個(gè)方向電磁轉(zhuǎn)矩，構(gòu)成可逆系統(tǒng)主電路可逆調(diào)速系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速

引言

直流脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速必要性1、提高可控整流器-直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)輸入功率因數(shù)

可控整流電路采用移相觸發(fā)控制，電力電子電路輸入功率因數(shù)

PF=直流電機(jī)低速時(shí)，，力能指標(biāo)差。若采用不控整流，相當(dāng)僅整流紋波影響有效提高了PF，但不能調(diào)壓（調(diào)速）為調(diào)壓（調(diào)速）,需DC-DC變換(斬波調(diào)壓)，即PWM調(diào)速2、直流電動(dòng)機(jī)的脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速固定直流電壓源供電，更需PWM(斬波)調(diào)壓調(diào)速直流脈寬調(diào)制（PWM）原理

直流脈寬調(diào)制（PWM）原理

直流電源電壓恒定下，通過(guò)電子開(kāi)關(guān)通、斷，使施加在電機(jī)端部脈沖電壓平均值的變化，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速——斬波調(diào)速。

斬波電路eL直流脈寬調(diào)制（PWM）原理占空比電機(jī)電壓

負(fù)載電壓系數(shù)

即調(diào)節(jié)占空比即可調(diào)壓調(diào)速直流脈寬調(diào)制（PWM）原理直流脈寬調(diào)制調(diào)速優(yōu)點(diǎn)

與晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

主電路簡(jiǎn)單；開(kāi)關(guān)頻率高，電流易連續(xù)、諧波少，電動(dòng)機(jī)損耗??；低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬；與響應(yīng)快速電動(dòng)機(jī)配合，系統(tǒng)頻帶寬、響應(yīng)快、動(dòng)態(tài)抗干擾強(qiáng)；開(kāi)關(guān)導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗較低，裝置效率高；電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流高；直流脈寬調(diào)制（PWM）原理自關(guān)斷器件作斬波器時(shí)

直流脈寬調(diào)制調(diào)速可區(qū)分為

不可逆脈寬調(diào)制調(diào)速無(wú)制動(dòng)能力的不可逆PWM調(diào)速系統(tǒng)最簡(jiǎn)單的PWM調(diào)速系統(tǒng)不可逆脈寬調(diào)制調(diào)速有制動(dòng)能力的不可逆PWM調(diào)速系統(tǒng)再生制動(dòng)能耗制動(dòng)可逆脈寬調(diào)制調(diào)速（一）主電路結(jié)構(gòu)——H型橋

H型橋可在單一供電下使電機(jī)獲得兩個(gè)方向電流，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩可逆

四個(gè)高頻自關(guān)斷器件各反并聯(lián)四個(gè)快速恢復(fù)二極管，構(gòu)成續(xù)流通路?？赡婷}寬調(diào)制調(diào)速

+__+開(kāi)關(guān)對(duì)

兩管開(kāi)關(guān)狀態(tài)互鎖(一管導(dǎo)通時(shí)其管壓降為另一管的反偏電壓)

開(kāi)關(guān)對(duì)工作特點(diǎn)可逆脈寬調(diào)制調(diào)速（二）控制按各開(kāi)關(guān)元件通、斷控制信號(hào)不同，分為

單極性控制

雙極性控制1、單極性控制

控制方式采用“極性電壓

”，控制四開(kāi)關(guān)觸發(fā)信號(hào)分配。可逆脈寬調(diào)制調(diào)速

VT1、VT2互補(bǔ)通、斷

VT3截止，VT4開(kāi)通

電機(jī)電壓恒為，單一極性，電機(jī)正轉(zhuǎn)

VT3、VT4互補(bǔ)通、斷

VT1截止，VT2開(kāi)通

電機(jī)電壓恒為，單一極性，電機(jī)反轉(zhuǎn)可逆脈寬調(diào)制調(diào)速

工作過(guò)程（以為例）設(shè)定電機(jī)電壓、反電勢(shì)正方向如圖情況一：（1）（）→從B至A地施加在電機(jī)上→

，VT1、VT4導(dǎo)通→形成電流（路徑Ⅰ）→因反向（電機(jī)吸收功率）→電機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行（持續(xù)供電）可逆脈寬調(diào)制調(diào)速（2）但電流Ⅰ在電樞電感中有慣性，變化時(shí)產(chǎn)生自感電勢(shì)→通過(guò)VD2、VT4續(xù)流→形成電流Ia路徑II→VD2導(dǎo)通壓降使VT2反偏而截止→反向→電機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行→維持電流→但能量有限，會(huì)在（）間的時(shí)刻斷流可逆脈寬調(diào)制調(diào)速（3）時(shí)，自感電勢(shì)耗光→（為電流反向準(zhǔn)備條件）→VD2關(guān)斷，VT2導(dǎo)通→在反電勢(shì)作用下，通過(guò)VT2、VD4形成電流路徑III→同向→電機(jī)作能耗制動(dòng)（能量消耗于電路內(nèi)），直至下周期開(kāi)始?？赡婷}寬調(diào)制調(diào)速

（2）但電流III在電樞電感中有慣性，變化時(shí)產(chǎn)生自感電勢(shì)→通過(guò)VD1、VT4續(xù)流→形成電流Ia路徑IV→VD1導(dǎo)通壓降使VT1反偏而截止→同向→電機(jī)作再生制動(dòng)（能量回饋電源）→能量有限，路徑Ⅳ電流斷流→在作用下VT1、VT4通→進(jìn)入電流路徑Ⅰ狀態(tài)?？赡婷}寬調(diào)制調(diào)速斷應(yīng)VT1通可逆脈寬調(diào)制調(diào)速電流路徑Ⅰ

工作過(guò)程歸納

電流路徑有：Ⅳ→Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ

輸出電壓輸出電壓系數(shù)占空比

可逆脈寬調(diào)制調(diào)速

可逆脈寬調(diào)制調(diào)速

2、雙極性控制

控制原則

兩對(duì)角線(xiàn)器件為一組（VT1、VT4與VT2、VT3）

同組施加相同驅(qū)動(dòng)信號(hào)（），同時(shí)開(kāi)通

兩組驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)正半周（）電機(jī)電壓（B→A）負(fù)半周（）電機(jī)電壓（A→B）即一個(gè)周期內(nèi)可獲得兩個(gè)方向電壓極性，稱(chēng)雙極性?？赡婷}寬調(diào)制調(diào)速

正、負(fù)半周平均，得確定極性的平均電壓，使電機(jī)獲得確定方向轉(zhuǎn)矩。UA工作過(guò)程（設(shè)）（1）→在作用下形成電流路徑Ⅰ→反向→電機(jī)作電動(dòng)運(yùn)行可逆脈寬調(diào)制調(diào)速可逆脈寬調(diào)制調(diào)速

（2）→VT1、VT4斷，切斷電源；→應(yīng)VT2、VT3通，→但電樞電感自感電勢(shì)作用維持電流方向不能突變→VD2、VD3通→續(xù)流→VT2、VT3反偏，斷→形成電流路徑Ⅱ→與反向→電機(jī)仍作電動(dòng)運(yùn)行→使很快衰減為零，為換向創(chuàng)造條件（設(shè)在時(shí)刻斷流）?？赡婷}寬調(diào)制調(diào)速

（3）時(shí)刻路徑Ⅱ斷流→VD2、VD3斷→VT2、VT3反偏消失，通→在（）作用下產(chǎn)生大值沖擊電流形成電流路徑III→

同向→電機(jī)作反接制動(dòng)至下周期（）時(shí)刻

同向→再生制動(dòng)（能量回饋電源）→直至（），路徑Ⅳ斷流→VT1、VT4得以導(dǎo)通，進(jìn)入下一周期可逆脈寬調(diào)制調(diào)速

（4）→但在續(xù)流及反電勢(shì)共同作用下電流方向不變→VD1、VD4通→形成電流路徑Ⅳ→可逆脈寬調(diào)制調(diào)速

輸出電壓一周期內(nèi)瞬時(shí)電壓為雙極性方波，平均值負(fù)載電壓系數(shù)正/反轉(zhuǎn)控制當(dāng)電機(jī)靜止，但瞬時(shí)電壓波形→→→轉(zhuǎn)子抖動(dòng)（微振），起動(dòng)力潤(rùn)滑作用，有利減少起動(dòng)靜摩擦?？赡婷}寬調(diào)制調(diào)速

當(dāng)雙極性控制時(shí)正/反轉(zhuǎn)通過(guò)（占空比）控制（1）正/反轉(zhuǎn)控制

雙極性只需改變位置（占空比），方便

單極性除基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)處，還需極性電壓，復(fù)雜（2）低速時(shí)小值電樞電壓獲取機(jī)理

單極性時(shí)最低電壓由最小脈沖寬度控制，但基極驅(qū)動(dòng)脈沖過(guò)窄將影響開(kāi)關(guān)元件可靠導(dǎo)通，故有最小脈寬、最低

最低速度限制。

雙極性電樞電壓靠正、負(fù)半周對(duì)消實(shí)現(xiàn)，此時(shí)正、負(fù)半周均有使開(kāi)關(guān)元件可靠導(dǎo)通的脈沖寬度。（3）雙極性輸出電壓=0時(shí)有高頻微抖，有利消除轉(zhuǎn)子靜摩揸及起動(dòng)；但因四管均導(dǎo)通，器件開(kāi)關(guān)損耗大單極性/雙極性控制性能比較

直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制

開(kāi)環(huán)系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)可控整流器的移相角α，改變輸出電壓從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)壓調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制

無(wú)調(diào)速精度

應(yīng)采用速度閉環(huán)控制，提高靜差度轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)控制

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

PI調(diào)節(jié)器特性（優(yōu)點(diǎn)）①靜態(tài)無(wú)差調(diào)節(jié)②快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)PI調(diào)節(jié)器

在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例積分控制（proportional–integral），簡(jiǎn)稱(chēng)PI控制，又稱(chēng)PI調(diào)節(jié)。PI控制器問(wèn)世至今已有近70年的歷史了，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制主要和可靠的技術(shù)工具。

當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，系統(tǒng)的控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PI控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象﹐或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)的參數(shù)的時(shí)候，便最適合用PI控制技術(shù)。PI調(diào)節(jié)器

PI控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差利用比例積分微分計(jì)算出控制量，控制器輸出和控制器輸入（誤差）之間的關(guān)系在時(shí)域中可表示如下:公式中e(t)表示誤差、控制器的輸入，u(t)是控制器的輸出，kp為比例系數(shù)、ki積分系數(shù)。

在復(fù)頻域中可表示如下:比例（P）控制

比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差訊號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。

對(duì)一個(gè)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱(chēng)這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱(chēng)有差系統(tǒng)。Kp加大，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能；Kp過(guò)大，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能差。PI調(diào)節(jié)器PI調(diào)節(jié)器積分（I）控制

在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。

為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取關(guān)于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。

因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。Ki加大，系統(tǒng)容易振蕩，區(qū)域不穩(wěn)定；Ki過(guò)小，積分作用太弱，以致穩(wěn)態(tài)誤差難以快速減小。PI調(diào)節(jié)器比例積分（PI）控制

將兩者結(jié)合，克服了各自的缺點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，互相補(bǔ)充。

PI調(diào)節(jié)器輸入輸出特性閉環(huán)系統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)過(guò)程穩(wěn)態(tài)精度高動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速差，對(duì)應(yīng)，送ST經(jīng)比例—積分調(diào)節(jié)，ST輸出[例]

設(shè)=1000r/min，加載后因造成速度下降至，形成，增大使，即（對(duì)應(yīng)1000），（無(wú)差）即速度負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)靜態(tài)無(wú)差速度負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)

無(wú)差的維持機(jī)制——積分記憶功能當(dāng)時(shí)，，調(diào)節(jié)器輸入為零，但由于PI調(diào)節(jié)器的積分作用，對(duì)過(guò)去出現(xiàn)過(guò)的誤差有記憶，則積分輸出不為零，輸出值，維持（無(wú)差）只有出現(xiàn)，出現(xiàn)反向積分才減小。

圖示速度負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)

快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)調(diào)節(jié)器的限幅輸出功能*當(dāng)在一定范圍，輸出為誤差的P-I運(yùn)算結(jié)果，調(diào)節(jié)器為真正PI調(diào)節(jié)器。*當(dāng)過(guò)大，輸出被限幅，調(diào)節(jié)器蛻化為限幅器，無(wú)調(diào)節(jié)功能。速度負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)

根據(jù)誤差大小，調(diào)節(jié)器起不同作用（功能），按調(diào)節(jié)器誤差大小，進(jìn)入還是退出飽和而定。

飽和限幅后，調(diào)節(jié)器以最大值輸出，系統(tǒng)以最大能力加、減速，獲得快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。速度負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)

僅有速度閉環(huán)缺點(diǎn)原因：對(duì)電流無(wú)控制速度給定突加→速度反饋值→突增→突減→突增→電樞電流由電阻限制而突增→形成調(diào)節(jié)過(guò)程電流沖擊速度負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)

后果：①SCR過(guò)電流燒毀；②引起直流電機(jī)換向惡化，環(huán)火；③

措施：構(gòu)成速度一電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)速度、電流控制劇增，傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)軸強(qiáng)烈轉(zhuǎn)矩沖擊。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)（三）雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)置

開(kāi)環(huán)主電路上設(shè)置兩傳感器

控制回路內(nèi)設(shè)置兩調(diào)節(jié)器（PI型）雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)環(huán)——電流負(fù)反饋電流反饋信號(hào)*取自可控整流器直流側(cè)——采用對(duì)采樣；*取自可控整流器交流側(cè)——三相交流互感器（C.T.）+整流橋

依據(jù)：整流變壓器副邊相電流有效值（三相橋式）外環(huán)——速度負(fù)反饋速度給定與速度反饋相比較，差值信號(hào)送速度調(diào)節(jié)器ST（ASR）；

ST輸出送電流調(diào)節(jié)器LT（ACR），作LT電流給定；故PI型ST的輸出限幅值決定了調(diào)速系統(tǒng)最大電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電流給定與電流反饋相比較，差值信號(hào)送電流調(diào)節(jié)器LT（ACR）

LT輸出作可控整流器觸發(fā)脈沖移相電壓

PI型LT的輸出限幅值決定了脈沖移相角范圍*不可逆系統(tǒng)雙閉環(huán)控制信息關(guān)系系統(tǒng)控制2、系統(tǒng)控制——分析起動(dòng)、負(fù)載及負(fù)載突變（擾動(dòng)）時(shí)雙閉環(huán)工作過(guò)程（1）起動(dòng)并負(fù)載過(guò)程

起動(dòng)中電樞電流，轉(zhuǎn)速，速度給定，負(fù)載曲線(xiàn)如圖

全過(guò)程分①起動(dòng)；②加速；

③PI調(diào)節(jié)至穩(wěn)定

三段系統(tǒng)控制起動(dòng)

特征：

由（限幅值）

ST、LT全部飽和限幅，蛻化為限幅器，系統(tǒng)實(shí)為速度、電流雙開(kāi)環(huán)過(guò)程電機(jī)靜止，給定突加，很大，ST飽和，輸出限幅，無(wú)調(diào)節(jié)作用

電流給定為限幅值→對(duì)應(yīng)電流指令；電流未建立，，LT輸入，LT飽和，輸出限幅，推，至使。因轉(zhuǎn)子慣性，系統(tǒng)控制系統(tǒng)控制加速

特征（A）恒定（電流調(diào)節(jié)結(jié)果，非限幅）（B）ST飽和限幅，LT作PI調(diào)節(jié)，實(shí)為電流單閉環(huán)系統(tǒng)。系統(tǒng)控制過(guò)程很大→ST仍飽和限幅，無(wú)調(diào)節(jié)作用(速度開(kāi)環(huán))。

ST輸出為限幅值→使LT以

為指令值→電流閉環(huán)不斷調(diào)節(jié)整流觸發(fā)角→動(dòng)態(tài)地保持，維持與給定無(wú)差——“動(dòng)態(tài)平衡”系統(tǒng)控制

動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程：隨并維持不變電機(jī)以恒定

加速，系統(tǒng)控制PI調(diào)節(jié)至穩(wěn)定

特征（A）轉(zhuǎn)速穩(wěn)定至，電流穩(wěn)定至（對(duì)應(yīng)）；（B）ST、LT均作PI調(diào)節(jié)，真正速度、電流雙閉環(huán)工作。系統(tǒng)控制過(guò)程首先分析進(jìn)入本階段開(kāi)始點(diǎn)的初值情況

速度：上階段末加速至輸入；但PI型ST的積分（記憶）作用使ST輸出→仍暫作飽和輸出→電流指令為。

電流：上階段末，與指令相同PI型LT的積分（記憶）作用使LT輸出→迫使移至能產(chǎn)生的位置。系統(tǒng)控制故以進(jìn)入③，會(huì)用驅(qū)動(dòng)而加速過(guò)頭，出現(xiàn)——轉(zhuǎn)速超調(diào)超調(diào)時(shí)調(diào)節(jié)器反向積分→ST退出飽和，進(jìn)入PI調(diào)節(jié)命令輸出其中時(shí)，（超調(diào)）最大，以后。系統(tǒng)控制由于電磁慣性，可能達(dá)電機(jī)進(jìn)入制動(dòng)回升重新回到（平衡）經(jīng)幾次振蕩，PI調(diào)節(jié)達(dá)平衡雖，但PI調(diào)節(jié)器積分記憶功能使→推至適當(dāng)位置→產(chǎn)生合適、、T→保證系統(tǒng)靜態(tài)無(wú)差運(yùn)行。系統(tǒng)控制負(fù)載突變時(shí)的過(guò)渡過(guò)程

特征(A)假設(shè)負(fù)載突↑，轉(zhuǎn)速↓，ufn<ug(B)速度調(diào)節(jié)器將電流調(diào)節(jié)器的給定信號(hào)增大(C)移相角α前移，Id↑，T↑(D)T>TL時(shí)，轉(zhuǎn)速回升，使ufn接近ug(E)經(jīng)過(guò)一兩次調(diào)整、振蕩，最終在T=TL的條件下重新達(dá)到平衡雙閉環(huán)控制總結(jié)在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)中，速度調(diào)節(jié)器的作用：用于對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，以保障：①調(diào)速精度，做到靜態(tài)無(wú)差；使機(jī)械特性硬，滿(mǎn)足負(fù)載要求。②實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速快速調(diào)節(jié)。其輸出限幅值的選?。喊凑{(diào)速系統(tǒng)允許最大電流來(lái)調(diào)整，以確保系統(tǒng)運(yùn)行安全(過(guò)電流保護(hù))電流調(diào)節(jié)器的作用：實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制，以保障：①精確滿(mǎn)足負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小要求(通過(guò)電流控制)；②調(diào)速的快速動(dòng)態(tài)特性(轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng))。其輸出限幅值的選取：電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅作為可控整流器晶閘管的移相觸發(fā)電壓，其限幅值決定了觸發(fā)角的移相范圍，故應(yīng)按αmin

～αmax

來(lái)調(diào)整。習(xí)題一

在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，出現(xiàn)電網(wǎng)電壓波動(dòng)與負(fù)載擾動(dòng)時(shí)，各是哪個(gè)調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用？

電壓波動(dòng)負(fù)載擾動(dòng)雙閉環(huán)控制總結(jié)

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)正常工作時(shí)，調(diào)節(jié)什么參數(shù)可以改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速？如果速度閉環(huán)的轉(zhuǎn)速反饋線(xiàn)突然斷掉，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？電動(dòng)機(jī)還能否調(diào)速？習(xí)題一電網(wǎng)電壓波動(dòng)：影響整流電壓Ud，整流電流Id，反映到控制信號(hào)即ufi，它從電流環(huán)介入，故電流調(diào)節(jié)器起主要作用。負(fù)載擾動(dòng)：負(fù)載TL的變化將影響轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系，繼而影響轉(zhuǎn)速ωr，n，反映到控制信號(hào)即ufn，它從速度環(huán)介入，故速度調(diào)節(jié)器起主要作用。雙閉環(huán)控制總結(jié)習(xí)題一

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)正常工作時(shí)，調(diào)節(jié)什么參數(shù)可以改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速？如果速度閉環(huán)的轉(zhuǎn)速反饋線(xiàn)突然斷掉，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？電動(dòng)機(jī)還能否調(diào)速？

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)正常工作時(shí)，只有調(diào)節(jié)速度給定信號(hào)ug才可以改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。而改變速度調(diào)節(jié)器的參數(shù)(如比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù))均無(wú)作用，改變負(fù)載大小也不能影響轉(zhuǎn)速，因?yàn)槭撬俣乳]環(huán)系統(tǒng)，不論負(fù)載大小均速度無(wú)差。轉(zhuǎn)速反饋線(xiàn)突然斷掉時(shí)，ufn＝0，使△un＝ug

－ufn

＝ug

很大，速度調(diào)節(jié)器飽和限幅輸出，調(diào)速系統(tǒng)以最大電流、最大轉(zhuǎn)矩加速，直至電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩、阻尼轉(zhuǎn)矩相平衡，達(dá)到最高轉(zhuǎn)速而恒定，故電動(dòng)機(jī)不可調(diào)速。雙閉環(huán)控制總結(jié)基于雙閉環(huán)的PWM調(diào)速方法基于晶閘管的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)？？？基于雙閉環(huán)的PWM調(diào)速方法■SPWM：輸出頻率的正弦“調(diào)制波”與高頻的等腰三角形“載波”相交，交點(diǎn)確定出各功率器的開(kāi)關(guān)時(shí)刻●當(dāng)某相調(diào)制波電壓高于載波電壓時(shí)，該相上橋臂元件導(dǎo)通，輸出●當(dāng)某相調(diào)制波電壓低于載波電壓時(shí)，該相下橋臂元件通，輸出（單極性）基于雙閉環(huán)的PWM調(diào)速方法基于晶閘管的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)占空比+-閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)思路靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能典型系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

典型I型系統(tǒng)

典型II型系統(tǒng)雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)

系統(tǒng)近似化處理

電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)典型設(shè)計(jì)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)思路多環(huán)的處理每個(gè)環(huán)的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)：①便于認(rèn)識(shí)影響系統(tǒng)性能的主要環(huán)節(jié)，將問(wèn)題分解；②可以依據(jù)低階典型系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)。靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)

分別代表0型，I型，II型系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能

0型I型II型階躍信號(hào)穩(wěn)態(tài)誤差零零等速度信號(hào)無(wú)窮大穩(wěn)態(tài)誤差零等加速度信號(hào)無(wú)窮大無(wú)窮大穩(wěn)態(tài)誤差γ越大，穩(wěn)態(tài)誤差越小，但動(dòng)態(tài)性能變差靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能動(dòng)態(tài)性能上升時(shí)間tr：穩(wěn)態(tài)值10%到90%所需時(shí)間延遲時(shí)間td：第一次到穩(wěn)態(tài)值50%時(shí)間峰值時(shí)間tp：響應(yīng)到達(dá)第一個(gè)峰值時(shí)間

靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能動(dòng)態(tài)性能超調(diào)量σ：第一次到達(dá)穩(wěn)態(tài)值后的最大偏差與穩(wěn)態(tài)值之比的百分值調(diào)整時(shí)間tT：響應(yīng)曲線(xiàn)與穩(wěn)態(tài)值偏差達(dá)到允許范圍（±2%）內(nèi)時(shí)間振蕩次數(shù)N：過(guò)渡過(guò)程（0~tT）內(nèi)響應(yīng)曲線(xiàn)在穩(wěn)態(tài)值上下起伏次數(shù)

典型系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)典型I型系統(tǒng)

開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)

典型I型系統(tǒng)是一種二階系統(tǒng)，具有“一階無(wú)差”特性時(shí)間常數(shù)T為固有參數(shù)，無(wú)法任意改變；調(diào)整開(kāi)環(huán)放大系數(shù)K進(jìn)行設(shè)計(jì)。典型系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)典型I型系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)典型I型系統(tǒng)表達(dá)式

無(wú)超調(diào)響應(yīng)快

典型I型中一般阻尼系數(shù)取0.5＜ζ＜1典型系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)典型II型系統(tǒng)

開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)T1為比例微分時(shí)間常數(shù)；T2為慣性時(shí)間常數(shù)；K為系統(tǒng)開(kāi)環(huán)放大系數(shù)。典型II型系統(tǒng)是一種三階系統(tǒng)，具有“二階無(wú)靜差”特性典型系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)典型II型系統(tǒng)

中頻寬開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)T2為控制對(duì)象固有參數(shù)；參數(shù)K和T1

有待選擇。由于有兩個(gè)待定參數(shù)，增加了參數(shù)選擇問(wèn)題的復(fù)雜性為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，需要使對(duì)數(shù)幅頻特性曲線(xiàn)中頻段以-20dB/sec穿過(guò)零點(diǎn)典型系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)最大相角裕量準(zhǔn)則

中頻寬此時(shí)截止頻率ωc落在轉(zhuǎn)折頻率ω1和ω2的幾何中點(diǎn)上定義轉(zhuǎn)折頻率ω1與ω2比值為中頻寬h由此將參數(shù)K和T1的選取轉(zhuǎn)化為h和ωc的選取問(wèn)題根據(jù)最大相角裕量準(zhǔn)則γmax典型系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)基于γmax準(zhǔn)則的動(dòng)態(tài)跟隨性能

典型II型系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)

h越大，超調(diào)越小，而調(diào)節(jié)時(shí)間隨h的變化非單調(diào)將T1=hT2代入單位階躍響應(yīng)求解典型系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)基于γmax準(zhǔn)則的動(dòng)態(tài)跟隨性能

具有這種配置的典型II型系統(tǒng)就是“調(diào)節(jié)器最佳整定設(shè)計(jì)法”中的“三階最佳”系統(tǒng)取中頻寬h為4系統(tǒng)開(kāi)環(huán)和閉環(huán)傳遞函數(shù)分別為兩種典型系統(tǒng)的比較

快速性和過(guò)渡品質(zhì)

典型II型系統(tǒng)要求系統(tǒng)輸入端加適當(dāng)?shù)臑V波緩沖環(huán)節(jié)

典型I型系統(tǒng)快速性?xún)?yōu)于典型II型系統(tǒng)：

典型II型系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程可等效為4T的慣性環(huán)節(jié)

典型I型系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程可等效為2T的慣性環(huán)節(jié)

典型系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)然而對(duì)于電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)而言，二階優(yōu)化系統(tǒng)有明顯不足之處兩種典型系統(tǒng)的比較

對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的依賴(lài)性

在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中存在大慣性元件（平波電抗器，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等），在典型I型系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)，為保證快速性，需要調(diào)節(jié)器補(bǔ)償這些大慣性環(huán)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)有所變化時(shí)，需重新整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。

而在典型II型系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)，調(diào)節(jié)器的參數(shù)取決于系統(tǒng)中的小時(shí)間常數(shù)，與系統(tǒng)中大時(shí)間參數(shù)無(wú)直接關(guān)系，系統(tǒng)參數(shù)變化（更換電機(jī)，平波電抗器或者變換負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等）對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能影響不大，調(diào)節(jié)器的參數(shù)無(wú)需改變，參數(shù)設(shè)計(jì)的魯棒性更好。這對(duì)生產(chǎn)適應(yīng)范圍廣的通用控制器裝置有很大實(shí)際意義！

典型系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的近似化處理

高頻段小慣性環(huán)節(jié)的近似處理高頻段若干個(gè)小慣性環(huán)節(jié)可以合并為一個(gè)較大的慣性環(huán)節(jié)雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的近似化處理

高頻段高階系統(tǒng)的降階處理當(dāng)高階項(xiàng)系數(shù)較小時(shí)可忽略，系統(tǒng)近似為一階慣性環(huán)節(jié)雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的近似化處理

純滯后環(huán)節(jié)的近似處理純滯后環(huán)節(jié)可近似化為一階慣性環(huán)節(jié)雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的近似化處理

低頻段大慣性環(huán)節(jié)的近似處理低頻段大慣性環(huán)節(jié)可轉(zhuǎn)化為一個(gè)時(shí)間常數(shù)較大的積分環(huán)節(jié)雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

簡(jiǎn)化模型

轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

①電機(jī)電樞回路，是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)；②電機(jī)（包括軸上的機(jī)械負(fù)載）轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣性，是一個(gè)大的積分環(huán)節(jié)③可控整流橋環(huán)節(jié)，由晶閘管換相時(shí)的失控引起的一個(gè)滯后環(huán)節(jié)1345542雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

④轉(zhuǎn)速和電流反饋環(huán)節(jié)，可以設(shè)計(jì)反饋系數(shù)和濾波時(shí)間常數(shù)；⑤速度環(huán)和電流環(huán)輸入端的濾波環(huán)節(jié)，通過(guò)設(shè)計(jì)濾波時(shí)間常數(shù)平衡反饋信號(hào)產(chǎn)生的延滯作用1345542雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)為單位反饋系統(tǒng)；純滯后環(huán)節(jié)近似；小慣性環(huán)節(jié)的合并處理。雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

令τi=Ta大慣性環(huán)節(jié)被對(duì)消，結(jié)構(gòu)圖進(jìn)一步簡(jiǎn)化雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

近似等效

檢驗(yàn)條件

整個(gè)電流環(huán)等效為一個(gè)小時(shí)間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

將等效后的電流環(huán)替換代入雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

包含一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)可轉(zhuǎn)化為典型II型系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為PI調(diào)節(jié)器可表示為雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

PI調(diào)節(jié)器接入后系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)放大系數(shù)雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

積分系數(shù)選?。ㄒ话鉮可取5）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器比例放大系數(shù)雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

例題

某雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)采用晶閘管三相全橋式全控整流電路供電，基本數(shù)據(jù)為：直流電動(dòng)機(jī)UN=220V，IN=136A，nN=1460r/min，電樞電阻Ra=0.2Ω，允許過(guò)載倍數(shù)λ=1.5；晶閘管裝置Ts=0.