電力傳動與控制 課件全套 第1-5章 緒論-永磁電機控制系統(tǒng)

第1

章緒論

電力傳動系統(tǒng)定義及組成定義：電力傳動系統(tǒng)利用電動機將電能轉(zhuǎn)化為機械能，并能夠按照控制要求自動實現(xiàn)裝備的運行。主要由電動機、傳輸機械能的傳動機構(gòu)和控制電動機運轉(zhuǎn)的電氣控制裝置組成。電力傳動系統(tǒng)的任務(wù)是：通過控制電動機電壓、電流和頻率等輸入量，來改變裝備的轉(zhuǎn)矩、速度和位移等機械量，使各種裝備按人們期望的要求運行，以滿足生產(chǎn)工藝及其他應(yīng)用的需要。

1.1電力傳動系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域電力傳動系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，以實現(xiàn)制造強國戰(zhàn)略目標涉及的十大重點發(fā)展領(lǐng)域為例，電力傳動系統(tǒng)是其中七個領(lǐng)域（節(jié)能與新能源汽車、高檔數(shù)控機床和機器人、航空航天裝備、海洋工程裝備及高技術(shù)船舶、先進軌道交通裝備、電力裝備和農(nóng)機裝備）重大裝備的關(guān)鍵與核心。

1.1電力傳動系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域(a)新能源汽車圖1-1電力傳動系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域能源汽車主要由電力傳動系統(tǒng)、車載能源、以及車身和底盤等部分組成電力傳動系統(tǒng)作為新能源汽車的心臟，為車輛的行駛提供了全部驅(qū)動力，保證了車輛行駛過程中的動力性和平順性。

1.1電力傳動系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域(b)工業(yè)機器人圖1-1電力傳動系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)機器人通過控制關(guān)節(jié)電機可實現(xiàn)特定的動作，常用于機床上下料、焊接、噴涂、裝配等場合，降低工作人員的勞動強度，減少安全事故。工業(yè)機器人要實現(xiàn)高速、高精度的運動控制，必須依賴高效的傳動機構(gòu)和先進的控制系統(tǒng)。工業(yè)機器人正朝著高效率、高精度、智能化和信息化方向發(fā)展。

1.1電力傳動系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域(c)航空飛行器圖1-1電力傳動系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域航天裝備電力傳動控制系統(tǒng)可以將飛行中測量獲得的運動參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、推進系統(tǒng)運行參數(shù)等信息納入閉環(huán)控制，根據(jù)飛行任務(wù)，在滿足過程約束、終端約束的前提下，通過制導(dǎo)控制律在線優(yōu)化、軌跡在線規(guī)劃等手段。拓寬飛行軌跡變換范圍，能在更寬的參數(shù)散布下保證原有的指標，從而實現(xiàn)航天設(shè)備的自動平穩(wěn)飛行。

1.2電力傳動系統(tǒng)的構(gòu)成及發(fā)展電力傳動系統(tǒng)由電動機、功率放大與變換裝置、控制器、信號檢測預(yù)處理裝置及負載等構(gòu)成。

1.2.1電動機電力傳動系統(tǒng)控制對象：電動機電動機分類：根據(jù)用途用于控制系統(tǒng)的拖動電動機用于伺服系統(tǒng)的伺服電動機按工作電源分類：直流電機交流電機勵磁直流電機：他勵、并勵、串勵、復(fù)勵永磁式直流電機：利用永磁體產(chǎn)生磁場異步電機同步電機鼠籠式繞線式普通同步電機：勵磁、永磁磁阻電機等特種電機主磁極上同時裝有并勵繞組和串勵繞組

1.2.1電動機

1.2.1電動機——直流電機直流電動機具有運行效率高、起動特性優(yōu)越、調(diào)速范圍廣且平滑以及過載能力強等優(yōu)點，但需要通過使用換向器和電刷進行機械換向。缺點：電刷與換向器之間的機械摩擦以及電氣摩擦會不可避免地導(dǎo)致電刷磨損，帶來系統(tǒng)可靠性和安全性的降低、壽命減少等問題。

1.2.1電動機——異步電動機優(yōu)點：異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩由氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生,具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、運行可靠、價格低廉和維護方便等優(yōu)點，非常適合制作高速大容量電動機。缺點：由于定轉(zhuǎn)子磁場旋轉(zhuǎn)速度不同，存在轉(zhuǎn)差率，難以實現(xiàn)較大范圍內(nèi)的平滑調(diào)速，而且必須使用電容器等無功補償裝置補償從電網(wǎng)吸收滯后的無功功率。鼠籠式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單可靠、價格便宜，得到了廣泛的應(yīng)用

1.2.1電動機——異步電動機(a)鑄鋁轉(zhuǎn)子(b)鑄銅轉(zhuǎn)子(c)焊接轉(zhuǎn)子圖1-3交流異步電機的鼠籠式轉(zhuǎn)子

1.2.1電動機——永磁同步電機轉(zhuǎn)子磁場由永磁材料產(chǎn)生，可簡化結(jié)構(gòu)和降低能耗圖1-4永磁同步電機組成結(jié)構(gòu)

1.2.1電動機——永磁同步電機永磁體的排列方式靈活，永磁同步電機有著豐富多樣的結(jié)構(gòu)：圖1-5永磁同步電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)(a)表貼式(b)內(nèi)嵌式(c)內(nèi)置式(d)輪輻式

1.2.1電動機——永磁同步電機優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、效率高、過載能力大、轉(zhuǎn)動慣量小以及轉(zhuǎn)矩脈動小等一系列優(yōu)點，采用先進控制策略可以使永磁同步電機輸出轉(zhuǎn)矩隨定子電流線性變化，使其具備高精度、高動態(tài)性能、寬調(diào)速范圍等優(yōu)越的控制性能。我國是稀土大國，無論是稀土永磁材料還是稀土永磁同步電機的發(fā)展水平都達到了國際先進水平，因此永磁同步電機有著廣闊的應(yīng)用前景和市場。

1.2.2電動機——變流器變流器根據(jù)控制信號要求為被控電機提供所需的電壓和電流，現(xiàn)在多采用功率半導(dǎo)體器件構(gòu)成變流器。功率半導(dǎo)體器件經(jīng)歷了由半控型向全控型、由低頻開關(guān)向高頻開關(guān)、由分立的器件向具有復(fù)合功能的功率模塊發(fā)展的過程。

1.2.2電動機——變流器晶閘管（SCR）——第一代電力電子器件的典型代表1956年晶閘管的概念首次被提出，并在20世紀60年代進入市場。在很長的一段時間里，晶閘管器件在變流器中占據(jù)了主導(dǎo)地位。特點：晶閘管屬于半控型器件，可以用脈沖控制其開通，而一旦開通，就不能通過門極來實現(xiàn)關(guān)斷。第一代半控型功率器件的應(yīng)用推動了交直流調(diào)速系統(tǒng)的飛速發(fā)展。但半控型的器件特性限制了許多控制策略的應(yīng)用，

1.2.2電動機——變流器20世紀70年開始，全控型功率器件開始興起。代表：以功率金屬－氧化物－半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）特點：不僅可以控制導(dǎo)通，也可以控制關(guān)斷,應(yīng)用于無源逆變(DC-AC)和直流調(diào)壓(DC-DC)時,無需強迫換流回路，主回路結(jié)構(gòu)簡單

1.2.2電動機——變流器近年來，第三代寬禁帶半導(dǎo)體功率器件代表：碳化硅（SiC）和氮化鎵(GaN)材料制作的第三代寬禁帶半導(dǎo)體功率器件特點：寬禁帶半導(dǎo)體功率器件相比于傳統(tǒng)硅功率器件具有更高的工作頻率、更低導(dǎo)通電阻和更高的工作溫度

1.2.3控制器控制器的作用：實現(xiàn)系統(tǒng)所需要的控制規(guī)律，相當于是系統(tǒng)的“大腦”主要任務(wù)：將系統(tǒng)指令轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，傳輸給功率放大與變換裝置。分類模擬控制器：數(shù)字控制器：常采用運算放大器等元器件搭建而成主要包括接口部件、數(shù)字計算機兩部分

1.2.3控制器數(shù)字控制器的優(yōu)點：具有處理速度快、硬件電路標準化程度高、能夠運行多種智能控制算法且制作成本低、控制規(guī)律修改方便等優(yōu)點，此外還擁有信息存儲、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制器難以實現(xiàn)的功能。許多難以實現(xiàn)的復(fù)雜控制，如矢量控制中的坐標變換算法、滑?？刂?、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和自適應(yīng)控制等，利用微機控制器后能大幅度提高運算速度和信息處理能力。

1.2.3控制器——控制策略控制策略包括經(jīng)典控制、預(yù)測控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、滑?？刂坪妥顑?yōu)控制等控制規(guī)律。20世紀60年代，隨著電力電子器件應(yīng)用于電力傳動領(lǐng)域，電動機運行方式開始進入由電能變換裝置控制的時代。

1.2.3控制器——控制策略1、多種高性能控制理論的誕生矢量控制直接轉(zhuǎn)矩控制基本思想是應(yīng)用參數(shù)重構(gòu)和狀態(tài)重構(gòu)的概念實現(xiàn)交流電機定子勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量之間的解耦控制，使得交流傳動系統(tǒng)的控制效果有了顯著的改善，開創(chuàng)了交流傳動控制的新紀元直接轉(zhuǎn)矩控制直接對交流電機的轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈進行控制，可以獲得更大的瞬時轉(zhuǎn)矩和快速的動態(tài)響應(yīng)

1.2.3控制器——控制策略2、控制器的多元化無傳感器控制基本方法是實時檢測定子電壓和電流，再依照電機模型和一定的算法對轉(zhuǎn)速或位置進行估算，并反饋估算值，但無傳感器控制受電機參數(shù)影響較大，如何提高估算精度，是無傳感器控制的關(guān)鍵問題故障診斷控制、降低系統(tǒng)功耗控制、狀態(tài)監(jiān)測和容錯控制等也是研究方向電力傳動控制系統(tǒng)中集成多種控制策略，如：

1.2.4信號檢測與處理必要性：電力傳動系統(tǒng)中常需要電壓、電流、轉(zhuǎn)速和位置的反饋信號，為了真實可靠地得到這些信號，并實現(xiàn)功率電路（強電）和控制器（弱電）之間的電氣隔離，需要相應(yīng)的傳感器。電壓、電流傳感器的輸出信號多為連續(xù)的模擬量，而轉(zhuǎn)速和位置傳感器的輸出信號因傳感器的類型而異，可以是連續(xù)的模擬量，也可以是離散的數(shù)字量。

1.2.4信號檢測與處理常見的傳感器有：(a)光電編碼器(b)旋轉(zhuǎn)變壓器(c)電流傳感器

1.2.5負載電力傳動系統(tǒng)中一般包含三種負載特性：分別是恒轉(zhuǎn)矩負載、通風機負載和恒功率負載恒轉(zhuǎn)矩負載的轉(zhuǎn)矩特性：指負載轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n無關(guān)，即當轉(zhuǎn)速n變化時，負載轉(zhuǎn)矩TL保持常值不變（|TL|為常數(shù)）分為兩類：位能性恒轉(zhuǎn)矩負載反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載位能性恒轉(zhuǎn)矩負載反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載

1.2.5負載恒功率負載的轉(zhuǎn)矩特性恒功率負載通風機負載特點：指負載的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的乘積為常數(shù)通風機負載的轉(zhuǎn)矩特性：通風機、水泵、油泵和螺旋槳等特點：其轉(zhuǎn)矩的大小與轉(zhuǎn)速的平方成正比

1.3.1電力傳動系統(tǒng)的特點電力傳動系統(tǒng)是由軟硬件閉環(huán)構(gòu)成，具有反饋控制系統(tǒng)的特點。系統(tǒng)的輸出能夠跟隨給定，同時能抑制控制器、功率放大與變換裝置、電動機上的擾動，但是，當傳感器與信號處理環(huán)節(jié)出現(xiàn)誤差時，系統(tǒng)難以克服。電力傳動系統(tǒng)的任務(wù)是控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角

1.3.2運動方程基本運動方程為：J為機械轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）；ωm為轉(zhuǎn)子的機械角速度（rad/s）；θm為轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)角（rad）；Te為電磁轉(zhuǎn)矩（N·m）；TL為負載轉(zhuǎn)矩（N·m）；D為阻尼轉(zhuǎn)矩阻尼系數(shù)；Ｋ為扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩系數(shù)。當J為常數(shù)時

1.3.2運動方程忽略阻尼轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩：若采用工程單位制GD2—轉(zhuǎn)動慣量，習慣稱飛輪力矩（單位為N·m2），GD2=4gJ；n—轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速（單位為r/min），。要控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，唯一的途徑就是控制電動機的轉(zhuǎn)矩Te，使轉(zhuǎn)速變化率按人們期望的規(guī)律變化。因此，轉(zhuǎn)矩控制是運動控制的根本問題。

1.3.2運動方程但在實際應(yīng)用時，還得充分利用電機鐵心，以實現(xiàn)在一定的電流作用下盡可能地產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩，以加快系統(tǒng)的過渡過程，必須在控制轉(zhuǎn)矩的同時也控制磁通（或磁鏈）磁鏈控制與轉(zhuǎn)矩控制同樣重要第2

章直流電動機控制系統(tǒng)

引言隨著電力電子器件在電力傳動系統(tǒng)中獲得應(yīng)用，高性能交流電機拖動控制技術(shù)得到了飛速發(fā)展，使其逐步取代直流電機拖動控制，成為市場主流。但是許多高性能的交流電機拖動控制技術(shù)都是在直流電機拖動控制理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，而且在一些小容量的拖動系統(tǒng)中仍運用著直流電機拖動。因此，有必要對直流拖動控制系統(tǒng)的基本理論與控制方法進行研究與分析。首選2.1.1可控直流電源發(fā)展概況根據(jù)直流電機機械特性方程可得調(diào)節(jié)直流電機的轉(zhuǎn)速有三種方法：1）調(diào)節(jié)直流電機電樞兩端的輸入電壓Ud；2）調(diào)節(jié)（減弱）勵磁磁通Φ；3）改變電樞回路總電阻R；2.1.1可控直流電源發(fā)展概況可控直流電源的定義：要實現(xiàn)直流電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，關(guān)鍵是需有個實時可調(diào)、可控的電樞電壓源，將該電源稱為可控直流電源?？煽刂绷麟娫垂╇娫砜驁D：圖2-1他勵直流電機供電原理框圖2.1.1可控直流電源發(fā)展概況可控直流電源的發(fā)展經(jīng)歷了三個主要階段：第一階段：在20世紀中期之前，主要采用旋轉(zhuǎn)變流機組作為可控直流電源，該旋轉(zhuǎn)變流機組由一臺交流電動機驅(qū)動一臺直流發(fā)電機構(gòu)成，通過改變直流發(fā)電機的勵磁電流來控制其輸出電壓。該方案效率低、成本高、噪聲大且占地面積大，已經(jīng)退出歷史舞臺。2.1.1可控直流電源發(fā)展概況第二階段：從20世紀60年代開始，半控型器件晶閘管被用于直流電源控制，構(gòu)成晶閘管相控整流器，使得可控直流電源產(chǎn)生了重大的變革。特點：該相控整流器通過改變晶閘管的觸發(fā)延遲角α來控制輸出直流電壓的大小。相較于旋轉(zhuǎn)變流機組，該方案雖然具有效率高、噪聲小等優(yōu)點，但其功率因數(shù)低、輕載時容易發(fā)生電流斷續(xù)、負載諧波電流大，特別是電動機容量較大時，會成為不可忽視的“電力公害”，需要對其進行無功補償和諧波治理。2.1.1可控直流電源發(fā)展概況第三階段：20世紀70年代中后期，全控型器件得到迅速的發(fā)展，將其應(yīng)用于直流電源的控制，構(gòu)成了直流脈寬調(diào)制（PulseWidthModulation,PWM）變換器，簡稱PWM變換器或直流斬波器2.1.1可控直流電源發(fā)展概況PWM變換器的優(yōu)點：主電路簡單，需要較少的電力電子器件；開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗和發(fā)熱都比較?。坏退傩阅芎?，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬；系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強；電力電子開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)時，導(dǎo)通損耗小，使得該變換器效率較高；2.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型直流PWM變換器工作原理為：用脈沖寬度調(diào)制的方法，將恒定的直流電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可調(diào)的脈沖電壓序列，從而改變平均輸出電壓的大小。

2.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型直流PWM變換器工作原理圖2-2直流PWM變換器－電動機系統(tǒng)電路原理圖VT代表接在直流電源Us和電機之間的全控型電力電子器件。在VT導(dǎo)通的ton時間，Ud=Us在VT關(guān)斷的toff時間，Ud=0其中：ton+toff=T，T稱為直流PWM電路的工作周期定義：占空比ρ2.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型1.簡單不可逆直流PWM變換器圖2-3a簡單不可逆直流ＰＷＭ變換器主電路原理圖濾波電容續(xù)流二極管恒定的直流電源也稱為直流降壓斬波器2.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型1.簡單不可逆直流PWM變換器(b)PWM脈沖寬度調(diào)節(jié)原理圖VT的門極由脈寬可調(diào)的脈沖電壓Ug驅(qū)動，而Ug的脈沖寬度由控制電壓Uc進行調(diào)節(jié)當控制電壓Uc大于載波信號Usg時，門極輸入脈沖電壓Ug為正當控制電壓Uc小于調(diào)制信號Usg時，Ug為小于零的負向脈沖信號調(diào)節(jié)控制信號Uc的大小，即可改變Ug的脈沖寬度，從而改變VT管的導(dǎo)通和關(guān)斷的時間2.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型1.簡單不可逆直流PWM變換器Ug為正VT管飽和導(dǎo)通Ud=Us電樞電流增大在0≤t<ton時在ton≤t<T時Ug為負VT管關(guān)斷Ud=0通過續(xù)流二極管VD續(xù)流，電樞電流減小2.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型1.簡單不可逆直流PWM變換器直流電機電樞兩端的平均電壓為其中控制電壓與占空比的關(guān)系為UTM為載波電壓的最大值2.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型1.簡單不可逆直流PWM變換器電機電樞電壓也可用控制電壓表示為其中總結(jié)：改變控制電壓Uc的大小即可改變占空比ρ，從而改變直流電機電樞兩端的平均電壓，達到電機調(diào)壓調(diào)速的目的若令γ為PWM電壓系數(shù)在簡單不可逆直流PWM變換器中有2.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型1.簡單不可逆直流PWM變換器若令γ為PWM電壓系數(shù)在簡單不可逆直流PWM變換器中有：(c)電壓和電流波形圖由于電機電磁慣性的存在，電樞電流為脈動波形2.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型1.簡單不可逆直流PWM變換器注意：由于PWM變換器開關(guān)頻率高，可到15kHz及以上，因此電流脈動幅值不大，電流斷續(xù)的范圍很小，一般認為采用PWM變換器時電流連續(xù)，同時影響到轉(zhuǎn)速和反電動勢的脈動就更小了，一般可以忽略不計。2.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型2.有制動電流通路的不可逆直流PWM變換器提出原因：簡單不可逆直流PWM變換器控制系統(tǒng)中沒有反向電流通路，導(dǎo)致電樞電流無法反向，不能產(chǎn)生制動電磁轉(zhuǎn)矩使電機制動。若要實現(xiàn)電機制動，必須為反向電流提供通路

2.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型2.有制動電流通路的不可逆直流PWM變換器圖2-4(a)帶制動電流通路的不可逆直流PWM變換器控制系統(tǒng)主電路原理圖圖中VT2和VD1分別為反向電樞電流提供通路，因此稱VT1為主管、VT2為輔助管VT1和VT2驅(qū)動電壓大小相等且極性相反，即Ug1=－Ug22.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型2.有制動電流通路的不可逆直流PWM變換器（a）一般電動狀態(tài)設(shè)ton為VT1導(dǎo)通時間Ug1為正，

Ug2為負在0≤t<ton時VT1導(dǎo)通、VT2關(guān)斷電樞電流id沿著回路1流通，電流增大

在ton≤t<T時Ug1為負，Ug2為正VT1關(guān)斷、VT2關(guān)斷原因：id沿著回路2（虛線2）經(jīng)二極管VD2續(xù)流，在VD2兩端產(chǎn)生的電壓降給VT2施加反向電壓，使VT2失去導(dǎo)通的可能2.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型2.有制動電流通路的不可逆直流PWM變換器（a）一般電動狀態(tài)一般電動狀態(tài)時電壓、電流波形在電動狀態(tài)時是由VT1和VD2交替導(dǎo)通，其電壓、電流波形與簡單不可逆電路輸出波形一致輸出電壓平均值的計算公式也一致，為2.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型2.有制動電流通路的不可逆直流PWM變換器（b）制動狀態(tài)提出原因：若直流電機需要快速減速，電機需產(chǎn)生反向電磁轉(zhuǎn)矩，則電樞電流id需為負值，此時電機為制動狀態(tài)關(guān)鍵問題是：如何將電樞電流反向？2.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型2.有制動電流通路的不可逆直流PWM變換器（b）制動狀態(tài)解決關(guān)鍵問題：在電動狀態(tài)下，減小直流PWM變換器控制電壓Uc，使得Ug1正脈沖變窄，負脈沖變寬，電機兩端的平均電壓迅速降低。由于機電慣性的存在，轉(zhuǎn)速和反電勢還來不及變化，因而導(dǎo)致Ea

>Ud，電樞電流反向，VD2截止，電機進入制動狀態(tài)。

制動狀態(tài)時電壓、電流波形2.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型2.有制動電流通路的不可逆直流PWM變換器（b）制動狀態(tài)以一個周期為例說明其原理：Ug2為正，在ton≤t<T時VT2導(dǎo)通電樞反向電流經(jīng)VT2沿著回路3（虛線3）流通電機處于能耗制動在T≤t<T+ton時Ug2為負，VT2關(guān)斷電樞電流沿著回路4（虛線4）經(jīng)VD1續(xù)流，向電源回饋能量此時Ug1雖然為正，但是VT1仍時關(guān)斷2.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型2.有制動電流通路的不可逆直流PWM變換器（c）輕載狀態(tài)（特殊情況）此時電樞電流平均值較小，以致于在VT1關(guān)斷后id經(jīng)過VD2續(xù)流，還沒有到達周期T時，電流已經(jīng)衰減至零，VT2提前導(dǎo)通，使得電樞電流經(jīng)回路3反向流通，產(chǎn)生局部時間的制動。2.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型2.有制動電流通路的不可逆直流PWM變換器（c）輕載狀態(tài)（特殊情況）輕載狀態(tài)時電流波形在輕載時，一個周期分為四個階段電流會在正負方向之間脈動2.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型2.有制動電流通路的不可逆直流PWM變換器說明：前述的直流電機輸入正向電壓，其平均電壓幅值為正，電機正向旋轉(zhuǎn)。若使直流電機反向轉(zhuǎn)動，需要通入反向電壓，同樣也存在三種狀態(tài)，即一般電動狀態(tài)、制動狀態(tài)和輕載狀態(tài)，原理與電機正轉(zhuǎn)時相同。2.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型2.有制動電流通路的不可逆直流PWM變換器圖2-5(a)主電路原理圖電機反轉(zhuǎn)時帶制動電流通路的直流PWM變換器控制系統(tǒng)（b）一般電動狀態(tài)時電壓、電流波形2.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型2.有制動電流通路的不可逆直流PWM變換器（c）制動狀態(tài)時電壓、電流波形電機反轉(zhuǎn)時帶制動電流通路的直流PWM變換器控制系統(tǒng)（d）輕載狀態(tài)時電流波形2.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型3.可逆直流PWM變換器可逆PWM變換器主電路有多種類型，將前述的兩種單極式控制PWM結(jié)合起來，就得到一種最常用的橋式（H型）電路，實現(xiàn)電機四象限運行。該電路可以實現(xiàn)單極式、雙極式兩種PWM控制方式圖2-6橋式可逆直流PWM變換器控制主電路原理圖2.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型3.可逆直流PWM變換器單極式PWM控制在上述電路圖中，當VT3保持導(dǎo)通、VT4保持關(guān)斷時，對VT1和VT2進行PWM控制，即為圖2-4（a），電機工作在第Ⅰ、Ⅱ象限

當VT4保持導(dǎo)通、VT3保持關(guān)斷時，對VT1和VT2進行PWM控制，即為圖2-5（a），電機工作在第Ⅲ、Ⅳ象限。

2.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型3.可逆直流PWM變換器雙極式PWM控制四個功率開關(guān)器件的驅(qū)動電壓關(guān)系為：Ug1=Ug4=－Ug2=－Ug3（以一個開關(guān)周期為例進行說明）

VT1、VT4導(dǎo)通在0≤t<ton時電樞電流id沿著回路1流通電機兩端電壓UAB=Us在ton≤t<T時驅(qū)動電壓反向，電樞電流沿回路2續(xù)流UAB=－Us電機電樞兩端電壓UAB在一個周期內(nèi)具有正負相間的脈沖波形，這種雙向取值的控制方式稱為雙極式調(diào)制方式2.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型3.可逆直流PWM變換器雙極式H型PWM變換器驅(qū)動電壓、輸出電壓和電流波形驅(qū)動電壓波形圖輸出電壓和電流波形調(diào)節(jié)控制電壓Uc即可調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓脈沖寬度2.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型3.可逆直流PWM變換器電機電樞電壓的平均值則體現(xiàn)在驅(qū)動電壓的正、負脈沖的寬窄上，當增大Uc時，正脈沖變寬、負脈沖變窄。電機電樞平均端電壓可表示為：控制電壓Uc與占空比ρ的關(guān)系為2.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型3.可逆直流PWM變換器與不可逆PWM變換器相同，可逆電路中電機電樞電壓也可以控制電壓表示則占空比ρ和PWM的電壓系數(shù)γ的關(guān)系為調(diào)速時，ρ的可調(diào)范圍為0-1，則電壓系數(shù)γ的變化范圍為－1-12.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型3.可逆直流PWM變換器占空比ρ、電壓系數(shù)γ與電機狀態(tài)的關(guān)系當ρ>1/2時，γ為正，電機正轉(zhuǎn)當ρ<1/2時，γ為負，電機反轉(zhuǎn)當ρ=1/2時，γ為零，電機停止說明：當ρ=1/2時，雖然電機不動，但電樞兩端的瞬時電壓不為零，為正負脈寬相等的交變脈沖電壓，其平均值為零。電樞電流也是交變的，其平均值也為零，不產(chǎn)生平均電磁轉(zhuǎn)矩，但增大了電機的損耗，這是雙極式控制的缺點。優(yōu)點是消除正反向時的靜摩擦死區(qū)，起著“動力潤滑”的作用2.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型3.可逆直流PWM變換器在該控制電路中，負載的大小使得電流波形存在兩種情況，如圖中id1和id2輸出電壓和電流波形id1相當于電機負載較重的情況，這時平均電流大，電樞電感儲能較多，在續(xù)流階段仍維持正方向id2相當于負載很輕的情況，平均電流小，電樞電感儲能少，在續(xù)流階段電流很快衰減到零，電流在正負之間波動2.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型3.可逆直流PWM變換器歸納雙極式控制的橋式可逆PWM變換器工作的優(yōu)點有：（1）電動機能四象限運行（2）電流一定連續(xù)（3）電動機停止時有微振電流，能消除摩擦死區(qū)（4）低速平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍寬（5）低速時，每個功率開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通2.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型3.可逆直流PWM變換器歸納雙極式控制的橋式可逆PWM變換器工作的缺點有：4個功率開關(guān)器件在工作過程中都可能處于工作狀態(tài)，開關(guān)損耗大，在切換時容易發(fā)生上下橋臂直通的事故，降低了裝置的可靠性為了防止上下橋臂直通，在一個器件關(guān)斷和另一個器件導(dǎo)通的驅(qū)動脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時2.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型4.直流PWM控制器和變換器的動態(tài)數(shù)學模型圖2-8PWM控制器與變換器控制結(jié)構(gòu)框圖PWM控制器與變換器（簡稱PWM裝置）可以看成是一個滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為：Ks—PWM裝置的放大系數(shù)；Ts—PWM裝置的延遲時間，Ts

T2.1.2直流PWM變換器及其動態(tài)數(shù)學模型4.直流PWM控制器和變換器的動態(tài)數(shù)學模型在分析系統(tǒng)時常按最大延時考慮，即Ts=T將直流PWM控制器和變換器的傳遞函數(shù)按泰勒級數(shù)展開，可得：由于PWM開關(guān)頻率較高，Ts很小，可忽略高次項，把PWM裝置近似看成一個一階慣性環(huán)節(jié)近似的傳遞函數(shù)2.1.3開環(huán)直流PWM變換器—電機系統(tǒng)的機械特性對于帶制動的不可逆PWM變換器和單極式可逆PWM變換器，其電壓方程為：對于雙極式可逆PWM變換器的電壓方程為：式中，R、L分別為電樞回路的電阻和電感2.1.3開環(huán)直流PWM變換器—電機系統(tǒng)的機械特性穩(wěn)態(tài)時不可逆和可逆PWM變換器的電壓方程均為：則開環(huán)PWM-M系統(tǒng)機械特性方程式為或用轉(zhuǎn)矩表示為n0為理想空載轉(zhuǎn)速2.1.3開環(huán)直流PWM變換器—電機系統(tǒng)的機械特性對于帶制動可逆直流PWM—M系統(tǒng)，調(diào)節(jié)γ可得轉(zhuǎn)速開環(huán)下四象限運行的機械特性圖2-9開環(huán)直流PWM—M系統(tǒng)四象限機械特性2.2穩(wěn)態(tài)性能指標和開環(huán)系統(tǒng)的局限性2.2.1穩(wěn)態(tài)性能指標穩(wěn)態(tài)性能指標，或稱靜態(tài)性能指標，用來描述系統(tǒng)穩(wěn)定運行時能達到的性能指標常見的穩(wěn)態(tài)性能指標有兩個：調(diào)速范圍和靜差率（1）調(diào)速范圍調(diào)速范圍也稱調(diào)速深度，是指生產(chǎn)機械要求電機提供的同向最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin的比值，用D表示nmax、nmin分別為電機在額定負載穩(wěn)定運行時最高和最低轉(zhuǎn)速2.2穩(wěn)態(tài)性能指標和開環(huán)系統(tǒng)的局限性2.2.1穩(wěn)態(tài)性能指標（2）靜差率額定負載下的額定轉(zhuǎn)速相對于其理想空載轉(zhuǎn)速n0的差值與理想空載轉(zhuǎn)速的比值稱為轉(zhuǎn)差率，在靜態(tài)時即為靜態(tài)轉(zhuǎn)差率，簡稱靜差率，用s表示，即或用百分數(shù)表示靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度2.2穩(wěn)態(tài)性能指標和開環(huán)系統(tǒng)的局限性2.2.1穩(wěn)態(tài)性能指標（2）靜差率——靜差率與機械特性硬度的關(guān)系機械特性下傾斜率越大，特性硬度越軟，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越小但反之就不成立，如圖2-11，機械特性硬度相同，它們的靜差率卻不同圖2-11不同轉(zhuǎn)速下的靜差率原因是：兩者理想空載轉(zhuǎn)速不同對于同樣硬度的機械特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度也就越差2.2穩(wěn)態(tài)性能指標和開環(huán)系統(tǒng)的局限性2.2.1穩(wěn)態(tài)性能指標（2）靜差率調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標，主要是指低速時的靜差率需注意的是，調(diào)速范圍和靜差率這兩個指標并不是彼此孤立的，調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍是指在最低速時還能滿足靜差率要求的轉(zhuǎn)速變化范圍2.2穩(wěn)態(tài)性能指標和開環(huán)系統(tǒng)的局限性2.2.1穩(wěn)態(tài)性能指標（3）調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系額定負載時的最低轉(zhuǎn)速為代入靜差率公式可得：代入調(diào)速范圍公式可得：對于同一個調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)，其機械特性硬度或者額定速降相同，如果對靜差率要求越嚴（s越?。?，系統(tǒng)允許的調(diào)速范圍D也越小例2-1某直流電機調(diào)速系統(tǒng)的額定轉(zhuǎn)速nN=1000r/min，采用調(diào)壓調(diào)速，其額定速降ΔnN=84r/min，當要求：（1）靜差率s≦30%，試計算此系統(tǒng)的調(diào)速范圍D。（2）若要求調(diào)速范圍D達到10，試計算此時的靜差率s。2.2穩(wěn)態(tài)性能指標和開環(huán)系統(tǒng)的局限性解：（1）若要求靜差率s≦30%則調(diào)速范圍為（2）若要求調(diào)速范圍D達到10，則靜差率為2.2穩(wěn)態(tài)性能指標和開環(huán)系統(tǒng)的局限性2.2.2開環(huán)系統(tǒng)的局限性一些對運行時的靜差率要求較高時，開環(huán)控制系統(tǒng)就無法實現(xiàn)滿足調(diào)速要求，舉例說明：例2-2某龍門刨床工作臺采用可逆PWM變換器供電的直流電機拖動，其額定數(shù)據(jù)如下：PN=60kW，UN=220V，IN=305A，nN=1000r/min，Ra=0.06Ω，主電路總電阻R=0.18Ω。如果要求調(diào)速范圍D=20，靜差率s≦5%，采用開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是否能滿足要求？若要滿足這個要求，系統(tǒng)的額定速降最多為多少？2.2穩(wěn)態(tài)性能指標和開環(huán)系統(tǒng)的局限性解：根據(jù)直流電機機械特性方程，在額定電壓時開環(huán)PWM—M系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)速時的靜差率為求解可知，在額定轉(zhuǎn)速時靜差率已經(jīng)不能滿足s≦5%，更不要說在最低速時了，所以開環(huán)PWM—M調(diào)速系統(tǒng)不能滿足調(diào)速范圍D=20，s≦5%的要求2.2穩(wěn)態(tài)性能指標和開環(huán)系統(tǒng)的局限性如果要滿足調(diào)速范圍D=20，s≦5%的要求，根據(jù)靜差率與調(diào)速范圍的關(guān)系可得：分析：既要提高調(diào)速范圍，又要降低靜差率，唯一的方法是減小負載所引起的轉(zhuǎn)速降落ΔnN，而額定負載下的轉(zhuǎn)速降落由直流電機的參數(shù)決定的，無法改變！

如何解決這一矛盾呢？2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)根據(jù)反饋控制原理可知，要維持某一物理量基本不變，就引入該物理量的負反饋。

在上一節(jié)分析中可知，解決矛盾的關(guān)鍵是減小額定速降ΔnN即可引入被控量為轉(zhuǎn)速的負反饋，構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)

2.3.1轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖與靜特性圖2-12帶轉(zhuǎn)速負反饋的直流電機閉環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)

2.3.1轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖與靜特性圖2-12中主要環(huán)節(jié)及其穩(wěn)態(tài)關(guān)系可總結(jié)如下：1）電壓比較環(huán)節(jié)2）比例調(diào)節(jié)器3）PWM控制與變換器4）直流電機機械特性方程5）測速反饋環(huán)節(jié)2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)

2.3.1轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖與靜特性根據(jù)各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系式可以畫出轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖2-13轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性方程式為2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)

2.3.1轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖與靜特性閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性方程式為K為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時電機轉(zhuǎn)速與負載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，它在形式上與開環(huán)機械特性相似，但是本質(zhì)上卻有很大的不同，故稱為“靜特性”，以示區(qū)別。2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)

2.3.2閉環(huán)系統(tǒng)靜特性與開環(huán)系統(tǒng)機械特性的比較靜特性方程：開環(huán)系統(tǒng)的機械特性方程為（令

=0，則K=0）：2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)

2.3.2閉環(huán)系統(tǒng)靜特性與開環(huán)系統(tǒng)機械特性的比較比較靜特性方程和機械特性方程可得以下結(jié)論：（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜特性比開環(huán)系統(tǒng)的機械特性硬得多。兩者關(guān)系為：當K值較大時，

Δncl要比

Δnop小得多。2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)

2.3.2閉環(huán)系統(tǒng)靜特性與開環(huán)系統(tǒng)機械特性的比較比較靜特性方程和機械特性方程可得以下結(jié)論：（2）閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要比開環(huán)系統(tǒng)的靜差率小得多。兩者關(guān)系為：閉環(huán)系統(tǒng)的和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)

2.3.2閉環(huán)系統(tǒng)靜特性與開環(huán)系統(tǒng)機械特性的比較比較靜特性方程和機械特性方程可得以下結(jié)論：（3）當所要求的靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍可大大提高。兩者關(guān)系為：式中2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)

2.3.2閉環(huán)系統(tǒng)靜特性與開環(huán)系統(tǒng)機械特性的比較（4）閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。從表達式可以看出，要增大K值，首選增大Kp值，因此必須設(shè)置足夠大的放大器。三條優(yōu)越性都是建立在K值較大的基礎(chǔ)上的分析：系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)為2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)

2.3.2閉環(huán)系統(tǒng)靜特性與開環(huán)系統(tǒng)機械特性的比較思考：根據(jù)機械特性方程，穩(wěn)態(tài)時電動機的轉(zhuǎn)速降落由Ce、電樞回路總電阻R和負載決定的，在負載相同的情況下，開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)中Ce和總電阻R都沒有變化，那閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落為什么會顯著減小呢？2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)

2.3.2閉環(huán)系統(tǒng)靜特性與開環(huán)系統(tǒng)機械特性的比較圖2-14閉環(huán)系統(tǒng)靜特性與開環(huán)系統(tǒng)機械特性的關(guān)系在開環(huán)系統(tǒng)中，若此時電動機輸入電壓為Ud01，負載增大時，負載電流將增大，如圖中A點變化到A’點閉環(huán)控制系統(tǒng)中，負載增大時，轉(zhuǎn)速稍有降低，反饋電壓Un就減小，控制電壓Uc增大，Ud01提高到了Ud02，轉(zhuǎn)速回升到B點2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)能夠降低轉(zhuǎn)速降落的實質(zhì)在閉環(huán)系統(tǒng)中，隨著系統(tǒng)負載的變化，閉環(huán)系統(tǒng)總是這樣不斷地自動調(diào)節(jié)電動機輸入的電樞電壓，使電機工作在不同的開環(huán)機械特性上。2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)例2-3在例題2-2中，龍門刨床要求調(diào)速范圍D=20，靜差率s≦5%，此時采用比例調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中Ks=20，α=0.02V˙min/r，若要滿足上述要求，比例放大器的放大系數(shù)至少為多少？解：在例題2-2中已經(jīng)計算出如下數(shù)據(jù)：開環(huán)系統(tǒng)的額定速降為為了滿足穩(wěn)態(tài)性能指標，閉環(huán)系統(tǒng)的額定速降2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)解：根據(jù)式（2-32）得代入已知參數(shù)，可得即只要放大器的放大系數(shù)大于或者等于52，轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)系統(tǒng)就能滿足上述的穩(wěn)態(tài)性能指標。2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)

2.3.3閉環(huán)系統(tǒng)反饋控制規(guī)律（1）被調(diào)量有靜差根據(jù)靜特性方程可得閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為只有當K=∞時才能使得

Δncl=0,即實現(xiàn)無靜差，但實際上K不可能為無窮大2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)

2.3.3閉環(huán)系統(tǒng)反饋控制規(guī)律（2）抵抗擾動，服從給定根據(jù)自動控制原理可知，反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾作用，它能有效抑制一切被負反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動，但對給定的變化唯命是從。2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)

2.3.3閉環(huán)系統(tǒng)反饋控制規(guī)律（2）抵抗擾動，服從給定圖2-15轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)中給定和擾動作用2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)

2.3.3閉環(huán)系統(tǒng)反饋控制規(guī)律（3）系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精度由于反饋控制系統(tǒng)無法鑒別給定電壓的波動，所以高精度的閉環(huán)控制系統(tǒng)需要高精度的給定電源。另外，反饋檢測裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無法抑制的。高精度的系統(tǒng)必須具有高精度的給定和反饋檢測裝置作保障2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)2.3.4常見的轉(zhuǎn)速檢測反饋裝置（1）模擬檢測技術(shù)—測速發(fā)電機測速發(fā)電機是用于測量和自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的一種傳感器，其由帶繞組的定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。根據(jù)勵磁電流的不同，測速發(fā)電機可分為直流測速發(fā)電機（他勵式和永磁式兩種）、交流測速發(fā)電機兩大類。測速發(fā)電機的作用是將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栠@種測速方法簡單可靠，常在模擬系統(tǒng)中采用2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)2.3.4常見的轉(zhuǎn)速檢測反饋裝置（1）模擬檢測技術(shù)—測速發(fā)電機從圖中可以看出，輸入輸出特性的中間部分線性較好，但低速端和高速端的輸出偏離理想特性。圖2-15直流測速發(fā)電機的輸入輸出特性因此使用測速發(fā)電機時，應(yīng)注意：（1）使用中不要超過最高轉(zhuǎn)速限制，不要進入高速端非線性區(qū)；（2）負載電阻不要小于規(guī)定最小阻值，也就是限制不超過最大負載；（3）電壓輸出端設(shè)置低通濾波器，濾除紋波。2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)2.3.4常見的轉(zhuǎn)速檢測反饋裝置（2）數(shù)字檢測技術(shù)—光電旋轉(zhuǎn)編碼器光電式旋轉(zhuǎn)編碼器一般可以分為三大類：增量式、絕對型和頻閃型增量式旋轉(zhuǎn)編碼器為輸出信號頻率與轉(zhuǎn)速成正比的脈沖傳感器，特點是只在旋轉(zhuǎn)期間才能輸出信號，在靜止狀態(tài)無信號輸出2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)2.3.4常見的轉(zhuǎn)速檢測反饋裝置（2）數(shù)字檢測技術(shù)—光電旋轉(zhuǎn)編碼器增量式旋轉(zhuǎn)編碼器組成：（1）電動機同軸相連的碼盤、（2）碼盤一側(cè)的光源、（3）另一側(cè)的光電轉(zhuǎn)換元件（光敏器件）構(gòu)成圖2-17增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器示意圖2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)2.3.4常見的轉(zhuǎn)速檢測反饋裝置（2）數(shù)字檢測技術(shù)—光電旋轉(zhuǎn)編碼器利用旋轉(zhuǎn)式光電編碼器輸出的脈沖可以實時計算轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速計算方法有：M法、T法和M/T法2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)2.3.5帶比例調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析（1）轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型比例放大器和測速反饋環(huán)節(jié)的數(shù)學模型比例放大器測速反饋環(huán)節(jié)不考慮放大器和測速反饋環(huán)節(jié)的濾波電路，它們的響應(yīng)都可以認為是瞬時的，傳遞函數(shù)即為其放大系數(shù)2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)2.3.5帶比例調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析（1）轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型PWM控制與變換器的動態(tài)數(shù)學模型直流電機的動態(tài)數(shù)學模型根據(jù)電樞回路的動態(tài)電壓方程電機軸上的動力學方程2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)2.3.5帶比例調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析（1）轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型直流電機的動態(tài)數(shù)學模型又已知額定勵磁下感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩方程分別為定義幾個時間常數(shù)：Tl為電機電樞回路的電磁時間常數(shù)（s）Tm為電力傳動系統(tǒng)的機電時間常數(shù)（s）2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)2.3.5帶比例調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析（1）轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型直流電機的動態(tài)數(shù)學模型整理后得到在零初始條件下，對上面兩式兩側(cè)進行拉普拉斯變換可得2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)2.3.5帶比例調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析（1）轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型直流電機的動態(tài)數(shù)學模型兩式的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖為：直流電機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)2.3.5帶比例調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析（1）轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型直流電機的動態(tài)數(shù)學模型簡化后的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖為：直流電機化簡后的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)2.3.5帶比例調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析（1）轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型直轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流電機控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)2.3.5帶比例調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析該閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為忽略負載擾動，求閉環(huán)控制下輸出對給定輸入下的傳遞函數(shù)2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)2.3.5帶比例調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析由上式可得帶比例調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的特征方程為得到系統(tǒng)穩(wěn)定條件為Kcr為臨界放大系數(shù)當K≥Kcr時，閉環(huán)控制系統(tǒng)將不穩(wěn)定這與前面小節(jié)中提到K越大，穩(wěn)態(tài)性能指標越好相矛盾。對于自動控制系統(tǒng)而言，穩(wěn)定性是正常運行的首要條件，必須保證。

2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)例2-4

在例題2-3中，若系統(tǒng)中開關(guān)頻率為500Hz，電樞回路總電阻R=0.18Ω，電感L=2mH，運動部分的飛輪慣量GD2=55Nm2，試判別系統(tǒng)的穩(wěn)定性。解：首先計算系統(tǒng)中各時間常數(shù)：電磁時間常數(shù)機電時間常數(shù)PWM裝置滯后時間常數(shù)2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)則可求此時的臨界放大系數(shù)按動態(tài)穩(wěn)定性要求可知，當系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)K<39.773時，系統(tǒng)才能穩(wěn)定，但是按照例2-3中的穩(wěn)態(tài)性能指標要求，K≥102.34兩者相矛盾。因此，該系統(tǒng)實際上是不穩(wěn)定的，無法正常運行，則例2-3中的計算也就沒有實際的工程意義。2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)2.3.6無靜差轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)（1）積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律(a)積分調(diào)節(jié)器電路圖根據(jù)右圖，可得輸入和輸出的關(guān)系為其傳遞函數(shù)為

為積分時間常數(shù)，

=R0C2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)2.3.6無靜差轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)（1）積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律(b)階躍輸入下的輸出特性(c)一般輸入下的輸出特性2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)2.3.6無靜差轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)總結(jié)如下：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)器的輸出包含了輸入偏差量的全部歷史。雖然積分調(diào)節(jié)器到穩(wěn)態(tài)時

Un=0，但只要在整個積分過程中有過

Un≠0，其積分輸出就有一定的數(shù)值，產(chǎn)生所需的控制電壓Uc，這就是積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的根本區(qū)別。由此可知，積分控制可以使轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)在無靜差的條件下保持恒速運行，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。積分調(diào)節(jié)器輸出響應(yīng)慢，快速性能不及比例調(diào)節(jié)器2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)2.3.6無靜差轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)（2）比例積分調(diào)節(jié)器及其控制規(guī)律(a)PI調(diào)節(jié)器電路圖PI調(diào)節(jié)器輸入和輸出的關(guān)系為其傳遞函數(shù)為Kp為PI調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)，Kp=R1/R0

為PI調(diào)節(jié)器積分時間常數(shù)，

=R0C12.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)2.3.6無靜差轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)（2）比例積分調(diào)節(jié)器及其控制規(guī)律令

1=Kp

，則PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)也可寫成如下形式上式表明，PI調(diào)節(jié)器也可用積分和比例微分兩個環(huán)節(jié)表示，其中

1為微分項的超前時間常數(shù)。2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)2.3.6無靜差轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)（2）比例積分調(diào)節(jié)器及其控制規(guī)律階躍輸入下的輸出特性當t=0時，突加輸入Uin，由于比例部分作用，此時輸出能迅速反應(yīng)為Uex(t)=KPIUin，實現(xiàn)快速響應(yīng)。隨后Uex(t)按積分規(guī)律增長最終消除誤差2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)2.3.6無靜差轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)（2）比例積分調(diào)節(jié)器及其控制規(guī)律總結(jié)：比例積分控制器綜合了比例控制器和積分控制器兩種規(guī)律的優(yōu)點，又克服了各自的缺點，揚長避短。除此之外，比例積分控制器還是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的校正裝置，在調(diào)速系統(tǒng)和其他控制系統(tǒng)中獲得廣泛地應(yīng)用。2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)2.3.6無靜差轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)（3）無靜差的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算圖2-24直流電機無靜差轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)2.3.6無靜差轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)（3）無靜差的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算由比例積分調(diào)節(jié)器的特點，轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作時，各變量之間的關(guān)系有在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉(zhuǎn)速n由給定電壓Un*決定ASR的輸出為控制電壓Uc，其大小同時取決于n和Id，或者說同時取決于Un*和IdL2.3轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)2.3.6無靜差轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)（3）無靜差的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算在理想情況下，穩(wěn)態(tài)時

Un=0，即Un=Un*，則可直接計算出轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)為式中，nmax為電機調(diào)壓時最高轉(zhuǎn)速，Unmax*為相應(yīng)的最高給定電壓。2.4直流電機轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)原理和靜態(tài)分析2.4.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成圖2-25理想過渡過程為了提高效率，在電機起動和制動過渡過程中，使得轉(zhuǎn)速變化率dn/dt大，即保持電機電樞電流Id為允許的最大值，電機將以最大的加（減）速度運行；當轉(zhuǎn)速達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時，使電樞電流Id立即降低到負載電流IdL，使得電磁轉(zhuǎn)矩等于負載轉(zhuǎn)矩，電機迅速進入穩(wěn)定運行2.4直流電機轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)原理和靜態(tài)分析2.4.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的組成圖2-26直流電機轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖2.4直流電機轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)原理和靜態(tài)分析2.4.2雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖與參數(shù)計算雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖表示輸出限幅特性圖2-27雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.4直流電機轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)原理和靜態(tài)分析2.4.2雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖與參數(shù)計算PI調(diào)節(jié)器一般存在的兩種狀態(tài)：飽和狀態(tài)——輸出達到限幅值；不飽和狀態(tài)——輸出未達到限幅值。當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入變量不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使得調(diào)節(jié)器退出飽和，此種狀態(tài)相當于調(diào)節(jié)器暫時隔斷了系統(tǒng)的輸入和輸出的聯(lián)系，使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當調(diào)節(jié)器不飽和時，輸出隨著輸入的變化而變化2.4直流電機轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)原理和靜態(tài)分析2.4.2雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖與參數(shù)計算（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和穩(wěn)態(tài)時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器都無輸入偏差，因此有由上述三式可得，電機穩(wěn)態(tài)運行時，轉(zhuǎn)速n由給定電壓Un*決定，ASR的輸出值Ui*由負載電流IdL決定，可控直流電源的控制電壓Uc由轉(zhuǎn)速n和負載電流IdL決定。由于ASR不飽和，此時電樞電流Id<Idm2.4直流電機轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)原理和靜態(tài)分析2.4.2雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖與參數(shù)計算（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和此時，ASR的輸出為限幅值Uim*，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化不受閉環(huán)控制，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)變成一個電流無靜差的閉環(huán)控制系統(tǒng)，電樞電流為：式中，Idm為由設(shè)計者自己決定，取決于電機容許的過載能力和系統(tǒng)要求的最大加速度。2.4直流電機轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)原理和靜態(tài)分析2.4.2雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖與參數(shù)計算總結(jié)：在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，電機的靜特性有兩種情況：（1）當Id<Idm時系統(tǒng)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速負反饋起主要調(diào)節(jié)作用；（2）當Id=Idm時系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，此時轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器處于飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)速不受控，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，保證電機在一段時間以最大電樞電流加速或者減速，同時也起到了電流自動保護的作用。2.4直流電機轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)原理和靜態(tài)分析2.4.2雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖與參數(shù)計算轉(zhuǎn)速負反饋系數(shù)

和電流負反饋系數(shù)

還可以通過給定值和限幅值計算：2.4直流電機轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)原理和靜態(tài)分析例2-5

在直流電機轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中，ASR和ACR均采用PI調(diào)節(jié)器，電機主要參數(shù)為：UN=220V，nN=1000r/min,IN=20A，Ce=0.185V˙min/r，若Unm*=10V，

Uim*=10V，系統(tǒng)允許的過載倍數(shù)λ=2，電樞回路總電阻R=2

，穩(wěn)態(tài)時可控PWM直流電源的放大系數(shù)Ks=30，試求：（1）轉(zhuǎn)速負反饋系數(shù)

和電流負反饋系數(shù)

。（2）當Un*=5V，IdL=10A時，穩(wěn)定運行時的n、Un、Ui*、Uc和Ud02.4直流電機轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)原理和靜態(tài)分析解：（1）轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：電流負反饋系數(shù)：2.4直流電機轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)原理和靜態(tài)分析（2）因為IdL<Idm，所以穩(wěn)定運行時系統(tǒng)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，ASR不飽和，則有：2.5轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與過渡過程分析2.5.1動態(tài)性能指標為了衡量系統(tǒng)動態(tài)變化過程，引入了動態(tài)性能指標的概念動態(tài)性能指標又可分為跟隨性能指標和抗擾性能指標兩類。2.5轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與過渡過程分析2.5.1動態(tài)性能指標（1）跟隨性能指標定義：跟隨性能是指系統(tǒng)輸出量在輸入信號的作用下所表現(xiàn)出的變化特征。跟隨性能一般用零初始條件下系統(tǒng)對階躍輸入信號輸出響應(yīng)過程來表示的，將這種輸出初始值為零，給定信號階躍輸入下系統(tǒng)的過渡過程稱為一個典型的跟隨過程2.5轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與過渡過程分析2.5.1動態(tài)性能指標（1）跟隨性能指標圖2-28典型的跟隨過程及其性能指標主要的跟隨性能指標有:(1)上升時間tr(2)超調(diào)量

表征系統(tǒng)跟蹤指令的能力，表示動態(tài)響應(yīng)的快速性超調(diào)量反映了系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，超調(diào)量越小，相對穩(wěn)定度越好2.5轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與過渡過程分析2.5.1動態(tài)性能指標（1）跟隨性能指標圖2-28典型的跟隨過程及其性能指標(3)調(diào)節(jié)時間ts調(diào)節(jié)時間又稱過渡過程時間，是衡量系統(tǒng)整個動態(tài)響應(yīng)過程的快慢。其定義為：在階躍響應(yīng)過程中，輸出量最后一次進入穩(wěn)態(tài)值

5%（或者

2%）的誤差帶范圍，并不再超出該誤差帶所經(jīng)歷的時間。2.5轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與過渡過程分析2.5.1動態(tài)性能指標（2）抗擾性能指標除了給定指令外，其他能引起輸出量發(fā)生偏移的因素都稱為擾動。一個穩(wěn)定運行的控制系統(tǒng)在受到某種擾動量作用時，其輸出量會偏離穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)歷一段動態(tài)過程后，系統(tǒng)會恢復(fù)到一個新的穩(wěn)態(tài)，將這一恢復(fù)過程稱作系統(tǒng)的抗擾過程?？箶_性能指標是用來衡量控制系統(tǒng)抵抗擾動的能力2.5轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與過渡過程分析2.5.1動態(tài)性能指標（2）抗擾性能指標圖2-29突加擾動的動態(tài)抗擾過程常用的抗擾性能指標有：(1)動態(tài)降落ΔCmax(2)恢復(fù)時間tv從階躍擾動開始，輸出量基本恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，且輸出量與新的穩(wěn)態(tài)值C∞2的誤差在穩(wěn)態(tài)值（或基準值Cb）的

5%或

2%范圍內(nèi)并不再超過該范圍所經(jīng)歷的時間2.5轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與過渡過程分析2.5.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖2-30轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖其中WASR(s)和WACR(s)分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)2.5轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與過渡過程分析2.5.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)過程分析（1）起動過程分析起動過程可分為電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個階段2.5轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與過渡過程分析2.5.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)過程分析（1）起動過程分析第

階段（0~t2），電流上升階段。在t=0時刻，突加給定電壓Un*后，由于機械慣性的存在，轉(zhuǎn)速n來不及響應(yīng)，即n=0，因而反饋電壓Un=0，給定電壓與反饋電壓之差ΔUn=Un*，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR輸入很大，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR進入飽和狀態(tài)，并保持輸出值為Uim*不變。電樞電流Id快速上升，在t=t2時刻到達與Uim*相對應(yīng)的Idm。2.5轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與過渡過程分析2.5.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)過程分析（1）起動過程分析第Ⅱ階段（t2~t3），恒流升速階段——起動過程的主要階段在此階段

，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR始終飽和，轉(zhuǎn)速外環(huán)相當于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值給定Uim*下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持接近于Idm的恒值電樞電流，因而系統(tǒng)轉(zhuǎn)速具有最大加速度，轉(zhuǎn)速呈線性快速增大。2.5轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與過渡過程分析2.5.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)過程分析（1）起動過程分析第Ⅱ階段（t2~t3）過程分析在t2時刻，電樞電流Id=Idm，由于電磁慣性的存在，電流將繼續(xù)上升出現(xiàn)超調(diào)，使得Id>Idm、Ui>Ui*，電流調(diào)節(jié)器ACR輸入

Ui<0，Uc降低，Ud0降低，則電機電樞電流Id將迅速降低至接近Idm，并保持恒定。2.5轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與過渡過程分析2.5.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)過程分析（1）起動過程分析第Ⅱ階段（t2~t3）過程分析注意：在這一階段中電樞電流應(yīng)稍小于最大電流Idm原因：由于轉(zhuǎn)速n線性增長，Ea=Cen，則感應(yīng)電動勢也線性增大，根據(jù)電樞電流表達式要保持電樞電流Id為恒定值，Ud0也必須線性增大Uc也需要一直增加

Ui>0Id<Idm

2.5轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與過渡過程分析2.5.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)過程分析（1）起動過程分析第Ⅲ階段（t3以后），轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在t3時刻，轉(zhuǎn)速n到達給定轉(zhuǎn)速n*，由于機械慣性的作用，轉(zhuǎn)速n會繼續(xù)上升，ASR的輸入信號

Un<0，ASR開始退出飽和狀態(tài)，Ui*快速下降，在ACR的調(diào)節(jié)下，電樞電流Id也快速降低。但是，只要電樞電流Id

>IdL，轉(zhuǎn)速還具有加速度，轉(zhuǎn)速將繼續(xù)上升，直到Id

=IdL,

Te=TL,轉(zhuǎn)速n到達峰值（t=t4）電樞電流將會繼續(xù)降低，使得Id<IdL，轉(zhuǎn)速加速度小于零，轉(zhuǎn)速n降低。2.5轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與過渡過程分析2.5.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)過程分析（2）制動過程分析設(shè)置雙閉環(huán)的還有一個重要的目的是縮短電機制動的時間，即完成時間最優(yōu)的制動過程。要使轉(zhuǎn)速減速度最大，只要使得電機產(chǎn)生一個較大反向電磁轉(zhuǎn)矩，即產(chǎn)生較大的反向電樞電流。2.5轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與過渡過程分析2.5.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)過程分析（2）制動過程分析右圖為雙閉環(huán)控制系統(tǒng)拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負載正向制動時轉(zhuǎn)速、電流和控制電壓Uc的波形制動過程分為正向電流衰減、電流反向增大、恒流制動和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)四個階段2.5轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與過渡過程分析2.5.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)過程分析（2）制動過程分析第

階段（t0~t1），正向電流衰減階段。在t0時刻接收到停車指令Un*=0，ASR的輸入

Un=－Un，為較大負值，導(dǎo)致其輸出電壓很快下降并到達反向限幅值-Uim*，ASR進入反向飽和狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)。電樞電流迅速下降到零，控制電壓Uc達到反向最大值，標志著第

階段結(jié)束。由于該階段時間較短，電機轉(zhuǎn)速幾乎不變。2.5轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與過渡過程分析2.5.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)過程分析（2）制動過程分析第Ⅱ階段（t1~t2），電流反向增大階段。電樞電流衰減至零后，轉(zhuǎn)速基本不變，

Un<0，ASR始終處于反向飽和狀態(tài)。系統(tǒng)為恒值﹣Uim*給定下的電流單閉環(huán)控制，強迫電流在t2時刻達到﹣Idm。在這一階段Uc<0，Ud0<0，n>0，ASR反向飽和，電機處于反接制動狀態(tài)，由于所占時間較短，電機轉(zhuǎn)速變化不明顯。2.5轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與過渡過程分析2.5.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)過程分析（2）制動過程分析第Ⅲ階段（t2~t3），恒流制動階段。由于電磁慣性的存在，電樞電流Id將會繼續(xù)反向增大超過-Idm，電樞電流反向超調(diào)，經(jīng)過電流單閉環(huán)控制，電樞電流將反向回落并保持在-Idm附近。（與起動過程類似，電樞電流絕對值要略小于反向最大電流-Idm的絕對值。）當t=t3時刻時，電機轉(zhuǎn)速降低至零，恒流制動階段結(jié)束，這個階段也是制動過程的主要階段。2.5轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與過渡過程分析2.5.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)過程分析（2）制動過程分析第Ⅳ階段（t3以后），轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在t3時刻，轉(zhuǎn)速降低至零，此時電樞電壓Ud0仍小于零，電機開始反轉(zhuǎn)，

Un>0，ASR反向退飽和，使得其輸出Ui*反向快速降低，反向電樞電流Id在ACR作用下跟隨給定快速降低至零后建立正向電樞電流，Uc增大，Ud0增大。轉(zhuǎn)速n在t=t4時到達反向最大值在t4~t5時間內(nèi)，Id>IdL，電機開始反向減速，直至電機停轉(zhuǎn)。2.5轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與過渡過程分析2.5.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)過程分析（3）抗擾過程分析a）抵抗負載擾動性能負載發(fā)生變化，負載電流IdL也將隨之變化。由雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以看出，IdL在電流環(huán)之后，電流環(huán)對其無控制作用。負載的擾動靠轉(zhuǎn)速環(huán)抑制，在設(shè)計ASR時，需考慮其具有較好的抵抗負載擾動性能。2.5轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與過渡過程分析2.5.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)過程分析（3）抗擾過程分析b）抵抗電網(wǎng)電壓擾動性能分析單閉環(huán)抵抗電網(wǎng)電壓擾動的過程(a)單閉環(huán)控制電網(wǎng)電壓波動將會電樞電流Id變感應(yīng)電動勢E變化導(dǎo)致轉(zhuǎn)速n變化反饋電壓Un變化

Un變Uc變調(diào)整電樞電壓的輸入值Ud0

轉(zhuǎn)速n回到給定值2.5轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與過渡過程分析2.5.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)過程分析（3）抗擾過程分析b）抵抗電網(wǎng)電壓擾動性能分析雙閉環(huán)抵抗電網(wǎng)電壓擾動的過程(a)雙閉環(huán)控制電網(wǎng)電壓波動將會引起電樞電流Id變反饋電壓Ui變化Ui變化

Uc變調(diào)整電樞電壓的輸入值Ud0

轉(zhuǎn)速電樞電流Id回到給定值。2.5轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與過渡過程分析2.5.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)過程分析（3）抗擾過程分析b）抵抗電網(wǎng)電壓擾動性能分析單閉環(huán)和雙閉環(huán)抵抗電網(wǎng)電壓擾動過程雙閉環(huán)控制中，電網(wǎng)電壓的波動不必等到轉(zhuǎn)速變化才調(diào)節(jié)，而是在電樞電流Id變化后即可調(diào)節(jié)。電流會較快趨向給定值，而不至于引起較大的轉(zhuǎn)速波動。相對于單閉環(huán)控制系統(tǒng)，雙閉環(huán)系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓的擾動調(diào)節(jié)較及時，且引起的轉(zhuǎn)速動態(tài)降落也小得多。2.5轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與過渡過程分析2.5.4轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器的作用（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它能使得轉(zhuǎn)速n快速跟隨給定值Un*，如果采用PI調(diào)節(jié)器，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差；2）能夠抵抗負載變化的擾動；3）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出限幅值決定了電機允許的最大電流。2.5轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與過渡過程分析2.5.4轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器的作用（2）電流調(diào)節(jié)器的作用1）電流調(diào)節(jié)器為內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器，它能使電流緊跟轉(zhuǎn)速外環(huán)的變化；2）及時抑制電網(wǎng)電壓的擾動；3）當電機發(fā)生過載或者堵轉(zhuǎn)時，能夠限制電樞電流的最大值，起到快速自動保護的作用。而且，一旦故障消除，系統(tǒng)能自動恢復(fù)正常，提高系統(tǒng)的運行可靠性。2.6基于工程設(shè)計方法的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計2.6.1工程設(shè)計方法的基本思路工程設(shè)計方法首先對幾種典型系統(tǒng)進行深入研究，把典型系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性當作預(yù)期特性，弄清它們的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標的關(guān)系，寫成簡單的公式或制成簡明的圖表；然后將實