运动控制章节一

1、运动控制运动控制自动化教研室自动化教研室屈薇薇屈薇薇第一章第一章 闭环控制的直流调速系统闭环控制的直流调速系统本章着重讨论基本的闭环控制系统及其分析与设计本章着重讨论基本的闭环控制系统及其分析与设计方法方法。1、识 记：可控制流电源种类，开闭环直流调速系统的构成，各元件的数学模型，电流的脉动与断续，闭环直流调速的静特性，电流截止负反馈，调速系统的动态数学模型，无静差调速系统，工程可行的控制系统；2、领 会：电流为什么会脉动与断续，闭环为什么比开环具有较好的性能指标；3、简单应用：开闭环系统的稳态参数计算；4、综合运用：闭环系统的动态设计。自动化教研室直流调速系统结构直流调速系统结构自动化教研室

2、控制器控制器可控直可控直流电源流电源电动机电动机给定给定转速转速控制器控制器可控直可控直流电源流电源电动机电动机检测检测给定给定转速转速开环控制闭环控制可控直流可控直流电源电源v 旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。v 静止式可控整流器用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。v 直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。旋转变流机组旋转变流机组由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机 G 实现变流，由 G 给需要调速的直流电动机 M 供电，调节G 的励磁电流 if

3、即可改变其输出电压 U，从而调节电动机的转速 n 。自动化教研室G-M系统特性系统特性v 20世纪60年代广泛使用。v 优点：可逆运行容易实现v 缺缺点：设备多，体积大，费用高，效率低，安装必须打地基、运行有噪音、维护不方便。自动化教研室n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限图1-2 G-M系统机械特性静止式可控整流器静止式可控整流器自动化教研室控制电压触发装置晶闸管可控整流器整流电压电感，电抗 晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统），图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移动触发脉冲的

4、相位，即可改变整流电压Ud ，从而实现平滑调速。V-M系统的特点系统的特点自动化教研室 与G-M系统相比较： 晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10 4 以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。 在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。 由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。 晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt与di/dt 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。 由谐波与

5、无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。直流斩波器或脉宽调制变换器直流斩波器或脉宽调制变换器自动化教研室a）原理图b）电压波形图tOuUsUdTton控制电路控制电路M 在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市有轨和无轨电车和地铁电机车等电力牵引设备上，常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电网供电，过去用切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调速，在电阻中耗电很大。为了节能，并实行无触点控制，现在多用电力电子开关器件，如快速晶闸管、GTO、IGBT等。采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，脉宽调制变换器（PWM-Pul

6、se Width Modulation）。开关续流二极管ssondUUTtU斩波器的基本控制原理斩波器的基本控制原理直流电源电压 Us 保持不变保持通断周期T不变改变周期中导通时间的长短，从而改变输出平均电压自动化教研室nVT的作用 接通和断开电源nVD的作用 续流.和直流电动机的电感一起,在VT断开时保持电动机电流连续 电动机得到的平均电压为ssondUUTtU式中 T 晶闸管的开关周期； ton 开通时间； 占空比， = ton / T = ton f ；其中 f 为开关频率。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分，有三种控制方式：vT 不变，变 ton 脉冲宽度调制（PWM）；vt

7、on不变，变 T 脉冲频率调制（PFM）；vton和 T 都可调，改变占空比混合型。 PWM系统的优点系统的优点（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；（4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。自动化教研室小小 结结 三种可控直流电源，三种可控直流电源，V-M系统在上世纪系统在上世纪6

8、070年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统。年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统。 直流直流PWM调速系统作为一种新技术，发展调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代统中，已取代V-M系统成为主要的直流调速方系统成为主要的直流调速方式。式。晶闸管晶闸管-电动机调速系统电动机调速系统图1-3 晶闸管-电动机调速系统原理图整流装置晶闸管相控整流电路晶闸管相控整流电路 部分常用的整流电路部分常用的整流电路c）d）除除c）、）、d）外外a）e）f）、）、g）b）、）、f） c）、）、d）、）、e）、）、g）a）、）

9、、b）、）、f）c）、）、d）、）、e）、）、g）不可控整流按组成器件半控整流可控整流全控整流单相三相按电源相数六相零式按电路结构桥式半波按变压器绕组电流全波整流电路整流电路整流电路的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备晶闸管相控整流电路晶闸管相控整流电路自动化教研室Ud0IdE 电动机反电动势； 整流电流瞬时值； 主电路总电感； 主电路等效电阻；EidLRtiLRiEuddddd0R = Rrec + Ra + RLRrec：整流装置内阻Ra：电动机电枢电阻RL：平波电抗器电阻晶闸管相控整流电路晶闸管相控整流电路自动化教研室触发角： 从晶闸管开始承受正向阳极电压到导通时刻的电角度，也

10、称为触发延迟角或控制角导通角：即晶闸管在一个周期内处于通态的电角度+= 自动化教研室晶闸管晶闸管-电动机调速系统电动机调速系统一一. .单相半波可单相半波可控整流电路控整流电路1）0t 0RTu1u2i2abVT1VT3VT2VT4udid图图2.3 单相桥式全控整流带电阻负载时的电路及工作原理（全控）单相桥式全控整流带电阻负载时的电路及工作原理（全控）晶闸管晶闸管-电动机调速系统电动机调速系统二二. .单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路RTu1u2i2abVT1VT3VT2VT4udid图图2.3 单相桥式全控整流带电阻负载时的电路及工作原理（全控）单相桥式全控整流带电阻负载时的电路及

11、工作原理（全控）u2 (b)VT3RVT2u2 (a)u2 0晶闸管晶闸管-电动机调速系统电动机调速系统1, 41, 42,32,31234晶闸管晶闸管-电动机调速系统电动机调速系统21U90ttdU21U22dcos.)(sin 晶闸管晶闸管-电动机调速系统电动机调速系统u2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,4TabRLa)u1u2i2VT1VT3VT2VT4udid单相单相桥式全控整流带电感性负载的电路及桥式全控整流带电感性负载的电路及波形波形2221222sin()cos0.9cosdUUtdtUU与电阻负载时相比，晶闸与电

12、阻负载时相比，晶闸管提前了电角度管提前了电角度停止停止导导电电称为称为停止导电停止导电角。角。当当 30300 0，负载电流断，负载电流断续，晶闸管续，晶闸管导通角减小导通角减小的移相范围的移相范围:0:00 01501500 0。U.td(t)UUdcos171sin21223265662232612sin0 6751 cosdUUtd(t).U()基本数量关系基本数量关系 =30u2uuuvuwOtOtOtOtOtuGuduuvuuwt1iVT1uVT1uuwtttt =60u2uuuvuwOOOOuGudiVT1三相三相半波可控整流电路共阴极接法电感负载时的电半波可控整流电路共阴极接法电

13、感负载时的电路及路及=600的波形的波形uvwTRLu2udeLidVT1VT2VT32.电感性电感性负载负载特点特点：阻感负载，：阻感负载，L L值很大，值很大，i id d波形基本平直。波形基本平直。a a3030 时：整流电压波形与电时：整流电压波形与电阻负载时相同。阻负载时相同。a a3030 时（如时（如a a=60=60 时的波形如时的波形如图所图所示）。示）。u u2 2过零时，过零时，VTVT1 1不关断，直到不关断，直到VTVT2 2的脉冲到来，才换流，的脉冲到来，才换流，u ud d波波形中出现负的部分形中出现负的部分。i id d波形有一定的脉动，但为简波形有一定的脉动，

14、但为简化分析及定量计算，可将化分析及定量计算，可将i id d近似近似为一条水平线为一条水平线。udiauuuvuwibiciduuwOtOtOOtOOttt5626232sin()21.17cosUUtdtUd三相三相桥式全控整流桥式全控整流电路电路三相桥式三相桥式全控整流电路全控整流电路电感性电感性负载负载共阴极组共阴极组阴极连接在一起的阴极连接在一起的3个晶闸管（个晶闸管（VT1，VT3，VT5）共阳极组共阳极组阳极连接在阳极连接在一起的一起的3个晶闸管（个晶闸管（VT4，VT6，VT2）导通顺序：导通顺序： VT1VT2 VT3 VT4 VT5VT6电路电路第33页三相三相桥式全控整流

15、电路工作桥式全控整流电路工作原理原理i2工作原理工作原理1 1三相三相桥式全控整流电路桥式全控整流电路u2uuuwuvOt = 0工作原理工作原理2 2三相三相桥式全控整流电路工作桥式全控整流电路工作原理原理u2uuuwuvt1Ot = 0三相三相桥式全控整流电路桥式全控整流电路工作原理工作原理3 3三相三相桥式全控整流电路工作桥式全控整流电路工作原理原理u2uuuwuvt1Ot = 0三相三相桥式全控整流电路桥式全控整流电路工作原理工作原理4 4三相三相桥式全控整流电路工作桥式全控整流电路工作原理原理u2uuuwuvt1Ot = 0三相三相桥式全控整流电路桥式全控整流电路第37页工作原理工作

16、原理5 5三相三相桥式全控整流电路工作桥式全控整流电路工作原理原理u2uuuwuvt1Ot = 0三相三相桥式全控整流电路桥式全控整流电路第38页工作原理工作原理6 6三相三相桥式全控整流电路工作桥式全控整流电路工作原理原理uuuu2uwvt1Ot = 0三相三相桥式全控整流电路桥式全控整流电路第39页三相三相桥式全控整流电路桥式全控整流电路工作原理小结工作原理小结晶闸管晶闸管及输出整流电压的情况及输出整流电压的情况时时 段段IIIIIIIVVVI共阴极组中导通共阴极组中导通的晶闸管的晶闸管VT1VT1VT3VT3VT5VT5共阳极组中导通共阳极组中导通的晶闸管的晶闸管VT6VT2VT2VT4

17、VT4VT6整流输出电压整流输出电压uduu-uv=uuvuu-uw=uuwuv-uw=uvwuv-uu=uvuuw-uu=uwuuw-uv=uwv第40页三相桥式全控整流电路的特点三相桥式全控整流电路的特点（1 1）2 2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各阳极组各1 1，且不能为同，且不能为同1 1相器件。相器件。三相三相桥式全控整流电路桥式全控整流电路工作原理工作原理小结小结（2 2）u ud d一周期脉动一周期脉动6 6次，每次脉动的波形都一样，次，每次脉动的波形都一样，故该电路为故该电路为6 6脉波整流电路。脉波整流电路。第第41页页波

18、形分析波形分析1（=00 ）三相三相桥式全控整流电路桥式全控整流电路wvuu2u2Luduuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwuuut1OtOt = 0三相三相桥式全控整流电路电感性负桥式全控整流电路电感性负载载=00时的时的波形波形ud波形波形第42页uuvuuwuuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwOtOtiT1uT1三相三相桥式全控整流电路电感性负桥式全控整流电路电感性负载载=00时的时的波形波形波形分析波形分析1（=00 ）三相三相桥式全控整流电路桥式全控整流电路idtOwvuu2uuut1Ot = 0id、iT1、uT1波形波形第第43页页wvu波形分析波形分析2

19、（=300 ）u2uuut1Ot三相三相桥式全控整流电路桥式全控整流电路t三相三相桥式全控整流电路电感性负桥式全控整流电路电感性负载载=300时的时的波形波形uduuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwtOidtO = 30iT1tOtOud 、id、iT1波形波形第44页wvu波形分析波形分析2（=300 ）u2uuut1Ot三相三相桥式全控整流电路桥式全控整流电路t三相三相桥式全控整流电路电感性负桥式全控整流电路电感性负载载=300时的时的波形波形u T1uvuwvwvuwuwvuvuwtOi2tO = 30uT1 、i2波形波形iT1iT4第第45页页三相三相桥式全控整流电路电感

20、性负载桥式全控整流电路电感性负载=600时的时的波形波形波形分析波形分析3（=600 ）wvuu2uuut1OttuduuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwtOidtO = 60iT1tO三相三相桥式全控整流电路桥式全控整流电路第46页三相三相桥式全控整流电路电感性负载桥式全控整流电路电感性负载=600时的时的波形波形波形分析波形分析3（=600 ）wvuu2uuut1OttuuvuuwuvwuvuuwuuwvuuvuuwtOO = 60i2tO三相三相桥式全控整流电路桥式全控整流电路u T1iT4iT1第第47页页触发脉冲分析触发脉冲分析三相三相桥式全控整流电路的触发桥式全控整流电

21、路的触发脉冲脉冲三相三相桥式全控整流电路桥式全控整流电路 对触发脉冲的要求：对触发脉冲的要求：按按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依的顺序，相位依次差次差60 。共阴极组共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差的脉冲依次差120 ，共阳极组共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差也依次差120 。同一相的上下两个桥臂，即同一相的上下两个桥臂，即VT1与与VT4，VT3与与VT6，VT5与与VT2，脉冲相差脉冲相差180 。第48页触发脉冲分析触发脉冲分析 需保证同时导通的需保证同时导通的2个晶闸管均个晶闸管均有脉有脉 可采用两种方法：一种是宽脉可采用两种方法：一种是宽

22、脉冲触发，一种是双窄脉冲触发冲触发，一种是双窄脉冲触发（常用）（常用）三相三相桥式全控整流电路桥式全控整流电路第第49页页 输出电压平均值输出电压平均值U Ud d（连续时）（连续时） 带电阻负载且带电阻负载且60600 0时，整流电压平均值时，整流电压平均值U Ud dcos34. 2)(sin63123232UttdUUd)3cos(134. 2)(sin631232UttdUUd三相三相桥式全控整流电路桥式全控整流电路基本数量关系基本数量关系晶闸管晶闸管-电动机电动机调速系统调速系统三相半波整流电路三相半波整流电路自动化教研室 cos.cos)(sin226562dU17132U23tt

23、dU223U 三相全波整流电路三相全波整流电路 cos.)(sin23232dU342ttdU631U 单相全波整流电路单相全波整流电路22212sin()2 2cos0.9cosdUUtdtUU 从自然换相点算起的触发脉冲控制角；Um = 0 时的整流电压波形峰值；m 交流电源一周内的整流电压脉波数；不同不同整流电路的整流电压值整流电路的整流电压值* U2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。v 当当 0 0 ，晶闸管装置处于晶闸管装置处于整流状态整流状态，电功率从交流侧输送到直电功率从交流侧输送到直流侧；流侧； v 当当 /2 max 时，时， Ud0 0 ，装置处于，装置处于有源逆变状

24、态有源逆变状态，电功率反向传送。电功率反向传送。 为避免逆变颠覆，应设置为避免逆变颠覆，应设置最大的移相角限制最大的移相角限制。1.2.2 电流脉动及其波形的连续与断续电流脉动及其波形的连续与断续 晶闸管晶闸管-电动机系统由于电压波形的脉动，可电动机系统由于电压波形的脉动，可能出现电流连续和断续两种情况。能出现电流连续和断续两种情况。 1、电感大、电流大（负载重）：电感大、电流大（负载重）： 导通时电感储能多，整流电流平滑，连续导通时电感储能多，整流电流平滑，连续 2、电感小、电流小（负载轻）电感小、电流小（负载轻）： 导通时电感储能少，整流电流波动大，可导通时电感储能少，整流电流波动大，可能

25、出现断续现象能出现断续现象V-M系统主电路系统主电路的输出的输出图1-9 V-M系统的电流波形a）电流连续b）电流断续OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEUdudttudididv 电流断续是一种不希望的现象电流断续是一种不希望的现象 v 电流断续在轻载时容易出现电流断续在轻载时容易出现 v 对应措施是：加电抗器，多相整流、多重化技术对应措施是：加电抗器，多相整流、多重化技术 电流脉动及其波形的连续与断续电流脉动及其波形的连续与断续晶闸管晶闸管-电动机系统的机械特性电动机系统的机械特性 当电流连续时，V-M系统的机械特性方程式为 )(1d0deR

26、IUCneUIRnKeeNCKCe 电机在额定磁通下的电动势系数。de1(sincos)mmnUI RCm（1）电流连续情况）电流连续情况 改变控制角改变控制角 ，得，得一族平行直线，这和一族平行直线，这和电动机本身的机械特电动机本身的机械特性很相似性很相似。只要电流连续，晶闸只要电流连续，晶闸管可控整流器就可以管可控整流器就可以看成是一个线性的可看成是一个线性的可控电流源控电流源 图1-10 电流连续时V-M系统的机械特性 n = Id R / CenIdILO 电流断续时机械特性方程（三相半波整流电路） )e1 (e)6sin()6sin(cos2ctgectg2CUnRLarctg（2）

27、电流断续情况）电流断续情况式中： 一个电流脉波的导通角。图1-11 完整的V-M系统机械特性断续区的特性：软；非线性（5）V-M系统机械特性的特点系统机械特性的特点 当电流连续时，特性比较硬； 断续段：特性很软，而且呈显著的非线性练习练习1.调速系统的调速范围是调速系统的调速范围是1000-100r/min，要，要求静差率求静差率s=2%，那么系统允许的稳态转速降是多，那么系统允许的稳态转速降是多少？少？2.某调速系统，测得的最高转速特性为某调速系统，测得的最高转速特性为n0max=1500r/min，n0min=150r/min，带额，带额定负载时的速度降落定负载时的速度降落nN=15r/m

28、in，且在不同，且在不同转速下额定速降转速下额定速降nN不变，试问系统能够达到的调不变，试问系统能够达到的调速范围有多大？系统允许的静差率是多少？速范围有多大？系统允许的静差率是多少？自动化教研室1.调速系统的调速范围是1000-100r/min，要求静差率s=2%，那么系统允许的稳态转速降是多少？（P20）自动化教研室minNNnnnsmin0.02 1002.04 r/min11 0.02Nsnns2.某调速系统，测得的最高转速特性为n0max=1500r/min，n0min=150r/min，带额定负载时的速度降落nN=15r/min，且在不同转速下额定速降nN不变，试问系统能够达到的调

29、速范围有多大？系统允许的静差率是多少？max0max1500 151485Nnnnmin0min150 15135Nnnnmaxmin148511135nDn01510%150Nnsn直流直流PWM调速系统调速系统V-M系统存在的问题：系统存在的问题：1）存在电流谐波，深调速时转矩脉动大，调速范围受限；2）深调速时功率因数低，限制调速范围；3）要客克服上述困难，需加大平波电抗器，限制系统的快速性因此中、小功率系统采用脉宽调制变换器自动化教研室PWM系统的优点：系统的优点：1）主电路简单，功率元件少2）开关频率高，电流容易连续，谐波少3）低速性能好，稳态精度高4）动态抗扰能力强5）导通损耗小6）

30、不控三相整流，电网功率因数高直流斩波器或脉宽调制变换器直流斩波器或脉宽调制变换器自动化教研室a）原理图b）电压波形图tOuUsUdTton控制电路控制电路M开关续流二极管电动机得到的平均电压为ssondUUTtU式中 T 晶闸管的开关周期； ton 开通时间； 占空比， = ton / T = ton f ；其中 f 为开关频率。根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分，有三种控制方式：vT 不变，变 ton 脉冲宽度调制（PWM）；vton不变，变 T 脉冲频率调制（PFM）；vton和 T 都可调，改变占空比混合型。直流直流PWM调速系统调速系统脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的

31、方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而改变平均输出电压的大小，以调节电机转速自动化教研室PWM变换器不可逆可逆双极性单极性受限单极性PWM：Pluse Width Modulation简单的不可逆简单的不可逆PWM变换器变换器自动化教研室图1-16 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统 VDUs+UgCVTidM+_E（a）电路原理图 MUs：直流电源电压C：滤波电容器VT：功率开关器件VD：续流二极管M ：直流电动机VT 的栅极由脉宽可调的脉冲电压系列Ug驱动。滤波续流工作状态与波形工作状态与波形在一个开关周期内，v 当0 t ton时，Ug为正，VT导通

32、，电源电压通过VT加到电动机电枢两端；v 当ton t T 时， Ug为负，VT关断，电枢失去电源，经VD续流。U, iUdEidUsttonT0图1-16b 电压和电流波形O电机两端得到的平均电压为电机两端得到的平均电压为ssondUUTtU = ton / T 为 PWM 波形的占空比， PWM电压系数： = Ud / Us则在不可逆 PWM 变换器 = 有制动的不可逆有制动的不可逆PWM变换器电路变换器电路v 输出波形： 一般电动状态的电压、电流波形与简单的不可逆电路波形完全一样。+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E12CUs+M电动状态电动机工作在电动状态时，一般情况下是电力晶体

33、管VT1和续流二极管VD2交替导通，而VT2由于VD1的反向施压始终不能导通+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E43CUs+M有制动的不可逆有制动的不可逆PWM变换器电路变换器电路制动状态若要求电动机降低转速，可将Ug1的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而是电枢两端的平均电压Ud降低，E-Ud产生反向电流-id。整个制动过程中电力晶体管VT2和续流二极管VD1交替导通，而VT1由于VD2的反向施压始终不能导通。此时，电动机处于发电状态。自动化教研室有制动的不可逆有制动的不可逆PWM变换器电路变换器电路轻载电动状态 第1阶段，VD1续流，电流 id 沿回路4流通； 第2阶段，VT1导通，电流 i

34、d 沿回路1流通； 第3阶段，VD2续流，电流 id 沿回路2流通； 第4阶段，VT2导通，电流 id 沿回路3流通。小小 结结具有制动作用的不可逆PWM变换器的不同工作状态+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4M图图1-18 桥式可逆桥式可逆PWM变换器变换器桥式可逆桥式可逆PWM变换器变换器双极式单极式受限单极式+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT31ABM桥式可逆桥式可逆PWM变换器变换器第1阶段，在 0 t ton 期间， Ug1 、 Ug4为正， VT1 、 VT4导通， Ug2

35、、 Ug3为负，VT2 、 VT3截止，电流 id 沿回路1流通，电动机M两端电压UAB = +Us ；+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT33ABM桥式可逆桥式可逆PWM变换器变换器第2阶段，在ton t T 期间， Ug2 、 Ug3 为正， VT2 、 VT3导通， Ug1 、 Ug4为负，使VT1 、 VT4保持截止，电流 id 沿回路3流通，电动机M两端电压UAB = Us ； 输出波形输出波形U, iUdEid+UsttonT0-UsO正向电动运行波形U, iUdEid+UsttonT0-UsO反向电动运行波形+UsUg4M+-Ug3V

36、D1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4M桥式可逆桥式可逆PWM变换器变换器 输出平均电压输出平均电压 双极式控制可逆双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为变换器的输出平均电压为 如果占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中相同，则在双极如果占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中相同，则在双极式控制的可逆变换器中式控制的可逆变换器中 = 2 1 sonsonsond) 12(UTtUTtTUTtU 调速时，调速时， 的可调范围为的可调范围为01， 1 0.5时， 为正，电机正转； 当 0.5时， 为负，电机反转； 当 = 0.5时， = 0 ，电机停止。 当电机

37、停止时电枢电压并不等于当电机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个电压，因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值为零，不产生平交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电机的损耗，这均转矩，徒然增大电机的损耗，这是双极式控制的缺点。但它也有好是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电机停止时仍有高频微振电处，在电机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓擦死区，起着所谓“动力润滑动力润滑”的作的作用。用。双极式可逆双极式可逆PWM变换器特点变换器特点优点：优点：电流

38、一定连续；可实现四象限运行，电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区，低速平稳性好，可达到很宽的调速范围；缺点：在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。 自动化教研室直流直流脉宽调速系统的机械特性脉宽调速系统的机械特性 由于采用脉宽调制，严格地说，即使在稳态情由于采用脉宽调制，严格地说，即使在稳态情况下，脉宽调速系统的转矩和转速也都是脉动况下，脉宽调速系统的转矩和转速也都是脉动的，所谓稳态，是指电机的平均电磁转矩与负的，所谓稳态，是指电机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态，机械

39、特性是载转矩相平衡的状态，机械特性是平均转速平均转速与与平均转矩平均转矩（电流）的关系。（电流）的关系。 采用不同形式的采用不同形式的PWM变换器，系统的机械特性也变换器，系统的机械特性也不一样。对于带制动电流通路的不可逆电路和双极不一样。对于带制动电流通路的不可逆电路和双极式控制的可逆电路，电流的方向是可逆的，无论是式控制的可逆电路，电流的方向是可逆的，无论是重载还是轻载，电流波形都是连续的，因而机械特重载还是轻载，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式比较简单。性关系式比较简单。R、L 电枢电路的电阻和电感。 n 带制动的不可逆电路EtiLRiUdddd s（0 t ton）EtiLRid

40、d0dd（ton t T）n 双极式可逆电路EtiLRiUdddds( 0 t ton) EtiLRiUdddds(ton t T) dsUU电枢两端在一个周期内的平均电压21nCRIERIUeddsId：平均电流；Te：平均转矩平均转速 n = E/CeLdid / dt 在稳态时应为零Cm = KmN 电机在额定磁通下的转矩系数； n0 = Us / Ce 理想空载转速，与电压系数成正比。de0deesICRnICRCUn 机械特性方程机械特性方程eme0emeesTCCRnTCCRCUnnId , TeavOn0s0.75n0s0.5n0s0.25n0sId , Teav = 1 = 0

41、.75 = 0.5 = 0.25图中所示的机械曲线是电流连续时脉宽调速系统的稳态性能。图中仅绘出了第一、二象限的机械特性，它适用于带制动作用的不可逆电路，双极式控制可逆电路的机械特性与此相仿，只是更扩展到第三、四象限了。对于电机在同一方向旋转时电流不能反向的电路，轻载时会出现电流断续现象，把平均电压抬高，在理想空载时，Id = 0 ，理想空载转速会翘到 n0sUs / Ce 。 PWM控制与变换器的数学模型控制与变换器的数学模型驱动电压驱动电压都由都由 PWM 控制器发出控制器发出，当，当控制电压改变时，控制电压改变时，PWM变换器变换器输出平均电压按线性规律变化，但其响应会有延迟，最大的时延

42、是输出平均电压按线性规律变化，但其响应会有延迟，最大的时延是一个开关周期一个开关周期 T 。UcUgUdPWM控制器PWM变换器将PWM控制与变换器（简称PWM装置）看作是一个滞后环节，其传递函数可以写成sTKsUsUsWse)()()(scdsKs PWM装置的放大系数；Ts PWM装置的延迟时间， Ts T0当开关频率为10kHz时，T = 0.1ms ，在一般的电力拖动自动控制系统中，时间常数这么小的滞后环节可以近似看成是一个一阶惯性环节1)(ssssTKsWPWM系统的优越性系统的优越性 主电路线路简单，需用的功率器件少； 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小； 低速

43、性能好，稳速精度高，调速范围宽； 系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强； 功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高； 直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。反馈控制反馈控制闭环直流调速系统闭环直流调速系统的稳态的稳态分析和设计分析和设计 v转速控制的要求和调速指标v开环调速系统及其存在的问题v闭环调速系统的组成及其静特性v开环系统特性和闭环系统特性的关系v反馈控制规律v限流保护电流截止负反馈控制控制要求要求（1）调速在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地（有级）或 平滑地（无级）调节转速；（2）稳速以一定的精度在所需转速上稳定

44、运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；（3）加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。maxminnDn000100%Nnnnsnn直流调速系统的机械特性直流调速系统的机械特性开环调速系统，即无反馈控制的直流调速系统调节控制电压Uc就可以改变电动机的转速晶闸管整流器和PWM变换器都是可控的直流电源，使用UPE来统一表示可控直流电源自动化教研室开环调速系统中个环境的稳态关系：电力电子变换器：0dscUK U直流电动机：0ddeUI RnC机械特性：0ddscdeeeUI RK UI RnCCC自动化教研室0d

45、dscdeeeUI RK UI RnCCCdeRInC 自动化教研室例题：某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，其额定数据如下：60kW、220V、305A、1000r/min，采用V-M系统，主电路总电阻R=0.18，电动机电动势系数Ce=0.2Vmin/r。如果要求调速范围D=20，静差率s=5%，采用开环调速能否满足？若要满足这个要求，系统的额定速降最多能有多少？解解 当电流连续时，当电流连续时，V-M系统的额定速降为系统的额定速降为 min/275min/2 . 018. 0305edNNrrCRIn%6 .21216. 02751000275NNNNnnns开环系统机械特性连续段在额定

46、转速时的静差率为 如果要求D = 20，s 5%，则min/63. 2min/)05. 01 (2005. 01000)1 (NNrrsDsnn由此可知，开环调速系统的额定速降是275 r/min，而生产工艺的要求却只有2.63r/min，相差几乎百倍！开环调速已不能满足要求，需采用反馈控制的闭环调速系统来解决这个问题。闭环调速系统闭环调速系统自动化教研室+-AGTMT+-+-+-UtgUdIn+-+UnUn U*nUcUPE+-MTGIdUd 根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。调速系统的转速降落正是由负载引起

47、的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转速降落。Ud0uACDCUc静态特性静态特性自动化教研室假定：（1）忽略各种非线性因素，假定系统中各环节的输入输出关系都是线性的，或者只取其线性工作段；（2）忽略控制电源和电位器的内阻电压比较环节 n*nnUUU放大器 npcUKU电力电子变换器 cs0dUKU调速系统开环机械特性 ed0dCRIUn测速反馈环节 nUn+-AGTMT+-+-+-UtgUdIn+-+UnUn U*nUcUPE+-MTGIdUd*psndepse*psndee(1/)(1)(1)K K UI RnCK KCK K URICKCK闭环系统的开环放大系数es

48、pCKKK静态特性静态特性自动化教研室*psndepse*psndee(1/)(1)(1)K K UI RnCK KCK K URICKCK转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）间的稳态关系KpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- IdR-U*nKpKs 1/Ce n+-+KpKs 1/Ce-IdR n+-)1(e*nspKCUKKn)1(edKCRIn开环系统的机械特性和闭环系统静特性的关系开环系统的机械特性和闭环系统静特性的关系自动化教研室KpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- IdR-开环机械特性opo

49、p0ede*nsped0dnnCRICUKKCRIUn闭环时的静特性llnnKCRIKCUKKncc0ede*nsp)1 ()1 (（1）闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬得多。Knnl1opc（2）如果比较同一的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多。lllnnsc0ccop0opopnnsKssl1opc当 n0op =n0cl 时（3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。 如果电动机的最高转速都是nmax；而对最低速静差率的要求相同，)1 (opNopsnsnD)1 (cNcsnsnDllopc)1 (DKDl（4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。开环系

50、统的机械特性和闭环系统静特性的关系开环系统的机械特性和闭环系统静特性的关系自动化教研室开环系统：Idn（AA）闭环系统：IdnUnUnUcUd0n (AB)闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应的改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化。开环系统的机械特性和闭环系统静特性的关系开环系统的机械特性和闭环系统静特性的关系闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，所需付出的代

51、价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置须增设电压放大器以及检测与反馈装置。自动化教研室龙门刨床要求D = 20， s R，scom*ndbRUUIl反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计v反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型v反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件v动态校正动态校正PI调节器的设计调节器的设计v系统设计举例与参数计算系统设计举例与参数计算自动化教研室动态数学模型动态数学模型描述环节动态过程的微分方程求出各环节的传递函数求出系统的传递函数自动化教研室拉氏变换动态结构框

52、图第一个环节是比例放大器，其响应可以认为是瞬时的，即传递函数就是放大系数第二个环节是电力电子变换器，晶闸管触发与整流装置的近似传递函数，与PWM控制与变换装置的近似传递函数表达式是相同的，第三个环节是直流电动机EdtdILRIUdd0d假定主电路电流连续，则主电路电压的微分方程忽略摩擦力及弹性变形，电力拖动系统运动的微分方程TL+-MUd0+-E R LneidM自动化教研室EdtdILRIUdd0d0dddddddldIdIdILUERILR IR ITdtR dtdtlLTR电枢回路电磁时间常数2375mdLeGDdEC ITCdtemdTC IeEC n2375LdmemTGDdEICC

53、 CdtLdLmTICme2mCC375GDT tERTIIddmdLd0dddldIUER ITdt11)()()(0ddsTRsEsUsIl 01ddlUsE sRIsT stERTIIddmdLd mddLT sIsIsE sR电压与电流间的传递函数 电流与电动势间的传递函数 直流电动机的动态结构框图直流电动机的动态结构框图自动化教研室E(s)Ud0+-1/RTl s+1Id (s)Id (s)IdL(s)+-E (s) R Tms11)()()(0ddsTRsEsUsIln(s) 1/CeUd0IdL (s) EId (s)Un+- 1/R Tl s+1 R Tmsn(s)Ud0 (s

54、)+-1/Ce TmTl s2+Tms+1IdL (s) R (Tl s+1)n(s)1/Ce TmTl s2+Tms+1Ud0 (s)IdL 0 IdL= 0反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数自动化教研室KpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- IdR-)()()(nfnsnsUsW11)()()(0ddsTRsEsUsIln(s)U*n (s)IdL (s) Uc(s)Un (s)+- KsTss+1KP1/Ce TmTl s2+Tms+1 +-R (Tl s+1)Ud0 (s) 1)(1()(m2mssTsTTsTKsWlespC/KK

55、K反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数反馈控制闭环直流调速系统反馈控制闭环直流调速系统的闭环传递函数的闭环传递函数自动化教研室n(s)U*n (s)IdL (s) Uc(s)Un (s)+- KsTss+1KP1/Ce TmTl s2+Tms+1 +-R (Tl s+1)Ud0 (s)0dLI111)(1)1 () 1)(1(/) 1)(1(/1) 1)(1(/)(sm2sm3smespm2msespm2msespm2msespcsKTTsKTTTsKTTTKCKKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsWllllll从给定输入作用上看，闭环直流调速系统的闭环传递函数

56、稳定条件稳定条件自动化教研室反馈控制闭环直流调速系统的特征方程0111)(1sm2sm3smsKTTsKTTTsKTTTll0322130asasasa三阶系统的劳斯-古尔维茨判据，系统稳定的充分必要条件0000030213210aaaaaaaa，0111)(smsmsmKTTTKTTKTTTll1lsmslsTTTTK TTs2ssm)(TTTTTTKll2msss()lcrlTTTTKTT系统的临界放大系数 静态性能指标与稳定性之间的矛盾静态性能指标与稳定性之间的矛盾 v 根据系统的静特性分析可知，闭环系统开环放大系数K越大，静差率越小v 闭环系统稳定的充分必要条件是 v 这就是采用放大器

57、的转速反馈调速系统静态性能指标与稳定性之间的主要矛盾。 sl2sslmTTT)TT(TK转速负反馈闭环控制有静差直流调速系统原理图转速负反馈闭环控制有静差直流调速系统原理图用线性集成电路运算放大器作为电压放大器的转速负反馈闭环控制有静差直流调速系统如图所示：GTMTG+-Un*UnUcUdIdUn。Rp2Rp1-+R0R0+R1电动机电动机10KW10KW、220v220v、55A55A、1000r/min1000r/min、Ra=0.5Ra=0.5电源电源15v15v测速机测速机23.1W23.1W、110v110v、0.21A0.21A、1900r/min1900r/min、二次线电压二次

58、线电压U U2121=230V=230V，Ks=44, V-MKs=44, V-M系统回系统回路总电阻路总电阻R=1.0R=1.0若要求调速范围若要求调速范围D=10,D=10,静差率静差率s5%s5%，计算调速系统稳态参数？计算调速系统稳态参数？闭环直流调速系统稳态参数的计算闭环直流调速系统稳态参数的计算min/26. 5)05. 01 (1005. 01000)1 (rsDsnnNcl1925.010005 .055220NaNNenRIUC3 .53126.57 .2851clopnnK计算步骤：由设计要求计算稳态速降由已知条件计算开环速降计算闭环系统开环放大倍数由已知条件计算反馈系数及

59、参数计算运算放大器的放大系数及参数min/7 .2851925. 0155rCeRInNop2257.9netgNUCn测速发电机电动势转速比若2=0.2在电动机最高转速时，测速机反馈电压为分压电阻的分压系数2=？rVCetgmin/.0579.019001103 .532CeCKKCeKKKetgspsp58.110579.02 .01000nU*15nU 2 20.260.2624.02psK CeKKCetg若2=0.2rVCetgmin/.01158. 00579. 02 . 02VUUUnnn42.3maxKP=20.1dmax230VnpsUKKU由VUn25.0所以2=0.2，K

60、P=20.1满足要求，实取Kp=21分压电阻的功率20.0579100013790.20.20.21etgNPNCnRI20.22.43RPetgNNWCnIW运算放大器参数根据所用运算放大器型号选取10021PRK RR为了不致使电位器温度很高，实选电位器可以选10W,1.5K电位器选择：考虑测速发电机电枢压降对转速检测信号的线性度没有显著影响，则测速发电机输出为最高电压时，其电流为额定值的20%，系统稳定性分析系统稳定性分析自动化教研室在上题中，已知 R = 1.0 ， L = 0.017H , Ks = 44， Ce = 0.1925Vmin/r，系统运动部分的飞轮惯量GD2 = 10N