运动控制系统--上海大学---全部章节内容

2020/6/12,1,电力拖动自动控制系统运动控制系统,多媒体课件高敬格制作,2020/6/12,2,第1篇直流拖动控制系统,第1章闭环控制的直流调速系统第2章转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法第3章直流调速系统的数字控制第4章可逆直流调速系统,目录,2020/6/12,3,第2篇交流拖动控制系统,第5章闭环控制的异步电动机变压调速系统一种转差功率消耗型调速系统第6章笼型异步电动机变压变频调速系统转差功率不变型调速系统第7章绕线转子异步电动机双馈调速系统转差功率馈送型调速系统,目录,2020/6/12,4,第1篇直流拖动控制系统,第1篇直流拖动控制系统,2020/6/12,5,1.运动控制系统的定义,以机械运动的驱动设备电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统通过控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。,0绪论,2020/6/12,6,2.运动控制系统的分类,按被控量分：以转速为被控量的系统调速系统以角位移或直线位移为被控量的系统位置随动(伺服)系统。按驱动电机的类型分：直流电机带动生产机械直流传动系统交流电机带动生产机械交流传动系统,0绪论,2020/6/12,7,按控制器类型分：以模拟电路构成的控制器模拟控制系统以数字电路构成的控制器数字控制系统按控制系统中闭环的多少分：单环、双环、多环控制系统,0绪论,2020/6/12,8,3.运动控制系统的基本结构,控制器按照给定值和实际运行的反馈值之差，调节控制量；功率驱动装置一方面按控制量的大小将电网中的电能作用于电动机上，调节电动机的转矩大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换成电动机所需的交流电或直流电；电动机按供电大小拖动生产机械运转。,0绪论,2020/6/12,9,4.运动控制系统各部分的组成,运动控制系统的三个组成部分，任何一部分微小的变化可构成不同的运动控制系统，这些系统的共性、特点以及分析设计方法即本课题的研究内容，将可能的每一部分列表如下：,0绪论,2020/6/12,10,0绪论,2020/6/12,11,5.直流电动机的优点,良好的起、制动性能静差小稳定性好宜于大范围内平滑调速晶闸管变流装置的应用高水平的直流拖动系统,0绪论,2020/6/12,12,6.直流电动机的缺点,机械换向问题不适合在恶劣环境下应用高转速、高电压、大容量的直流电动机制造困难,交流拖动控制系统,0绪论,2020/6/12,13,但是，直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此,应很好地掌握直流拖动控制系统。最基本的电力拖动控制系统调速系统通过控制转速实现机械运动的控制,0绪论,2020/6/12,14,7.直流电动机的工作原理,定子励磁绕组通过直流电流时产生主磁通和励磁磁势，电枢绕组通过的电枢电流I，则产生电枢反应磁势，励磁磁势和电枢反应磁势正交，通常直流电机在其主磁极上加有补偿绕组，电枢反应磁势对主磁通没有影响，电机电枢绕组中的电流I与定子主磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，电枢因而转动,0绪论,2020/6/12,15,8.电动机的电磁转矩,电磁转矩中的和I相互独立良好的转矩控制特性良好的转速调节性能,0绪论,2020/6/12,16,9.直流电机转速方程,n转速（r/min）,U电枢电压（V）,I电枢电流（A）,R电枢回路总电阻（）,励磁磁通（Wb）,Ke由电机结构决定的电动势常数,0绪论,2020/6/12,17,10.调节电动机转速的方法,调节电枢供电电压U；减弱励磁磁通；改变电枢回路电阻R。,0绪论,2020/6/12,18,调节电枢供电电压调速,工作条件：保持励磁=N保持电阻R=Ra调节过程：改变电压UNUnn0调速特性转速下降,机械特性曲线平行下移,恒转矩调速方法,响应快，一定范围内无级平滑调速，但需要大容量直流电源,0绪论,2020/6/12,19,调节励磁磁通调速,工作条件：保持电压U=UN保持电阻R=Ra调节过程：减小励磁Nnn0调速特性：转速上升，机械特性曲线变软。,恒功率调速方法,响应慢，小范围内的平滑调速，所需电源容量小,0绪论,2020/6/12,20,工作条件：保持励磁=N保持电压U=UN调节过程：增加电阻RaRn，n0不变；调速特性：转速下降，机械特性曲线变软。,调节电枢回路电阻调速,有级调速，平滑性差，空载时无调速能力，少用,0绪论,2020/6/12,21,第1章闭环控制的直流调速系统,1.1直流调速系统用的可控直流电源1.2晶闸管电动机系统的主要问题1.3直流脉宽调速系统的主要问题1.4反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计1.5反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计1.6比例积分控制规律和无静差调速系统1.7电压反馈电流补偿控制的直流调速系统,第1章闭环控制的直流调速系统,2020/6/12,22,1.1直流调速系统用的可控直流电源,根据前面分析,调压调速是直流调速系统的主要方法，而调节电枢电压需要有专门向电动机供电的可控直流电源介绍三种常用的可控直流电源.1.1.1旋转变流机组1.1.2静止式可控整流器1.1.3直流斩波器或脉宽调制变换器,1.1直流调速系统用的可控直流电源,2020/6/12,23,1.1.1旋转变流机组供电的直流调速系统,同步或异步交流电动机,直流发电机,需调速的直流电动机,变流,直流励磁发电机,2020/6/12,24,G-M系统，国际上称Ward-Leonard系统,1.1.1旋转变流机组供电的直流调速系统,2020/6/12,25,旋转变流机组的特点,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。至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机以及一台励磁发电机设备多,体积大,费用高,效率低,安装需要打地基,噪声大,维护不便在20世纪60年代以前广泛使用。,1.1.1旋转变流机组供电的直流调速系统,2020/6/12,26,1.1.2静止式可控整流器,触发装置,晶闸管可控整流电路,控制电压,触发脉冲的相位,Ud,V-M系统,又称静止的Ward-Leonard系统,2020/6/12,27,与G-M系统相比较V-M系统的特点,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104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。,1.1.2静止式可控整流器,2020/6/12,28,V-M系统存在的问题,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.滞后触发,晶闸管可控整流器相当于感性负载,吸收滞后的无功电流,功率因数低,尤其在深调速状态,晶闸管导通角小,产生较大的高次谐波,由谐波与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”.,1.1.2静止式可控整流器,2020/6/12,29,1.1.3直流斩波器或脉宽调制变换器,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。,1.1.3静止式可控整流器或脉宽调制变换器,2020/6/12,30,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，称直流斩波器(直流调压器)：利用开关器件来实现通断控制,将直流电源电压断续加到负载上，通过通、断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值,将恒压变成平均值可调的直流电源直流直流变换器,1.1.3静止式可控整流器或脉宽调制变换器,2020/6/12,31,t,Ud,ton,“T-ton”斩断,续流二极管,电力电子开关器件,为占空比,1.1.3静止式可控整流器或脉宽调制变换器,2020/6/12,32,三种改变输出平均电压的调制方法,T不变，变ton脉冲宽度调制(PWM)ton不变，变T脉冲频率调制(PFM)ton和T都可调，改变占空比混合调制(两点式控制)。当负载电流或电压低于某一最小值，开关器件导通，当高于某一最大值时，使开关器件关断。,1.1.3静止式可控整流器或脉宽调制变换器,2020/6/12,33,PWM调速系统的优点,主电路所需的功率器件少，线路简单，控制方便;开关频率高，仅靠电动机电枢电感的滤波作用可以获得脉动很小的直流电流，低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右，同时电机损耗及发热都较小；功率开关器件工作在开关状态，损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，装置效率较高，对电网的影响小，功率因数高，效率高；开关频率高，一般在几kHz，频带宽，响应速度快,动态抗干扰能力强。,1.1.3静止式可控整流器或脉宽调制变换器,2020/6/12,34,小结,三种可控直流电源中V-M系统在上世纪6070年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统。直流PWM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、小容量的系统中，已取代V-M系统成为主要的直流调速方式。,2020/6/12,35,1.2.1触发脉冲相位控制1.2.2电流脉动及其波形的连续与断续1.2.3抑制电流脉动的措施1.2.4晶闸管-电动机系统的机械特性1.2.5晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数,1.2晶闸管电动机系统(V-M系统)的主要问题,1.2晶闸管电动机系统的主要问题,2020/6/12,36,1.2.1触发脉冲相位控制,通过调节控制电压UC调节触发装置GT输出脉冲的相位，即可很方便地改变可控整流器VT输出瞬时电压ud的波形，以及输出平均电压Ud的数值。,2020/6/12,37,等效电路分析,把整流装置内阻移到装置外边，看成是其负载电路电阻的一部分，那么，整流电压便可以用其理想空载瞬时值ud0和平均值Ud0来表示，相当于用图示的等效电路代替实际的整流电路。,1.2.1触发脉冲相位控制,2020/6/12,38,用触发脉冲的相位角控制整流电压的平均值Ud0是晶闸管整流器的特点,对ud0进行积分理想空载整流电压平均值Ud0Ud0与触发脉冲相位角的关系因整流电路的形式而异，对于一般的全控整流电路,当电流波形连续时，Ud0=f()可用下式表示：,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,1.2.1触发脉冲相位控制,2020/6/12,39,不同整流电路的平均整流电压值,当00，晶闸管装置处于整流状态,电功率从交流侧输送到直流侧；当/2max时,Ud00，装置处于有源逆变状态,电功率反向传送。,1.2.1触发脉冲相位控制,2020/6/12,40,相控整流器的电压控制曲线,O,1.2.1触发脉冲相位控制,2020/6/12,41,1.2.2电流脉动及其波形的连续与断续,整流电路存在着有限的脉波数电压波形的脉动电流波形的脉动电流连续和断续V-M系统不同于G-M系统的一个特点。当V-M系统主电路有足够大的电感量,且电动机的负载足够大时,整流电流具有连续的脉动波形。当电感量较小或负载较轻时，在某一相导通后电流升高的阶段里，电感中的储能较少；等到电流下降而下一相尚未被触发以前，电流已经衰减到零，于是，便造成电流波形的断续。,2020/6/12,42,V-M系统的电流波形,结论：电流波形的断续平均值描述的系统带来非线性因素机械特性的非线性影响系统的运行性能尽量避免电流断续,1.2.2电流脉动及其波形的连续与断续,2020/6/12,43,1.2.3抑制电流脉动的措施,在V-M系统中，脉动电流会产生脉动的转矩，对生产机械不利，同时也增加电机的发热。为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施，主要是：设置平波电抗器；增加整流电路相数；采用多重化技术。,2020/6/12,44,平波电抗器的电感量,选择原则：按照低速轻载时保证电流连续的条件，一般取最小电流Idmin为电动机额定电流的5%10%,再利用它计算所需的总电感量，减去电枢电感平波电抗的电感值。单相桥式全控整流电路：三相半波整流电路：三相桥式整流电路：,1.2.3抑制电流脉动的措施,2020/6/12,45,多重化整流电路,2个三相桥式整流电路并联而成的12相脉波整流电路,使用了平衡电抗器来平衡2组整流器的电流。,1.2.3抑制电流脉动的措施,2020/6/12,46,1.2.4晶闸管-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：,改变控制角,得一族平行直线,和G-M系统的特性很相似,电流较小的部分画成虚线,表明这时电流波形可能断续,公式已经不适用。,2020/6/12,47,当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多。以三相半波整流电路构成的V-M系统为例，电流断续时机械特性须用下列方程组表示：,当阻抗角已知时，对于不同的控制角，可用数值解法求出一族电流断续时的机械特性。对于每一条特性，求解过程都计算到=2/3为止(角再大,电流已连续)，对应于=2/3的曲线是电流断续区与连续区的分界线。,1.2.4晶闸管-电动机系统的机械特性,2020/6/12,48,增大,结论：当电流连续时，特性还比较硬，是一个线性的可控电压源断续段特性则很软，而且呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高,1.2.4晶闸管-电动机系统的机械特性,2020/6/12,49,1.2.5晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数,把晶闸管触发和整流装置当作一个环节,应用线性控制理论进行直流调速系统的分析或设计时，须事先求出这个环节的放大系数和传递函数。实际的触发电路和整流电路都是非线性的，只能在一定的工作范围内近似看成线性环节。如可能,最好先用实验方法测出该环节的输入-输出特性，即曲线，设计时，希望整个调速范围的工作点都落在特性的近似线性范围之中，并有一定的调节余量。,2020/6/12,50,1.晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算,晶闸管触发和整流装置的放大系数可由工作范围内的特性斜率决定：,1.2.5晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数,2020/6/12,51,2.晶闸管触发和整流装置的放大系数估算,如果不可能实测特性,只好根据装置的参数估算.例如：设触发电路控制电压的调节范围为:Uc=010V相对应的整流电压的变化范围是:Ud=0220V可取：Ks=220/10=22,1.2.5晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数,2020/6/12,52,在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的。众所周知，晶闸管一旦导通后,控制电压的变化在该器件关断以前就不再起作用,直到下一相触发脉冲来到时才能使输出整流电压发生变化，这就造成整流电压滞后于控制电压的状况。,1.2.5晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数,2020/6/12,53,3.晶闸管触发与整流失控时间分析,t1时刻,某一对晶闸管导通,控制角为a1UC在t2发生变化,晶闸管已经导通,UC不起作用；t3时刻,晶闸管关断,新的控制电压对应的控制角为a2；t4时刻另一对晶闸管导通,平均电压下降。,1.2.5晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数,2020/6/12,54,最大的失控时间,失控制时间是随机的，它的大小随控制电压发生变化的时刻而改变，最大可能的失控时间就是两个相邻自然换相点之间的时间，与交流电源频率和整流电路形式有关，由下式确定：,式中：f交流电流频率m一周内整流电压的脉冲波数,1.2.5晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数,2020/6/12,55,相对于整个系统的响应时间来说,Ts是不大的,在一般情况下,可取其统计平均值Ts=Tsmax/2,并认为是常数.也有人主张按最严重的情况考虑,取Ts=Tsmax。,各种整流电路的失控时间（f=50Hz）,1.2.5晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数,2020/6/12,56,用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入-输出关系为：,晶闸管装置的传递函数为：,上式包含指数函数,使系统成为非最小相位系统,分析和设计都比较麻烦.为了简化,先将其按泰勒级数展开,1.2.5晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数,2020/6/12,57,4.晶闸管触发与整流装置动态结构(或传递函数),1.2.5晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数,2020/6/12,58,1.3直流脉宽调速系统的主要问题,1.3直流脉宽调速系统的主要问题,1.3.1PWM变换器的工作状态和波形1.3.2直流PWM调速系统的机械特性1.3.3PWM控制与变换器的数学模型1.3.4电能回馈与泵升电压的限制,2020/6/12,59,1.3.1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,PWM变换器的作用：用PWM调制的方法,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系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。PWM变换器电路有多种形式,主要分为不可逆与可逆两大类,下面分别阐述其工作原理.,2020/6/12,60,1.简单的不可逆PWM变换器,功率开关器件可以是任意一种全控型开关器件,这样的电路又称直流降压斩波器。,脉宽可调的脉冲电压,ton,1.3.1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,2020/6/12,61,U,id,E,Us,t,ton,T,0,2T,ud,改变即可调节电机的转速;若令=Ud/Us为PWM电压系数,则：=,结论：PWM转换器的开关频率高,电流的脉动幅值不大,再影响到转速其波动就更小了,忽略不计,1.3.1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,2020/6/12,62,2.有制动的不可逆PWM变换器电路,M,+,-,VD2,VT2,VT1,VD1,E,C,Us,+,VT2,Ug2,VT1,Ug1,电动状态,制动状态,继续,1.3.1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,2020/6/12,63,在0tton期间，Ug1为正，VT1导通，Ug2为负，VT2关断。此时，电源电压Us加到电枢两端，电流id沿图中的回路1流通。在tontT期间，Ug1和Ug2都改变极性，VT1关断，但VT2却不能立即导通，因为id沿回路2经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使它失去导通的可能。实际上是由VT1和VD2交替导通,虽然电路中多了一个功率开关器件,但并没有被用上,返回,1.3.1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,2020/6/12,64,在制动状态中,id为负值,VT2发挥作用.这种情况发生在电动运行过程中需要降速的时候先减小控制电压,使Ug1的正脉冲变窄,负脉冲变宽,从而使平均电枢电压Ud降低.但是,由于机电惯性,转速和反电动势E还来不及变化,因而造成EUd的局面,很快使电流id反向,VD2截止,VT2开始导通.在tontT,Ug2变正,于是VT2导通,反向电流id沿回路3流通,产生能耗制动作用.在TtT+ton,VT2关断,id沿回路4经VD1续流,向电源回馈制动,且VD1两端压降钳住VT1使它不能导通.制动状态中,VT2和VD1轮流导通,VT1始终是关断的.,返回,1.3.1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,2020/6/12,65,3.轻载电动状态,平均电流较小,在关断后经续流时,还没有到达周期T,电流已经衰减到零,因而两端电压也降为零,便提前导通,使电流方向变动,产生局部时间的制动作用,这种电动状态一个周期分成四个阶段：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id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。,1.3.1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,2020/6/12,66,轻载电动状态的输出波形,1.3.1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,2020/6/12,67,小结,以上两种PWM电路都是不可逆的，因为平均电压Ud并没有改变极性，只能工作在第一、二象限。,1.3.1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,2020/6/12,68,4.可逆的PWM变换器,可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路。电动机M两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制的桥式可逆PWM变换器。,1.3.1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,2020/6/12,69,+Us,Ug3,VD1,VD2,VD3,VD4,Ug1,Ug2,VT1,VT2,VT4,VT3,A,B,VT1,VT2,VT3,VT4,Ug4,正向运行,反向运行,继续,1.3.1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,2020/6/12,70,第1阶段，在0tton期间，Ug1、Ug4为正，VT1、VT4导通，Ug2、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第2阶段，在tontT期间，Ug1、Ug4为负，VT1、VT4截止，VD2、VD3续流，并钳位使VT2、VT3保持截止，电流id沿回路2流通，电动机M两端电压UAB=Us,返回,1.3.1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,正向运行,2020/6/12,71,反向运行,第1阶段，在0tton期间，Ug2、Ug3为负，VT2、VT3截止，VD1、VD4续流，并钳位使VT1、VT4截止，电流id沿回路4流通，电动机M两端电压UBA=+Us第2阶段，在tontT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UBA=Us,返回,1.3.1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,2020/6/12,72,输出波形,1.3.1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,2020/6/12,73,调速范围,调速时,的可调范围为01，10.5时，为正，电机正转，当R，因此,1.4.7限流保护电流截止负反馈,2020/6/12,146,4.电流截止负反馈环节参数设计,Idbl应小于电机允许的最大电流,一般取:Idbl=(1.52)IN从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取:Idcr(1.11.2)IN,1.4.7限流保护电流截止负反馈,2020/6/12,147,1.5反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计,1.5.1反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型1.5.2反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件1.5.3动态校正PI调节器的设计1.5.4系统设计举例与参数计算,1.5反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计,2020/6/12,148,为了分析调速系统的稳定性和动态品质，必须首先建立描述系统动态物理规律的数学模型，对于连续的线性定常系统，其数学模型是常微分方程，经过拉氏变换，可用传递函数和动态结构图表示。,1.5.1反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型,建立系统动态数学模型的基本步骤：(1)根据系统中各环节的物理规律，列出描述该环节动态过程的微分方程；(2)求出各环节的传递函数；(3)组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数。,2020/6/12,149,1.电力电子器件的传递函数,构成闭环直流调速系统的主要环节是电力电子变换器和直流电动机。不同电力电子变换器的传递函数，它们的表达式是相同的：,前面我们已讲晶闸管整流变换器和PWM变换器的传递函数。在不同场合下，参数Ks和Ts的数值不同而已。,1.5.1反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型,2020/6/12,150,TL,+,-,M,ud0,+,-,E,R,L,Te,id,他励直流电动机等效电路,2.直流电动机的传递函数,假定主电路电流连续,则动态电压方程为:,忽略粘性磨擦及弹性转矩,电机轴上的动力学方程为:,1.5.1反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型,2020/6/12,151,额定励磁下的电磁转矩和感应电动势分别为:,TL包括电机空载转矩在内的负载转矩(N.m)GD2电力拖动系统折算到电机轴上的飞轮惯量N.m2Cm=9.55Ce电机额定励磁下的转矩系数(N.m/A),Tl电枢回路电磁时间常数：Tm电力拖动系统机电时间常数：,定义下列时间常数：,1.5.1反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型,2020/6/12,152,1.5.1反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型,2020/6/12,153,在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间的传递函数,1.5.1反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型,2020/6/12,154,直流电动机有两个输入量，一个是施加在电枢上的理想空载电压，另一个是负载电流。前者是控制输入量，后者是扰动输入量。,1.5.1反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型,2020/6/12,155,如果不需要在结构图中显现出电流，可将扰动量的综合点移前，再进行等效变换，得下图：,1.5.1反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型,2020/6/12,156,如果是理想空载，则IdL=0，结构图即简化成：,1.5.1反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型,2020/6/12,157,直流闭环调速系统中的其他环节还有比例放大器和测速反馈环节，它们的响应都可以认为是瞬时的,因此它们的传递函数就是它们的放大系数，即：,放大器：,测速反馈：,3.控制与检测环节的传递函数,已知各环节的传递函数后，把它们按在系统中的相互关系组合起来闭环直流调速系统的动态结构图,1.5.1反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型,2020/6/12,158,4.闭环调速系统的动态结构图,电力电子变换器按一阶惯性环节处理后，带比例放大器的闭环直流调速系统可以看作是一个三阶线性系统。,1.5.1反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型,2020/6/12,159,5.调速系统的开环传递函数,K=KpKsa/Ce,1.5.1反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型,2020/6/12,160,6.调速系统的闭环传递函数,Idl=0，从给定输入作用上看，闭环传递函数:,1.5.1反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型,2020/6/12,161,1.5.2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特征方程为：,一般表达式为：,1.5.2反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件,2020/6/12,162,根据劳斯或赫尔维茨判据,系统稳定的充要条件：,其中Kcr为系统的临界放大系数,1.5.2反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件,2020/6/12,163,例题1-5:在例题1-4转速负反馈闭环控制有静差直流调速系统中，已知R=1.0，Ks=44，Ce=0.1925Vmin/r,系统运动部分的飞轮惯量GD2=10Nm2。根据稳态性能指标D=10，s0.5计算,系统的开环放大系数应有K53.3，试判别这个系统的稳定性。,1.5.2反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件,2020/6/12,164,已知晶闸管可控整流器供电的转速负反馈闭环直流调速系统。已知数据：电动机的额定数据：10kW,220V,55A,1000r/min,电枢电阻Ra=0.5；晶闸管触发整流装置：三相桥式可控整流电路,整流变压器Y/Y联结,二次线电压U2l=230V,电压放大系数Ks=44V-M系统电枢回路总电阻：R=1.0；测速发电机的额定数据:23.1W,110V,0.21A,1900r/min;直流稳压电源：15V。若生产机械要求调速范围D=10，静差率5%，试计算调速系统的稳态参数,1.5.2反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件,2020/6/12,165,解:首先确定主电路的电感值，用以计算电磁时间常数，对于V-M系统，为使主电路电流连续,应设置平波电抗器。例题1-4给出的是三相桥式可控整流电路，电枢回路总电感量：,1.5.2反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件,2020/6/12,166,电磁时间常数:,机电时间常数:,对于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为:Ts=0.5Tsmax=0.00167s,为保证系统稳定，开环放大系数:,因此，当K53.3，闭环系统是不稳定的,1.5.2反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件,2020/6/12,167,例题1-6:在上题的闭环调速系统中，若改用IGBT脉宽调速系统，电动机不变,电枢回路参数为:R=0.6,L=5mH，Ks=44,Ts=0.1ms(开关频率10kHz),按同样的稳态性能指标D=10，s0.5，该系统能否稳定？,电磁时间常数:,机电时间常数:,1.5.2反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件,2020/6/12,168,为保证系统稳定，开环放大系数:,按照稳态性能指标要求,额定负载时闭环系统稳态速降为：,脉宽调速系统的开环额定速降：,完全能在保证稳态性能的条件下稳定运行,1.5.2反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件,2020/6/12,169,例题1-7:在上题的闭环脉宽调速系统在临界稳定的条件下,最多能达到多大的调速范围?(静差率指标不变),解:为保证系统稳定，开环放大系数:,临界K=455.4,此时闭环系统的稳态速降：,调速范围最大值：,1.5.2反馈控制闭环直流调速