第2章转速反馈控制直流调速系统

1、第第1篇篇直流调速系统直流调速系统电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 运动控制系统运动控制系统直流电动机的稳态转速 式中 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。eKIRUn调节直流电动机转速的方法 （1）调节电枢供电电压）调节电枢供电电压 U； （2）减弱励磁磁通）减弱励磁磁通 ； （3）改变电枢回路电阻）改变电枢回路电阻 R。（1）调压调速n工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电阻 R = Ran调节过程： 改变电压 UN U U n ， n0 n调速特性： 转速下降，机械特性曲线

2、平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线（2）调阻调速n工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电压 U =UN ；n调节过程： 增加电阻 Ra R R n ，n0不变；n调速特性： 转速下降，机械特性曲线变软。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3调阻调速特性曲线（3）调磁调速n工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a ；n调节过程： 减小励磁 N n ， n0 n调速特性： 转速上升，机械特性曲线变软。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3调磁调速特性曲线 三种调速方法的性能与比较 对于要求在一定范围内无级

3、平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。 因此，自动控制的直流调速系统往往以自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。调压调速为主。第第2章章 转速反馈控制的直流调速系统转速反馈控制的直流调速系统 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 运动控制系统运动控制系统内 容 提 要n直流调速系统用的可控直流电源 n稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性 n转速反馈控制的直流调速系统 n直流调速系统的数字控制 n转速反馈控制直流调速系统的限流保护 n转速

4、反馈控制直流调速系统的仿真2.1 直流调速系统用的可控直流电源n晶闸管整流器-电动机系统（V-M系统） n直流PWM变换器-电动机系统 2.1.1 晶闸管整流器-电动机系统图21 晶闸管整流器-电动机调速系统（V-M系统）原理图相控整流器模式相控整流器模式在理想情况下，Ud和Uc之间呈线性关系：（2-1）式中， Ud平均整流电压， Uc 控制电压， Ks晶闸管整流器放大系数。csdUKU1触发脉冲相位控制n调节控制电压Uc n移动触发装置GT输出脉冲的相位n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 dtdiLRiEuddd0(2-2)式中 E电动机反电动势(V)；

5、id整流电流瞬时值(A)； L主电路总电感(H)； R主电路总电阻(), ；图2-2 V-M系统主电路的等效电路图 其中，电阻其中，电阻R是电枢回路总电阻，它包含整是电枢回路总电阻，它包含整流装置的内阻和电动机的电枢电阻。流装置的内阻和电动机的电枢电阻。n对于一般的全控整流电路，当电流波形连续时， 可用下式表示)(0fUdcossin0mUmUmd(2-3) 式中，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。mU22U22U26U0dUcos9 . 02Ucos17. 12Ucos34. 22U整流电路 单相全波 三相半波三相桥式（全波

6、）m236表2-1不同整流电路的整流电压波峰值、脉冲数及平均整流电压2电流脉动及其波形的连续与断续n在整流变压器二次侧额定相电压u2的瞬时值大于反电动势E时，晶闸管才可能被触发导通。n导通后如果u2降低到E以下，靠电感作用可以维持电流id继续流通。n由于电压波形的脉动，造成了电流波形的脉动。 脉动的电流波形使得V-M系统主电路可能出现电流连续和断续两种情况。图2-3 带负载单相全控桥式整流电路的输出电压和电流波形在Id上升阶段，电感储能；在Id下降阶段，电感中的能量将释放出来维持电流连续。图24 V-M系统的电流波形(a) 电流连续电感足够大且负载电流足够大-电流连续图24 V-M系统的电流波

7、形 （b）电流断续当负载电流较小时，电感中的储能较少，等到Id下降到零时，造成电流波形断续。电感较小或负载电流较轻-电流断续抑制电流脉动的措施 （1）增加整流电路相数，或采用多重化技术；（2）设置电感量足够大的平波电抗器。3晶闸管整流器-电动机系统的机械特性n当电流波形连续时，V-M系统的机械特性方程式为（2-7）式中，Ce电动机在额定磁通下的电动势 系数)RIU(C1nd0deNeeKC图2-5 电流连续时V-M系统的机械特性图26 V-M系统机械特性在电流连续区，显示出较硬的机械特性；在电流断续区，机械特性很软，理想空载转速翘得很高。 n当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多

8、。 n对三相半波整流电路构成的V-M系统，电流断续区与电流连续区的分界线是 的曲线，当 时，电流便开始连续了。 一个电流脉波的导通角。 3232图21 晶闸管整流器-电动机调速系统（V-M系统）整流环节整流环节 4晶闸管触发和整流装置的放大系数 和传递函数 4晶闸管触发和整流装置的放大系数 和传递函数n晶闸管触发电路和整流电路的特性是非线性的n在设计调速系统时，只能在一定的工作范围内近似地看成线性环节n得到了它的放大系数和传递函数后，用线性控制理论分析整个调速系统放大系数的计算图2-7 晶闸管触发与整流装置的输入输出特性和Ks的测定cdsUUK（2-10） n晶闸管触发和整流装置的输入量是Uc

9、，输出量是Ud，晶闸管触发和整流装置的放大系数Ks可由工作范围内的特性斜率决定 。n如果没有得到实测特性，也可根据装置的参数估算。失控时间和纯滞后环节 n晶闸管触发与整流装置在动态过程中可看成一个纯滞后环节n滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的n失控时间是个随机值n最大失控时间是两个相邻自然换相点之间的时间，它与交流电源频率和晶闸管整流器的类型有关失控时间和纯滞后环节 图28 晶闸管触发与整流装置的失控时间 控制电压改变触发角改变平均整流电压改变失控时间 最大失控时间 mf1Tmaxs(2-11) 平均失控时间 maxssT21T 式中，f 交流电源频率(Hz)， m 一周内整流电压的脉 波数。

10、整流电路形式最大失控时间 Tsmax(ms)平均失控时间 Ts(ms)单相半波单相桥式（全波）三相半波三相桥式20106.673.331053.331.67表2-2 晶闸管整流器的失控时间（f=50Hz）晶闸管触发电路与整流装置的传递函数 n滞后环节的输入为阶跃信号1(t)，输出要隔一定时间后才出现响应1(t-Ts)。n输入输出关系为： )( 10scsdTtUKUn 传递函数为sTscdsseKsUsUsW)()()(0（212） 传递函数的近似处理n按泰勒级数展开，可得 3322!31!211)(sTsTsTKeKeKsWsssssTssTssssn 依据工程近似处理的原则，可忽略高次项，

11、把整流装置近似看作一阶惯性环节 sT1K)s(Wsss（2-14） 图29 晶闸管触发与整流装置动态结构图准确的近似的5. 晶闸管整流器运行中存在的问题1）晶闸管是单向导电的，给电动机可逆运行带来困难。 2）晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt都十分敏感。3）晶闸管的导通角变小时会使得系统的功率因数也随之减少，称之为“电力公害”。 2.1.2 直流直流PWM变换器变换器-电动机系统电动机系统n全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系统。n与V-M系统相比，PWM调速

12、系统在很多方面有较大的优越性。n直流PWM调速系统的应用日益广泛，特别在中、小容量的高动态性能系统中，已经完全取代了V-M系统。 1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形n脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，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序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电动机转速。nPWM变换器电路有多种形式，总体上可分为不可逆与可逆两大类。图2-10 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统电路原理图 图2-10 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统电压和电流波形 n在一个开关周期T内，n当 时，Ug为正，VT饱和导通，电源电压Us通过VT加

13、到直流电动机电枢两端。n当 时， Ug为负， VT关断，电枢电路中的电流通过续流二极管VD续流，直流电动机电枢电压近似等于零。 ontt0Tttonn直流电动机电枢两端的平均电压为 n改变占空比 ，即可实现直流电动机的调压调速。n令 为PWM电压系数，则在不可逆PWM变换器中ssondUUTtU10sdUU（2-15） （2-16）n不可逆PWM变换器-直流电动机系统不允许电流反向，n续流二极管VD的作用只是为id提供一个续流的通道。n如果要实现电动机的制动，必须为其提供反向电流通道 。图2-11 有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统电路原理图 图2-11 有制动电流通路的不可逆

14、PWM变换器-直流电动机系统一般电动状态的电压、电流波形 一般电动状态n在一般电动状态中，id始终为正值（其正方向示于图2-11(a)中）。n在0tton期间，VT1导通，VT2关断。电流id沿图中的回路1流通。n在tontT期间，VT1关断，id沿回路2经二极管VD2续流。nVT1和VD2交替导通， VT2和VD1始终关断。 图2-11 有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统1gU的正脉冲比负脉冲窄 ， dUE di始终为负。 制动状态的电压、电流波形 制动状态 n在tontT期间，Vg2为正，VT2导通，在感应电动势E的作用下，反向电流沿回路3能耗制动。n在TtT+ton（即下

15、一周期的0tton）期间，Vg2为负， VT2关断，-id沿回路4经VD1续流，向电源回馈能量。nVT2和VD1交替导通， VT1和VD2始终关断。 图2-11 有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统 (d) 轻载电动状态的电流波形 VT1、VD2、VT2和VD1四个管子轮流导通。 轻载电动状态 n在VT1关断后，id经VD2续流。n还没有到达周期T，电流已经衰减到零，n在t=t2时刻，VT2导通，使电流反向，产生局部时间的制动作用。n轻载时，电流可在正负方向之间脉动，平均电流等于负载电流，一个周期分成四个阶段。 有制动电流通路的不可逆PWM-直流电动机系统 n图2-11(a)所示

16、电路之所以为不可逆是因为平均电压Ud始终大于零，电流虽然能够反向，而电压和转速仍不能反向。n如果要求转速反向，需要再增加VT和VD，构成可逆的PWM变换器-直流电动机系统，在第4章中将进一步讨论。 2.直流PWM调速系统的机械特性n所谓“稳态稳态”，是指电动机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态n机械特性机械特性是平均转速与平均转矩（电流）的关系n采用不同形式的PWM变换器，系统的机械特性是不一样的，其关键之处在于电流波形是否连续2.直流PWM调速系统的机械特性n对于带制动电流通路的不可逆电路，其电压平衡方程式分两个阶段：n (2-17)n (2-18)式中R、L分别为电枢电路的电阻和电感。)

17、0(onddsttEdtdiLRiUEdtdiLRidd0)(Ttton电压平均值方程电压平均值方程 平均电压 平均电流 电枢电感压降的均值 转速nCRIERIUeddssdUUdI0dtdiLd eCEn （2-19） 机械特性 n机械特性方程式为 (2-20)n或用转矩表示， (2-21)式中， 电动机在额定磁通下的转矩系数； 理想空载转速，与电压系数成正比。dedeesICRnICRCUn0emeemeesTCCRnTCCRCUn0NmmKCesCUn0图2-12直流PWM调速系统（电流连续）的机械特性3PWM控制器与变换器的动态数学模型控制器与变换器的动态数学模型图2-13 PWM控制

18、器与变换器框图 PWM装置可看着是最大时延为一个开关周期T的滞后环节传递函数 n传递函数为 (2-22)式中：KsPWM装置的放大系数 TsPWM装置的延迟时间，n近似的传递函数 (2-23)sTscdsseKsUsUsW)()()(1)(sTKsWsss4直流直流PWM调速系统的电能回馈和泵升电压调速系统的电能回馈和泵升电压nPWM变换器的直流电源通常由交流电网经不可控的二极管整流器产生，并采用大电容C滤波，以获得恒定的直流电压。n当电动机工作在回馈制动状态时，电能不可能通过整流装置送回交流电网，只能向滤波电容充电，n形成直流PWM变换器-电动机系统特有的电能回馈问题。n对滤波电容充电的结果

19、造成直流侧电压升高，称作“泵升电压”。n系统在制动时释放的动能将表现为电容储能的增加，n要适当地选择电容的电容量，或采取其它措施，以保护电力电子开关器件不被泵升电压击穿。 2.2 稳态性能指标和机械特性稳态性能指标和机械特性n对于调速系统转速控制的要求：（1）调速调速在一定的最高转速和最低转速范围内调节转速；（2）稳速稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动；（3）加、减速加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。2.2.1转速控制的要求和稳态调速性能指标转速控制的要求和稳态调速性能指标1、调速范围、调速范围

20、n生产机械要求电动机提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比称为调速范围，用字母D表示，即（2-25）nnmax和nmin是电动机在额定负载时的最高和最低额定负载时的最高和最低转速转速n对于少数负载很轻的机械，也可用实际负载时的最高和最低转速。minmaxnnD 2、静差率、静差率sn当系统在某一转速某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值额定值所对应的转速降落nN与理想空载转速n0之比： （2-26）n用百分数表示 （2-27）0nnsN%1000nnsN0TeNTen0an0bab nNa nNb nO静差率与机械特性硬度的区别静差率和机械特静差率和机械特性硬度又是有区性硬度又是有

21、区别的别的。硬度硬度是特性的一是特性的一种性能概念，种性能概念，静差率静差率是转速稳是转速稳定度的一个评价定度的一个评价指标。指标。sasb图2-14 不同转速下的静差率n同样硬度的特性，同样硬度的特性，n n0 0越低，越低，s s越大，转速的越大，转速的相相对对稳定度越差稳定度越差n例如例如：在1000r/min时降落10r/min，只占1%；在100r/min时同样降落10r/min，就占10%； 如果在只有10r/min时，再降落10r/min，就占100%，这时电动机已经停止转动，转速全部降落完了。静差率与机械特性硬度的区别（续）对于调速系统来说，总是希望：对于调速系统来说，总是希望

22、：1. 静差率指标越小越好静差率指标越小越好2. 调速范围越大越好调速范围越大越好调速范围和静差率这两项指标并不是彼调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提出才有意义。此孤立的，必须同时提出才有意义。一个调速系统的静差率指标一个调速系统的静差率指标：最低转速时的静差率最低转速时的静差率 设：电机额定转速为nN，转速降落为nN，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即NminNmin0Nnnnnns于是，最低转速为 snsnsnnNNNmin)1 (3. 调速范围、静差率和额定速降之间的关系调速范围、静差率和额定速降之间的关系而调速范围为 minNminmax

23、nnnnD将上面的式代入 nmin，得 ) 11()1 (NNsnnsnsnD（2-28） 对于调压调速系统， nN 值一定，由式（2-28）可见： 如果要求静差率越小（通常希望），如果要求静差率越小（通常希望），那么，系统能够允许的调速范围也越小。那么，系统能够允许的调速范围也越小。 n结论1： 一个调速系统的调速范围，是指一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。转速可调范围。例题例题2-1 n某直流调速系统电动机额定转速为nN=1430r/min，额定速降nN=115r/min， 当要求静差率s30%时，允许多大的调速范围？ 如

24、果要求静差率s 20%，则调速范围是多少？ 如果希望调速范围达到10，所能满足的静差率是多少？ 解解 在要求s 30%时，允许的调速范围为 若要求s 20%，则允许的调速范围只有 若调速范围达到10，则静差率只能是3 . 5)3 . 01 (1153 . 01430)1 (snsnDNN1 . 3)2 . 01 (1152 . 01430D%6 .44446. 011510143011510NNNnDnnDs2.2.2 直流调速系统的机械特性直流调速系统的机械特性n开环调速系统，即无反馈控制的直流调速系统。n调节控制电压Uc就可以改变电动机的转速。n晶闸管整流器和PWM变换器都是可控的直流电源

25、，用UPE来统一表示可控直流电源 图215 开环调速系统的原理图机械特性机械特性 n开环调速系统中各环节的稳态关系如下：电力电子变换器直流电动机 n开环调速系统的机械特性为 csdUKU0ed0dCRIUnedecsed0dCRICUKCRIUn（2-31） 图2-16 开环调速系统稳态结构图图2-17 开环直流调速系统的机械特性转速降制约开环调速系统中的调速范围转速降制约开环调速系统中的调速范围D和静差率和静差率s电动机在额定电压和额定励磁下的机械特性称作电动机固有机械特性转速开环的直流调速系统转速开环的直流调速系统1.系统构成简单；2.输出特性由电机特性唯一决定；3.系统动、静态品质不高。

26、驱动电路驱动电路与控制与控制M控制信号控制信号n例题例题2-2 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s5%，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nN最多能有多少？ 解解:当电流连续时，V-M系统的额定速降为开环系统在额定转速时的静差率为如要求 ， ，即要求3050.18=275r/min0.2dNNeIRnC2750.21621.6%1000275NNNNnsnn 10000.052.63 /mi

27、n(1)20(10.05)NNn snrDs20D%5s2.3 转速反馈控制的直流调速系统 根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统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的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统能够大引入转速闭环将使调速系统能够大大减少转速降落大减少转速降落。 1转速反馈控制直流调速系统的静特性图2-18 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图 转速给定转速给定放大器、调节器、放大器、调节器、控制器控制器转速反馈转速反馈n电压比较环节n比例调节器n测速反馈

28、环节 n电力电子变换器 n直流电动机 n*nnUUUnpcUKUnUncsdUKU0ed0dCRIUnKp比例调节器的比例系数 转速反馈系数（Vmin/r）静特性方程式 *(1/)(1)(1)psndpsndepseeeK K UI RK K URInCK KCCKCK（2-32） 式中: 闭环系统的开环 放大系数 n闭环调速系统的闭环调速系统的静特性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。 espCKKKn注意：注意： 闭环调速系统的静特性在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大不同，故定名为“静特性静特性”，以示区别。*(1/)(1)(1)psndpsndepse

29、eeK K UI RK K URInCK KCCKCKedecsed0dCRICUKCRIUn闭环静特性：开环机械特性：图2-19转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图（b）只考虑给定作用时的闭环系统 *(1/)psnepseK K UnCK KC稳态结构框图 图2-19转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图（c）只考虑扰动作用时的闭环系统(1/)depseI RnCK KC稳态结构框图 图2-19转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图（a）闭环调速系统 *(1/)psndepseK K UI RnCK KC稳态结构框图 2转速反馈控制直流调速系统的动态数学模型n一个带有储能环节的线性物理系统

30、的动态过程可以用线性微分方程描述n微分方程的解即系统的动态过程，它包括两部分：动态响应和稳态解n在动态过程中，从施加给定输入值的时刻开始，到输出达到稳态值以前，是系统的动态响应动态响应n系统达到稳态后，可用稳态解来描述系统的稳态特性 建立系统动态数学模型的基本步骤如下：（1 1）根据系统中各环节的物理规律，列出）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；描述该环节动态过程的微分方程；（2 2）求出各环节的传递函数；）求出各环节的传递函数；（3 3）组成系统的动态结构图并求出系统的）组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数。传递函数。图2-18 带转速负反馈的闭环直流调速系统

31、原理框图 控制器环节控制器环节驱动与控制环节驱动与控制环节电动机环节电动机环节给定与比较环节给定与比较环节检测与反馈环节检测与反馈环节（1） 驱动与控制环节传递函数在2.1.1和2.1.2节已经推导了该环节的动态传递函数为：1)(ssssTKsW（电力电子变换器环节）（电力电子变换器环节）(2-33) TL+-MUd0+-E R LneidM图2-20 他励直流电动机等效电路 （2）直流电动机的传递函数EtILRIUddddd0(2-34) 假定主电路电流连续，则动态电压方程为 电路方程电路方程 如果，忽略粘性磨擦及弹性转矩，电机轴上的动力学方程为 (2-35) tnGDTTdd3752Le

32、额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为 dmeICT nCEe(2-36) (2-37) 式中 包括电机空载转矩在内的负载转 矩，N-m； 电力拖动系统折算到电机轴上的飞 轮惯量，N-m2； 电机额定励磁下的转矩系数， N-m/A； em30CCTLGD2 电枢回路电磁时间常数，s； 电力拖动系统机电时间常数，s。RLTlme2m375CCRGDT 定义下列时间常数 代入式（2-34）和（2-35）,并考虑式（2-36）和（2-37），整理后得)dd(dd0dtITIREUltERTIIddmdLdmLdLCTI(2-38) (2-39) 式中 为负载电流。 n 微分方程 在零初始条件下，取等

33、式两侧的拉氏变换，得电压与电流间的传递函数 11)()()(0ddsTRsEsUsIl电流与电动势间的传递函数 sTRsIsIsEmdLd)()()(2-40) (2-41) n 传递函数n 动态结构图 Id (s)IdL(s)+-E (s) R Tmsb. 式（241）的结构图E(s)Ud0+-1/RTl s+1Id (s)a. 式（2-40）的结构图+图2-21 额定励磁下直流电动机动态结构图11)()()(0ddsTRsEsUsIlsTRsIsIsEmdLd)()()(直流电动机的动态结构框图n(s) 1/CeUd0IdL (s) EId (s)+- 1/R Tl s+1 R Tms图2

34、-21 额定励磁下直流电动机动态结构图控制输入量控制输入量扰动输入量扰动输入量 由上图可以看出，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。前者是控制输控制输入量入量，后者是扰动输入量扰动输入量。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a。如果是理想空载，则 IdL = 0，结构图即简化成下图b。 n(s)Ud0 (s)+-1/Ce TmTl s2+Tms+1IdL (s) R (Tl s+1)n 动态结构图的变换和简化a. IdL 0n(s)1/Ce TmTl s2+Tms+1Ud0 (s)n 动态结构图的变换和简化（续）

35、b. IdL= 0 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：（控制器）pnca)()()(KsUsUsW)()()(nfnsnsUsW测速反馈：（2-43） （2-42） （3）放大器（控制器）环节与检测环节的传递函数 知道了各环节的传递函数后，把它们知道了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，就可以按在系统中的相互关系组合起来，就可以画出闭环直流调速系统的动态结构图画出闭环直流调速系统的动态结构图，如下图所示。（4）闭环调速系统的动态结构图图2-23 转速反馈控制直流调速系统的

36、动态结构框图n(s)U*n (s)IdL (s) Uct (s)Un (s)+- KsTss+1KP1/Ce TmTl s2+Tms+1 +-R (Tl s+1)Ud0 (s)是一个三阶线性系统！是一个三阶线性系统！Un (s)（5）调速系统的开环开环传递函数 由图可见，反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是： ) 1)(1()(m2mssTsTTsTKsWl式中 K = Kp Ks / Ce （2-44） （6）调速系统的闭环闭环传递函数 设Idl=0，从给定输入作用上看，闭环直流调速系统的闭环传递函数是 111)(1)1 () 1)(1(/) 1)(1(/1) 1)(1(/)(sm2sm

37、3smespm2msespm2msespm2msespcsKTTsKTTTsKTTTKCKKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsWllllll（2-45） 2.3.2 比例控制的直流调速系统n开环机械特性为 (2-46)n比例控制闭环系统的静特性为 (2-47) opopedenspeddnnCRICUKKCRIUn0*0clcledenspnnKCRIKCUKKn0*)1 ()1 (1开环系统机械特性和比例控制闭环系统静特性的关系开环系统机械特性和比例控制闭环系统静特性的关系U*nn前向通道前向通道（1）闭环系统静特性可以比开环系统 机械特性硬得多n在同样的负载扰

38、动下， 开环系统的转速降落 闭环系统的转速降落n它们的关系是 (2-48)edopCRIn)1 (KCRInedclKnnopcl1（2）闭环系统的静差率要比开环系统小得多n闭环系统的静差率为n开环系统的静差率为n当 时， （2-49）clclclnns0opopopnns0clopnn00Kssopcl1（3）如果所要求的静差率一定，则 闭环系统可以大大提高调速范围n如果电动机的最高转速都是nN，最低速静差率都是s，可得 开环时， 闭环时， n得到 （2-50）)1 (snsnDopNop)1 (snsnDclNclopclDKD)1 ( 上述三项优点若要有效，都取决于一点，即 K 要足够大

39、要足够大，因此必须设置放大器。结论结论： 比例控制的直流调速系统可以获得比开环调速比例控制的直流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，需设置电的要求下，能够提高调速范围，为此，需设置电压放大器和转速检测装置。压放大器和转速检测装置。 图2-24 闭环系统静特性和开环系统机械特性的关系闭环静特性实际上是不闭环静特性实际上是不同电枢电压机械特性族同电枢电压机械特性族同一转速点的连线。同一转速点的连线。n 系统调节过程n开环系统 Id n n闭环系统 Id n Un Un n Ud0 Uc无自动

40、调节能力无自动调节能力有自动调节能力有自动调节能力例如：在图2-24中工作点从A A 例如：在图2-24中工作点从A B结论：结论： 比例控制直流调速系统能够减少稳态比例控制直流调速系统能够减少稳态速降的实质在于它的速降的实质在于它的自动调节作用自动调节作用，在于，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化。压，以补偿电枢回路电阻压降的变化。例题2-3 在例题2-2中，龙门刨床要求D=20，s5%，已知 Ks=30,= 0.015Vmin/r，Ce=0.2Vmin/r，采用比例控制闭环调速系统满足上述要求时，比例放大器的放大系数

41、应该有多少？ 解: n开环系统额定速降为 =275 r/min，n闭环系统额定速降须为 2.63 r/min，由式（2-48）可得n则得n即只要放大器的放大系数等于或大于46。opncln6 .103163. 22751clopnnK462 . 0/015. 0306 .103/espCKKK 比例控制的闭环直流调速系统是一种基比例控制的闭环直流调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有以下三个基本特本的反馈控制系统，它具有以下三个基本特征，也就是反馈控制的基本规律。征，也就是反馈控制的基本规律。 被调量有静差（采用放大器作为控制器）抵抗扰动, 服从给定精度依赖于给定和反馈2反馈控制规律 从静特

42、性分析中可以看出，闭环系统的开环放大开环放大系数系数K值越大，系统的稳态性能越好值越大，系统的稳态性能越好。然而，Kp =常数，稳态速差就只能减小，却不可能消除。因为闭环系统的稳态速降为： 只有 K = ，才能使 ncl = 0，而这是不可能的。因此，这样的调速系统叫做有静差调速系统有静差调速系统。实际上，这种系统正是依靠被调量的偏差进行控制的。)(edcKICRInl（1）比例控制的反馈控制系统是被调量）比例控制的反馈控制系统是被调量有静差的控制系统有静差的控制系统（2）反馈控制系统的作用是：抵抗扰动）反馈控制系统的作用是：抵抗扰动, 服服从给定从给定 反馈控制系统具有良好的抗扰性能，它能有

43、效地抑制一切被负反馈环所包围的前向通道上的扰动作用，但对给定作用的变化则唯命是从。 扰动除给定信号外，作用在控制系统各环节上的一切会引起输出量变化的因素都叫做“扰动作用”。 n 调速系统的扰动源n负载变化的扰动（使Id变化）；n交流电源电压波动的扰动（使Ks变化）；n电动机励磁的变化的扰动（造成Ce 变化 ）；n放大器输出电压漂移的扰动（使Kp变化）；n温升引起主电路电阻增大的扰动（使R变化）；n检测误差的扰动（使变化） 。 n 扰动作用与影响图2-25 闭环调速系统的给定作用和扰动作用 励磁变化励磁变化Id变化变化电源波动电源波动Kp变化变化电阻变化电阻变化检测误差检测误差KpKs 1/Ce

44、U*nUcUnEnUd0Un+- R n 抗扰能力n反馈控制系统对被反馈环包围的前向通道上的扰动都有抑制功能。 例如：例如：Us Ud0 n Un Un n Ud0 Uc n 抗扰能力（续）n但是，如果在反馈通道上的测速反馈系数受到某种影响而发生变化，它非但不能得到反馈控制系统的抑制，反而会增大被调量的误差。例如： Un Un Uc Ud0 n 因此，反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环因此，反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动。包围的前向通道上的扰动。 n 给定作用 与众不同的是在反馈环外的给定作用，如图2-25中的转速给定信号，它的细微变化都会使被调量随之变化，丝毫不受反

45、馈作用的抑制。 结论：结论： 反馈控制系统的规律是：一方面能够有效地抑反馈控制系统的规律是：一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内制一切被包在负反馈环内前向通道前向通道上的扰动作用；上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。号的任何变化都是唯命是从的。n反馈控制系统无法鉴别是对给定电压的正常调节还是不应有的给定电压的电源波动。n反馈检测装置的误差也是反馈控制系统无法克服的。n现代调速系统的发展趋势是用数字给定和数字测速来提高调速系统的精度。 （3）系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度）系统的精度依赖于给定和反

46、馈检测的精度3比例控制闭环直流调速系统的 动态稳定性n比例控制闭环系统的特征方程为 (2-51)n根据三阶系统的劳斯-赫尔维茨判据，系统稳定的充分必要条件是n整理后得 (2-52)0111)(123sKTTsKTTTsKTTTsmslmslm0111)(KTTTKTTKTTTslmsmslmslsslmTTTTTTK2)(psec32msmsms(1)( )()1111lllK KCKW sT TTT TTTTsssKKK右边称作系统的临界放大系数 Kcr, 当 K Kcr 时，系统将不稳定。从稳态精度讲，希望从稳态精度讲，希望K K越大越好。但从动态稳越大越好。但从动态稳定性的角度讲，的最大

47、取值必须严格限制。定性的角度讲，的最大取值必须严格限制。而对于一个自动控制系统来说，稳定性是它能而对于一个自动控制系统来说，稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证的。否正常工作的首要条件，是必须保证的。结论：结论：例题2-4 在例题2-3中，系统采用的是三相桥式可控整流电路，已知电枢回路总电阻 ，电感量 3mH，系统运动部分的飞轮惯量 ，试判别系统的稳定性。0.18R L 2260mNGD解 ：n电磁时间常数n机电时间常数 n晶闸管装置的滞后时间常数为 n为保证系统稳定，应满足的稳定条件：n闭环系统的动态稳定性和例题2-3中稳态性能要求 是矛盾的。sRLTl0167. 018. 0003

48、. 0sCCRGDTmem075. 02 . 0302 . 037518. 0603752sTs00167. 05 .4900167. 00167. 000167. 0)00167. 00167. 0(075. 0)(22slsslmTTTTTTK103.5K 例题2-5 在上题的闭环直流调速系统中，若改用全控型器件的PWM调速系统，电动机不变，电枢回路参数为： ， ， ，PWM开关频率为8 。按同样的稳态性能指标 ， ，该系统能否稳定？如果对静差率的要求不变，在保证稳定时，系统能够达到的最大调速范围有多少？0.1R 1LmH44sK kHz20D 5%s 解 ：0.0010.01 s0.1l

49、LTR2600.10.0417 s375375 0.20.230memGD RTC C10.000125 s8000sT 4 .339000125. 001. 0000125. 0)000125. 001. 0(0417. 0)(22slsslmTTTTTTKn按照稳态性能指标 要求 n nPWM调速系统能够在满足稳态性能指标要求下稳定运行。 20D 5%s 2.63 r/mincln（见例题2-2） 3050.1152.5 r/min0.2NopeI RnC152.511572.63opclnKn 2fmax采样频率进行采样，取出的样品序列就可以代表（或恢复）模拟信号。n在电动机调速系统中，

50、控制对象是电动机的转速和电流，是快速变化的物理量，必须具有较高的采样频率。n微型计算机控制的直流调速系统是一种快速数字采样系统，要求微型计算机在较短的采样周期之内，完成信号的转换、采集，完成按某种控制规律实施的控制运算，完成控制信号的输出。2.4.2转速检测的数字化图2-33 增量式旋转编码器示意图 1旋转编码器n光电式旋转编码器是检测转速或转角的元件，旋转编码器与电动机相连，当电动机转动时，带动编码器旋转，产生转速或转角信号。n旋转编码器可分为绝对式和增量式两种。n绝对式编码器常用于检测转角。n增量式编码器在码盘上均匀地刻制一定数量的光栅，在接收装置的输出端便得到频率与转速成正比的方波脉冲序

51、列，从而可以计算转速。n增加一对发光与接收装置，使两对发光与接收装置错开光栅节距的1/4。n正转时A相超前B相；反转时B相超前A相。n采用简单的鉴相电路可以分辨出转向。 图2-34 区分旋转方向的A、B两组脉冲序列 2数字测速方法的精度指标n（1）分辨率）分辨率n用改变一个计数值所对应的转速变化量来表示分辨率，用符号Q表示。n当被测转速由n1变为n2时，引起记数值增量为1，则该测速方法的分辨率是 （2-75）n分辨率Q越小，说明测速装置对转速变化的检测越敏感，从而测速的精度也越高。12nnQn（2）测速误差率）测速误差率n转速实际值和测量值之差与实际值之比定义为测速误差率，记作 （2-76）n

52、测速误差率反映了测速方法的准确性，越小，准确度越高。100%nn3M法测速n记取一个采样周期内旋转编码器发出的脉冲个数来算出转速的方法称为M法测速，又称频率法测速。 (2-77)式中: n转速，单位为r/min； M1时间Tc内的脉冲个数； z旋转编码器每转输出的脉冲个数; Tc采样周期，单位为s。r/min 601cZTMn n由系统的定时器按采样周期的时间定期地发出一个采样脉冲信号，n计数器记录下在两个采样脉冲信号之间的旋转编码器的脉冲个数。图235 M法测速原理示意图nM法测速分辨率为 （2-78）nM法测速的分辨率与实际转速的大小无关。nM法的测速误差率的最大值为 （2-79）nmax

53、与M1成反比。转速愈低，M1愈小，误差率愈大。 cccZTZTMZTMQ6060) 1(6011%100M1%100ZTM60 ZT)1M(60 ZTM601c1c1c1max4T法测速nT法测速是测出旋转编码器两个输出脉冲之间的间隔时间来计算转速，又被称为周期法测速。n与M法测速不同的是， T法测速所计的是计算机发出的高频时钟脉冲的个数，以旋转编码器输出的相邻两个脉冲的同样变化沿作为计数器的起始点和终止点。图2-36T法测速原理示意图n准确的测速时间是用所得的高频时钟脉冲个数M2计算出来的，即 ，n电动机转速为 （2-80）02/ fMTt026060tfnZTZMnT法测速的分辨率定义为时

54、钟脉冲个数由M2变成(M2-1)时转速的变化量， （2-81）n综合式（2-80）和式（2-81），可得 (2-82)nT法测速的分辨率与转速高低有关，转速越低，Q值越小，分辨能力越强。) 1(6060) 1(602202020MZMfZMfMZfQZnfZnQ0260nT法测速误差率的最大值为 （2-83）n低速时，编码器相邻脉冲间隔时间长，测得的高频时钟脉冲M2个数多，误差率小，测速精度高。nT法测速更适用于低速段。0022max0226060 (1)1100%100%601ffZ MZMfMZM5M/T法测速n在M法测速中，随着电动机的转速的降低，计数值减少，测速装置的分辨能力变差，测速

55、误差增大。nT法测速正好相反，随着电动机转速的增加，计数值减小，测速装置的分辨能力越来越差。n综合这两种测速方法的特点，产生了M/T测速法，它无论在高速还是在低速时都具有较高的分辨能力和检测精度。图2-37 M/T法测速原理示意图n关键是和计数同步开始和关闭，实际的检测时间与旋转编码器的输出脉冲一致，能有效减小测速误差。n采样时钟Tc 由系统的定时器产生，其数值始终不变。n检测周期由采样脉冲Tc的边沿之后的第一个脉冲编码器的输出脉冲的边沿来决定，即T= Tc T1+ T2 。 n检测周期T内被测转轴的转角为 (2-84)n旋转编码器每转发出Z个脉冲，在检测周期T内旋转编码器发出的脉冲数是M1，

56、则 (2-85)n若时钟脉冲频率是f0，在检测周期T内时钟脉冲计数值为M2 ，则 (2-86)n综合式(2-84)、式(2-85)和式(2-86)便可求出被测的转速为： (2-87)260nTZM2102fMT 210ZMMf60n n在高速段，TcT1，TcT2，可看成TTc： (2-88)nM2f0Tf0Tc，代入式（2-88)可得： (2-89) n在高速段，与M法测速的分辨率完全相同。n在低速段，M11，M2随转速变化，分辨率与T法测速完全相同。nM/T法测速无论是在高速还是在低速都有较强的分辨能力。202102106060) 1(60ZMfZMMfZMMfQcZT60Q n在M/T法

57、测速中，检测时间是以脉冲编码器的输出脉冲的边沿为基准，计数值M2最多产生一个时钟脉冲的误差。nM2的数值在中、高速时，基本上是一个常数 M2Tf0Tcf0，其测速误差率为 ，n在低速时， M2 Tf0 Tcf0 ，nM/T法测速具有较高的测量精度。 %1001M122.4.3数字PI调节器nPI调节器的传递函数列出如下： （2-56） n输出函数和输入误差函数关系的时域表达式为 （2-90） 式中 Kp 为比例系数，KI 为积分系数。n转换为差分方程，其第k拍输出为 （2-91） 式中Tsam为采样周期。1( )pPIKsWssdtteKteKdtteteKtuIPp)()()(1)()(1(

58、 )( )( )( )( )( )( )(1)kPIsamPiiPIsamiu kK e kK Te iK e ku kK e kK Te ku kn数字PI调节器有位置式和增量式两种算法，n位置式算法中，u(k)为第k拍的输出值。比例部分只与当前的偏差有关，积分部分则是系统过去所有偏差的累积。n增量式算法只需要当前的和上一拍的偏差即可计算输出值。 )() 1()() 1()()(keTKkekeKkukukusamIP( )(1)( )(1)( )(1)( )PIsamu ku ku ku kKe ke kK Te k（2-93） （2-94） n在数字控制算法中，要对u限幅，须在程序内设置

59、限幅值 um，当|u(k)|um时，便以限幅值 um作为输出。n增量式PI调节器算法只需输出限幅，n位置式算法必须同时设积分限幅和输出限幅，缺一不可。若没有积分限幅，积分项可能很大，将产生较大的退饱和超调。2.5 转速反馈控制直流调速系统的 限流保护2.5.1 转速反馈控制直流调速系统的过流问题转速反馈控制直流调速系统的过流问题n在转速反馈控制直流调速系统上突加给定电压时，电枢电压立即达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，会造成电动机过流。n当直流电动机被堵转时，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器来保护，过载时就跳闸。n系统中必须有自动限制电枢电流的环节。n引入电流负反

60、馈，可以使它不超过允许值。但这种作用只应在起动和堵转时存在，在正常的稳速运行时又得取消。n当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈，叫做电流截止负反馈电流截止负反馈。2.5.2带电流截止负反馈环节的 直流调速系统图2-38电流截止负反馈环节（a）利用独立直流电源作比较电压（b）利用稳压管产生比较电压1电流截止负反馈环节n电流反馈信号取自串入电动机电枢回路中的小阻值电阻Rs，IdRc正比于电流。n图2-38(a)中用独立的直流电源作为比较电压Ucom，其大小可用电位器调节，n在IdRc与Ucom之间串接一个二极管VD，当IdRc Ucom时，二极管导通，电流负反馈信号Ui即可加到放大器上去；当Id