直流调速 第1章 绪论

1、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第第1章章绪论绪论现代运动控制技术现代运动控制技术 电机学、电力电电机学、电力电子技术、微电子子技术、微电子技术、计算机控技术、计算机控制技术、控制理制技术、控制理论、信号检测与论、信号检测与处理技术等多门处理技术等多门学科相互交叉的学科相互交叉的综合性学科综合性学科 。图图1-1运动控制及其相关学科运动控制及其相关学科1.1 运动控制系统及其组成运动控制系统及其组成 图图1-2 运动控制系统及其组成运动控制系统及其组成运动控制系统的控制对象运动控制系统的控制对象电动机电动机l从类型上分从类型上分:直流电动机、交流感应电动机（交

2、流异直流电动机、交流感应电动机（交流异步电动机）和交流同步电动机。步电动机）和交流同步电动机。l从用途上分从用途上分:用于调速系统的拖动电动机和用于伺服用于调速系统的拖动电动机和用于伺服系统的伺服电动机。系统的伺服电动机。运动控制系统的功率放大与变运动控制系统的功率放大与变换装置换装置 (1)半控型向全控型发展半控型向全控型发展; 半控型半控型：晶闸管；：晶闸管； 全控型全控型：GTO,GTR,MOSFET,IGBT (2)低频开关向高频开关发展低频开关向高频开关发展; (3)分立的器件向具有复合功能的功分立的器件向具有复合功能的功 率模块发展率模块发展;运动控制系统的控制器运动控制系统的控制

3、器l模拟控制器模拟控制器（1）物理概念清晰、控制信号流向直观；）物理概念清晰、控制信号流向直观；（2）控制规律体现在硬件电路；）控制规律体现在硬件电路；（3）线路复杂、通用性差；）线路复杂、通用性差；（4）控制效果受到器件性能、温度等因）控制效果受到器件性能、温度等因 素素的影响；的影响；运动控制系统的控制器运动控制系统的控制器l以微处理器为核心的数字控制器：以微处理器为核心的数字控制器：（1）硬件电路标准化程度高；）硬件电路标准化程度高；（2）控制规律体现在软件上，修改灵）控制规律体现在软件上，修改灵活方便；活方便；（3）拥有信息存储、数据通信和故障）拥有信息存储、数据通信和故障诊断等功能；

4、诊断等功能；运动控制系统的信号检测与处理运动控制系统的信号检测与处理l信号检测：信号检测： 电压、电流、转速和位置等信号；电压、电流、转速和位置等信号；l信号转换：信号转换： 电压匹配、极性转换、脉冲整形等；电压匹配、极性转换、脉冲整形等；l数据处理：数据处理： 信号滤波；信号滤波；1.2 运动控制系统的历史与发展运动控制系统的历史与发展l电力电子技术和微电子技术带动了电力电子技术和微电子技术带动了新一代交流调速系统的兴起与发展，新一代交流调速系统的兴起与发展，打破了直流调速系统一统高性能拖打破了直流调速系统一统高性能拖动天下的格局。动天下的格局。l进入进入21世纪后，用交流调速系统取世纪后，

5、用交流调速系统取代直流调速系统已成为不争的事实。代直流调速系统已成为不争的事实。1.2 运动控制系统的历史与发展运动控制系统的历史与发展l直流调速系统直流调速系统直流电动机的数学模型简单，转矩易直流电动机的数学模型简单，转矩易于控制。转矩与电枢电流成正比。于控制。转矩与电枢电流成正比。 直流调速系统不仅在理论和实践上都直流调速系统不仅在理论和实践上都比较成熟，而且直流调速又是交流调速比较成熟，而且直流调速又是交流调速的基础，因此掌握直流调速的基本规律的基础，因此掌握直流调速的基本规律和控制方法是非常必要地。和控制方法是非常必要地。l忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，运忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，运动

6、控制系统的简化运动方程式动控制系统的简化运动方程式mmemdtdLTTdtdJ1.3 运动控制系统的转矩控制规律运动控制系统的转矩控制规律 LeTTdtnGD375d2GD2:转动惯量，习惯称飞转动惯量，习惯称飞轮力矩（轮力矩（N. m2）,且且GD2=4gJ;l转矩控制是运动控制的根本问题转矩控制是运动控制的根本问题 要控制转速和转角，唯一的途径就是要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机的电磁转矩，使转速变控制电动机的电磁转矩，使转速变化率按人们期望的规律变化。化率按人们期望的规律变化。1.3 运动控制系统的转矩控制规律运动控制系统的转矩控制规律 1.4 生产机械的负载转矩特性生产机械的

7、负载转矩特性l生产机械的负载转矩是一个必然存生产机械的负载转矩是一个必然存在的不可控扰动输入。在的不可控扰动输入。l归纳出几种典型的生产机械负载转归纳出几种典型的生产机械负载转矩特性，实际负载可能是多个典型矩特性，实际负载可能是多个典型负载的组合，应根据实际负载的具负载的组合，应根据实际负载的具体情况加以分析。体情况加以分析。恒转矩负载恒转矩负载 l负载转矩的大小负载转矩的大小恒定，称作恒转恒定，称作恒转矩负载矩负载a）位能性恒）位能性恒转矩负载转矩负载 b) 反抗性恒转反抗性恒转矩负载矩负载图1-3 恒转矩负载LT 常数恒功率负载恒功率负载l负载转矩与转负载转矩与转速成反比，而速成反比，而功

8、率为常数，功率为常数，称作恒功率负称作恒功率负载载图1-4 恒功率转矩负载 mmLLPT常数风机、泵类负载风机、泵类负载 l负载转矩与转速负载转矩与转速的平方成正比，的平方成正比，称作风机、泵类称作风机、泵类负载负载图1-5 风机、泵类负载22mnLT第一篇第一篇 直流调速系统直流调速系统 给定元件参数串联校正装置放大元件执行机构被控对象反馈校正装置测量装置输出量自动控制系统的基本功能自动控制系统的基本功能信号的传递、加工和比较信号的传递、加工和比较。四.自动控制系统的性能指标n控制系统的控制系统的性能指标性能指标包含：包含：n稳定性、稳态特性、动态特性稳定性、稳态特性、动态特性n稳定性稳定性

9、：系统的首要条件：系统的首要条件n稳态特性稳态特性：稳态误差：稳态误差n动态特性动态特性：动态跟随特性，：动态跟随特性， 动态抗扰特性动态抗扰特性五.研究自动控制系统的方法定性分析定性分析建立数学模型建立数学模型定量分析定量分析对系统校正对系统校正工程实践工程实践 定性分析建立数学模型定性分析对系统校正工程实践YN满意？六.本课程与其它课程的关系n先修课程先修课程n 电机学、自控原理、电力电子技术电机学、自控原理、电力电子技术q 直直 流流 调调 速速 引引 言言 直流电动机具有良好的起、制动性能，直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调宜于在大范围内平滑调速，在

10、许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。广泛的应用。 由于直流拖动控制系统在理论上和实由于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，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，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。很好地掌握直流拖动控制系统。根据直流电机转速方程根据直流电机转速方程 eKIRUnq 直流调速方法直流调速方法nUIRKe式中式中 转速（转速（r/min）；）； 电枢电压（电枢电

11、压（V）；）； 电枢电流（电枢电流（A）；）； 电枢回路总电阻（电枢回路总电阻（ ）；）； 励磁磁通（励磁磁通（Wb）；）； 由电机结构决定的电动势常数。由电机结构决定的电动势常数。（1-1） 由上式可以看出，有三种方法调节电由上式可以看出，有三种方法调节电动机的转速：动机的转速： （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。eKIRUn（1）调压调速）调压调速n工作条件：工作条件： 保持励磁保持励磁 = N ； 保持电阻保持电阻 R = Ran调节过程：调节过程： 改变电压改变电压 UN U U n ，

12、n0 n调速特性：调速特性： 转速下降，机械特性转速下降，机械特性曲线平行下移。曲线平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线（2）调阻调速）调阻调速n工作条件：工作条件： 保持励磁保持励磁 = N ； 保持电压保持电压 U =UN ；n调节过程：调节过程： 增加电阻增加电阻 Ra R R n ，n0不变；不变；n调速特性：调速特性： 转速下降，机械特性转速下降，机械特性曲线变软。曲线变软。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3调阻调速特性曲线（3）调磁调速）调磁调速n工作条件：工作条件： 保持电压保持电压 U =UN ； 保持电阻保持电阻 R = R a ；n调节过程：调节过程： 减小励磁减小励磁 N n ， n0 n调速特性：调速特性： 转速上升，机械特性转速上升，机械特性曲线变软。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三种调速方法的性能与比较 对于要求在一定范围内无级平滑调速对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式的系统来说，以调节电