电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统

直流调速系统电力拖动自动控制系统第1篇电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第1页直流电机转速方程:

回顾：直流调速方法

由上式得出：有三种方法调整电动机转速。（1）调整电枢供电电压U；（2）减弱励磁磁通

；（3）改变电枢回路电阻R。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第2页（1）调压调速工作条件：保持励磁=N；保持电阻R=Ra调整过程：改变电压UN

U

U

n，n0

调速特征：转速下降，机械特征曲线平行下移。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3调压调速特征曲线电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第3页（2）调阻调速工作条件：保持励磁=N

；保持电压U=UN；调整过程：增加电阻Ra

R

R

n，n0不变；调速特征：转速下降，机械特征曲线变软。nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3调阻调速特征曲线电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第4页（3）弱磁调速工作条件：保持电压U=UN

；保持电阻R=Ra；调整过程：减小励磁

N

n，n0

调速特征：转速上升，机械特征曲线变软。nn0OTeTL

N

1

2

3nNn1n2n3调磁调速特征曲线电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第5页※自动控制直流调速系统往往以调压调速为主。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第6页第2章单闭环控制直流调速系统2.1直流调速系统用可控电源2.2稳态调速性能指标和直流调速系统机械特征2.3转速反馈控制直流调速系统2.4直流调速系统数字控制2.5转速反馈控制直流调速系统限流保护2.6转速反馈控制直流调速系统仿真电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第7页晶闸管整流器——用可控整流器，以取得可调直流电压。直流脉宽调制变换器(PWM)——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进行脉宽调制，以产生可变平均电压。2.1直流调速系统用可控直流电源电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第8页2.1.1晶闸管整流器-电动机系统电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第9页思索：1半控整流，电机可运行哪些象限？2全控整流，电机可运行哪些象限3若要四象限运行，可怎样改进？电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第10页晶闸管-电动机系统机械特征

当电流连续时，V-M系统机械特征方程式为式中Ce=Ke

N电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第11页（1）电流连续情况结论：只要电流连续，晶闸管可控整流器就能够看成是一个线性可控电压源。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第12页（2）V-M系统完整机械特征当电流连续时，特征比较硬；断续段特征则很软，而且呈显著非线性，理想空载转速翘得很高。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第13页晶闸管触发和整流装置放大系数和传递函数在进行调速系统分析和设计时，能够把晶闸管触发和整流装置看成系统中一个步骤来对待。应用线性控制理论进行直流调速系统分析或设计时，须事先求出这个步骤放大系数和传递函数。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第14页（1）晶闸管触发和整流装置放大系数计算

晶闸管触发和整流装置放大系数可由工作范围内特征率决定，计算方法是

电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第15页假如不可能实测特征，可依据装置参数估算。比如：设触发电路控制电压调整范围为

Uc=0~10V相对应整流电压改变范围是

Ud=0~220V可取Ks

=220/10=22晶闸管触发和整流装置放大系数估算电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第16页（2）晶闸管触发和整流装置传递函数在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后步骤，其滞后效应是由晶闸管失控时间引发。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第17页

晶闸管触发与整流失控时间分析电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第18页最大可能失控时间就是两个相邻自然换相点之间时间，与交流电源频率和整流电路形式相关，由下式确定:

最大失控时间计算式中

—交流电流频率；—一周内整流电压脉冲波数。fm电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第19页

Ts

值选取

相对于整个系统响应时间来说，Ts是不大，在普通情况下，可取其统计平均值Ts

=Tsmax/2，并认为是常数。下表列出了不一样整流电路失控时间。各种整流电路失控时间（f=50Hz）电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第20页用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置输入-输出关系为

传递函数求取按拉氏变换位移定理，晶闸管装置传递函数为电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第21页上式中包含指数函数，它使系统为非最小相位系统，分析和设计麻烦。为了简化，先将该指数函数按台劳级数展开，则变成

考虑到Ts

很小，可忽略高次项，则传递函数便近似成一阶惯性步骤。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第22页晶闸管触发与整流装置动态结构电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第23页V-M系统特点(与G-M系统相比较)弱点控制强电。在控制作用快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提升系统动态性能。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第24页

V-M系统问题因为晶闸管单向导电性，它不允许电流反向，给系统可逆运行造成困难。晶闸管对过电压、过电流和过高dV/dt与di/dt都十分敏感，若超出允许值会在很短时间内损坏器件。由谐波与无功功率引发电网电压波形畸变，殃及附近用电设备，造成“电力公害”。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第25页思索：（1）什么是电压系数，不可逆PWM变换电路电压系数是什么？（2）P57（2-1）2.1.2直流PWM变换器-电动机系统电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第26页机械特征方程1直流脉宽调速系统机械特征式中Cm—电机在额定磁通下转矩系数；

n0=

Us

/Ce

—理想空载转速，与电压系数成正比。或用转矩表示，电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第27页PWM调速系统机械特征电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第28页2PWM控制与变换器数学模型

PWM控制与变换器动态数学模型和晶闸管触发与整流装置基本一致。其传递函数能够写成:电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第29页当开关频率为10kHz时，T=0.1ms，在普通电力拖动自动控制系统中，时间常数这么小滞后步骤能够近似看成是一个一阶惯性步骤，所以,与晶闸管装置传递函数完全一致。注意：Ts＜T（开关周期）电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第30页3电能回馈与泵升电压限制PWM变换器直流电源通常由交流电网经不可控二极管整流器产生，并采取大电容C滤波，以取得恒定直流电压，电容C同时对感性负载无功功率起储能缓冲作用。

电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第31页泵升电压产生原因该系统当电机制动时会反馈能量。因为直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作“泵升电压”。

电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第32页泵升电压限制电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第33页限流电阻，延时开关电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第34页※PWM系统特点（1）主电路线路简单，需用功率器件少；（2）开关频率高，电流轻易连续，谐波少，电机损耗及发烧都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；（4）若与快速响应电机配合，动态响应快，动态抗扰能力强；电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第35页※PWM系统特点（续）（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当初，开关损耗也不大，因而装置效率较高；（6）直流电源采取不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第36页小结两种可控直流电源，V-M系统在上世纪60~70年代得到广泛应用，当前主要用于大容量、调速精度要求较低系统。直流PWM调速系统作为一个新技术，发展快速，在中、小容量系统中应用日益广泛。V-M系统是大容量中主要直流调速系统。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第37页1.控制要求（1）调速（2）稳速（3）加、减速2.2.1转速控制要求和稳态调速性能指标2.2稳态性能指标和直流调速系统机械特征电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第38页2.调速指标调速范围：生产机械要求电动机提供最高转速和最低转速之比用字母

D

表示.其中nmin

和nmax

普通都指电机额定负载时转速.电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第39页静差率：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应转速降落

nN

与理想空载转速n0之比，称作静差率

s

.※如理想空载转速相同,机械特征越硬,S越低.对系统而言,要求S越低越好.机械特征硬度一样,S是否一样??电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第40页3.静差率与机械特征硬度区分对于一样硬度特征，理想空载转速越低时，静差率越大，转速相对稳定度也就越差。调速系统静差率指标应以最低速时所能到达数值为准。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第41页4.调速范围、静差率和额定速降之间关系

设：电机额定转速nN为最高转速，转速降落为

nN，则该系统静差率应该是最低速时静差率，即于是，最低转速为

电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第42页而调速范围为

将上面式代入nmin，得

惯用公式,了解记忆!!s值越小时，系统能够允许调速范围也越小。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第43页eg1: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30%时，允许多大调速范围？假如要求静差率20%，则调速范围是多少？假如希望调速范围到达10，所能满足静差率是多少？结论1：

一个调速系统调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率转速可调范围。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第44页2.2.2开环直流调速系统机械特征开环调速系统，即无反馈控制直流调速系统。调整控制电压Uc就能够改变电动机转速。晶闸管整流器和PWM变换器都是可控直流电源，用UPE来统一表示可控直流电源.电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第45页开环调速系统原理图电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第46页机械特征开环调速系统中各步骤稳态关系以下： 电力电子变换器

直流电动机

开环调速系统机械特征为电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第47页开环调速系统稳态结构图电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第48页开环直流调速系统机械特征电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第49页eg2:某龙门刨床工作台拖动采取直流电动机，其额定数据以下：60kW、220V、305A、1000r/min，采取V-M系统，主电路总电阻R=0.18

，Ra=0.05，假如要求调速范围D=20，静差率5%，采取开环调速能否满足？若要满足这个要求，系统额定速降最多能有多少？△n（开环实际）=275r/min△n（理想）=2.63r/min电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第50页2.3转速反馈控制直流调速系统依据自动控制原理，将系统被调整量作为反馈量引入系统，与给定量进行比较，用比较后偏差值对系统进行控制，能够有效地抑制甚至消除扰动造成影响，而维持被调整量极少改变或不变，这就是反馈控制基本作用。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第51页2.3.1转速反馈控制直流调速系统数学模型在负反馈基础上“检测误差，用以纠正误差”这一原理组成系统，其输出量反馈传递路径组成一个闭合环路，所以被称作闭环控制系统。在直流调速系统中，被调整量是转速，所组成是转速反馈控制直流调速系统。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第52页1．转速反馈控制直流调速系统静特征带转速负反馈闭环直流调速系统原理框图运放（比较）调整器测速发电机给定步骤电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第53页电压比较步骤

放大器电力电子变换器

调速系统开环机械特征测速反馈步骤

稳态关系Kp—放大器电压放大系数；Ks—电力电子变换器电压放大系数；

—转速反馈系数（V·min/r）；Ud0—UPE理想空载输出电压；R—电枢回路总电阻。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第54页反馈控制静特征方程式式中:—闭环系统开环放大系数闭环调速系统静特征表示闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）间稳态关系。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第55页转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第56页2．转速反馈控制直流调速系统动态数学模型一个带有储能步骤线性物理系统动态过程能够用线性微分方程描述，微分方程解即系统动态过程，它包含两部分：动态响应和稳态解。在动态过程中，从施加给定输入值时刻开始，到输出到达稳态值以前，是系统动态响应；系统到达稳态后，可用稳态解来描述系统稳态特征。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第57页建立系统动态数学模型基本步骤以下：（1）列出描述该步骤动态过程微分方程；（2）求出各步骤传递函数；（3）组成系统动态结构图并求出系统传递函数。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第58页（1）UPE步骤传递函数电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第59页（2）直流电动机传递函数※主电路电流连续，则动态电压方程为

电路方程电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第60页电机轴上动力学方程为

额定励磁下感应电动势和电磁转矩分别为

TL—包含电机空载转矩在内负载转矩GD2—电力拖动系统折算到电机轴上飞轮惯量Cm—电机额定励磁下转矩系数，

电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第61页—电枢回路电磁时间常数，s；—电力拖动系统机电时间常数，s。定义以下时间常数电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第62页整理后得式中为负载电流。

微分方程电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第63页取等式两侧拉氏变换，得电压与电流间传递函数

电流与电动势间传递函数

传递函数电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第64页电枢回路动态结构图

1/CeUd0(s)IdL

(s)

E(s)Id(s)E(s)++--1/RTls+1RTmsn(s)整个直流电动机动态结构图控制输入量扰动量电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第65页n(s)Ud0

(s)+-1/CeTmTls2+Tms+1IdL

(s)R(Tls+1)动态结构图变换和简化电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第66页直流闭环调速系统中其它步骤还有百分比放大器和测速反馈步骤，它们响应都能够认为是瞬时，所以它们传递函数就是它们放大系数，即放大器测速反馈（3）控制与检测步骤传递函数电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第67页（4）闭环调速系统动态数学模型

反馈控制闭环调速系统动态结构图n(s)U*n(s)IdL

(s)

Uct

(s)Un(s)+-KsTss+1KP1/CeTmTl

s2+Tms+1

+-R(Tls+1)Ud0(s)电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第68页（5）反馈控制调速系统闭环传递函数设Idl=0，从给定看，闭环直流调速系统闭环传递函数是

电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第69页（6）反馈控制闭环直流调速系统稳定条件由闭环传函知:系统特征方程为

它普通表示式为

电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第70页

依据劳斯判据，系统稳定充分必要条件是

因特征方程中各项系数显然都是大于零，所以稳定条件就只有整理后得惯用,了解记忆!!电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第71页断开反馈回路，则系统开环机械特征为

而闭环时静特征可写成

2.3.2百分比控制直流调速系统

(闭环与开环系统比较)1．开环系统机械特征和百分比控制闭环系统静特征关系电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第72页（1）闭环系统静特征能够比开环系统机械特性硬得多。系统特征比较（2）假如比较同一n0开环和闭环系统，则闭环系统静差率要小得多。

电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第73页（3）当要求静差率一定时，闭环系统能够大大提升调速范围。（4）上述三项优点若要有效，都取决于一点，即K

要足够大，所以必须设置放大器。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第74页结论2：

闭环调速系统能够取得比开环调速系统硬得多稳态特征，从而在确保一定静差率要求下，能够提升调速范围，为此所需付出代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。

电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第75页eg3:已知Ks=30，

=0.015V·min/r，怎样采取闭环系统满足此要求？

eg2:某龙门刨床工作台拖动采取直流电动机，其额定数据以下：60kW、220V、305A、1000r/min，采取V-M系统，主电路总电阻R=0.18

，Ra=0.05，假如要求调速范围D=20，静差率5%，采取开环调速能否满足？若要满足这个要求，系统额定速降最多能有多少？△n（开环实际）=275r/min△n（理想）=2.63r/min电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第76页闭环系统Id

n

Un

Un

n

Ud0

Uc

开环系统

Id

n比如：在图中工作点从AA’

系统调整过程电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第77页结论3:

闭环系统能够降低稳态速降实质在于它自动调整作用，在于它能伴随负载改变而对应地改变电枢电压，以赔偿电枢回路电阻压降。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第78页2．反馈控制规律(1)被调量有静差(2)抵抗扰动,服从给定(3)系统精度依赖于给定和反馈检测精度电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第79页eg4:当电网电压、负载转矩、电动机励磁电流、电枢电阻、测速发电机励磁发生改变时，系统有没有调整作用？KpKs

1/CeU*nUc∆UnEnUd0Un++--

R

Id电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第80页常见扰动源电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第81页结论4：反馈控制系统规律是：一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上扰动作用；其次，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号任何变化都是唯命是从。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第82页3．百分比控制闭环直流调速系统动态稳定性Eg5:p332-4电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第83页2.3.3百分比积分控制无静差直流调速系统在百分比控制直流V-M调速系统中，稳态性能和动态稳定性要求经常是相互矛盾。依据自动控制原理，要处理这个矛盾，必须恰当地设计动态校正装置，用来改造系统。在电力拖动自动控制系统中，惯用串联校正和反馈校正。对于带电力电子变换器直流闭环调速系统，传递函数阶次较低，普通采取PID调整器串联校正方案就能完成动态校正任务。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第84页1积分调整器和积分控制规律

(1)积分调整器++CUexRbalUinR0+A积分调整器电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第85页

UexUinUexmtUinUexOb)阶跃输入时输出特征(2)积分调整器特征电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第86页(3)转速积分控制规律假如采取积分调整器，则控制电压Uc是转速偏差电压

Un积分，应有每一时刻Uc

大小和

Un

与横轴所包围面积成正比.电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第87页积分调整器输入和输出动态过程a)阶跃输入b)普通输入输入和输出动态过程电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第88页积分控制规律和百分比控制规律根本区分：百分比调整器输出只取决于输入偏差量现实状况，而积分调整器输出则包含了输入偏差量全部历史。积分调整器到稳态时ΔUn=0，只要历史上有过ΔUn，其积分就有一定数值，足以产生稳态运行所需要控制电压。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第89页(4)百分比与积分控制比较

有静差调速系统当负载转矩由TL1突增到TL2时，有静差调速系统转速n、偏差电压

Un

和控制电压Uc

改变过程示于右图。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第90页无静差

调速系统（P22图1-31）即使现在

Un=0，只要历史上有过

Un，其积分就有一定数值，足以产生稳态运行所需要控制电压Uc。积分控制规律和百分比控制规律根本区分就在于此。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第91页Kpi=R1/R0

τ=R0C1++C1RbalUinR0+AR1Uex(5)百分比积分控制规律

电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第92页UexUinUexmtUinUexOKpiUinPI调整器输入，输出特征百分比部分能快速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。

电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第93页在闭环调速系统中，采取PI调整器输出部分Uc由两部分组成，百分比部分①和ΔUn成正比，积分部分②表示了从t=0到此时刻对ΔUn(t)积分值，Uc是这两部分之和。闭环系统中PI调整器输入和输出动态过程电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第94页※思索题：1在转速负反馈单闭环有静差系统中，突减负载后系统又进入稳定运行状态，此时，输出电压Ud是增加，减小还是不变？2在无静差调速系统中，突加负载后进入稳态时转速和输出电压Ud是增加，降低还是不变？电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第95页3

有一积分器，以下列图a所表示，其输入信号Uin为阶跃信号，若反馈信号波形如图b中Uf1或Uf2，问:在不考虑积分器限幅时，所表示两种反馈情况下积分输出是否一样？电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第96页2.3.4直流调速系统稳态误差分析百分比积分控制直流调速系统动态结构框图（转速调整器用ASR表示）电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第97页使用百分比调整器时，系统开环传递函数为

式中

使用积分调整器时，系统开环传递函数为

式中

电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第98页使用百分比积分调整器时，系统开环传递函数为

式中

电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第99页依据系统开环传递函数中积分步骤数目划分控制系统类型，百分比控制调速系统是0型系统，积分控制、百分比积分控制调速系统是Ⅰ型系统。给定稳态误差定义为输入量和反馈量差值，即扰动误差定义为扰动量输出响应。衡量系统控制准确度是系统对给定输入Un*跟随能力；衡量系统抑制干扰能力是系统抑制负载电流IdL抗扰能力。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第100页1．阶跃给定输入稳态误差在分析阶跃给定输入稳态误差时，令IdL(s)=0。百分比调整器系统误差传递函数为

阶跃给定输入稳态误差是电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第101页积分调整器系统误差传递函数为

阶跃给定输入稳态误差是电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第102页百分比积分调整器系统误差传递函数为

阶跃给定输入稳态误差是电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第103页在系统稳定情况下:0型系统对于阶跃给定输入稳态有差，被称作有差调速系统；Ⅰ型系统对于阶跃给定输入稳态无差，被称作无差调速系统。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第104页2．扰动引发稳态误差在分析由扰动引发稳态误差时，令Un*(s)=0。百分比调整器系统误差为

阶跃扰动引发稳态误差是

电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第105页积分调整器系统误差为

阶跃扰动引发稳态误差是

电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第106页百分比积分调整器系统误差为

阶跃扰动引发稳态误差是

电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第107页百分比控制调速系统，该传递函数无积分步骤，故存在扰动引发稳态误差，称作有静差调速系统；积分控制或百分比积分控制调速系统，该传递函数含有积分步骤，所以由阶跃扰动引发稳态误差为0，称作无静差调速系统。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第108页微机数字控制系统除稳定性好，可靠性高，能够提升控制性能外，还拥有信息存放、数据通信和故障诊疗等模拟控制系统无法实现功效。微机数字控制系统主要特点是离散化和数字化。2.4直流调速系统数字控制电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第109页离散化：

为了把模拟连续信号输入计算机，必须首先在含有一定周期采样时刻对它们进行实时采样，形成一连串脉冲信号，即离散模拟信号，这就是离散化。采样周期依据香农采样定理决定。Otf(t)原信号Onf(nT)1234…采样电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第110页数字化：

采样后得到离散信号本质上还是模拟信号，还须经过数字量化，即用一组数码（如二进制码）来迫近离散模拟信号幅值，将它转换成数字信号，这就是数字化。数字化OnN(nT)电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第111页离散化和数字化负面效应（1）A/D转换量化误差。（2）D/A转换滞后效应：经过计算机运算和处理后输出数字信号必须由数模转换器D/A和保持器将它转换为连续模拟量，再经放大后驱动被控对象。保持器会提升控制系统传递函数分母阶次，使系统稳定裕量减小，甚至会破坏系统稳定性。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第112页2.4.2转速检测数字化增量式旋转编码器示意图电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第113页1．旋转编码器光电式旋转编码器是检测转速或转角元件，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。旋转编码器可分为绝对式和增量式两种。绝对式编码器惯用于检测转角。增量式编码器在码盘上均匀地刻制一定数量光栅，在接收装置输出端便得到频率与转速成正比方波脉冲序列，从而能够计算转速。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第114页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1/4。正转时A相超前B相；反转时B相超前A相。采取简单鉴相电路能够分辨出转向。下列图区分旋转方向A、B两组脉冲序列电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第115页（1）分辩率：

设被测转速由n1变为n2时，引发测量计数值改变了一个字，则测速装置分辩率定义为Q=n1-n2（转/分）

Q越小，测速装置分辩能力越强；

Q越小，系统控制精度越高。2．数字测速方法精度指标电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第116页（2）测速精度测速精度是指测速装置对实际转速测量准确程度，惯用测量值与实际值相对误差来表示，即：测量误差

越小，测速精度越高。

大小取决于测速元件制造精度和测速方法。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第117页（3）检测时间Tc

检测时间是指两次转速采样之间时间间隔。

检测时间越短，系统响应越快，对改进系统性能越有利。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第118页（1）M法测速工作原理：由计数器统计PLG发出脉冲信号；定时器每隔时间Tc向CPU发出中止请求INTt；CPU响应中止后，读出计数值M1，并将计数器清零重新计数；依据计数值M计算出对应转速值n。测速原理与波形图3.测速方法电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第119页转速计算公式式中：Z为PLG每转输出脉冲个数；M法测速分辨率电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第120页M法测速误差率M法测速只适合用于高速段。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第121页(2)T法测速工作原理：计数器统计来自CPU高频脉冲f0；PLG每输出一个脉冲，中止电路向CPU发出一次中止请求；CPU响应INTn中止，从计数器中读出计数值M2，并马上清零，重新计数。电路与波形电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第122页转速计算公式T法测速分辨率结论：n越小，Q越小。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第123页Ｔ法测速误差率故T法测速适合用于低速段。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第124页M法测速在高速段误差小；T法测速在低速段分辨率强，误差小。

所以，能够将两种测速方法相结合，取长补短。既检测Tc时间内旋转编码器输出脉冲个数M1，又检测同一时间间隔高频时钟脉冲个数M2，用来计算转速，称作M/T法测速。两种测速方法比较电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第125页(3)M/T法测速采样时钟Tc由系统定时器产生，其数值一直不变。检测周期由采样脉冲Tc边缘之后第一个脉冲编码器输出脉冲边缘来决定，即T=Tc–ΔT1+ΔT2。

电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第126页转速计算公式（1）（2）电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第127页在高速段，Tc

ΔT1，Tc

ΔT2，可看成T

Tc：

M2＝f0T

f0Tc，代入上式可得：

在高速段，与M法测速分辨率完全相同。在低速段，M1＝1，M2随转速改变，分辨率与T法测速完全相同。M/T法测速不论是在高速还是在低速都有较强分辨能力。M/T法在高低速时都含有较高测量精度。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第128页（1）PI调整器传递函数PI调整器时域表示式其中Kp=Kpi为百分比系数KI=1/

为积分系数2.4.3数字PI调整器电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第129页（2）PI调整器差分方程将上式离散化成差分方程，其第k拍输出为式中Tsam为采样周期。位置式算法算法特点是：百分比部分只与当前偏差相关，而积分部分则是系统过去全部偏差累积。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第130页增量式PI调整器算法PI调整器输出可由下式求得增量式算法电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第131页（3）限幅值设置与模拟调整器相同，在数字控制算法中，需要对u限幅，这里，只须在程序内设置限幅值um，当u(k)>um时，便以限幅值um作为输出。增量式PI调整器算法只需输出限幅，而位置式算法必须同时设积分限幅和输出限幅，缺一不可。电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第132页（4）算法流程电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第133页问题提出：起动冲击电流堵转电流处理方法：电枢串电阻起动；加积分给定步骤；引入电流截止负反馈。本节主要讨论怎样采取电流截止负反馈来限制起动电流。2.5转速反馈控制直流调速系统限流保护电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第134页电流负反馈作用原理

为了处理反馈闭环调速系统起动和堵转时电流过大问题，系统中必须有自动限制电枢电流步骤。依据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量负反馈。那么，引入电流负反馈，应该能够保持电流基本不变，使它不超出允许值。电流负反馈引入方式同时采取转速和电流负反馈电流截止负反馈？电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第135页1.电流检测与反馈方法（1）电枢回路串检测电阻；（2）电枢回路接直流互感器；（3）交流电路接交流互感器；（4）采取霍尔传感器。电流截止负反馈详细说明电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第136页b)利用稳压管产生比较电压

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RsVSTUi接调整器a）利用独立直流电源作比较电压M++--UdId

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Ucom接调整器2电流截止负反馈步骤

电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第137页带电流截止负反馈单闭环调速系统(1)电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第138页当输入信号IdRc-Ucom>0时，输出Ui=IdRc-Ucom，当IdRc-Ucom≤0时，输出Ui=0。电流截止负反馈步骤输入输出特征电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第139页c)封锁运算放大器电流截止负反馈步骤

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RsVSUi++R1UexUinR0+VT2电流截止负反馈步骤（续）电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第140页带电流截止负反馈闭环直流调速稳态结构图nKpKs

1/CeU*nUc∆UnIdEUd0Un++--RRs-UcomId

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Ucom电力拖动控制之单闭环控制的直流调速系统第141页4静特征方程与特征曲线