《运动控制系统（第二版）》全套教学课件

《运动控制系统》

1运动控制系统基础知识2单闭环直流调速系统3转速、电流双闭环直流调速系统4直流脉宽调速系统5交流电动机变压变频调速系统6交流电动机矢量控制变频调速系统7变频器应用技术8伺服电动机控制系统实验9-立体仓库综合实训全套可编辑PPT课件

1）了解运动控制系统的概念、分类及组成。

2）了解运动控制系统的基本控制方式及控制原理。

3）了解定位控制的概念及定位控制方式。

4）了解交直流调速系统的特点。

5）了解MATLAB/Simulink仿真技术。主要知识点与学习要求:第一章运动控制基础知识1.1运动控制系统概述（定义、分类、组成、控制方式、发展趋势等）

1.2交、直流调速系统的特点

1.3MATLAB/Simulink仿真技术

1.4本课程的任务

本章主要内容:IntroductionHow?SomeQuestionsWhy?What?学习前提关于运动控制系统你了解多少？1.举例常见的运动控制系统；汽车、飞机电动车、高铁、、潜艇、航母、机器人、雷达等钻铣床、冲床、塑膜剪切机、报纸印刷机等空调、洗衣机、电饭煲、热水器等运动控制举例2.运动控制系统发展趋势？更小体积（单位空间内放置更多的控制部件）1更少接线（运动控制总线技术）2

更少部件（集成化发展）3

更强控制、更易用4

大数据和云计算（物联网和智能网络）5主要涉及步进电机、伺服电机的控制未来：智能化1.1.1运动控制系统定义及分类运动控制系统（MotionControlSystem）也可称作电力拖动控制系统（ControlSystemsofElectricDrive）狭义）。定义：运动控制系统（MotionControlSystem）是以电动机为控制对象、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”的指导下组成的一种自动控制系统。1.1运动控制系统概述功率放大与变换装置是执行手段，目前常用可控电力电子器件组成电力电子装置；控制器有模拟控制器和数字控制器两类；常见的反馈信号是电压、电流、转速和位置（位移）。直流调速系统

交流调速系统按照原动机分控制系统分类：经典控制系统

现代控制系统按照控制理论分直流电动机

交流异步电动机电动机

同步电动机（1）单片机构成的运动控制系统适用于运动控制系统的功能较简单、产品批量较大，且单片机系统开发经验较丰富的用户。（2）PC机+运动控制卡构成的运动控制系统能充分利用计算机资源，可用于运动过程、运动轨迹都比较复杂且柔性比较强的机器和设备。（3）PLC构成的运动控制系统主要用于运动过程不是特别复杂、运动轨迹相对固定的设备。（4）专用运动控制系统主要是指专用的数控系统，一般都是针对专用设备，如数控车床、数控铣床等。按控制器类型分：1.1.2运动控制系统组成图1运动控制系统及其组成运动控制系统亦称：电力拖动控制系统（改变物理量：转矩、速度、位移等）涉及领域较广1.1.3运动控制基本控制方式一、开环控制特点:在控制器与被控对象之间只有正向控制作用而没有反馈控制作用，即系统的输出量对控制量没有影响。按给定值操作

按干扰补偿开环控制分类二、闭环控制正反馈控制（反馈量为正）

负反馈控制（反馈量为负）闭环控制图1-2按偏差调节的闭环控制系统原理方框图（1）一般为负反馈系统，按照给定和反馈之间的偏差信号进行自动调节，维持系统恒定；（2）但是，控制系统的参数需要匹配，否则系统会无法正常工作。注意：例1-1：

一个简单的水位控制系统如图1-5所示，试分析系统的工作原理，并画出系统的原理方框图。1.1.4定位控制方式用限位开关实现的定位控制这种定位方式简单，仅需要限位开关即可，缺点是精度极差，由于断电后自由滑行，停止时间由惯性决定。即使添加制动装置用于提高定位精度，但仍不能满足要求，并且维护也不方便。变频器双速控制实现定位控制利用变频器的多段速功能在低速时停止，系统惯性大大降低，位置精度也有了很大的提高。变频器减速停止定位精度可达±0.5-±5mm1.1.4定位控制方式163PLC编码器高速计数实现定位控制编码器将位移信号转换成脉冲信号送入PLC的高速计数口，PLC就可以通过程序实现高、中、低速切换，使用十分方便。1.1.4定位控制方式1.2交直流调速系统特点直流调速的发展过程从简单到复杂，从开环到闭环、从单环到多环、从不可逆调速到可逆调速、数字化调速（智能化）等；目前直流调速系统的研究及应用已很成熟；直流调速系统响应速度快、超调量小、系统稳定性好，抗干扰性也较强，起、制动性能好，可实现平滑调速。应用场合：在调速要求较高的场合，仍用直流调速，比如：轧钢厂、海上钻井平台、提升机、电梯控制等。1.2.1直流调速系统特点1.2.2交流调速系统特点（1）交流电动机体积小、重量轻、没有电刷和换向器、转动惯量小、制造简单、结构牢固、工作可靠、易于维修等优点，但是控制比较复杂。（2）以大功率半导体器件、大规模集成电路为基础的交流电动机调速系统已具备了较宽的调速范围、较高的稳态精度、较快的动态响应、较高的工作效率以及可以四项限运行等优异性能，其静、动态特性均可以与直流电动机调速系统相媲美。永磁电动机1．MATLAB的特点

（1）五大基本组成部分：开发环境、数学函数库、MATLAB语言、绘图功能、应用程序接口。（2）

典型应用：数学计算、科学算法开发、数据采集和信号处理、建模及原型仿真、数据分析和数据可视化、科学与工程绘图、应用程序开发。1.3MATLAB/Simulink仿真技术命令行窗口历史命令窗口工作空间浏览器当前目录浏览器命令行提示符2、MATLAB的桌面环境3．Simulink的特点

（1）Simulink是MATLAB软件的扩展，是实现动态系统建模和仿真的软件包。它与MATLAB的区别在于，其与用户的接口是基于Windows的模型化图形输入，用户主要是构建系统的模型，而非是语言的编程。（2）典型应用：Simulink应用领域包括汽车、航空、工业自动化、大型建模、复杂逻辑、物理逻辑，信号处理等方面。4．Simulink操作环境建模系统模型时：需要根据需要选择相应领域的仿真库及模块函数。Simulink中的模块函数1.4本课程任务与适用对象1）掌握转速负反馈单闭环直流调速系统组成和工作原理；2）掌握转速、电流双闭环直流调速系统组成和工作原理及转速环和电流环的工程设计方法；3）掌握PWM控制原理及双闭环PWM直流调速系统组成及工作原理；4）了解交流电动机电压——频率协调控制机械特性；5）掌握交流电动机变频调速系统工作原理；课程任务课程任务6）了解交流异步电动机矢量控制调速系统的组成及工作原理；7）了解变频器应用技术；8）了解伺服电机控制系统；9）熟练应用MATLAB/Simulink仿真技术，掌握典型运动控制系统的仿真建模方法。10）熟练应用汇川PLC、变频器、伺服驱动器等设备及其配套软件完成指定的运动控制系统实训项目。适用对象1）主要适用于高职院校学生；2）继续教育学院学生；3）高等专科学校学生。4）其他：参考用书。《运动控制系统》

1）掌握三种常用的直流电动机调速方法。2）掌握直流电动机的开环和闭环调速特性。3）了解转速负反馈、转速有静差和无静差调速的概念。4）掌握有静差和无静差单闭环直流调速系统的原理。5）掌握转速单闭环直流调速系统的稳态参数计算方法和静态特性。6）了解电流截止负反馈的概念。7）熟悉MATLAB软件，掌握MATLAB/Simulink仿真工具箱的使用方法。8）掌握转速单闭环直流调速系统的MATLAB仿真建模和分析方法。主要知识点与学习要求:第二章单闭环直流调速系统2.1相关概念

2.2有静差转速负反馈单闭环直流调速系统

2.3无静差转速负反馈单闭环直流调速系统2.4转速负反馈单闭环直流调速系统的MATLAB/Simulink仿真（有静差、无静差直流调速系统的仿真；有限流保护的有静差及无静差系统直流调速系统的仿真）

本章主要内容:2.1概述

2.1.1调速的概念

当负载确定时，通过改变电动机或供电电源参数的方法，使电动机械特性曲线得以改变，从而使电动机转速发生变化或保持不变。稳速（负载变化时，转速nd和na相等或接近)调速结果变速（负载一定时，转速由na变到nb或nc）2.1.2调速的方法机械特性方程：三种调速方法1.调节电枢电压U（调压调速）2.减弱励磁磁通3.改变电枢回路总电阻R（调阻调速）（调磁调速）在每一种调速方法中，只调整一个参数，其他参数维持其在固有特性额定点的数值不变。调压调速特点：机械特性是一组平行变化的曲线，即斜率为常数；转速降落不变；调速范围宽，机械特性硬，动态性能好。调阻调速特点：空载转速相同；R越大，转速降落越大，转速越低；调速范围较小，是有级调速，平滑性不高。调磁调速特点：磁通越弱，转速越大；额定转速为最低转速；最高转速受电机条件限制；调速范围小，一般和调压调速配合使用。2.1.3调速指标（1）调速范围D：（2）静差率s：：理想空载转速。调速范围和静差率指标并不是彼此孤立的，必须同时考虑才有意义。调速范围受低速特性的静差率制约。静差率s反映了电动机转速受负载变化的影响程度，它与机械特性有关。电动机的机械特性越硬（即转速降落越小），静差率越小，转速的稳定性就越好。理论上D越大越好；但弱磁调速时，最低转速即是额定转速；（3）调速范围和静差率的关系？例2-1某台他励直流电动机有关数据为PN=60kW,UN=220V,IN=305A,nN=1000r/min,电枢回路电阻Ra=0.04Ω，求下列各种情况下电动机的调速范围D。

(1)静差率s≤30%，电枢串电阻调速时；(2)

静差率s≤20%，降低电源电压调速时。（3）静差率s≤20%，电枢串电阻调速时。解

电动势系数Ce：理想空载转速n0：(1)静差率s=30%时，最小转速nmin1为

：则调速范围D1为：(2)静差率s≤20%，电枢串电阻调速时:最小转速nmin2为

：则调速范围D3为：(3)静差率s≤20%，降低电源电压调速时:额定转矩时的转速降落ΔnN：最低转速点所在机械特性的理想空载转速为：最小转速nmin3为

：例2-2一个直流电动机调速系统电动机的有关数据为：额定转速为nN=1430r/min，额定速降ΔnN=115r/min。求：（1）当静差率时，允许多大的调速范围？（2）如果要求静差率，则调速范围是多少？（3）如果希望调速范围达到，所能满足的静差率是多少？图2-2直流开环控制系统原理图

图2-3开环调速系统主电路的等效电路瞬时电压平衡方程:用触发脉冲的相位角a控制

是三相全控桥整流器的特点：m为交流电源一周内的整流电压脉波数。2.1.4开环直流调速系统及其特性电枢回路电感L较大时，电流连续。图2-4电流连续时波形电枢回路电感L较小时，电流断续。图2-5电流断续时波形2.1.4开环直流调速系统及其特性电流连续时系统机械特性:线性△n=IdR/CenIdILO图2-5电流连续时系统的机械特性（线性）常在主电路中串联较大平波电抗器或避免在轻载下运行，保证功率管电流连续。电流断续时系统机械特性:非线性,变流电路不存在换相。2.1.4开环直流调速系统及其特性2.2有静差转速负反馈单闭环直流调速系统开环特点：系统结构简单，成本低。在对静差率要求不高的场合，它也能实现一定范围内的无级调速。缺点：对静差率有一定的要求时，开环控制系统往往不能满足要求。开环调速系统中，输入电压信号（也称转速给定信号）记作，直流电动机是被控对象，直流电动机转速n为被调量。如和n之间通过测速环节联系在一起组成一个负反馈环节，则构成了转速单闭环调速系统。问题的提出单闭环调速系统的概念2.2.1单闭环直流调速系统的组成及其工作原理（1）主要环节：转速调节器ASR、三相集成脉冲触发器、三相全控桥（由全控电力电子器件构成）、动机主回路、测速环节等。（2）转速反馈量：（3）有静差概念：ASR为比例（P）放大器时:。

图2-6单闭环系统的组成调节原理根据自控原理中按偏差调节的闭环控制规律，RL增加，则n降低，反馈电压Un的值将减小，偏差ΔUn=U*n-Un将增大，控制电压Uct增大，全控桥输出直流电压Ud增大，则转速n将上升，最终又回到原来运行的转速上，维持转速稳定。2.2.2有静差单闭环直流调速系统的稳态特性（1）各典型输入输出环节为线性，即忽略非线性；（2）系统工作在电流连续段，即只取线性工作段；假设前提条件（3）忽略控制电源和电位器的内阻稳态关系：（1）电压比较环节ΔUn=U*n-Un

（2）比例放大器Uc=KpΔUn

（3）触发装置和全控器件Ud0=KsUc

（4）测速反馈环节Un=αn

（5）调速系统开环机械特性Kp为放大器的电压放大系数Ks为功率器件的电压放大系数稳态结构图图2-7有静差单闭环负反馈调速系统的稳态结构图静态特性为闭环系统的开环放大系数。为电动机环节的放大系数。Ce=E/n闭环调速系统的静特性表示闭环系统电机转速与负载电流（或转矩）间的稳态关系，它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”。开环系统机械特性与闭环系统静特性的关系

n0op为开环理想空载转速；Δnop为开环系统的静态速降。（1）开环机械特性（2）闭环静特性n0cl称为闭环理想空载转速；Δncl称为闭环稳态速降。（3）二者比较结果a)负载扰动相同时，闭环系统的机械特性比开环系统的机械特性硬。显然，K较大时，Δncl比Δnop小得多，即闭环系统的特性要硬得多。b)当理想空载转速n0相同时，闭环系统的静差率较小。在n0cl=n0op时，复习静差率和调速范围关系：静差率：开环时闭环时再考虑Δncl和Δnop的关系：(c)当静差率相同时，闭环系统的调速范围大大高于开环系统。(d)

闭环系统必须设置放大器，以确保放大倍数K足够大，以实现上述三项优点。闭环时开环时开环系统和闭环系统的调速范围的关系：若无放大装置或K不够大，则转速偏差很小，全控桥的控制电压Uc=KΔUn就非常小，电动机两端的电枢电压就非常低，使电动机不能工作。1）被调量有静差（比例放大器）只要调节器仅仅选用比例放大器，稳态速降就只能减小，不能消除。2）抵抗扰动，服从给定。

闭环控制系统能有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，即服从给定。3）系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。有静差转速负反馈单闭环调速系统的基本特征常见的扰动源有以下几种：稳态参数计算（举例说明）例2-5

主电路采用晶闸管可控整流器供电的V-M系统。电动机的额定数据为10kW、220V、55A和1000r/min，电枢电阻Ra=0.5Ω；采用三相桥式可控整流电路，整流变压器为Y/Y连接，二次线电压U21=230V，电压放大系数Ks=44；系统电枢回路总电阻R=1.0Ω；测速发电机为永磁式，额定数据为23.1W、110V、0.21A和1900r/min；直流稳压电源电压为±15V。若生产机械要求调速范围D=10，静差率s≤5%，试计算系统的稳态参数(不考虑电动机的起动问题)。解

(1)为满足调速系统的稳态性能指标，计算额定负载的稳态转速降Δncl。

(2)计算闭环系统的开环放大倍数K。

电动势系数:开环系统的额定速降Δnop为:

则闭环系统的开环放大倍数K为：(3)计算转速负反馈环节的反馈系数α和电位器参数。

转速负反馈系数α包含测速发电机的电动势系数Cetg和其输出电位器Rp2的分压系数α2，即α=α2Cetg

又同时假设α2=0.2，则Un=α2Cetg×nN=0.2×0.0579×1000=11.58V

稳态时，ΔUn很小，U*n只要略大于Un即可。现在已知直流稳压电源为±15V，完全满足要求，所以α2取0.2是合理的。因此，转速负反馈系数设计为:电位器Rp2:

(4)计算放大器的放大系数Kp和电阻参数。

实际取Kp＝21。

运算放大器的参数选择:

取R0=40kΩ,则R1=KpR0=21×40=840kΩ。α=α2Cetg=0.2×0.0579=0.01158V·min/r结论

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，为此所需付出的代价是须增设电压放大器以及检测与反馈装置。闭环系统能降低稳态转速降(或静差率)的实质在于它的自动调节作用，即随着负载的变化相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路的电阻压降。2.2.3有静差单闭环直流调速系统的动态特性（1）可控电力电子器件的传递函数（2）直流电动机的传递函数（b）整流电压和电枢电流之间的结构框图（a）电力电子变换器的动态结构框图（c）电动机电动势和电流之间的动态结构框图系统的开环传递函数为：对(a)、（b）、（c）三个结构图一起考虑并进行简化，得到电动机的动态结构图。系统的闭环传递函数为：图2-8有静差单闭环负反馈调速系统的动态结构图

单闭环系统稳定判据赫尔维茨稳定判据：在系统参数Tm、Ts、Tl已定的情况下，为保证系统稳定，其开环放大系数不能太大，必须满足式(2-40)的条件。该公式的右边被称为闭环系统的临界放大系数Kcr，当K≥Kcr时，系统将不稳定。简言之，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。解：（1）由静态指标求闭环系统的开环放大倍数：比较计算结果，根据稳态性能指标计算的放大倍数

，而根据动态稳定条件计算的放大倍数显然，系统完全能在满足稳态性能指标的条件下稳定运行。2.2.4有限流保护的有静差转速负反馈单闭环直流调速系统问题的提出

加入限流保护环节——电流截止负反馈环节。主要为了解决两个常见问题：直流电机起动时电流过大、电机堵转。堵转概念：指转速为0转时，仍然输出扭矩的一种情况。简单地理解就是转子堵住不转动。堵转原因：人为的或者机械的。当电机有机械故障或者负载过大时都会产生堵转现象。如果堵转时间过长，电机就会被烧坏。限流保护环节——电流截止负反馈环节的稳态结构图Id：

电枢电流；RS：为电枢电阻（阻值较小）；Ucom：比较电压；Ui：电流反馈信号；临界截止电流Idcr定义：

IdRs=Ucom时，

Idcr=Ucom/Rs限流环节起作用时：

IdRs>Ucom比较环节的数学关系：Ui=IdRs-Ucom

有限流环节的有静差转速负反馈单闭环直流调速系统

（1）稳态结构图图2-10带电流截止负反馈环节的有静差转速负反馈单闭环直流调速系统（2）两段式静特性当电枢电流

时，电流截止负反馈环节被截止；反之，该环节起限流作用。静特性：闭环系统的开环增益：电流截止负反馈环节不起作用：电流截止负反馈环节起作用：两段式静特性：下垂特性或挖土机特性。（1）电流截止负反馈不起作用时相当于图中的CA段，显然是比较硬的；（2）电流负反馈起作用后，相当于图中的AB段。（3）DA段实际上是不起作用。D2.3无静差转速负反馈单闭环直流调速系统2.3.1系统组成有静差：转速调节器采用P控制器；转速接近但不等于给定转速。无静差：转速调节器采用I或者PI控制器；转速等于给定转速。有静差和无静差速系统的区别二者控制原理框图相同图2-11单闭环控制系统原理框图无静差系统稳态结构图图2-12无静差调速系统稳态结构图考虑PI调节器输出量的初始值不为零的情况，由带限幅作用的PI调节器构成的无静差调速系统原理图仍和有静差单闭环调速系统一样，只是转速调节器采用了带限幅作用的PI调节器。调速系统工作在稳态时，各个环节的稳态关系如下：电压比较器：PI调节器：触发装置和三相全控桥：测速反馈环节：电机电枢回路方程:稳态参数计算结论：调速系统的开环机械特性受PI调节器的输出Uct的影响较大；Uct要根据PI调节器是否饱和而定。如PI调节器不饱和，当偏差电压ΔUn=0时，其输出电压Uct维持一个恒值；如PI调节器饱和，则只要偏差电压ΔUn≥0(即ΔUn极性不变)，Uct就等于PI调节器的限幅值Ucm;当ΔUn极性为负，PI就退出饱和。2.3.2带限流保护的无静差转速单闭环直流调速系统图2-13带限流保护的无静差调速系统稳态结构图（1）稳态结构图转速负反馈环节：转速调节器采用PI控制器，实现无静差。当电枢电流Id小于截止电流Idcr时，电流截止负反馈环节被截止；反之，该环节起限流作用。（2）系统静特性图2-14带限流保护的无静差调速系统稳态结构图（3）稳态参数：1.直流电动机有三种调速方案：调节电枢电压，减弱励磁磁通，改变电枢回路电阻。其中，调节电枢电压是直流调速系统的主要调速方案。2.开环调速系统电流连续段的机械特性较硬，电流断续段的机械特性很软。只要主电路电感量足够大，可以近似地只考虑电流连续段。3.有静差单闭环调速系统的机械特性较开环系统硬得多，负载扰动引起的稳态速降减小为原开环系统的1/(1+K)。K值越大，稳态速降就越小。4.在对静差率和调速范围要求不高，系统扰动量可以补偿或影响不大的情况下，可采用开环调速系统；在对静差率和调速范围要求较高，则采用转速负反馈的闭环调速系统。5.采用PI控制器实现无静差转速单闭环直流调速。6.有限流保护的有静差、无静差直流调速系统的静特性。

本章小结：《运动控制系统》

1）掌握直流双闭环调速系统的概念及其系统组成。2）掌握直流双闭环调速系统的调速原理。3）掌握直流双闭环直流调速系统的稳态参数计算方法和静态特性。4）了解典型Ⅰ型和典型Ⅱ型系统的概念及传递函数。5）了解电流环的工程设计方法。6）了解转速环的工程设计方法。7）掌握直流双闭环直流调速系统的MATLAB仿真建模和分析方法。主要知识点与学习要求:第三章转速、电流双闭环直流调速系统3.1双闭环直流调速系统的静态特性

3.2双闭环直流调速系统的动态特性

3.3转速、电流调节器的工程设计方法3.4双闭环直流调速系统的MATLAB/Simulink仿真

本章主要内容:3.1双闭环直流调速系统的静态特性3.1.1问题的提出不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。单闭环直流调速系统动态性能要求较高时，如要求快速起制动，突加负载动态速降小等，单闭环不能满足要求。希望系统能实现的控制起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈；电流能维持一段最大值，使得电动机快速起动。稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈，电动机以恒定转速运行。双闭环直流调速系统3.1.2双闭环直流调速系统的组成ASR为转速环，外环（主环）；ACR为电流环，内环（副环）；双闭环图3-1转速、电流双闭环直流调速系统结构主要包含了转速调节器ASR（PI）、电流调节器ACR（PI）、集成触发器、三相全控桥，速度检测、电流检测等环节。3.1.3双闭环直流调速系统的工作原理系统稳态结构图图3-2转速、电流双闭环直流调速系统的稳态结构图（2）以ASR为核心的转速环系统工作原理（1）以ACR为核心的电流环电流稳定在，为电流反馈系数；采用PI控制器实现电流无静差；ACR作用

电流变大时，自动调节过程为：ASR作用采用PI控制器实现转速无静差；转速稳定在，为转速反馈系数；当负载增加，转速降低时，自动调节过程为：TL↑→n↓→Un↓→ΔUn↑→U*i↑→ΔUi↑→Uct↑→Ud↑→n↑3.1.4双闭环直流调速系统的静特性及其稳态参数计算（1）ASR和ACR采用PI调节器。在调速系统稳态运行时，电流调节器ACR和转速调节器ASR的输入信号偏差一定为零，因此双闭环系统是无静差系统。（2）带限幅的PI调节器具有饱和作用。在PI调节器的输入信号极性不变时，当其输出为最大限幅值时，输出不再随着输入变化，维持一个恒定值，此时PI调节器工作在饱和状态。（注意：PI输入信号极性改变时，PI调节器则退出饱和）（3）系统正常运行时，ACR不会饱和；（4）只有ASR工作在饱和和不饱和两种状态。ASR饱和时，相当于转速环开环，只有ACR起电流调节作用（相当于电流负反馈单闭环系统）；当ASR不饱和时，系统是双闭环调节。双闭环系统特点系统静特性1.ASR饱和时：电机刚起动时，转速具有下垂特性。（1）突加给定信号U*n时，由于机械惯性，转速n很小，Un=αn很小，ΔUn>0很大，ASR很快饱和，其输出维持在限幅值U*im，转速外环呈开环状态，转速n的变化对系统不再产生影响，只有ACR起调节作用。（2）ACR内环起恒流调节作用，转速线性上升，获得极好的下垂特性，如BA段所示。电流，Idm为最大电流，一般选择为额定电流IdN的1.5～2倍。（3）BA段下垂特性只适合于

情况，

为理想空载转速；当

时，ASR退出饱和。图3-3双闭环系统的静特性2.ASR不饱和时：转速超调退饱和至转速稳定的工作过程，稳态特性具有挖土机特性。（1）当

，ΔUn<0，ASR退饱和，ASR起转速调节作用，直至ΔUn=0，如图3-3中CA段所示。此时ACR一直维持电流稳定，使得电机稳态特性有变软趋势。ASR起主导作用，ACR可看作是ASR环内的一个扰动，只要开环放大倍数K足够大，转速就可以做到无静差；（2）ASR不饱和，U*i<U*im，则有Id<Idm。即CA段静特性从理想空载状态的Id=0一直延续到Id=Idm，而Idm一般都是大于额定电流IdN的，这就是静特性的运行段，是一条近似水平的特性曲线。图3-3双闭环系统的静特性3.总结两个调节器的作用

（1）双闭环直流调速系统的静特性在负载电流IdL<Idm时表现为转速无静差；（2）负载电流IdL>Idm时，转速调节器ASR饱和，电流调节器ACR起主要调节作用，系统表现为电流无静差。4.稳态参数计算双闭环调速系统在稳态工作中，转速和电流无偏差，当两个调节器都不饱和时，各变量之间的关系：ΔUn=0；ΔUi=0；在稳态工作点上，转速n是由给定电压U*n决定的；转速调节器ASR的输出量U*i是由负载电流IdL决定的；控制电压Uct的大小则同时取决于n和Id，或者说，同时取决于给定转速信号U*n和负载电流IdL。这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点。P调节器的输出量总是正比于其输入量；而PI调节器的输出量在动态过程中取决于输入量的积分，到达稳态后，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多大的输出值，它就能提供多大，直到饱和为止。上述稳态关系说明：3.2.1双闭环直流调速系统的动态数学模型ASR和ACR传递函数（PI调节器的数学形式）：图3-4双闭环直流调速系统的动态结构图3.2双闭环直流调速系统的动态特性电流反馈系数：三相全控桥整流装置的失控时间：直流电动机的机电时间常数：上图中的变量涉及到的关系式如下：转速反馈系数：电动势系数：电磁转矩系数：直流电动机的电磁时间常数：

GD2为电动机转动惯量；R为电枢回路的总电阻；Ce为电动势系数；Cm为电磁转矩系数。m为一个周期内整流电压的波头数，f为交流电源的频率；

Id为电动机的电枢电流；IdL为负载电流3.2.1双闭环直流调速系统的动态数学模型电机起动时考虑的几个关键点：（1）Id>IdL,dn/dt>0转速升速阶段；（2）Id=IdL,dn/dt=0转速恒速阶段；

（3）Id<IdL,dn/dt<0转速降速阶段；在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图3-5中标明的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个阶段。IdLIdn*nIdmOOIIIIIIt4t3t2t1t图3-5双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形3.2.2双闭环直流调速系统的起动特性1.起动过程的第一个阶段（0~t1）：电流上升阶段IdL

Idn*nIdmOOIIIIIIt4t3t2t1t（1）突加给定电压U*n时，电枢电压Ud0↑、电流Id↑，但是在Id<IdL之前，电动机还不能转动；（2）当Id≥IdL

,电机开始起动。但是由于机械惯性，n≈0，即Un≈0；则转速输入偏差ΔUn=U*n，ASR饱和，输出维持在最大限幅值U*im幅值，电流快速上升。（3）当电流上升到Id≈Idm,ΔUi=U*im-Ui≈0,电流恒定，标志起动阶段结束。在此阶段：ASR由不饱和到饱和，ACR一直不饱和，只有ACR起主要调节作用；关键位置：Id=IdL时，转速n升速；Id=Idm时，电机快速起动。2.起动过程的第二个阶段（t1~t2）：恒流升速（主要阶段）IdL

Idn*nIdmOOIIIIIIt4t3t2t1t（1）从电流Id=Idm开始到转速n上升到给定值n*=n0为止，均属于恒流升速阶段；（2）此阶段ASR一直饱和，输出维持在最大限幅值U*im幅值，ASR开环，ACR起主要调节作用，维持电流恒定；转速呈线性增长。（3）ACR的输入电压偏差ΔUi=U*im-Ui维持一定的恒值,电流恒定，标志起动阶段结束。关键位置：n=n*=n0时，ΔUn=0,U*n=Un=αn，电机稳速运行。在此阶段：ASR一直饱和，转速开环，ACR一直不饱和，只有ACR起主要调节作用；IdL

Idn*nIdmOOIIIIIIt4t3t2t1t（1）此阶段开始时：n=n*=n0；ΔUn≈0；但ASR的输出仍维持在最大限幅值U*im，在恒流Idm作用下继续加速一段时间以至转速n>n0，转速出现超调；（2）转速超调后，ΔUn<0，ASR退饱和，则电枢电流Id开始下降，但在下降过程中仍保持Id>IdL成立时，n仍会上升一段时间；当电流下降到Id=IdL

时，转速n达到峰值(t3时刻)；（3）t3时刻后，n会下降，会出现Id<IdL一小段时间，电流也下降直至稳定，另外，ASR对转速进行调节直至转速稳定。3.起动过程的第三个阶段（t2以后的阶段）：转速、电流调节此阶段：ASR和ACR均不饱和。ASR起主要调节作用，ACR是一个跟随子系统。3.起动过程的第三个阶段（t2以后的阶段）：转速、电流调节（1）在第一阶段由不饱和达到饱和状态；（2）在第二阶段保持饱和状态；（3）在第三阶段为不饱和状态；总结：起动过程的特点ASR工作状态ACR在三个阶段中都是不饱和状态。ACR工作状态（1）饱和非线性控制（2）准时间最优控制（3）超调（ASR的饱和、不饱和状态影响）（转速必须有超调才能使ASR退饱和，对转速才能进行调节）3.3转速、电流调节器的工程设计方法3.3.1典型I型和II型系统R(s)C(s)上式中，分母中的sr

项表示该系统在原点处有

r重极点，或者说，系统含有

r个积分环节。根据r=0，1，2，……等不同数值，分别称作0型、I型、Ⅱ型、……系统。为了保证稳定性和较好的稳态精度，多选用I型和II型系统。1.典型I型系统式中T—系统的惯性时间常数；

K—系统的开环增益。结构图与传递函数开环对数幅频特性性能特性对数幅频特性的中频段以–20dB/dec的斜率穿越0dB线；只要参数的选择满足关系式

，系统就一定是稳定的，且有足够的稳定裕量；相角稳定裕度：图3-6典型I型系统的幅频特性2.典型Ⅱ型系统结构图和传递函数

开环对数幅频特性性能特性中频段也以–20dB/dec的斜率穿越零分贝线。由于分母中s2项对应的相频特性是–180°，后面还有一个惯性环节，在分子添上一个比例微分环节（s+1），是为了把相频特性抬到–180°线以上，以保证系统稳定，即应选择参数满足或注意：

比T大得越多，系统的稳定裕度越大。图3-7典型II型系统的幅频特性*3.3.2典型I型系统性能指标和参数的关系K

与开环对数频率特性的关系

图3-8典型I型系统的开环对数频率特性图中箭头表示K值增大时特性变化的方向。K

与截止频率

c

的关系即

（时）

K值越大，截止频率

c

也越大，系统响应越快，但相角稳定裕度

=90°–arctg

cT

越小，这也说明快速性与稳定性之间的矛盾。在具体选择参数K时，须在二者之间取折衷。

典型I型系统跟随性能指标与参数的关系

（1）稳态跟随性能指标：系统的稳态跟随性能指标可用不同输入信号作用下的稳态误差来表示。表3-1典型

I型系统在不同输入信号作用下的稳态误差输入信号阶跃输入斜坡输入加速度输入稳态误差

0v0/K

在阶跃输入下的I型系统稳态时是无差的；在斜坡输入下则有恒值稳态误差，且与K值成反比；在加速度输入下稳态误差为

。

因此，I型系统不能用于具有加速度输入的随动系统。（2）动态跟随性能指标K、T与标准形式中的参数的换算关系

典型I型系统闭环传递函数

n

—无阻尼时的自然振荡角频率，或称固有角频率；

—

阻尼比，或称衰减系数。当

<1时，系统动态响应是欠阻尼的振荡特性，当

1时，系统动态响应是过阻尼的单调特性；当

=1时，系统动态响应是临界阻尼。二阶系统性质0<

<1*性能指标和系统参数之间的关系

超调量上升时间调节时间峰值时间

截止频率相角稳定裕度：I型系统工程最佳参数：*3.3.3典型Ⅱ型系统性能指标和参数的关系引入一个新的关键变量

h，即称为中频宽度：相关参数根据幅频特性知，开环增益：最小的闭环幅频特性峰值Mrmin:表3-2II型系统在不同输入信号作用下的稳态误差输入信号阶跃输入斜坡输入加速度输入稳态误差00（1）稳态跟随性能指标

典型II型系统跟随性能指标和参数的关系

在阶跃和斜坡输入下，II型系统稳态时均无差；加速度输入下稳态误差与开环增益K成反比。表3-3典型II型系统阶跃输入跟随性能指标

（按Mrmin准则确定关系时）

h345678910

tr

/Tts

/T

k52.6%

2.412.15343.6%2.65

11.65

237.6%2.859.55233.2%3.010.45129.8%3.111.30127.2%3.212.25125.0%3.313.25123.3%3.3514.201（2）动态跟随性能指标

h=5是较好的选择典型I型和II系统系统比较

典型I型系统和典型Ⅱ型系统除了在稳态误差上的区别以外，在动态性能中，典型I型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差；典型Ⅱ型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。

这是设计时选择典型系统的重要依据。*3.3.4双闭环直流调速系统的动态结构图及相关参数

图3-9双闭环直流调速系统的动态结构图－电流反馈滤波时间常数：

－转速反馈滤波时间常数在设计之前，须了解调速系统由生产机械和工艺要求选择的电动机、测速发电机、整流器等元件的固有参数。设计原则：“先内环后外环”，即先设计ACR调节器，再设计ASR调节器。3.3.5电流调节器的设计设计分为以下几个步骤：

电流环结构图的简化电流调节器结构的选择电流调节器的参数计算电流调节器的实现电流环化简后的结构图图3-10电流环的简化结构图近似处理条件：（1）忽略反电动势影响：电流环开环频率特性的截止频率：（2）小惯性环节的近似处理：简化内容：忽略反电动势的动态影响等效成单位负反馈系统小惯性环节近似处理电流调节器的选择采用PI型控制器，其传递函数形式：校正为典型I型系统，令则电流环的动态结构图变为：KIs(Tis+1)Id

(s)+-U*i(s)

图3-11电流环校正为Ⅰ型系统的结构图参数选择

在一般情况下，希望电流超调量

i

<5%，可选

=0.707，KI

T

i=0.5，则注意：

如果实际系统要求的跟随性能指标不同，KI和Ki的计算应作相应的改变。此外，如果对电流环的抗扰性能也有具体的要求，还得再校验一下抗扰性能指标是否满足。电流调节器的实现模拟式电流调节器电路图中

U*i

—为电流给定电压；

–

Id

—为电流负反馈电压；

Uc

—电力电子变换器的控制电压。图3-12含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器

电流调节器参数计算举例：

电流调节器的设计举例：

电流调节器的设计3.3.6转速调节器的设计设计分为以下几个步骤：电流环的等效闭环传递函数转速调节器结构的选择转速调节器参数的选择转速调节器的实现电流环的等效闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。近似条件：降阶处理：（1）ACR闭环传递函数（2）ACR等效传递函数接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为U*i(s)，因此电流环在转速环中应等效为这就表明，电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。

转速调节器结构简化n

(s)+-Un

(s)ASRCeTmsRU*n(s)Id

(s)

T0ns+11

T0ns+1U*n(s)+-IdL

(s)图3-13转速环的动态结构图（电流环简化）

电流环（1）ASR动态结构图（2）系统等效和小惯性的近似处理（3）转速环结构简化

n

(s)+-ASRCeTmsRU*n(s)

Id

(s)

/

T

ns+1U*n(s)+-IdL

(s)图3-14等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理

转速调节器选择式中Kn—转速调节器的比例系数；

n—转速调节器的超前时间常数。ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为调速系统的开环传递函数为n

(s)+-U*n(s)

图3-15转速环

校正后成为典型II型系统ASR校正后的系统结构ASR调节器的参数计算一般可选择：

转速调节器的实现模拟式转速调节器电路图3-16含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器图中:

U*n

—为转速给定电压，

-n—为转速负反馈电压，

U*i

—调节器的输出是电流调节器的给定电压。

举例：

转速调节器的设计举例：

转速调节器的设计举例：

转速调节器的设计举例：

转速调节器的设计（6）校验转速超调量《运动控制系统》

1）了解PWM控制的概念。2）掌握直流电机PWM调速原理。3）熟悉不可逆PWM变换器的工作原理。4）熟悉双极式可逆PWM变换器的工作原理。5）掌握直流PWM调速系统的机械特性。6）熟悉双闭环直流PWM调速系统的组成及其工作原理。7）熟悉双闭环直流PWM调速系统的MALAB/Simulink仿真建模和分析方法。主要知识点与学习要求:第四章直流脉宽调速系统4.1PWM控制原理

4.2PWM变换器

4.3直流PWM调速系统的机械特性

4.4双闭环直流PWM调速系统4.5不可逆双闭环直流PWM调速系统的MATLAB仿真

本章主要内容:4.1

PWM控制原理PWM控制基本原理是利用电力电子器件的导通和关断的时间比，将恒定直流电压转换成连续的直流电压脉冲序列，并通过控制脉冲的宽度或者脉冲序列的周期以达到变压变频的目的。4.1.1直流电机PWM调速原理采用PWM控制技术直接将恒定的直流电压调制成可改变大小和极性的直流电压，以此作为直流电动机的电枢端电压，实现调速系统的平滑调速。当开关VT断开时，Us供给电动机的电流被切断，电动机的储能经过VD续流，Ud接近于零。若开关VT按照某一固定频率开闭而改变周期内的接通时间时，控制脉冲宽度相应改变，从而改变了电动机两端平均电压，达到调速的目的。VT表示PWM控制器；VD表示续流二极管以直流斩波器为例：T是脉冲周期；ton是导通时间；ρ是一个周期T中晶闸管VT导通时间的比率，称为负载率或占空比；0≤ρ≤1，f是开关频率.电枢电压的公式：(1)脉冲宽度调制(PWM)：VT的开关周期T不变，改变导通时间ton，这种方法也称定频调宽法。

(2)脉冲频率调制(PFM)：VT导通时间ton不变，改变其开关周期T，这种方法也称定宽调频法。

(3)调宽调频法：

VT导通时间ton和开关周期T都可调。PWM的三种调速方法：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；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；若与快速响应的电机配合，则控制系统的频带宽，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。4.1.2PWM调速特点4.2PWM变换器PWM调速的分类：PWM

变

换

器

分

类不可逆

可逆双极式单极式受限单极式无制动作用（其实际上是一种直流斩波器）有制动作用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。4.2.1不可逆PWM变换器1.无制动作用的PWM变换器图4-2

简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统电路原理图和电压电流的波形电路原理图电压电流波形图由图4-2(b)可见，稳态电流是脉动的，其平均值与负载电流IL成正比。工作原理电枢回路总电阻为R，则回路平衡电压方程为：Ud=ρUs=E+RId

Id是电枢脉动电流id的平均值。电流id不能反向，因此不能产生制动作用，只能作单象限运行。VT的基极由脉宽可调的脉冲电压Ug驱动。当0≤t<ton时，Ug为正，VT饱和导通，电源电压Us通过VT加到电动机电枢两端；当ton≤t<T时，Ug为负，VT截止，电动机电枢两端失去电源，经二极管VD续流；电动机得到的平均端电压为：令γ=Ud/Us为PWM电压系数，则

γ=ρ

；无制动时机械特性曲线电流连续时，调节占空比

，得到一簇平行的机械特性曲线。电路原理图2.有制动作用的PWM变换器4-3有制动作用的不可逆PWM变换器电路原理图工作原理（电动状态、制动状态）注意：VT1和VT2的驱动电压大小相等，方向相反，Ug1=-Ug2；（1）电动状态工作原理正脉冲比负脉冲宽，平均电流始终为正值；（1）

0≤t≤ton，Ug1为正，VT1饱和导通；

Ug2为负，VT2关断。电压Us加到电枢两端，电流id沿图中的回路1流通。（2）

ton≤t≤T，Ug1为负，Ug2为正，VT1关断，但VT2却不能立即导通，因为电流id沿回路2经VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使VT2关断。图4-4电动状态的电压电流波形电动状态时，电路实际上是由VT1和VD2交替导通的;VT2始终不导通。电动状态电流流通回路：回路1和回路2有制动作用与无制动作用的PWM变换器相比有制动作用的PWM变换器电路中多了一个功率开关器件VT2，但在电动状态时，VT2并没有被用上，其电压和电流波形与简单不可逆PWM变换器的电压和电流波形(参见图4-2(b))完全一样。（1）如果在电动机运行中要降低转速n，则应减小控制电压，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；（2）但是，由于惯性的作用，转速n和反电动势E还来不及立即变化，造成E大于平均电枢电压Ud(即E>Ud)，这时，VT2就在电动机制动中发挥作用。制动产生原因：Ud=ρUs=E+RId

电流-id电流反向

（1）在ton≤t≤T阶段，Ug2变正，VT2导通，反电动势E和整流电压Ud之间的电压差E-Ud产生的反向电流-id沿回路3通过VT2流通，产生能耗制动，直到t=T为止；（2）

在T≤t≤T+ton(即0≤t≤ton)阶段，VT2截止，-id沿着回路4通过VD1续流，对电源回馈制动，同时在VD1上的压降使VT1不能导通；（3）在整个制动状态中，VT2、VD1轮流导通，而VT1始终截止，反向电流的制动作用使电动机转速下降，直到新的稳态。制动工作原理轻载电动阶段轻载电动状态，一个周期分成四个工作阶段：1）第1阶段，VD1续流，

电流沿回路4流通；2）第2阶段，VT1导通，电流沿回路1流通；3）第3阶段，VD2续流，电流沿回路2流通；4）第4阶段，VT2导通，电流沿回路3流通。注意：在轻载电动状态中，负载电流较小，以致在VT1关断后id续流时，还没有到达周期T，电流已经衰减到零。4.2.2可逆PWM变换器可逆PWM变换器电路的结构形式有H型和T型等类，这里主要讨论常用的H型变换器，它是由四个功率管和四个续流二极管组成的桥式电路。H型可逆PWM变换器在控制方式上分为双极式、单极式和受限单极式三种。下面重点分析双极式H型可逆PWM变换器。双极式H型PWM变换器图4-5H型PWM变换器1回路1的电流流向；双极式H型PWM变换器电动状态：电机正向运行的第一阶段。双极式H型PWM变换器时：VT2和VT3关断VT1和VT4导通电动机电枢电压：电动状态：电机正向运行的第一阶段。2正向续流回路回路2的电流流向双极式H型PWM变换器VT1

、VT4截止，

VD2

、VD3续流VT2

、VT3保持截止回路2的电流流向；电动状态：电机正向运行的第二阶段。时，VT2和VT3不会立即导通；电流经过VD2和VD3和电机构成续流回路。VT1和VT4关断时：电动机电枢电压：双极式的由来？（UAB的极性正负）双极式H型PWM变换器正向续流回路：3VT2和VT3导通；轻载时，电机处于制动状态。回路3的电流流向：双极式H型PWM变换器续流结束；VT2和VT3导通；VT1和VT4关断双极式H型PWM变换器同理，VT1和VT4不能立即导通，经VD1和VD4续流；延时导通。VT2和VT3关断注意：一个周期内：（1）回路1和3为电流工作回路；回路2和4为续流回路，以保证电流连续。（2）

VT1和VT4导通，经VD2和VD3续流；然后VT2和VT3导通，经VD1和VD4续流。如此反复，使得两组VT管和VD管切换工作。双极式H型PWM变换器

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（1）在双极式控制的可逆变换器中，γ=2ρ-1；

调速时，占空比ρ的可调范围为0～1，电压系数γ的变化范围为-1<γ<1。（2）当ρ>0.5时，γ为正，电动机正转；

ρ<0.5时，γ为负，电动机反转；

ρ=0.5时，γ=0，电动机停止。（3）在γ=0时，虽然E不变，电枢两端的瞬时电压和瞬时电流却都不是零，而是交变的，交变电流平均值为零，不产生平均转矩，会徒然增大电动机的损耗。但是其好处是使电动机带有高频的微振，起着所谓“动力润滑”的作用，消除正、反向时的静摩擦死区。双极式H型可逆PWM变换器电动机电枢平均端电压性能评价双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点：（1）电流一定连续；（2）可使电机在四象限运行；（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（4）低速平稳性好，系统的调速范围可达1:20000左右；（5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。双极式控制方式的不足之处是：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。4.3直流PWM调速系统的机械特性

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，机械特性是平均转速与平均转矩（电流）的关系。

采用不同形式的PWM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，因而机械特性关系式比较简单，现在就分析这种情况。式中R、L—电枢电路的电阻和电感。

带制动的不可逆电路电压方程（0≤t<ton）（ton

≤t<T）

双极式可逆电路电压方程(0≤

t<ton)

(ton

≤

t<T)

机械特性方程

无论是上述哪一种情况，电枢两端在一个周期内的平均电压都是Ud

=

Us，只是

与占空比

的关系不同。式中Cm=Km

N

—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。n–Id,–TeavOn0s0.75n0s0.5n0s0.25n0sId

,Teav

=1

=0.75

=0.5

=0.25

PWM调速系统机械特性图4-7脉宽调速系统的机械特性曲线（电流连续），n0s＝Us

/Ce4.4双闭环直流PWM调速系统

系统组成图4-8双闭环脉宽PWM调速系统的组成注意：在双闭环直流PWM调速系统中，采用PWM变换器得到电动机的电枢电压Ud，这是与一般转速、电流双闭环直流调速系统的不同之处，但是二者的转速环ASR和电流环ACR采用的控制器及设计方法都是一样的。

工作原理《运动控制系统》

1）掌握交流电机变频调速原理。2）掌握异步电动机变压变频控制方式。3）掌握异步电机电压-频率协调控制下的机械特性。4）了解异步电机转速开环恒压频比调速系统的组成。5）了解转差频率控制概念，掌握转差频率控制规律。6）了解转差频率闭环控制调速系统的组成及工作原理。7）了解同步电动机的调速方法、调速特点。8）了解异步电机转速开环恒压频比调速系统的MALAB/Simulink仿真分析方法。9）了解异步电机转差频率闭环控制调速系统的MALAB/Simulink仿真分析方法。主要知识点与学习要求:第五章交流电机变压变频调速系统5.1变频调速原理

5.2异步电机变压变频控制方式

5.3异步电机变频调速时的机械特性5.4

异步电机变压变频调速系统5.5同步电机变压变频调速系统

5.6异步电机转速开环恒压频比调速系统的MATLAB仿真

*5.7异步电机转速闭环转差率控制调速系统的MATLAB仿真

本章主要内容:5.1变频调速原理交流电动机的转速注意：同步电动机，转差率s=0.改变极对数p；

改变电源频率f1（即变频调速，无转差率损耗，效率高）改变转差率s交流电动机调速方法①调压调速；②转子串电阻调速（绕线式异步电动机）；③串级调速；（绕线式异步电动机）；④电磁转差离合器调速；5.2异步电机变压变频控制方式异步电机的变压变频调速（简称为变频调速系统）特点：在调速时转差功率不随转速而变化、调速范围宽、无论是高速还是低速时效率都较高、应用面很广。三相异步电机定子每组电动势的有效值

两种基本控制方式（保持磁通

不变）

基频以下调速基频以上调速5.2.1基频以下控制

根据式

，,要保持

m

不变，当频率f1

从额定值f1N

向下调节时，必须同时降低Eg

，使即采用恒值电动势频率比的控制方式。

在一定条件下，定子相电压

，即恒压频比的控制方式。在低频时Us和Eg

都较小，定子阻抗压降不能被忽略。这时，需要人为地把电压Us抬高一些，以便近似地补偿定子压降。

带压降补偿的恒压频比控制特性OU1f1图5-1

恒压频比控制特性U1Nf1Na

—无补偿

b

—带定子压降补偿

在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”5.2.2基频以上控制

在基频以上调速时，频率应该从f1N

向上升高，但是定子电压U1

却最多只能保持U1=U1N

，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。

在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。

图5-2基频以上和基频以下的恒压频比控制特性5.3异步电机电压—频率协调控制时的机械特性5.3.1恒压恒频时异步电机的机械特性异步电动机的稳态等效电路图5-3异步电动机的稳态等效电路当定子电压Us

和电源角频率

1

恒定时：异步电动机的机械特性当s很小时，上式可以简化为:(1)当s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性Te=f（s）是一段直线;(2)当s接近于1时，可忽略R2'

，则:

特性分析Te=f（s）是对称于原点的一段双曲线。（3）当s为以上两段的中间数值