第1章 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)第1篇直流調(diào)速系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法改變電樞回路電阻R。減弱勵(lì)磁磁通Φ。調(diào)節(jié)電樞電壓U。改變電樞回路電阻調(diào)速法理想空載轉(zhuǎn)速不變轉(zhuǎn)速降落隨電阻的增加而增大額定轉(zhuǎn)速以下調(diào)速方法，特性軟，有級(jí)調(diào)速nNnT0n0TNRaRa+Rad1Ra+Rad2n1n2Rad2>Rad1減弱磁通調(diào)速法理想空載轉(zhuǎn)速隨磁通的減少而增大。轉(zhuǎn)速降落隨磁通的減小而增大額定轉(zhuǎn)速以上調(diào)速方法，特性軟，無(wú)級(jí)調(diào)速nT0n0TNnNN12n01n02調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速法nT0n0TNnNUNU1n’0n1U2n’’0n2U1>U2理想空載轉(zhuǎn)速隨U的減少而成比例地降低轉(zhuǎn)速降落與U的大小無(wú)關(guān)額定轉(zhuǎn)速以下調(diào)速方法，特性硬，無(wú)級(jí)調(diào)速三種調(diào)速方法之比較改變電樞回路電阻調(diào)速只能對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速作有級(jí)的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性差。減弱磁通調(diào)速能夠?qū)崿F(xiàn)平滑調(diào)速，但只能在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速所得到的人為機(jī)械特性與電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性平行，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性好，能在基速（額定轉(zhuǎn)速）以下實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，只有當(dāng)轉(zhuǎn)速要達(dá)到基速以上時(shí)才輔以弱磁調(diào)速。問(wèn)題？為了實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速，必須配備？可控直流電源運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)第1章可控直流電源-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)相控整流器——把交流電源直接轉(zhuǎn)換成可控的直流電源。直流脈寬調(diào)制（PWM）變換器——用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開(kāi)關(guān)器件斬波或進(jìn)行脈寬調(diào)制，產(chǎn)生可變的平均電壓。常用的可控直流電源內(nèi)容提要1.1相控整流器-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)1.2直流PWM變換器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

1.3調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo)1.1相控整流器-電動(dòng)機(jī)（V-M）系統(tǒng)1.1.1相控整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)原理：電位器調(diào)節(jié)→觸發(fā)裝置的控制電壓Uc→α變化→Ud=UdmaxCOSα→n。1.1.2相控整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的特殊問(wèn)題1．觸發(fā)脈沖相位控制觸發(fā)脈沖的相位角α控制整流電壓Ud0的平均值。a=30°u2uaubucOwtOwtOwtuGudwt1三相半波可控整流電路，電阻負(fù)載，=30時(shí)的波形2．電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)輸出電流是脈動(dòng)電流，交流電源一周內(nèi)存在的脈波數(shù)m與整流電路的形式相關(guān)。a=30°u2uaubucOwtOwtOwtuGudwt1三相半波可控整流電路，電阻負(fù)載，=30時(shí)的波形圖1-5V-M系統(tǒng)的電流波形a）電流連續(xù)b）電流斷續(xù)OuaubucaudOiaibicictEUdtOuaubucaudOiaibicicEUdudttudidid(1)電壓及電流波形(2)電流波形斷續(xù)原因①電感較?、谪?fù)載較輕影響

（1）脈動(dòng)電流產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械不利；（2）脈動(dòng)電流造成較大的諧波分量，流入電源后對(duì)電網(wǎng)不利，同時(shí)也增加電機(jī)發(fā)熱。抑制措施（1）增加整流電路的相數(shù)。（2）設(shè)置平波電抗器。(3)電流脈動(dòng)的影響及抑制措施(4)平波電抗器的計(jì)算單相橋式全控整流電路三相半波整流電路三相橋式整流電路（1-6）（1-8）（1-7）Ud0IdE

R=Rrec+Ra+RL3.等效電路1.1.3相控整流直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性及數(shù)學(xué)模型1.相控整流器－電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性①改變?chǔ)?，n0改變，但斜率不變。②Id增加，△

n線性增加，

n0不變。（理想空載轉(zhuǎn)速）（轉(zhuǎn)速降）2．晶閘管觸發(fā)電路和整流裝置的數(shù)學(xué)模型(1)

放大系數(shù)的計(jì)算圖1-7晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入輸出特性和Ks的測(cè)定

如果不可能實(shí)測(cè)特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。例如：設(shè)觸發(fā)電路控制電壓的調(diào)節(jié)范圍為

Uc=0~10V

相對(duì)應(yīng)的整流電壓的變化范圍是

Ud=0~220V

可取Ks

=220/10=22（2）晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)估算（3）晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)

在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置看成是一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)。圖1－8晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時(shí)間滯后的產(chǎn)生及失控時(shí)間滯后環(huán)節(jié)的輸入為階躍信號(hào)1(t)，輸出要隔一定時(shí)間后才出現(xiàn)響應(yīng)1(t-Ts)。輸入輸出關(guān)系為：

傳遞函數(shù)為晶閘管觸發(fā)電路與整流裝置的傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)的簡(jiǎn)化近似條件：1.2直流PWM變換器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)1.2.1直流PWM變換器根據(jù)PWM變換器主電路的形式可分為可逆和不可逆兩大類。1.簡(jiǎn)單不可逆PWM變換器UsIdE0tI20i

(t)I10VT導(dǎo)通IdEVT截止0tI20i（t)I100tI20i

(t)I10一個(gè)周期內(nèi)的電流波形電壓和電流波形及平均電壓平均輸出電壓

=ton

/T:占空比電機(jī)的運(yùn)行象限：第一象限電流不能反向

改變（0≤

≤1

）即可調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速. 2.橋式可逆PWM變換器U,i+UstonT0-UsO正向電動(dòng)運(yùn)行波形平均輸出電壓電機(jī)的運(yùn)行象限：第一象限

正脈沖電壓的寬度大于負(fù)脈沖的寬度>0.5(1)正向電動(dòng)運(yùn)行(2)反向電動(dòng)運(yùn)行

輸出波形及平均電壓U,iUdEid+UsttonT0-UsO反向電動(dòng)運(yùn)行波形

正脈沖電壓的寬度小于負(fù)脈沖的寬度<0.5平均輸出電壓電機(jī)的運(yùn)行象限：第三象限（3）停轉(zhuǎn)狀態(tài)正脈沖電壓的寬度等于負(fù)脈沖的寬度平均輸出電壓電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。U,i+UstonT0-UsO停轉(zhuǎn)波形電樞兩端的瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流不為零（4）雙極式可逆PWM變換器的優(yōu)點(diǎn)①電流一定連續(xù)；②電動(dòng)機(jī)能在四象限運(yùn)行；③電動(dòng)機(jī)停止時(shí)有微振電流，消除了靜磨擦死區(qū)；

（5）雙極式控制方式的不足之處4個(gè)開(kāi)關(guān)器件在工作中都處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，在切換時(shí)容易容易發(fā)生上、下橋臂直通的事故，在上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。1.2.2直流PWM變換器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的能量回饋問(wèn)題圖1-13橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的原理圖泵升電壓及其限制

對(duì)濾波電容充電的結(jié)果造成電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”。1.2.3直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及機(jī)械特性1、PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型（1）動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型

式中，

Ks——PWM控制與變換器的放大系數(shù)，

Ts——PWM控制與變換器的延遲時(shí)間。（2）PWM裝置數(shù)學(xué)模型的近似當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率為10kHz時(shí)，滯后時(shí)間明顯小于相控整流電源。2、PWM調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性脈寬調(diào)制變換器的輸出電壓是高度和頻率一定、寬度可變的脈沖序列，改變平均輸出的電壓的大小，可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。（1）不可逆電路的電壓方程式中的R、L分別為電樞電路的電阻和電感

（2）雙極式的可逆電路的電壓方程

（3）電壓平均值方程

平均電壓

平均電流電樞電感壓降的均值轉(zhuǎn)速

（4）機(jī)械特性方程（5）直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性1.3調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)1.3.1調(diào)速范圍和靜差率1）調(diào)速，要求系統(tǒng)能夠在指定的范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速上運(yùn)行。

2）穩(wěn)速，要求系統(tǒng)調(diào)速的重復(fù)性和精確度要好，不允許有過(guò)大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。1.調(diào)速范圍(D)生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載情況下提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比稱為調(diào)速范圍nminn02nN2Temn01nmaxTNnN10n●●2.靜差率（s）當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落nN

，與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比，稱作靜差率s靜差率受兩個(gè)因素影響：一是轉(zhuǎn)速變化量，二是理想空載轉(zhuǎn)速。0TeNTen0an0bab?

nNa

?

nNb

nO3.靜差率與機(jī)械特性硬度的區(qū)別特性越硬，s越

??；(2)硬度相同，n0

越小，s越大。調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以調(diào)速范圍的最低速時(shí)能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。4.D與s的相互約束關(guān)系對(duì)系統(tǒng)的調(diào)速精度要求越高，即要求s越小，則可達(dá)到的D必定越小。當(dāng)要求的D越大時(shí)，則所能達(dá)到的調(diào)速精度就越低，即s越大，所以這是一對(duì)矛盾的指標(biāo)。1.3.2開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的

機(jī)械特性及性能指標(biāo)圖1－17開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖unitofpowerelectronics1.機(jī)械特性方程式

2.穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖1-18開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3.機(jī)械特性0TeNTen0an0bab?

nN

nO固有機(jī)械特性人為機(jī)械特性解要求s≤30%時(shí)，調(diào)速范圍為若要求s≤20%，則調(diào)速范圍只有若調(diào)速范圍達(dá)到10，則靜差率只能是例題1-1解當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的額定速降為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率為

這已大大超過(guò)了5%的要求。例題1-2最低速時(shí)：

如果要求D=20，s

≤

5%由上例可以看出，開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定速降是275r/min，而生產(chǎn)工藝的要求卻只有2.63r/min，相差幾乎百倍！

（1）對(duì)靜差率要求越嚴(yán)，即要求s