運(yùn)動控制第四版第二單元

運(yùn)動控制第四版第二單元第一頁，共186頁。直流發(fā)電機(jī)工作原理右圖為直流發(fā)電機(jī)的物理模型，N、S為定子磁極，abcd是固定在可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)磁圓柱體上的線圈，線圈連同導(dǎo)磁圓柱體稱為電機(jī)的轉(zhuǎn)子或電樞。線圈的首末端a、d連接到兩個相互絕緣并可隨線圈一同旋轉(zhuǎn)的換向片上。轉(zhuǎn)子線圈與外電路的連接是通過放置在換向片上固定不動的電刷進(jìn)行的。2第二頁，共186頁。電磁轉(zhuǎn)矩直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T的大小可表示為

T=KTΦIa

式中KT——與電動機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)

Φ——每極磁通（Wb）

Ia——電樞電流（Ａ）

T——電磁轉(zhuǎn)矩（N.m）電樞電動勢電樞電動勢和電流直流電動機(jī)兩電刷間總的電樞電動勢的大小為:

Ea=KeΦn

式中Ke——與電動機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)3第三頁，共186頁。直流電動機(jī)的基本方程式式中U—電樞電壓（V）

Ia—電樞電流（A）

Ra—電樞電阻（Ω）Ea—電樞電動勢（V）U=Ea+IaRaMRaIaE+–+–U4第四頁，共186頁。電力拖動自動控制系統(tǒng)直流電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速:調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法:調(diào)節(jié)電樞供電電壓U改變電樞回路電阻R減弱勵磁磁通轉(zhuǎn)速：(r/min)電樞電壓（V）電樞電流（A）回路總電阻（Ω）勵磁磁通（Wb）電動勢常數(shù)（由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定）5第五頁，共186頁。課本上有以上三種調(diào)速方式的比較。電樞一般是指直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)子線圈，電樞電壓就是直流電機(jī)轉(zhuǎn)子的電壓6第六頁，共186頁。7第七頁，共186頁。當(dāng)晶閘管承受正向電壓時(shí)，僅在門極有觸發(fā)電流的情況下晶閘管才能開通晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去控制作用，不論門極觸發(fā)電流是否還存在，晶閘管都保持導(dǎo)通。若要使已導(dǎo)通的晶閘管關(guān)斷，只能利用外加電壓和外電路的作用使流過晶閘管的電流降到接近于零的某一數(shù)值以下。變壓器T起變換電壓和隔離的作用，其一次側(cè)和二次側(cè)電壓瞬時(shí)值分別用u1和u2表示8第八頁，共186頁。單相半波可控整流電路uwttwwtwtw20wt1p2ptug0ud0id0uVT0qab)c)d)e)f)++圖3-2帶阻感負(fù)載的單相半波可控整流電路及其波形■帶阻感負(fù)載的工作情況

◆阻感負(fù)載的特點(diǎn)是電感對電流變化有抗拒作用，使得流過電感的電流不能發(fā)生突變。

◆電路分析?晶閘管VT處于斷態(tài),id=0,ud=0,uVT=u2。

?在t1時(shí)刻，即觸發(fā)角處

√ud=u2。√L的存在使id不能突變，id從0開始增加。?u2由正變負(fù)的過零點(diǎn)處，id已經(jīng)處于減小的過程中，但尚未降到零，因此VT仍處于通態(tài)。?t2時(shí)刻，電感能量釋放完畢，id降至零，VT關(guān)斷并立即承受反壓。

?由于電感的存在延遲了VT的關(guān)斷時(shí)刻，使ud波形出現(xiàn)負(fù)的部分，與帶電阻負(fù)載時(shí)相比其平均值Ud下降。9第九頁，共186頁。10第十頁，共186頁。第2章轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)11第十一頁，共186頁。內(nèi)容提要直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)和直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的限流保護(hù)轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真12第十二頁，共186頁。1.V-M系統(tǒng)晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源觸發(fā)裝置GT的作用就是把控制電壓UC轉(zhuǎn)換成觸發(fā)脈沖的觸發(fā)延遲角α，用以控制整流電壓，達(dá)到變壓調(diào)速的目的。13第十三頁，共186頁。GT觸發(fā)裝置；VT整流器，L為平波電抗器。具體工作過程看課本。14第十四頁，共186頁。式中—整流電壓瞬時(shí)值，Ud0整流電壓平均值；

E—電動機(jī)反電動勢（V）；id—整流電流瞬時(shí)值（A）；

L—主電路總電感（H）；

R—主電路等效電阻（），等效電路圖（2-2)2.V-M系統(tǒng)-等效電路圖2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源15第十五頁，共186頁。(2-3)式中:—從自然換相點(diǎn)算起的觸發(fā)脈沖控制角；

Um—

=0時(shí)的整流電壓波形峰值（V）；

m—交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)。表2-1不同整流電路的整流電壓波形峰值、脈波數(shù)及平均整流電2.V-M系統(tǒng)-整流電壓平均值計(jì)算2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源16第十六頁，共186頁。2.V-M系統(tǒng)-電流的脈動及波形的連續(xù)與斷續(xù)在整流變壓器二次側(cè)額定相電壓u2的瞬時(shí)值大于反電動勢E時(shí)，晶閘管才可能被觸發(fā)導(dǎo)通；導(dǎo)通后如果u2降低到E以下，靠電感作用可以維持電流id繼續(xù)導(dǎo)通，當(dāng)時(shí)工作于逆變狀態(tài)；由于電壓波形的脈動，造成了電流波形的脈動。2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源17第十七頁，共186頁。2.V-M系統(tǒng)-電流的脈動及波形的連續(xù)與斷續(xù)帶負(fù)載三相半波整流電路的輸出電壓和電流波形2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源18第十八頁，共186頁。2.V-M系統(tǒng)-電流的脈動及波形的連續(xù)與斷續(xù)a）電流連續(xù)b）電流斷續(xù)OuaubucaudOiaibicictEUdtOuaubucaudOiaibicicEUdudttudidid

在Id上升階段，電感儲能；在Id下降階段，電感能量釋放來維持電流

當(dāng)負(fù)載電流較小時(shí)，電感中的儲能較少，等到Id下降到零時(shí)，造成電流波形斷續(xù)2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源19第十九頁，共186頁。抑制電流脈動的措施，主要是：設(shè)置平波電抗器；采用多重化技術(shù)，增加整流電路相數(shù)。平波電抗器的設(shè)置與計(jì)算（下式計(jì)算為總電感再減去電樞電感即為平波電抗器的電感值）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

2.V-M系統(tǒng)-電流的脈動及波形的連續(xù)與斷續(xù)2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源u2整流變壓器二次側(cè)額定相電壓Idmin一般取電機(jī)額定電流的5%--10%20第二十頁，共186頁。整流變壓器二次側(cè)額定相電壓u2，Idmin一般取電機(jī)額定電流的5%--10%21第二十一頁，共186頁。M2.V-M系統(tǒng)-電流的脈動及波形的連續(xù)與斷續(xù)2個三相橋并聯(lián)而成的12脈波整流電路可減少輸入電流諧波，減小輸出電壓中的諧波并提高紋波頻率，因而可減小平波電抗器。2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源22第二十二頁，共186頁?？蓽p少輸入電流諧波，減小輸出電壓中的諧波并提高紋波頻率，因而可減小平波電抗器23第二十三頁，共186頁。2.V-M系統(tǒng)-機(jī)械特性當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為

式中Ce=KeN。(2-7)△n=Id

R/CenIdILO電流連續(xù)時(shí)V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源24第二十四頁，共186頁。虛線表示電流可能斷續(xù)，2-7式不再適用25第二十五頁，共186頁。

以三相半波整流電路構(gòu)成的V-M系統(tǒng)為例，電流斷續(xù)時(shí)機(jī)械特性須用下列方程組表示

式中；—一個電流脈波的導(dǎo)通角。2.V-M系統(tǒng)-機(jī)械特性2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源26第二十六頁，共186頁。V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性

在電流連續(xù)區(qū)，顯示出較硬的機(jī)械特性。

在電流斷續(xù)區(qū)，機(jī)械特性很軟，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。2.V-M系統(tǒng)-機(jī)械特性2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源27第二十七頁，共186頁。2.V-M系統(tǒng)-放大系數(shù)與傳函晶閘管觸發(fā)電路和整流電路的特性是非線性的；在設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，只能在一定的工作范圍內(nèi)近似地看成線性環(huán)節(jié)；得到了它的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)后，用線性控制理論分析整個調(diào)速系統(tǒng)。2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源28第二十八頁，共186頁。工程中的典型非線性特性(圖2)有：①死區(qū)（不靈敏區(qū)）特性，如測量元件的不靈敏區(qū)，伺服電壓的啟動電壓和干摩擦等特性。②飽和特性，如放大器的飽和輸出特性，伺服閥的行程限制和功率限制。③間隙特性，如齒隙特性和油隙特性。④繼電器特性。⑤變放大系數(shù)特性。29第二十九頁，共186頁。2.V-M系統(tǒng)-放大系數(shù)與傳函-放電系數(shù)晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出特性和Ks的測定

晶閘管的觸發(fā)和整流裝置的輸入量是ΔUc，輸出量是ΔUd，放大系數(shù)Ks可由工作范圍內(nèi)的特性斜率決定；如果沒有實(shí)測特性，也可根據(jù)裝置的參數(shù)估算。2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源30第三十頁，共186頁。最大可能的失控時(shí)間由下式確定:

2.V-M系統(tǒng)-放大系數(shù)與傳函-純滯后與失控時(shí)間滯后作用是由晶閘管整流裝置的失控時(shí)間引起的；失控時(shí)間是個隨機(jī)數(shù)；最大失控時(shí)間是兩個相鄰自然換相點(diǎn)之間的時(shí)間，它與交流電源頻率和晶閘管整流器的類型有關(guān)。

—交流電流頻率（Hz）；一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。f(2-13)m2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源31第三十一頁，共186頁。TS平均失控時(shí)間。TSMax最大失控時(shí)間。32第三十二頁，共186頁。2.V-M系統(tǒng)-放大系數(shù)與傳函-純滯后與失控時(shí)間u2udUctta10Uc1Uc2a1tt000a2a2Ud01Ud02TS晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時(shí)間2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源33第三十三頁，共186頁。表1-2各種整流電路的失控時(shí)間（f=50Hz）2.V-M系統(tǒng)-放大系數(shù)與傳函-純滯后與失控時(shí)間2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源34第三十四頁，共186頁。2.V-M系統(tǒng)-放大系數(shù)與傳函-傳遞函數(shù)

滯后環(huán)節(jié)當(dāng)輸入為階躍信號1(t)時(shí)，輸出要隔一定時(shí)間后才出現(xiàn)響應(yīng)1(t-Ts)。傳遞函數(shù)為：2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源拉普拉斯位移定理35第三十五頁，共186頁。按Tayler級數(shù)展開，得：2.V-M系統(tǒng)-放大系數(shù)與傳函-傳遞函數(shù)

考慮到Ts

很小，可忽略高次項(xiàng)，則傳遞函數(shù)便近似成一階慣性環(huán)節(jié)。

（2-16）2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源36第三十六頁，共186頁。將傳遞函數(shù)中的s換成jω便得到相應(yīng)的幅相頻率特性：顯然，上式近似成Ks/（1+jTsω）的條件是：2.V-M系統(tǒng)-放大系數(shù)與傳函-傳遞函數(shù)2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源37第三十七頁，共186頁。從工程觀點(diǎn)上看，只要就可以認(rèn)為是《1了，于是有：

作為近似條件可以粗略的取:

2.V-M系統(tǒng)-放大系數(shù)與傳函-傳遞函數(shù)2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源38第三十八頁，共186頁。Uc(s)Ud0(s)a)準(zhǔn)確的Uc(s)Ud0(s)b）近似的閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2.V-M系統(tǒng)-放大系數(shù)與傳函-動態(tài)結(jié)構(gòu)2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源39第三十九頁，共186頁。2.V-M系統(tǒng)-存在問題晶閘管是單相導(dǎo)電的；晶閘管對過電壓、過電流、過高的du/dt與di/dt均十分敏感；晶閘管的導(dǎo)通角變小時(shí)，在交流側(cè)會產(chǎn)生較大諧波電流，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)也隨之減少，稱之為“電力公害”。2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量，一般是指對周期性的非正弦電量進(jìn)行傅里葉級數(shù)分解，其余大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。40第四十頁，共186頁。41第四十一頁，共186頁。電網(wǎng)中的電力負(fù)荷如電動機(jī)、變壓器等，大部分屬于感性負(fù)荷，在運(yùn)行過程中需向這些設(shè)備提供相應(yīng)的無功功率。在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器等無功補(bǔ)償設(shè)備以后，可以提供感性負(fù)載所消耗的無功功率，減少了電網(wǎng)電源向感性負(fù)荷提供、由線路輸送的無功功率，由于減少了無功功率在電網(wǎng)中的流動，因此可以降低線路和變壓器因輸送無功功率造成的電能損耗，這就是無功補(bǔ)償。42第四十二頁，共186頁。全控型電力電子器件問世后，出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器-直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)；與V-M系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)在很多方面具有較大的優(yōu)越性；直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的高動態(tài)性能系統(tǒng)中，已完全取代了V-M系統(tǒng)。2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源2.1.2直流PWM變換器-電動機(jī)系統(tǒng)43第四十三頁，共186頁。（1）主電路線路簡單，需用的功率器件少。（2）開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較 小。（3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，達(dá)1:10000左右。（4）若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動 態(tài)抗擾能力強(qiáng)。（5）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適 當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高。（6）直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。PWM調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越性：2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源44第四十四頁，共186頁。1.直流PWM變換器-電動機(jī)系統(tǒng)脈寬調(diào)制變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的辦法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均電壓的大小，以調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源45第四十五頁，共186頁。1.直流PWM變換器-電動機(jī)系統(tǒng)-簡單的不可逆系統(tǒng)VTM+_EMidVDUs+C_21UdUg簡單的不可逆PWM變換器-直流電動系統(tǒng)

2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源不可控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容C進(jìn)行濾波，以獲得恒定的直流電壓46第四十六頁，共186頁。當(dāng)0≤

t<ton時(shí)，Ug為正，VT導(dǎo)通，電源電壓通過VT加到電動機(jī)電樞兩端；當(dāng)ton≤

t<T時(shí)，Ug為負(fù)，VT關(guān)斷，電樞失去電源，經(jīng)VD續(xù)流，電樞電壓近似為0。1.直流PWM變換器-電動機(jī)系統(tǒng)-簡單的不可逆系統(tǒng)-工作狀態(tài)、電壓和電流波形電壓和電流波形2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源47第四十七頁，共186頁。電機(jī)兩端得到的平均電壓為

改變（0≤

<1）即可調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，若令=Ud/Us為PWM電壓系數(shù)，則在不可逆PWM變換器中

=

(2-16)(2-15)式中

=ton

/T為PWM波形的占空比1.直流PWM變換器-電動機(jī)系統(tǒng)-簡單的不可逆系統(tǒng)-電壓方程2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源48第四十八頁，共186頁。1.直流PWM變換器-電動機(jī)系統(tǒng)-簡單的不可逆系統(tǒng)-特點(diǎn)不可逆PWM變換器-直流電動機(jī)系統(tǒng)不允許電流反向；續(xù)流二極管VD的作用只是為id提供一個續(xù)流的通道；要實(shí)現(xiàn)電動機(jī)制動，必須為其提供反向電流通道。2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源49第四十九頁，共186頁。1.直流PWM變換器-電動機(jī)系統(tǒng)-有制動不可逆系統(tǒng)有制動電流通路的不可逆PWM變換器電動狀態(tài)制動狀態(tài)輕載電動狀態(tài)2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源50第五十頁，共186頁。1)電動狀態(tài)

在0≤

t≤

ton期間，Ug1為正，VT1導(dǎo)通，Ug2為負(fù)，VT2關(guān)斷。此時(shí)，電源電壓Us加到電樞兩端，電流id沿圖中的回路1流通。

在ton≤t≤T期間，Ug1和Ug2都改變極性，VT1關(guān)斷，但VT2卻不能立即導(dǎo)通，因?yàn)閕d沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流，VD2兩端產(chǎn)生的壓降給VT2施加反壓，使它失去導(dǎo)通的可能。一般電動狀態(tài)的電壓、電流波形2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源VT1和VD2輪流導(dǎo)通51第五十一頁，共186頁。2)制動狀態(tài)

減小控制電壓，使Ug1正脈沖變窄，使Ud降低，造成E>Ud,使電流反向。在ton≤t≤T期間，Ug2變正，于是VT2導(dǎo)通，反向電流id

沿回路3流通，產(chǎn)生能耗制動作用。在T≤t≤T+ton

期間，VT2關(guān)斷，-id

沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，向電源回饋制動，與此同時(shí)，VD1兩端壓降鉗住VT1使它不能導(dǎo)通。電能不可能通過整流裝置回送交流電網(wǎng)，只能向?yàn)V波電容C充電。制動狀態(tài)的電壓﹑電流波形2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源U=Ea+IaRa由于機(jī)電慣性，轉(zhuǎn)速和反電動勢來不及變化能耗制動電源回饋制動VT2和VD1輪流導(dǎo)通52第五十二頁，共186頁。3)輕載電動狀態(tài)（平均電流較小）輕載電動狀態(tài)，一個周期分成四個階段：第1階段，VT1導(dǎo)通，電流id沿回路1流通第2階段，VD2續(xù)流，電流id沿回路2流通第3階段，VT2導(dǎo)通，電流–id沿回路3流通第4階段，VD1續(xù)流，電流–

id

沿回路4流通輕載電動狀態(tài)的電流波形2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源53第五十三頁，共186頁。表2-3二象限不可逆PWM變換器在不同工作狀態(tài)下的導(dǎo)通器件和電流回路與方向1.直流PWM變換器-電動機(jī)系統(tǒng)-有制動不可逆系統(tǒng)2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源54第五十四頁，共186頁。1.直流PWM變換器-電動機(jī)系統(tǒng)-有制動不可逆系統(tǒng)有制動不可逆系統(tǒng)之所以不可逆是因?yàn)槠骄妷篣d始終大于零，電流雖然能夠反向，但電壓和轉(zhuǎn)速仍不能反向；如果要求反向，需要再增加VT和VD構(gòu)成可逆的PWM變換器-直流電動機(jī)系統(tǒng)，我們將在第四章學(xué)習(xí)。2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源55第五十五頁，共186頁。2.直流PWM變換器-電動機(jī)系統(tǒng)-機(jī)械特性對于帶制動電流通路的不可逆電路，電壓平衡方程式分兩個階段：

（0≤t<ton）（2-17）（ton

≤t<T）（2-18）R，L－電樞電路的電阻與電感。2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源56第五十六頁，共186頁。2.直流PWM變換器-電動機(jī)系統(tǒng)-機(jī)械特性電壓平均值方程：（2-19）平均電壓平均電流電樞電感壓降的平均值轉(zhuǎn)速2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源57第五十七頁，共186頁。 式中：Cm—電機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，Cm=KmN

；

n0—理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比，n0=Us

/Ce

(2-19)或用轉(zhuǎn)矩表示(2-20)2.直流PWM變換器-電動機(jī)系統(tǒng)-機(jī)械特性方程2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源58第五十八頁，共186頁。n–Id,–TeOn0ss0.5n0s0.25n0sId

,Te

=1

=0.75

=0.5

=0.25直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性曲線（電流連續(xù)），2.直流PWM變換器-電動機(jī)系統(tǒng)-機(jī)械特性2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源59第五十九頁，共186頁。3.直流PWM變換器-電動機(jī)系統(tǒng)-動態(tài)數(shù)學(xué)模型PWM控制與變換器的框圖（2-23）

PWM控制與變換器（簡稱PWM裝置）也可以看成是一個滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以寫成（2-22）式中Ks—PWM裝置的放大系數(shù)；Ts—PWM裝置的延遲時(shí)間，Ts

≤

T。2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源60第六十頁，共186頁。4.直流PWM變換器-電動機(jī)系統(tǒng)-電能回饋和泵升電壓問題PWM變換器的直流電源通常由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容C進(jìn)行濾波，以獲得恒定的直流電壓；當(dāng)電動機(jī)工作在回饋制動狀態(tài)時(shí)，電能不可能通過整流裝置回送交流電網(wǎng)，只能向?yàn)V波電容C充電；形成直流PWM變換器-電動機(jī)系統(tǒng)特有的電能回饋問題。2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源61第六十一頁，共186頁。4.直流PWM變換器-電動機(jī)系統(tǒng)-電能回饋和泵升電壓問題對濾波電容充電的結(jié)果造成直流側(cè)電壓升高，稱為“泵升電壓”；系統(tǒng)在制動時(shí)釋放的動能將表現(xiàn)為電容儲能的增加；要適當(dāng)?shù)剡x擇電容的電容量，或采取其它措施，以電力電子開關(guān)器件不被泵升電壓擊穿。2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源62第六十二頁，共186頁。4.直流PWM變換器-電動機(jī)系統(tǒng)-電能回饋和泵升電壓問題電容選擇：假設(shè)制動時(shí)釋放的能量為Ad，電容電壓由Us上升到Usm，則：電容值為：一般幾千瓦的系統(tǒng)需要幾千微法的電容。2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源63第六十三頁，共186頁。2.2穩(wěn)態(tài)調(diào)速系統(tǒng)指標(biāo)和直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性調(diào)速——在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；穩(wěn)速——以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾 下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動；加、減速——頻繁起、制動的設(shè)備要求加、減速盡量快；不 宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起、制動盡量平穩(wěn)。調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求：64第六十四頁，共186頁。2.2穩(wěn)態(tài)調(diào)速系統(tǒng)指標(biāo)和直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性1.穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)-調(diào)速范圍生產(chǎn)機(jī)械要求電動機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母D表示，即：（2-25）nmin

和nmax

是電動機(jī)在額定負(fù)載時(shí)的最低和最高轉(zhuǎn)速；對于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)最低和最高的轉(zhuǎn)速。65第六十五頁，共186頁。2.2穩(wěn)態(tài)調(diào)速系統(tǒng)指標(biāo)和直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性2.穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)-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，即：或用百分?jǐn)?shù)表示：

式中：nN=n0-nN

（2-26）

（2-27）

66第六十六頁，共186頁。靜差率（直流電機(jī)）和轉(zhuǎn)差率（異步電機(jī)）的區(qū)別。67第六十七頁，共186頁。2.2穩(wěn)態(tài)調(diào)速系統(tǒng)指標(biāo)和直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性2.穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)-靜差率s不同轉(zhuǎn)速下的靜差率特性a與b的硬度相同；特性a與b的額定速降相同；特性a與b的靜差率不同。對于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低，靜差率就越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度也就越差。n0=1000r/min時(shí)轉(zhuǎn)速降落10r/min，只占1%；n0=100r/min時(shí)轉(zhuǎn)速降落10r/min，占10%；n0=10r/min時(shí)轉(zhuǎn)速降落10r/min，只占100%；68第六十八頁，共186頁。2.2穩(wěn)態(tài)調(diào)速系統(tǒng)指標(biāo)和直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)-調(diào)速范圍、靜差率和額定速降間在關(guān)系設(shè)：電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nN為最高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速降落為nN，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率，即于是，最低轉(zhuǎn)速為

而調(diào)速范圍為（2-28）

一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。若低速時(shí)靜差率能滿足要求，高速時(shí)就也沒問題了，所以靜差率指標(biāo)應(yīng)該以最低速時(shí)所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。D與s成正比！69第六十九頁，共186頁。2.2穩(wěn)態(tài)調(diào)速系統(tǒng)指標(biāo)和直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)-舉例

例題1-1某直流調(diào)速系統(tǒng)電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1430rpm，額定速降nN

=115r/min，當(dāng)要求靜差率s≤30%時(shí)，允許多大的調(diào)速范圍？如果要求靜差率s≤20%，則調(diào)速范圍是多少？如果希望調(diào)速范圍達(dá)到10，所能滿足的靜差率是多少？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，則靜差率只能是靜差率s越小，系統(tǒng)所能允許的調(diào)速范圍D越小。70第七十頁，共186頁。2.2穩(wěn)態(tài)調(diào)速系統(tǒng)指標(biāo)和直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性2.直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，即無反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)；調(diào)節(jié)控制電壓Uc就可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速；晶閘管整流器和PWM變換器都是可控的直流電源，用UPE來統(tǒng)一表示可控直流電源。開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖71第七十一頁，共186頁。2.2穩(wěn)態(tài)調(diào)速系統(tǒng)指標(biāo)和直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性2.直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：電力電子變換器直流電動機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性為：開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖72第七十二頁，共186頁。2.2穩(wěn)態(tài)調(diào)速系統(tǒng)指標(biāo)和直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性2.直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性nN

=

T=KTΦId

73第七十三頁，共186頁。2.2穩(wěn)態(tài)調(diào)速系統(tǒng)指標(biāo)和直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性

例題1-2某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機(jī)，額定數(shù)據(jù)如下：60kW，220V，305A，1000r/min，采用V-M系統(tǒng),主電路總電阻R=0.18，電動機(jī)電動勢系數(shù)Ce=0.2V·min/r。如果要求調(diào)速范圍D=20，靜差率s≤5%，采用開環(huán)調(diào)速能否滿足？若要滿足這個要求，系統(tǒng)的額定速降最多能有多少？2.直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性-舉例74第七十四頁，共186頁。2.2穩(wěn)態(tài)調(diào)速系統(tǒng)指標(biāo)和直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性2.直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性-舉例

如果要求D=20，s

≤

5%，則：

解：當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的額定速降為在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率為：已大大超過了5%更不必談?wù){(diào)到最低速了。75第七十五頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)不能滿足基本的穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)；根據(jù)自控原理，將系統(tǒng)被調(diào)量作為反饋量引入系統(tǒng)，可以有效的抑制擾動造成的影響，這是反饋控制的基本作用；通過“檢測誤差”糾正“誤差”的基本原理，使輸出量的反饋與給定量組成一個閉合的回路，稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。直流調(diào)速系統(tǒng)中，被調(diào)量是轉(zhuǎn)速，所構(gòu)成的轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。76第七十六頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1.數(shù)學(xué)模型-原理圖帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖11177第七十七頁，共186頁。用UPE來統(tǒng)一表示可控直流電源。GE是測速裝置78第七十八頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1.數(shù)學(xué)模型-靜特性轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：

電壓比較環(huán)節(jié)

放大器電力電子變換器

調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性

測速反饋環(huán)節(jié)

Kp:比例調(diào)節(jié)器放大系數(shù)；α：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)(V?min/r)

79第七十九頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

式中，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K為注意

閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，它在形式上與開環(huán)機(jī)械特性相似，但本質(zhì)上卻有很大不同，故定名為“靜特性”，以示區(qū)別。（2-32）1.數(shù)學(xué)模型-靜特性80第八十頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1.數(shù)學(xué)模型-靜特性閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)只考慮給定時(shí)的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)只考慮擾動時(shí)的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)區(qū)別穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的區(qū)別81第八十一頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1.數(shù)學(xué)模型-動態(tài)模型一個帶有儲能環(huán)節(jié)的線性物理系統(tǒng)的動態(tài)過程可以用線性微分方程描述；微分方程的解即系統(tǒng)的動態(tài)過程，它包括兩部分：動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)解；在動態(tài)過程中，從施加給定輸入值的時(shí)刻開始到輸出達(dá)到穩(wěn)定值以前是系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)；系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，可用穩(wěn)態(tài)解來描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。從施加給定輸入值開始到達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的過程，是動態(tài)響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，可以用穩(wěn)態(tài)解來描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性82第八十二頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1.數(shù)學(xué)模型-動態(tài)模型比例放大器的傳函：電力電子變換器的傳函：測速反饋的傳函：83第八十三頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1.數(shù)學(xué)模型-動態(tài)模型他勵直流電動機(jī)等效電路假定主電路電流連續(xù)，動態(tài)電壓方程為：忽略粘性摩擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)軸上的動力學(xué)方程為：(2-34)(2-35)84第八十四頁，共186頁。2.2穩(wěn)態(tài)調(diào)速系統(tǒng)指標(biāo)和直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性額定勵磁下的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩分別為

(2-36)(2-37)式中:

TL—包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N·m)；GD2—電力拖動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的飛輪慣量(N·m2)；

Cm—電機(jī)額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)(N·m/A)，

1.數(shù)學(xué)模型-動態(tài)模型定義下列時(shí)間常數(shù):Tl—電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)(s)Tm—電力拖動系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)(s)85第八十五頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)整理后，得：(2-38)(2-39)式中為負(fù)載電流。

1.數(shù)學(xué)模型-動態(tài)模型86第八十六頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1.數(shù)學(xué)模型-動態(tài)模型

在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù)（由2-38得）電流與電動勢間的傳遞函數(shù)（由2-39得）(2-40)(2-41)

87第八十七頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)Id

(s)IdL(s)+-E

(s)RTmsb)電流電動勢間的結(jié)構(gòu)框圖Id

(s)E(s)Ud0(s)+-1/RTls+1a)電壓電流間的結(jié)構(gòu)框圖+額定勵磁下直流電動機(jī)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖n(s)1/CeUd0(s)IdL

(s)

EId(s)E(s)++--1/RTls+1RTms1.數(shù)學(xué)模型-動態(tài)模型88第八十八頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)直流電動機(jī)有兩個輸入量；一個是施加在電樞上的理想空載電壓Ud0，是控制輸入量；另一個是負(fù)載電流IdL，是擾動輸入量；如果不需要在結(jié)構(gòu)圖中顯現(xiàn)出電流，可將擾動量的綜合點(diǎn)前移，再進(jìn)行等效變換。1.數(shù)學(xué)模型-動態(tài)模型89第八十九頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)n(s)Ud0

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

(s)R(Tls+1)1.數(shù)學(xué)模型-動態(tài)模型額定勵磁下的直流電動機(jī)是一個二階線性環(huán)節(jié)；時(shí)間常數(shù)Tm表示機(jī)電慣性；時(shí)間常數(shù)Tl表示電磁慣性。90第九十頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)n(s)U*n(s)IdL

(s)

Uct

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

s2+Tms+1+-R(Tls+1)Ud0(s)△Un(s)1.數(shù)學(xué)模型-動態(tài)模型反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖91第九十一頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

由圖可見，反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是（設(shè)Idl=0）

式中K=KpKs/Ce

（2-44）

1.數(shù)學(xué)模型-動態(tài)模型92第九十二頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1.數(shù)學(xué)模型-動態(tài)模型

設(shè)Idl=0，從給定輸入作用上看，閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是：

（2-45）

93第九十三頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)2.比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)-開閉環(huán)特性比較開環(huán)機(jī)械特性與比例控制閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的比較（參照課本P26圖2-19）如果斷開比例控制閉環(huán)反饋回路，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性為：

(2-46)

而閉環(huán)時(shí)的靜特性可寫成：

(2-47)

式中：

n0op(n0cl)：開(閉)環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速；

Δnop(Δncl)：開(閉)環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。94第九十四頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)2.比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)-開閉環(huán)特性比較1）閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多。

在同樣的負(fù)載擾動下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為(2-48)

它們的關(guān)系是95第九十五頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)2）如果比較同一個開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)（n0相同），則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多。閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為：

當(dāng)n0op=n0cl時(shí)，（2-49）2.比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)-開閉環(huán)特性比較96第九十六頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)2.比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)-開閉環(huán)特性比較3）當(dāng)要求的靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。如果電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是nN，而對最低速靜差率的要求相同，那么：開環(huán)時(shí):

(2-50)

閉環(huán)時(shí):再考慮式（2-49），得：97第九十七頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性的關(guān)系開環(huán)系統(tǒng)：Idn(AA’)閉環(huán)系統(tǒng)：IdnUn

ΔUnUc

(AB)n

Ud0比例控制直流調(diào)速系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實(shí)質(zhì)在于它的自動調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變電樞電壓，以補(bǔ)償電樞回路壓降的變化2.比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)-開閉環(huán)特性比較A’98第九十八頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)在例題2-3中，龍門刨床要求:D

=20，s≤5%，已知Ks=30，=0.015V·min/r，Ce=0.2V·min/r，采用比例控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)滿足此要求時(shí)，比例放大器的放大系數(shù)應(yīng)該是多大？

解:在上例中已經(jīng)求得Δnop=275r/min但為了滿足調(diào)速要求，須有Δncl=2.63r/min由式（2-48）可得代入已知參數(shù)，則得（根據(jù)式2-44K

=

KpKs/Ce

）2.比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)-放大系數(shù)計(jì)算舉例99第九十九頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)2.比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)-反饋控制規(guī)律1）比例控制的反饋控制系統(tǒng)是被調(diào)量有靜差的控制系統(tǒng)。比例控制反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)值越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好；但只要比例放大系數(shù)Kp=常數(shù)，開環(huán)放大系數(shù)K≠∞，反饋控制就只能減小穩(wěn)態(tài)誤差，而不能消除它；這樣的控制系統(tǒng)叫做有靜差控制系統(tǒng)。2）反饋控制系統(tǒng)的作用是：抵抗擾動，服從給定。反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它能有效地抑制一切被負(fù)反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動；對于給定作用的變化惟命是從。100第一百頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)2.比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)-反饋控制規(guī)律閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用

勵磁變化Id變化電源波動Kp變化電阻變化檢測誤差KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++--

R

101第一百零一頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)2.比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)-反饋控制規(guī)律3）系統(tǒng)的精度依賴于給定U*n和反饋檢測的精度。反饋控制系統(tǒng)無法鑒別是對給定電壓的正常調(diào)節(jié)還是不應(yīng)有的給定電壓的電源波動；反饋檢測裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無法克服的；現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是用數(shù)字給定和數(shù)字測速來提高調(diào)速系統(tǒng)的精度。102第一百零二頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)2.比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)-動態(tài)穩(wěn)定性比例控制閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程為（根據(jù)式2-45）：（2-51）

或（2-52）

式（2-52）右邊稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)Kcr，當(dāng)K≥Kcr時(shí)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。根據(jù)三階系統(tǒng)的Routh-Hurwith判據(jù)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件是：整理，得：103第一百零三頁，共186頁。比例控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差小與系統(tǒng)的穩(wěn)定性是矛盾的，對于自動控制系統(tǒng)來說，穩(wěn)定性是系統(tǒng)能否正常工作的首要條件，是必須要保證的。104第一百零四頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)例題2-4:在例題2-3中，系統(tǒng)采用的是三相橋式可控整流電路，已知電樞回路的總電阻R=0.18，電感量L=3mH，系統(tǒng)運(yùn)動部分的飛輪慣量GD2=60N·m2，試判別這個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)-動態(tài)穩(wěn)定性舉例解：計(jì)算系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)：

電磁時(shí)間常數(shù)：機(jī)電時(shí)間常數(shù)：三相橋式整流電路，滯后時(shí)間常數(shù)：開環(huán)放大系數(shù)的穩(wěn)定條件：閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)K≥103.6相矛盾。105第一百零五頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)2.比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)-動態(tài)穩(wěn)定性舉例例題2-5:在上題的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，若改用全控型的PWM調(diào)速系統(tǒng)，電動機(jī)不變，由于電樞回路不需要接入平波電抗器，故電樞回路參數(shù)為：R=0.1，電感量L=1mH，PWM的開關(guān)頻率為8kHz。按同樣穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)D=20，s≤5%,該系統(tǒng)能否穩(wěn)定？如果對靜差率的要求不變，在保證穩(wěn)定時(shí)，系統(tǒng)能夠達(dá)到的最大調(diào)速范圍是多少？解：106第一百零六頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)按穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)D=20，s≤5%的要求2.比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)-動態(tài)穩(wěn)定性舉例PWM調(diào)速系統(tǒng)能夠在滿足穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)的要求下穩(wěn)定運(yùn)行。若系統(tǒng)處于臨界狀況，K=339.4，則：根據(jù)式2-48107第一百零七頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)3.比例積分控制的無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)在比例控制直流V-M調(diào)速系統(tǒng)中，穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)穩(wěn)定性的要求是互相矛盾的；根據(jù)自動控制原理，要解決這個矛盾，必須恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)動態(tài)校正裝置，用來改造系統(tǒng)；在電力拖動自動控制系統(tǒng)中，常用串聯(lián)校正和反饋校正；對于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，傳遞函數(shù)階次較低，一般采用PID調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就能完成動態(tài)校正任務(wù)。108第一百零八頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)3.比例積分控制的無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)-積分調(diào)節(jié)器和控制規(guī)律在輸入轉(zhuǎn)速誤差信號ΔUn的作用下，積分調(diào)節(jié)器的輸入輸出關(guān)系為：（2-53）其傳遞函數(shù)為：（2-54）積分調(diào)節(jié)器輸入輸出動態(tài)過程

輸入ΔUn是階躍信號，則輸出Uc按線性規(guī)律增長。當(dāng)輸出值達(dá)到積分調(diào)節(jié)器輸出的飽和值Ucm時(shí)，便維持在Ucm不變。109第一百零九頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)積分調(diào)節(jié)器輸入輸出動態(tài)過程

只要ΔUn>0，積分調(diào)節(jié)器的輸出Uc便一直增長，只有達(dá)到ΔUn=0時(shí)，Uc才停止上升；只有到ΔUn變負(fù)，Uc才會下降。當(dāng)ΔUn=0時(shí)，Uc并不是零，而是某一個固定值Ucf。3.比例積分控制的無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)-積分調(diào)節(jié)器和控制規(guī)律110第一百一十頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)3.比例積分控制的無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)-積分調(diào)節(jié)器和控制規(guī)律積分控制無靜差調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載時(shí)的動態(tài)過程

突加負(fù)載時(shí)，由于IdL的增加，轉(zhuǎn)速n下降，導(dǎo)致ΔUn變正；在積分調(diào)節(jié)器的作用下，Uc上升，電樞電壓Ud上升，以克服IdL增加的壓降，最終進(jìn)入新的穩(wěn)態(tài)。111第一百一十一頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)3.比例積分控制的無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)-積分和比例控制的區(qū)別比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀，而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史；積分調(diào)節(jié)器在穩(wěn)態(tài)時(shí)ΔUn=0，只要?dú)v史上有過ΔUn，其積分就有一定數(shù)值，足以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所需要的控制電壓；在階躍輸入作用下，比例調(diào)節(jié)器的輸出可以立即響應(yīng)，而積分調(diào)節(jié)器的輸出只能逐漸地變化，但是最終可以達(dá)到無靜差；調(diào)速系統(tǒng)一般應(yīng)具有快與準(zhǔn)的性能，即系統(tǒng)既是靜態(tài)無差又具有快速響應(yīng)的性能。實(shí)現(xiàn)方法就是把比例和積分兩種控制結(jié)合起來，組成比例積分調(diào)節(jié)器(PI)。112第一百一十二頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)3.比例積分控制的無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)-比例積分控制規(guī)律（2-55）比例積分調(diào)節(jié)器(PI調(diào)節(jié)器)的輸入輸出關(guān)系為：其傳遞函數(shù)為：（2-56）式中，Kp-PI調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)，τ-PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)。令τ1=Kpτ，則PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)也可寫成如下形式：（2-57）表明，PI調(diào)節(jié)器也可用積分和比例微分兩個環(huán)節(jié)表示，τ1-微分項(xiàng)中的超前時(shí)間常數(shù)。113第一百一十三頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)3.比例積分控制的無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)-比例積分控制規(guī)律比例積分調(diào)節(jié)器線路圖

有運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器的輸入極性與輸出極性是反相的：式中：Rbal為運(yùn)算放大器同相輸入端的平衡電阻。114第一百一十四頁，共186頁。在階躍輸入作用下，比例調(diào)節(jié)器的輸出可以立即響應(yīng)，而積分調(diào)節(jié)器的輸出只能逐漸地變化，但是最終可以達(dá)到無靜差；115第一百一十五頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)3.比例積分控制的無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)-比例積分控制規(guī)律PI控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，又克服了各自的缺點(diǎn)；比例部分能迅速響應(yīng)控制作用；積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。PI調(diào)節(jié)器輸入輸出特性

在t=0時(shí)就有：實(shí)現(xiàn)了快速控制。隨后Uex(t)按積分規(guī)律增長：t=t1時(shí)，Uin=0：停止增長116第一百一十六頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)3.比例積分控制的無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)-比例積分控制規(guī)律閉環(huán)系統(tǒng)中PI調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動態(tài)過程

在閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，采用PI調(diào)節(jié)器輸出部分Uc由兩部分組成：比例部分①和ΔUn成正比；積分部分②表示了從t=0到此時(shí)刻對ΔUn(t)的積分值；Uc是這兩部分之和。117第一百一十七頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)4.直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析比例積分控制的直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器118第一百一十八頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)4.直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析使用比例調(diào)節(jié)器時(shí)，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：式中：使用積分調(diào)節(jié)器時(shí)，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：式中：使用比例積分調(diào)節(jié)器時(shí)，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：式中：（2-59）（2-60）ASR=ASR=ASR=119第一百一十九頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)4.直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析（2-61）根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)中積分環(huán)節(jié)的數(shù)目劃分，控制系統(tǒng)的類型有：比例控制的調(diào)速系統(tǒng)是0型系統(tǒng)；積分控制、比例積分控制的調(diào)速系統(tǒng)是I型系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)誤差定義為輸入量和反饋量的差值，即：衡量系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確度的是系統(tǒng)對給定輸入U(xiǎn)n*的跟隨能力；衡量系統(tǒng)抑制干擾能力的是系統(tǒng)抑制負(fù)載電流IdL的抗擾能力。上述兩指標(biāo)用來衡量系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能。120第一百二十頁，共186頁。0型系統(tǒng)，I型系統(tǒng)，看分母S的次方121第一百二十一頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)4.直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析-階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)誤差計(jì)算的直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

擾動誤差計(jì)算的直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

122第一百二十二頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

4.直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析-階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差-比例調(diào)節(jié)器（2-62）（2-65）在分析階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)，令I(lǐng)dL(s)=0，比例調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為：階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差是：123第一百二十三頁，共186頁。階躍信號的拉氏變換為1/s,階躍信號1（t）=0,t<0;=1,t≥0124第一百二十四頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

4.直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析-階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差-積分調(diào)節(jié)器（2-66）（2-63）積分調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為：階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差是：125第一百二十五頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)（2-67）（2-64）比例積分調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差傳遞函數(shù)為：階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差是：

4.直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析-階躍給定輸入的穩(wěn)態(tài)誤差-比例積分調(diào)節(jié)器126第一百二十六頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

4.直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析-擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差-比例調(diào)節(jié)器在分析由擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)，令=0，比例調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差為：（2-68）（2-71）階躍擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差是：127第一百二十七頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)積分調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差為：（2-69）（2-72）階躍擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差是：

4.直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析-擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差-積分調(diào)節(jié)器128第一百二十八頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)比例積分調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的誤差為：（2-70）（2-73）階躍擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差是：

4.直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析-擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差-比例積分調(diào)節(jié)器129第一百二十九頁，共186頁。2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

4.直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析-擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差-總結(jié)由擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差取決于誤差點(diǎn)與擾動加入點(diǎn)之間的傳遞函數(shù)；比例控制的調(diào)速系統(tǒng)，該傳遞函數(shù)無積分環(huán)節(jié)，故存在擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差，稱作有靜差調(diào)速系統(tǒng)；積分控制或比例積分控制的調(diào)速系統(tǒng)，該傳遞函數(shù)具有積分環(huán)節(jié)，所以由階躍擾動引起的穩(wěn)態(tài)誤差為0，稱作無靜差調(diào)速系統(tǒng)。130第一百三十頁，共186頁。2.4直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制以微處理器為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)(簡稱微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng))硬件電路的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，制作成本低，且不受器件溫度漂移的影響；其控制軟件能夠進(jìn)行邏輯判斷和復(fù)雜運(yùn)算，可以實(shí)現(xiàn)不同于一般線性調(diào)節(jié)的最優(yōu)化、自適應(yīng)、智能化等控制規(guī)律，而且更改起來靈活方便。131第一百三十一頁，共186頁。2.4直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制

1.數(shù)字控制的特殊問題微型計(jì)算機(jī)采樣控制系統(tǒng)框圖微機(jī)控制的調(diào)速系統(tǒng)是一個數(shù)字采樣系統(tǒng)。其中S1是給定值的采樣開關(guān)，S2是反饋值的采樣開關(guān)，S3是輸出的采樣開關(guān)。若所有的采樣開關(guān)等周期的一起開和閉，則稱為同步采樣；132第一百三十二頁，共186頁。模擬量輸入與輸出通道的組成溫度速度電壓電流壓力2.4直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制133第一百三十三頁，共186頁。微型計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用用工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，實(shí)現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)過程的檢測、控制、優(yōu)化、調(diào)度等。在許多工業(yè)生產(chǎn)過程中，參與測量和控制的物理量，往往是連續(xù)變化的模擬量，例如溫度，流量，壓力等；但是計(jì)算機(jī)只能接受數(shù)字信號，那么計(jì)算機(jī)是如何實(shí)現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控的呢？例如玻璃生產(chǎn)線或者鋼鐵廠的爐溫的測量需要溫度傳感器（熱電偶），在發(fā)電廠或者變電站中需要測量電壓或者電流，直接測量會非常困難，我門采用的傳感器是電壓互感器或者電流互感器，將強(qiáng)電信號轉(zhuǎn)換成弱電信號。模擬量的輸入輸出通道是計(jì)算機(jī)與控制對象之間的一種重要接口，也是實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程控制的重要組成部分；藍(lán)色虛線框里代表的是模擬量輸入通道；紅色虛線框里代表的是模擬量輸出通道。傳感器是把工業(yè)生產(chǎn)中非電物理量轉(zhuǎn)換成電量（電流、電壓）的器件。如熱電耦等。工業(yè)控制中，傳感器輸出的電信號在輸入到A/D轉(zhuǎn)換器之前必須添加適當(dāng)?shù)耐鈬D(zhuǎn)換電路，如各種變送器，將傳感器輸出的微弱電信號或電阻值等轉(zhuǎn)換成0～10mA或4～20mA電流信號或0～5V電壓信號。采用多路模擬開關(guān)，使多個模擬量共用一個A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。134第一百三十四頁，共186頁。2.4直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制

1.數(shù)字控制的特殊問題微型計(jì)算機(jī)只有在采樣開關(guān)閉合時(shí)才能輸入和輸出信號。只能在采樣時(shí)刻對模擬的連續(xù)信號進(jìn)行采樣，把連續(xù)信號變成脈沖信號，即離散的模擬信號。信號的離散化是微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的第一個特點(diǎn)；采樣后得到的離散模擬信號本質(zhì)上還是模擬信號，不能直接送入計(jì)算機(jī)，還須經(jīng)過數(shù)字量化。數(shù)字化是用一組數(shù)碼(如二進(jìn)制數(shù))來逼近離散模擬信號的幅值，將它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。信號的數(shù)字化是微機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的第二個特點(diǎn)。135第一百三十五頁，共186頁。2.4直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制

1.數(shù)字控制的特殊問題根據(jù)香農(nóng)(Shannon)采樣定理 如果模擬信號的最高頻率為fmax，只要按照f>fmax(一般取為２fmax)采樣頻率進(jìn)行采樣，取出的樣品序列就可以代表(或恢復(fù))模擬信號。在電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，控制對象是電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流，是快速變化的物理量，必須具有較高的采樣頻率；微型計(jì)算機(jī)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是一種快速數(shù)字采樣系統(tǒng)，要求微型計(jì)算機(jī)在較短的采樣周期之內(nèi)，完成信號的轉(zhuǎn)換、采集，完成按某種控制規(guī)律實(shí)施的控制運(yùn)算，完成控制信號的輸出。136第一百三十六頁，共186頁。2.4直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制

2.轉(zhuǎn)速檢測的數(shù)字化-編碼器增量式旋轉(zhuǎn)編碼器示意圖光電式旋轉(zhuǎn)編碼器是檢測轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的元件，旋轉(zhuǎn)編碼器與電動機(jī)相連，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角信號。旋轉(zhuǎn)編碼器可分為絕對式和增量式兩種；絕對式編碼器常用于檢測轉(zhuǎn)角。增量式編碼器在碼盤上均勻地刻制一定數(shù)量的光柵，在接收裝置的輸出端便得到頻率與轉(zhuǎn)速成正比的方波序列，從而可以計(jì)算轉(zhuǎn)速。137第一百三十七頁，共186頁。光電晶體管138第一百三十八頁，共186頁。2.4直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制2.轉(zhuǎn)速檢測的數(shù)字化-編碼器-鑒相增加一對發(fā)光和接收裝置，使兩對發(fā)光與接收裝置錯開光柵節(jié)距的1/4；正轉(zhuǎn)時(shí)A相超前B相，反轉(zhuǎn)時(shí)B相超前A相；采用簡單的鑒相電路可以分辨出轉(zhuǎn)向。139第一百三十九頁，共186頁。2.4直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制

2.轉(zhuǎn)速檢測的數(shù)字化-數(shù)字測速的精度指標(biāo)-分辨率用改變1個計(jì)算值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速變化量來表示分辨率，以符號Q表示。當(dāng)被測轉(zhuǎn)速由n1變?yōu)閚2時(shí)，引起的記數(shù)值增量為1，則該測速方法的分辨率為：分辨率Q越小，說明測速裝置對轉(zhuǎn)速變化的檢測越敏感，從而測速的精度越高（2-74）140第一百四十頁，共186頁。2.4直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制

2.轉(zhuǎn)速檢測的數(shù)字化-數(shù)字測速的精度指標(biāo)-測速誤差率轉(zhuǎn)速實(shí)際值和測量值之差與實(shí)際值之比定義為測速誤差率，記作：（2-75）測速誤差率反映了測速方法的準(zhǔn)確性，δ越小，準(zhǔn)確度越高。141第一百四十一頁，共186頁。2.4直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制

2.轉(zhuǎn)速檢測的數(shù)字化-數(shù)字測速的精度指標(biāo)-M法測速（2-76）記取一個采樣周期內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖個數(shù)來算出轉(zhuǎn)速的方法稱M法測速，又稱頻率法測速。式中：n-轉(zhuǎn)速，單位為r/min；M1-時(shí)間Tc內(nèi)的脈沖個數(shù)；Z-旋轉(zhuǎn)編碼器每圈輸出的脈沖個數(shù)；Tc-采樣周期，單位為s。Tc時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)142第一百四十二頁，共186頁。2.4直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制M法測速原理示意圖由系統(tǒng)的定時(shí)器按采樣周期的時(shí)間定期地發(fā)出一個采樣脈沖信號；計(jì)數(shù)器記錄下在兩個采樣脈沖信號之間的旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖個數(shù)。

2.轉(zhuǎn)速檢測的數(shù)字化-數(shù)字測速的精度指標(biāo)-M法測速143第一百四十三頁，共186頁。2.4直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制（2-78）（2-77）M法測速的分辨率為：

2.轉(zhuǎn)速檢測的數(shù)字化-數(shù)字測速的精度指標(biāo)-M法測速M(fèi)法測速的分辨率與實(shí)際轉(zhuǎn)速大小無關(guān)。M法測速的誤差率的最大值為：δmax與M1成反比，轉(zhuǎn)速愈低，M1愈小，誤差率愈大。144第一百四十四頁，共186頁。2.4直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制

2.轉(zhuǎn)速檢測的數(shù)字化-數(shù)字測速的精度指標(biāo)-T法測速T法測速是測出旋轉(zhuǎn)編碼器兩個輸出脈沖之間的間隔時(shí)間來計(jì)算轉(zhuǎn)速，又被稱為周期法測速。與M法測速不同的是，T法測速所計(jì)的是計(jì)算機(jī)發(fā)出的高頻時(shí)鐘脈沖的個數(shù)，以旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的相臨兩個脈沖的同樣變化沿作為計(jì)數(shù)器的起始點(diǎn)與終止點(diǎn)。準(zhǔn)確的測速時(shí)間是用所得的高頻時(shí)鐘脈沖個數(shù)計(jì)算出來的，即：。T法測速原理示意圖145第一百四十五頁，共186頁。2.4直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制

2.轉(zhuǎn)速檢測的數(shù)字化-數(shù)字測速的精度指標(biāo)-T法測速電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為：（2-79）（2-80）T法測速的分辨率定義為時(shí)鐘脈沖個數(shù)由M2變成(M2-1)時(shí)轉(zhuǎn)速的變化量：（2-81）綜合式(2-79)和式(2-80)，得：T法測速的分辨率與轉(zhuǎn)速高低有關(guān)，轉(zhuǎn)速越低，Q值越小，分辨能力越強(qiáng)。Z-旋轉(zhuǎn)編碼器每圈輸出的脈沖個數(shù)；146第一百四十六頁，共186頁。2.4直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制（2-82）

2.轉(zhuǎn)速檢測的數(shù)字化-數(shù)字測速的精度指標(biāo)-T法測速T法測速誤差率的最大值為：低速時(shí)，編碼器相鄰脈沖間隔時(shí)間長，測得的高頻時(shí)鐘脈沖M2個數(shù)多，誤差率小，測速精度高；T法測速更適用于低速段。147第一百四十七頁，共186頁。

2.轉(zhuǎn)速檢測的數(shù)字化-數(shù)字測速的精度指標(biāo)-M/T法測速在M法測速中，隨著電動機(jī)的轉(zhuǎn)速的降低，計(jì)數(shù)值減少，測速裝置的分辨能力變差，測速誤差增大；T法測速正好相反，隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，計(jì)數(shù)值減小，測速裝置的分辨能力越來越差；綜合這兩種測速方法的特點(diǎn)，產(chǎn)生了M/T測速法，它無論在高速還是在低速時(shí)都具有較高的分辨能力和檢測精度。M/T法測速原理示意圖148第一百四十八頁，共186頁。

2.轉(zhuǎn)速檢測的數(shù)字化-數(shù)字測速的精度指標(biāo)-M/T法測速關(guān)鍵是和計(jì)數(shù)同步開始與關(guān)閉，實(shí)際的檢測時(shí)間與旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖一致，能有效減小測速誤差；采樣時(shí)鐘由系統(tǒng)的定時(shí)器產(chǎn)生，其數(shù)值始終不變；檢測周期由采樣脈沖的邊沿之后的第一個脈沖編碼器的輸出脈沖的邊沿來決定，即：（2-83）（n-轉(zhuǎn)速）（2-84）檢測周期T內(nèi)被測轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角為：旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出Z個脈沖，在檢測周期T內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖是M1，則：149第一百四十九頁，共186頁。

2.轉(zhuǎn)速檢測的數(shù)字化-數(shù)字測速的精度指標(biāo)-M/T法測速若時(shí)鐘脈沖頻率是f0，在檢測周期T內(nèi)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)值為M2，則：（2-86）（2-85）（2-87）綜合式(2-83)、式(2-84)和式(2-85)便可求出被測的轉(zhuǎn)速為：在高速段，Tc>>ΔT1，Tc>>ΔT2，可看成T≈Tc：M2=f0T≈f0Tc，代入式(2-87)可得：（2-88）150第一百五十頁，共186頁。

2.轉(zhuǎn)速檢測的數(shù)字化-數(shù)字測速的精度指標(biāo)-M/T法測速在高速段，與M法測速的分辨率完全相同；在低速段，M1=1，M2隨轉(zhuǎn)速變化，分辨率與T法測速完全相同；M/T法測速無論是在高速還是在低速都有較強(qiáng)的分辨能力；在M/T法測速中，檢測時(shí)間是以脈沖編碼器的輸出脈沖的邊沿為基準(zhǔn)，計(jì)數(shù)值M2最多產(chǎn)生一個時(shí)鐘脈沖的誤差；M2的數(shù)據(jù)在中、高速時(shí)，基本上是一個常數(shù)M2=Tf0≈Tcf0，其測速誤差率為：；M/T法測速具有較高的測量精度。151第一百五十一頁，共186頁。2.4直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制3.數(shù)字PI調(diào)節(jié)器PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)列出如下：（2-89）（2-90）輸出函數(shù)和輸入誤差函數(shù)關(guān)系的時(shí)域表達(dá)式為：轉(zhuǎn)換為差分方程，其第k拍輸出為：式中：Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù),Ki=1/τ。式中：Tsam為采樣周期。152第一百五十二頁，共186頁。2.4直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字控制3.數(shù)字PI調(diào)節(jié)器-PI算法數(shù)字PI調(diào)節(jié)器有位置式和增量式兩種算法：位置式算法中，u(k)為第k拍的輸出值，比例部分只與當(dāng)前的偏差有關(guān)，積分部分則是系統(tǒng)過去所有偏差的累積。增量式算法只需要當(dāng)前的和上一拍的偏差即可計(jì)算輸出值。（2-91）（2-92）數(shù)字控制算法中，要對u限幅，須在程序內(nèi)設(shè)置限幅值，當(dāng)|u(k)|>um時(shí)，便以限幅值±um作為輸出：增量式PI調(diào)節(jié)器算法只需輸出限幅。位置式算法必須同時(shí)設(shè)積分限幅和輸出限幅，若無積分限幅會產(chǎn)生較大的退飽和超調(diào)。153第一百五十三頁，共186頁。所謂積分飽和現(xiàn)象是指若系統(tǒng)存在一個方向的偏差，PID控制器的輸出由于積分作用的不斷累加而加大，從而導(dǎo)致u(k)達(dá)到極限位置。此后若控制器輸出繼續(xù)增大，u(k)也不會再增大，即系統(tǒng)輸出超出正常運(yùn)行范圍而進(jìn)入了飽和區(qū)。一旦出現(xiàn)反向偏差，u(k)逐漸從飽和區(qū)退出。進(jìn)入飽和區(qū)愈深則退飽和時(shí)間愈長。此段時(shí)間內(nèi)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍停留在極限位置而不能隨著偏差反向立即做出相應(yīng)的改變，這時(shí)系統(tǒng)就像失去控制一樣，造成控制性能惡化。這種現(xiàn)象稱為積分飽和現(xiàn)象或積分失控現(xiàn)象。154第一百五十四頁，共186頁。所謂積分飽和現(xiàn)象是指若系統(tǒng)存在一個方向的偏差，PID控制器的輸出由于積分作用的不斷累加而加大，從而導(dǎo)致u(k)達(dá)到極限位置。此后若控制器輸出繼續(xù)增大，u(k)也不會再增大，即系統(tǒng)輸出超出正常運(yùn)行范圍而進(jìn)入了飽和區(qū)。一旦出現(xiàn)反向偏差，u(k)逐漸從飽和區(qū)退出。進(jìn)入飽和區(qū)愈深則退飽和時(shí)間愈長。此段時(shí)間內(nèi)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍停留在極限位置而不能隨著偏差反向立即做出相應(yīng)的改變，這時(shí)系統(tǒng)就像失去控制一樣，造成控制性能惡化。這種現(xiàn)象稱為積分飽和現(xiàn)象或積分失控現(xiàn)象。155第一百五十五頁，共186頁。3.數(shù)字PI調(diào)節(jié)器-改進(jìn)PI算法把P和I分開，當(dāng)偏差大時(shí)，只讓比例部分起作用，以快速減少偏差；當(dāng)偏差降低到一定程度后，再將積分作用投入，既可最終消除穩(wěn)態(tài)偏差，又能避免較大的退飽和超調(diào)。這就是積分分離算法的基本思想。積分分離算法的表達(dá)式為：其中：δ為一常值。156第一百五十六頁，共186頁。2.5轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的限流保護(hù)1.轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的過流問題在轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)上突加給定電壓時(shí)，電樞電壓立即達(dá)到它的最高值，對電動機(jī)來說，相當(dāng)于