電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)主講人：潘月斗北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)全書分為四大部分，分別講述:第一部分：電力拖動(dòng)直流調(diào)速系統(tǒng)；第二部分：電力拖動(dòng)交流調(diào)速系統(tǒng)；第三部分：電力拖動(dòng)伺服系統(tǒng)；第四部分：電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系

統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計(jì)。

第1章

交、直流調(diào)速系統(tǒng)

緒論內(nèi)容概要*電力拖動(dòng)及其自動(dòng)控制系統(tǒng)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況與發(fā)展趨勢(shì)本章講述：內(nèi)容概要*電力拖動(dòng)及其自動(dòng)控制系統(tǒng)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況與發(fā)展趨勢(shì)本章講述：電力拖動(dòng)及其自動(dòng)控制系統(tǒng)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中除了電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、以及工作機(jī)械外，還有在電源與電動(dòng)機(jī)之間配置的自動(dòng)控制裝置，其設(shè)備組合示意圖如圖1-1所示。圖1-1電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)備組成情況示意圖*

依據(jù)圖1-1按照閉環(huán)結(jié)構(gòu)形式所組成的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖1-2所示?？梢钥闯?，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)及其負(fù)載、電力電子電能變換電路、控制器及信息檢測(cè)器等按照負(fù)反饋原則而構(gòu)成的。*圖1-2電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)閉環(huán)組成圖*

電動(dòng)機(jī)分為兩大類，即直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)。交流電動(dòng)機(jī)分為兩大類，即異步電動(dòng)機(jī)（也稱為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)）和同步電動(dòng)機(jī)。電力電子變換電路由半導(dǎo)體電力電子開關(guān)器件構(gòu)成。*

對(duì)于直流調(diào)速系統(tǒng)而言是采用半控型晶閘管(SCR)器件組成的整流電路（或采用全控器件構(gòu)成的直流PWM變換電路）；對(duì)于現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)而言，采用電力電子全控型器件(IGBT、IEGT、IGCT)組成的逆變電路。*

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)有多種分類方法，其中，按被控物理量來分類有利于與其他自動(dòng)控制系統(tǒng)相區(qū)別。其物理概念清晰，能夠反映電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)本身特征。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)可歸納成如圖1-3所示的分類圖。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類：*

圖1-3電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)分類*1.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的反饋控制規(guī)律（1）反饋控制系統(tǒng)的功能反饋控制系統(tǒng)的功能是：抑制擾動(dòng)，跟隨給定。它能有效地抑制一切被負(fù)反饋通道所包圍的前向通道上的擾動(dòng)作用，對(duì)于給定作用的變化則是嚴(yán)格跟蹤。但是在反饋通道上的測(cè)速反饋系數(shù)發(fā)生變化，它非但不能得到反饋控制系統(tǒng)的抑制，反而會(huì)造成被調(diào)量的誤差。其結(jié)構(gòu)圖1-4所示：電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)*圖1-4電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)備組成情況示意圖*

如果產(chǎn)生給定電壓的電源發(fā)生波動(dòng)，反饋控制系統(tǒng)無法產(chǎn)生跟隨作用。因此，高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須有更高精度的給定穩(wěn)壓電源。

反饋檢測(cè)裝置的誤差是反饋控制系統(tǒng)無法克服的。（2）系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測(cè)的精度*

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要特征就是它的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速控制特性，可用運(yùn)動(dòng)方程式來描述，如下所示。2.轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速控制特性是電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本特征旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方程式：（1-1）*式中

機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(Kg·m2)；

轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度(rad/s)；

轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)角(rad)；

電磁轉(zhuǎn)矩(N·m)；

負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N·m)；

阻轉(zhuǎn)矩阻尼系數(shù)；

扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩系數(shù)。*

忽略阻尼轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩，則運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本運(yùn)動(dòng)方程式可簡(jiǎn)化為：（1-2）

若采用工程單位制，則式（1-2）的第1行應(yīng)改寫為：（1-3）*式中

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，習(xí)慣稱飛輪力矩(N·m2)，

；n轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速(r/min)，

。直線運(yùn)動(dòng)方程式：（1-4）式中F拖動(dòng)力(N)；

拖動(dòng)阻力(N)；慣性力為。*

如圖0-5所示，與電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的相關(guān)學(xué)科有：電機(jī)與電力拖動(dòng)基礎(chǔ)、電力電子學(xué)（電力電子技術(shù)）、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、信號(hào)檢測(cè)與處理技術(shù)等。除此之外，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究和技術(shù)開發(fā)是以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)作為工具的。3.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的學(xué)科特點(diǎn)*

圖1-5電力拖動(dòng)自動(dòng)系統(tǒng)與其相關(guān)學(xué)科*1.電力拖動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展概況和趨勢(shì)1）直流調(diào)速系統(tǒng)20世紀(jì)60年代以前是以旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)為主（見圖1-6）。20世紀(jì)60年代以后以晶閘管組成的直流供電系統(tǒng)逐步取代了直流機(jī)組和水銀整流器。20世紀(jì)80年代末期全數(shù)字控制的直流調(diào)速系統(tǒng)迅速取代了模擬控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況與發(fā)展趨勢(shì)*圖1-6直流發(fā)動(dòng)機(jī)-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)*2）交流調(diào)速系統(tǒng)

交流電動(dòng)機(jī)，特別是鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、價(jià)格便宜、堅(jiān)固耐用、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、運(yùn)行可靠、很少維修、使用環(huán)境及結(jié)構(gòu)發(fā)展不受限制等優(yōu)點(diǎn)。在早期只有一些調(diào)速性能差、低效耗能的調(diào)速方法，繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子外串電阻調(diào)速方法（見圖1-8）如下。*圖1-8繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子外串電阻調(diào)速方法*

鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)定子調(diào)壓調(diào)速方法（利用自耦變壓器變壓調(diào)速；利用飽和電抗器變壓調(diào)速；利用晶閘管交流調(diào)壓器調(diào)壓調(diào)速）如圖1-9所示。還有變極對(duì)數(shù)調(diào)速方法（見圖1-10）及后來的電磁（轉(zhuǎn)差離合器）調(diào)速方法（見圖1-11）等。*圖1-8鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)定子調(diào)壓調(diào)速方法*圖1-10變極對(duì)數(shù)調(diào)速方法原理圖圖1-11電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)*3）現(xiàn)代交流調(diào)速的發(fā)展趨勢(shì)高性能交流調(diào)速系統(tǒng)的進(jìn)一步研究與技術(shù)開發(fā)；新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)功率變換器的研究與技術(shù)開發(fā)；PWM模式的改進(jìn)和優(yōu)化；中壓變頻裝置（我國稱為高壓變頻裝置）的開發(fā)研究。*

隨著交流調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)在伺服系統(tǒng)中成為主導(dǎo)方面。

感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)交流位置伺服系統(tǒng)具有良好的發(fā)展前景，是未來伺服技術(shù)的發(fā)展方向之一。2.電力拖動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展概況和趨勢(shì)*3.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制

近年來，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，工業(yè)控制系統(tǒng)由原來單一、獨(dú)立的控制系統(tǒng)發(fā)展到復(fù)雜、集成的工業(yè)控制網(wǎng)，構(gòu)成多層的開放自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（見圖1-16）。*圖1-16開放式的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)*

在設(shè)備層，基于CAN的DeviceNet網(wǎng)絡(luò)（見圖1-17）可以不經(jīng)過I/O模塊接口而直接通過單一纜線將底層設(shè)備與控制器連接，可以在不切斷網(wǎng)絡(luò)電源的條件下自由地接入或移去設(shè)備。

在控制層，ControlNet也是現(xiàn)在CAN的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展起來的，ControlNet網(wǎng)絡(luò)（見圖1-18）將I