《運動控制系統(tǒng)》

1運動控制系統(tǒng)基礎知識2單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)3轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)4直流脈寬調速系統(tǒng)5交流電動機變壓變頻調速系統(tǒng)6交流電動機矢量控制變頻調速系統(tǒng)7變頻器應用技術8伺服電動機控制系統(tǒng)實驗9-立體倉庫綜合實訓全套可編輯PPT課件

1）了解運動控制系統(tǒng)的概念、分類及組成。

2）了解運動控制系統(tǒng)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）了解交直流調速系統(tǒng)的特點。

5）了解MATLAB/Simulink仿真技術。主要知識點與學習要求:第一章運動控制基礎知識1.1運動控制系統(tǒng)概述（定義、分類、組成、控制方式、發(fā)展趨勢等）

1.2交、直流調速系統(tǒng)的特點

1.3MATLAB/Simulink仿真技術

1.4本課程的任務

本章主要內容:IntroductionHow?SomeQuestionsWhy?What?學習前提關于運動控制系統(tǒng)你了解多少？1.舉例常見的運動控制系統(tǒng)；汽車、飛機電動車、高鐵、、潛艇、航母、機器人、雷達等鉆銑床、沖床、塑膜剪切機、報紙印刷機等空調、洗衣機、電飯煲、熱水器等運動控制舉例2.運動控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢？更小體積（單位空間內放置更多的控制部件）1更少接線（運動控制總線技術）2

更少部件（集成化發(fā)展）3

更強控制、更易用4

大數(shù)據(jù)和云計算（物聯(lián)網和智能網絡）5主要涉及步進電機、伺服電機的控制未來：智能化1.1.1運動控制系統(tǒng)定義及分類運動控制系統(tǒng)（MotionControlSystem）也可稱作電力拖動控制系統(tǒng)（ControlSystemsofElectricDrive）狹義）。定義：運動控制系統(tǒng)（MotionControlSystem）是以電動機為控制對象、以控制器為核心、以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構，在“自動控制理論”的指導下組成的一種自動控制系統(tǒng)。1.1運動控制系統(tǒng)概述功率放大與變換裝置是執(zhí)行手段，目前常用可控電力電子器件組成電力電子裝置；控制器有模擬控制器和數(shù)字控制器兩類；常見的反饋信號是電壓、電流、轉速和位置（位移）。直流調速系統(tǒng)

交流調速系統(tǒng)按照原動機分控制系統(tǒng)分類：經典控制系統(tǒng)

現(xiàn)代控制系統(tǒng)按照控制理論分直流電動機

交流異步電動機電動機

同步電動機（1）單片機構成的運動控制系統(tǒng)適用于運動控制系統(tǒng)的功能較簡單、產品批量較大，且單片機系統(tǒng)開發(fā)經驗較豐富的用戶。（2）PC機+運動控制卡構成的運動控制系統(tǒng)能充分利用計算機資源，可用于運動過程、運動軌跡都比較復雜且柔性比較強的機器和設備。（3）PLC構成的運動控制系統(tǒng)主要用于運動過程不是特別復雜、運動軌跡相對固定的設備。（4）專用運動控制系統(tǒng)主要是指專用的數(shù)控系統(tǒng)，一般都是針對專用設備，如數(shù)控車床、數(shù)控銑床等。按控制器類型分：1.1.2運動控制系統(tǒng)組成圖1運動控制系統(tǒng)及其組成運動控制系統(tǒng)亦稱：電力拖動控制系統(tǒng)（改變物理量：轉矩、速度、位移等）涉及領域較廣1.1.3運動控制基本控制方式一、開環(huán)控制特點:在控制器與被控對象之間只有正向控制作用而沒有反饋控制作用，即系統(tǒng)的輸出量對控制量沒有影響。按給定值操作

按干擾補償開環(huán)控制分類二、閉環(huán)控制正反饋控制（反饋量為正）

負反饋控制（反饋量為負）閉環(huán)控制圖1-2按偏差調節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)原理方框圖（1）一般為負反饋系統(tǒng)，按照給定和反饋之間的偏差信號進行自動調節(jié)，維持系統(tǒng)恒定；（2）但是，控制系統(tǒng)的參數(shù)需要匹配，否則系統(tǒng)會無法正常工作。注意：例1-1：

一個簡單的水位控制系統(tǒng)如圖1-5所示，試分析系統(tǒng)的工作原理，并畫出系統(tǒng)的原理方框圖。1.1.4定位控制方式用限位開關實現(xiàn)的定位控制這種定位方式簡單，僅需要限位開關即可，缺點是精度極差，由于斷電后自由滑行，停止時間由慣性決定。即使添加制動裝置用于提高定位精度，但仍不能滿足要求，并且維護也不方便。變頻器雙速控制實現(xiàn)定位控制利用變頻器的多段速功能在低速時停止，系統(tǒng)慣性大大降低，位置精度也有了很大的提高。變頻器減速停止定位精度可達±0.5-±5mm1.1.4定位控制方式163PLC編碼器高速計數(shù)實現(xiàn)定位控制編碼器將位移信號轉換成脈沖信號送入PLC的高速計數(shù)口，PLC就可以通過程序實現(xiàn)高、中、低速切換，使用十分方便。1.1.4定位控制方式1.2交直流調速系統(tǒng)特點直流調速的發(fā)展過程從簡單到復雜，從開環(huán)到閉環(huán)、從單環(huán)到多環(huán)、從不可逆調速到可逆調速、數(shù)字化調速（智能化）等；目前直流調速系統(tǒng)的研究及應用已很成熟；直流調速系統(tǒng)響應速度快、超調量小、系統(tǒng)穩(wěn)定性好，抗干擾性也較強，起、制動性能好，可實現(xiàn)平滑調速。應用場合：在調速要求較高的場合，仍用直流調速，比如：軋鋼廠、海上鉆井平臺、提升機、電梯控制等。1.2.1直流調速系統(tǒng)特點1.2.2交流調速系統(tǒng)特點（1）交流電動機體積小、重量輕、沒有電刷和換向器、轉動慣量小、制造簡單、結構牢固、工作可靠、易于維修等優(yōu)點，但是控制比較復雜。（2）以大功率半導體器件、大規(guī)模集成電路為基礎的交流電動機調速系統(tǒng)已具備了較寬的調速范圍、較高的穩(wěn)態(tài)精度、較快的動態(tài)響應、較高的工作效率以及可以四項限運行等優(yōu)異性能，其靜、動態(tài)特性均可以與直流電動機調速系統(tǒng)相媲美。永磁電動機1．MATLAB的特點

（1）五大基本組成部分：開發(fā)環(huán)境、數(shù)學函數(shù)庫、MATLAB語言、繪圖功能、應用程序接口。（2）

典型應用：數(shù)學計算、科學算法開發(fā)、數(shù)據(jù)采集和信號處理、建模及原型仿真、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化、科學與工程繪圖、應用程序開發(fā)。1.3MATLAB/Simulink仿真技術命令行窗口歷史命令窗口工作空間瀏覽器當前目錄瀏覽器命令行提示符2、MATLAB的桌面環(huán)境3．Simulink的特點

（1）Simulink是MATLAB軟件的擴展，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的軟件包。它與MATLAB的區(qū)別在于，其與用戶的接口是基于Windows的模型化圖形輸入，用戶主要是構建系統(tǒng)的模型，而非是語言的編程。（2）典型應用：Simulink應用領域包括汽車、航空、工業(yè)自動化、大型建模、復雜邏輯、物理邏輯，信號處理等方面。4．Simulink操作環(huán)境建模系統(tǒng)模型時：需要根據(jù)需要選擇相應領域的仿真庫及模塊函數(shù)。Simulink中的模塊函數(shù)1.4本課程任務與適用對象1）掌握轉速負反饋單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)組成和工作原理；2）掌握轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)組成和工作原理及轉速環(huán)和電流環(huán)的工程設計方法；3）掌握PWM控制原理及雙閉環(huán)PWM直流調速系統(tǒng)組成及工作原理；4）了解交流電動機電壓——頻率協(xié)調控制機械特性；5）掌握交流電動機變頻調速系統(tǒng)工作原理；課程任務課程任務6）了解交流異步電動機矢量控制調速系統(tǒng)的組成及工作原理；7）了解變頻器應用技術；8）了解伺服電機控制系統(tǒng)；9）熟練應用MATLAB/Simulink仿真技術，掌握典型運動控制系統(tǒng)的仿真建模方法。10）熟練應用匯川PLC、變頻器、伺服驅動器等設備及其配套軟件完成指定的運動控制系統(tǒng)實訓項目。適用對象1）主要適用于高職院校學生；2）繼續(xù)教育學院學生；3）高等專科學校學生。4）其他：參考用書?！哆\動控制系統(tǒng)》

1）掌握三種常用的直流電動機調速方法。2）掌握直流電動機的開環(huán)和閉環(huán)調速特性。3）了解轉速負反饋、轉速有靜差和無靜差調速的概念。4）掌握有靜差和無靜差單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的原理。5）掌握轉速單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算方法和靜態(tài)特性。6）了解電流截止負反饋的概念。7）熟悉MATLAB軟件，掌握MATLAB/Simulink仿真工具箱的使用方法。8）掌握轉速單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的MATLAB仿真建模和分析方法。主要知識點與學習要求:第二章單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)2.1相關概念

2.2有靜差轉速負反饋單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)

2.3無靜差轉速負反饋單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)2.4轉速負反饋單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的MATLAB/Simulink仿真（有靜差、無靜差直流調速系統(tǒng)的仿真；有限流保護的有靜差及無靜差系統(tǒng)直流調速系統(tǒng)的仿真）

本章主要內容:2.1概述

2.1.1調速的概念

當負載確定時，通過改變電動機或供電電源參數(shù)的方法，使電動機械特性曲線得以改變，從而使電動機轉速發(fā)生變化或保持不變。穩(wěn)速（負載變化時，轉速nd和na相等或接近)調速結果變速（負載一定時，轉速由na變到nb或nc）2.1.2調速的方法機械特性方程：三種調速方法1.調節(jié)電樞電壓U（調壓調速）2.減弱勵磁磁通3.改變電樞回路總電阻R（調阻調速）（調磁調速）在每一種調速方法中，只調整一個參數(shù)，其他參數(shù)維持其在固有特性額定點的數(shù)值不變。調壓調速特點：機械特性是一組平行變化的曲線，即斜率為常數(shù)；轉速降落不變；調速范圍寬，機械特性硬，動態(tài)性能好。調阻調速特點：空載轉速相同；R越大，轉速降落越大，轉速越低；調速范圍較小，是有級調速，平滑性不高。調磁調速特點：磁通越弱，轉速越大；額定轉速為最低轉速；最高轉速受電機條件限制；調速范圍小，一般和調壓調速配合使用。2.1.3調速指標（1）調速范圍D：（2）靜差率s：：理想空載轉速。調速范圍和靜差率指標并不是彼此孤立的，必須同時考慮才有意義。調速范圍受低速特性的靜差率制約。靜差率s反映了電動機轉速受負載變化的影響程度，它與機械特性有關。電動機的機械特性越硬（即轉速降落越?。o差率越小，轉速的穩(wěn)定性就越好。理論上D越大越好；但弱磁調速時，最低轉速即是額定轉速；（3）調速范圍和靜差率的關系？例2-1某臺他勵直流電動機有關數(shù)據(jù)為PN=60kW,UN=220V,IN=305A,nN=1000r/min,電樞回路電阻Ra=0.04Ω，求下列各種情況下電動機的調速范圍D。

(1)靜差率s≤30%，電樞串電阻調速時；(2)

靜差率s≤20%，降低電源電壓調速時。（3）靜差率s≤20%，電樞串電阻調速時。解

電動勢系數(shù)Ce：理想空載轉速n0：(1)靜差率s=30%時，最小轉速nmin1為

：則調速范圍D1為：(2)靜差率s≤20%，電樞串電阻調速時:最小轉速nmin2為

：則調速范圍D3為：(3)靜差率s≤20%，降低電源電壓調速時:額定轉矩時的轉速降落ΔnN：最低轉速點所在機械特性的理想空載轉速為：最小轉速nmin3為

：例2-2一個直流電動機調速系統(tǒng)電動機的有關數(shù)據(jù)為：額定轉速為nN=1430r/min，額定速降ΔnN=115r/min。求：（1）當靜差率時，允許多大的調速范圍？（2）如果要求靜差率，則調速范圍是多少？（3）如果希望調速范圍達到，所能滿足的靜差率是多少？圖2-2直流開環(huán)控制系統(tǒng)原理圖

圖2-3開環(huán)調速系統(tǒng)主電路的等效電路瞬時電壓平衡方程:用觸發(fā)脈沖的相位角a控制

是三相全控橋整流器的特點：m為交流電源一周內的整流電壓脈波數(shù)。2.1.4開環(huán)直流調速系統(tǒng)及其特性電樞回路電感L較大時，電流連續(xù)。圖2-4電流連續(xù)時波形電樞回路電感L較小時，電流斷續(xù)。圖2-5電流斷續(xù)時波形2.1.4開環(huán)直流調速系統(tǒng)及其特性電流連續(xù)時系統(tǒng)機械特性:線性△n=IdR/CenIdILO圖2-5電流連續(xù)時系統(tǒng)的機械特性（線性）常在主電路中串聯(lián)較大平波電抗器或避免在輕載下運行，保證功率管電流連續(xù)。電流斷續(xù)時系統(tǒng)機械特性:非線性,變流電路不存在換相。2.1.4開環(huán)直流調速系統(tǒng)及其特性2.2有靜差轉速負反饋單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)開環(huán)特點：系統(tǒng)結構簡單，成本低。在對靜差率要求不高的場合，它也能實現(xiàn)一定范圍內的無級調速。缺點：對靜差率有一定的要求時，開環(huán)控制系統(tǒng)往往不能滿足要求。開環(huán)調速系統(tǒng)中，輸入電壓信號（也稱轉速給定信號）記作，直流電動機是被控對象，直流電動機轉速n為被調量。如和n之間通過測速環(huán)節(jié)聯(lián)系在一起組成一個負反饋環(huán)節(jié)，則構成了轉速單閉環(huán)調速系統(tǒng)。問題的提出單閉環(huán)調速系統(tǒng)的概念2.2.1單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成及其工作原理（1）主要環(huán)節(jié)：轉速調節(jié)器ASR、三相集成脈沖觸發(fā)器、三相全控橋（由全控電力電子器件構成）、動機主回路、測速環(huán)節(jié)等。（2）轉速反饋量：（3）有靜差概念：ASR為比例（P）放大器時:。

圖2-6單閉環(huán)系統(tǒng)的組成調節(jié)原理根據(jù)自控原理中按偏差調節(jié)的閉環(huán)控制規(guī)律，RL增加，則n降低，反饋電壓Un的值將減小，偏差ΔUn=U*n-Un將增大，控制電壓Uct增大，全控橋輸出直流電壓Ud增大，則轉速n將上升，最終又回到原來運行的轉速上，維持轉速穩(wěn)定。2.2.2有靜差單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性（1）各典型輸入輸出環(huán)節(jié)為線性，即忽略非線性；（2）系統(tǒng)工作在電流連續(xù)段，即只取線性工作段；假設前提條件（3）忽略控制電源和電位器的內阻穩(wěn)態(tài)關系：（1）電壓比較環(huán)節(jié)ΔUn=U*n-Un

（2）比例放大器Uc=KpΔUn

（3）觸發(fā)裝置和全控器件Ud0=KsUc

（4）測速反饋環(huán)節(jié)Un=αn

（5）調速系統(tǒng)開環(huán)機械特性Kp為放大器的電壓放大系數(shù)Ks為功率器件的電壓放大系數(shù)穩(wěn)態(tài)結構圖圖2-7有靜差單閉環(huán)負反饋調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖靜態(tài)特性為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)。為電動機環(huán)節(jié)的放大系數(shù)。Ce=E/n閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電機轉速與負載電流（或轉矩）間的穩(wěn)態(tài)關系，它在形式上與開環(huán)機械特性相似，但本質上卻有很大不同，故定名為“靜特性”。開環(huán)系統(tǒng)機械特性與閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關系

n0op為開環(huán)理想空載轉速；Δnop為開環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)速降。（1）開環(huán)機械特性（2）閉環(huán)靜特性n0cl稱為閉環(huán)理想空載轉速；Δncl稱為閉環(huán)穩(wěn)態(tài)速降。（3）二者比較結果a)負載擾動相同時，閉環(huán)系統(tǒng)的機械特性比開環(huán)系統(tǒng)的機械特性硬。顯然，K較大時，Δncl比Δnop小得多，即閉環(huán)系統(tǒng)的特性要硬得多。b)當理想空載轉速n0相同時，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率較小。在n0cl=n0op時，復習靜差率和調速范圍關系：靜差率：開環(huán)時閉環(huán)時再考慮Δncl和Δnop的關系：(c)當靜差率相同時，閉環(huán)系統(tǒng)的調速范圍大大高于開環(huán)系統(tǒng)。(d)

閉環(huán)系統(tǒng)必須設置放大器，以確保放大倍數(shù)K足夠大，以實現(xiàn)上述三項優(yōu)點。閉環(huán)時開環(huán)時開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的調速范圍的關系：若無放大裝置或K不夠大，則轉速偏差很小，全控橋的控制電壓Uc=KΔUn就非常小，電動機兩端的電樞電壓就非常低，使電動機不能工作。1）被調量有靜差（比例放大器）只要調節(jié)器僅僅選用比例放大器，穩(wěn)態(tài)速降就只能減小，不能消除。2）抵抗擾動，服從給定。

閉環(huán)控制系統(tǒng)能有效地抑制一切被負反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動作用，但對給定作用的變化則唯命是從，即服從給定。3）系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精度。有靜差轉速負反饋單閉環(huán)調速系統(tǒng)的基本特征常見的擾動源有以下幾種：穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算（舉例說明）例2-5

主電路采用晶閘管可控整流器供電的V-M系統(tǒng)。電動機的額定數(shù)據(jù)為10kW、220V、55A和1000r/min，電樞電阻Ra=0.5Ω；采用三相橋式可控整流電路，整流變壓器為Y/Y連接，二次線電壓U21=230V，電壓放大系數(shù)Ks=44；系統(tǒng)電樞回路總電阻R=1.0Ω；測速發(fā)電機為永磁式，額定數(shù)據(jù)為23.1W、110V、0.21A和1900r/min；直流穩(wěn)壓電源電壓為±15V。若生產機械要求調速范圍D=10，靜差率s≤5%，試計算系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)(不考慮電動機的起動問題)。解

(1)為滿足調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標，計算額定負載的穩(wěn)態(tài)轉速降Δncl。

(2)計算閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)K。

電動勢系數(shù):開環(huán)系統(tǒng)的額定速降Δnop為:

則閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)K為：(3)計算轉速負反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)α和電位器參數(shù)。

轉速負反饋系數(shù)α包含測速發(fā)電機的電動勢系數(shù)Cetg和其輸出電位器Rp2的分壓系數(shù)α2，即α=α2Cetg

又同時假設α2=0.2，則Un=α2Cetg×nN=0.2×0.0579×1000=11.58V

穩(wěn)態(tài)時，ΔUn很小，U*n只要略大于Un即可。現(xiàn)在已知直流穩(wěn)壓電源為±15V，完全滿足要求，所以α2取0.2是合理的。因此，轉速負反饋系數(shù)設計為:電位器Rp2:

(4)計算放大器的放大系數(shù)Kp和電阻參數(shù)。

實際取Kp＝21。

運算放大器的參數(shù)選擇:

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

閉環(huán)調速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調速范圍，為此所需付出的代價是須增設電壓放大器以及檢測與反饋裝置。閉環(huán)系統(tǒng)能降低穩(wěn)態(tài)轉速降(或靜差率)的實質在于它的自動調節(jié)作用，即隨著負載的變化相應地改變電樞電壓，以補償電樞回路的電阻壓降。2.2.3有靜差單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)特性（1）可控電力電子器件的傳遞函數(shù)（2）直流電動機的傳遞函數(shù)（b）整流電壓和電樞電流之間的結構框圖（a）電力電子變換器的動態(tài)結構框圖（c）電動機電動勢和電流之間的動態(tài)結構框圖系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：對(a)、（b）、（c）三個結構圖一起考慮并進行簡化，得到電動機的動態(tài)結構圖。系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：圖2-8有靜差單閉環(huán)負反饋調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖

單閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)赫爾維茨穩(wěn)定判據(jù)：在系統(tǒng)參數(shù)Tm、Ts、Tl已定的情況下，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，其開環(huán)放大系數(shù)不能太大，必須滿足式(2-40)的條件。該公式的右邊被稱為閉環(huán)系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)Kcr，當K≥Kcr時，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。簡言之，對于一個自動控制系統(tǒng)來說，穩(wěn)定性是它能否正常工作的首要條件，是必須保證的。解：（1）由靜態(tài)指標求閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)：比較計算結果，根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標計算的放大倍數(shù)

，而根據(jù)動態(tài)穩(wěn)定條件計算的放大倍數(shù)顯然，系統(tǒng)完全能在滿足穩(wěn)態(tài)性能指標的條件下穩(wěn)定運行。2.2.4有限流保護的有靜差轉速負反饋單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)問題的提出

加入限流保護環(huán)節(jié)——電流截止負反饋環(huán)節(jié)。主要為了解決兩個常見問題：直流電機起動時電流過大、電機堵轉。堵轉概念：指轉速為0轉時，仍然輸出扭矩的一種情況。簡單地理解就是轉子堵住不轉動。堵轉原因：人為的或者機械的。當電機有機械故障或者負載過大時都會產生堵轉現(xiàn)象。如果堵轉時間過長，電機就會被燒壞。限流保護環(huán)節(jié)——電流截止負反饋環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)結構圖Id：

電樞電流；RS：為電樞電阻（阻值較小）；Ucom：比較電壓；Ui：電流反饋信號；臨界截止電流Idcr定義：

IdRs=Ucom時，

Idcr=Ucom/Rs限流環(huán)節(jié)起作用時：

IdRs>Ucom比較環(huán)節(jié)的數(shù)學關系：Ui=IdRs-Ucom

有限流環(huán)節(jié)的有靜差轉速負反饋單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)

（1）穩(wěn)態(tài)結構圖圖2-10帶電流截止負反饋環(huán)節(jié)的有靜差轉速負反饋單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)（2）兩段式靜特性當電樞電流

時，電流截止負反饋環(huán)節(jié)被截止；反之，該環(huán)節(jié)起限流作用。靜特性：閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)增益：電流截止負反饋環(huán)節(jié)不起作用：電流截止負反饋環(huán)節(jié)起作用：兩段式靜特性：下垂特性或挖土機特性。（1）電流截止負反饋不起作用時相當于圖中的CA段，顯然是比較硬的；（2）電流負反饋起作用后，相當于圖中的AB段。（3）DA段實際上是不起作用。D2.3無靜差轉速負反饋單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)2.3.1系統(tǒng)組成有靜差：轉速調節(jié)器采用P控制器；轉速接近但不等于給定轉速。無靜差：轉速調節(jié)器采用I或者PI控制器；轉速等于給定轉速。有靜差和無靜差速系統(tǒng)的區(qū)別二者控制原理框圖相同圖2-11單閉環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖無靜差系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖圖2-12無靜差調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖考慮PI調節(jié)器輸出量的初始值不為零的情況，由帶限幅作用的PI調節(jié)器構成的無靜差調速系統(tǒng)原理圖仍和有靜差單閉環(huán)調速系統(tǒng)一樣，只是轉速調節(jié)器采用了帶限幅作用的PI調節(jié)器。調速系統(tǒng)工作在穩(wěn)態(tài)時，各個環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關系如下：電壓比較器：PI調節(jié)器：觸發(fā)裝置和三相全控橋：測速反饋環(huán)節(jié)：電機電樞回路方程:穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算結論：調速系統(tǒng)的開環(huán)機械特性受PI調節(jié)器的輸出Uct的影響較大；Uct要根據(jù)PI調節(jié)器是否飽和而定。如PI調節(jié)器不飽和，當偏差電壓ΔUn=0時，其輸出電壓Uct維持一個恒值；如PI調節(jié)器飽和，則只要偏差電壓ΔUn≥0(即ΔUn極性不變)，Uct就等于PI調節(jié)器的限幅值Ucm;當ΔUn極性為負，PI就退出飽和。2.3.2帶限流保護的無靜差轉速單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)圖2-13帶限流保護的無靜差調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖（1）穩(wěn)態(tài)結構圖轉速負反饋環(huán)節(jié)：轉速調節(jié)器采用PI控制器，實現(xiàn)無靜差。當電樞電流Id小于截止電流Idcr時，電流截止負反饋環(huán)節(jié)被截止；反之，該環(huán)節(jié)起限流作用。（2）系統(tǒng)靜特性圖2-14帶限流保護的無靜差調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖（3）穩(wěn)態(tài)參數(shù)：1.直流電動機有三種調速方案：調節(jié)電樞電壓，減弱勵磁磁通，改變電樞回路電阻。其中，調節(jié)電樞電壓是直流調速系統(tǒng)的主要調速方案。2.開環(huán)調速系統(tǒng)電流連續(xù)段的機械特性較硬，電流斷續(xù)段的機械特性很軟。只要主電路電感量足夠大，可以近似地只考慮電流連續(xù)段。3.有靜差單閉環(huán)調速系統(tǒng)的機械特性較開環(huán)系統(tǒng)硬得多，負載擾動引起的穩(wěn)態(tài)速降減小為原開環(huán)系統(tǒng)的1/(1+K)。K值越大，穩(wěn)態(tài)速降就越小。4.在對靜差率和調速范圍要求不高，系統(tǒng)擾動量可以補償或影響不大的情況下，可采用開環(huán)調速系統(tǒng)；在對靜差率和調速范圍要求較高，則采用轉速負反饋的閉環(huán)調速系統(tǒng)。5.采用PI控制器實現(xiàn)無靜差轉速單閉環(huán)直流調速。6.有限流保護的有靜差、無靜差直流調速系統(tǒng)的靜特性。

本章小結：《運動控制系統(tǒng)》

1）掌握直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的概念及其系統(tǒng)組成。2）掌握直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的調速原理。3）掌握直流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算方法和靜態(tài)特性。4）了解典型Ⅰ型和典型Ⅱ型系統(tǒng)的概念及傳遞函數(shù)。5）了解電流環(huán)的工程設計方法。6）了解轉速環(huán)的工程設計方法。7）掌握直流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的MATLAB仿真建模和分析方法。主要知識點與學習要求:第三章轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)3.1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜態(tài)特性

3.2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)特性

3.3轉速、電流調節(jié)器的工程設計方法3.4雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的MATLAB/Simulink仿真

本章主要內容:3.1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜態(tài)特性3.1.1問題的提出不能隨心所欲地控制電流和轉矩的動態(tài)過程。單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)動態(tài)性能要求較高時，如要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等，單閉環(huán)不能滿足要求。希望系統(tǒng)能實現(xiàn)的控制起動過程，只有電流負反饋，沒有轉速負反饋；電流能維持一段最大值，使得電動機快速起動。穩(wěn)態(tài)時，只有轉速負反饋，沒有電流負反饋，電動機以恒定轉速運行。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)3.1.2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的組成ASR為轉速環(huán)，外環(huán)（主環(huán)）；ACR為電流環(huán)，內環(huán)（副環(huán)）；雙閉環(huán)圖3-1轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)結構主要包含了轉速調節(jié)器ASR（PI）、電流調節(jié)器ACR（PI）、集成觸發(fā)器、三相全控橋，速度檢測、電流檢測等環(huán)節(jié)。3.1.3雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的工作原理系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖圖3-2轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖（2）以ASR為核心的轉速環(huán)系統(tǒng)工作原理（1）以ACR為核心的電流環(huán)電流穩(wěn)定在，為電流反饋系數(shù)；采用PI控制器實現(xiàn)電流無靜差；ACR作用

電流變大時，自動調節(jié)過程為：ASR作用采用PI控制器實現(xiàn)轉速無靜差；轉速穩(wěn)定在，為轉速反饋系數(shù)；當負載增加，轉速降低時，自動調節(jié)過程為：TL↑→n↓→Un↓→ΔUn↑→U*i↑→ΔUi↑→Uct↑→Ud↑→n↑3.1.4雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性及其穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算（1）ASR和ACR采用PI調節(jié)器。在調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時，電流調節(jié)器ACR和轉速調節(jié)器ASR的輸入信號偏差一定為零，因此雙閉環(huán)系統(tǒng)是無靜差系統(tǒng)。（2）帶限幅的PI調節(jié)器具有飽和作用。在PI調節(jié)器的輸入信號極性不變時，當其輸出為最大限幅值時，輸出不再隨著輸入變化，維持一個恒定值，此時PI調節(jié)器工作在飽和狀態(tài)。（注意：PI輸入信號極性改變時，PI調節(jié)器則退出飽和）（3）系統(tǒng)正常運行時，ACR不會飽和；（4）只有ASR工作在飽和和不飽和兩種狀態(tài)。ASR飽和時，相當于轉速環(huán)開環(huán)，只有ACR起電流調節(jié)作用（相當于電流負反饋單閉環(huán)系統(tǒng)）；當ASR不飽和時，系統(tǒng)是雙閉環(huán)調節(jié)。雙閉環(huán)系統(tǒng)特點系統(tǒng)靜特性1.ASR飽和時：電機剛起動時，轉速具有下垂特性。（1）突加給定信號U*n時，由于機械慣性，轉速n很小，Un=αn很小，ΔUn>0很大，ASR很快飽和，其輸出維持在限幅值U*im，轉速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉速n的變化對系統(tǒng)不再產生影響，只有ACR起調節(jié)作用。（2）ACR內環(huán)起恒流調節(jié)作用，轉速線性上升，獲得極好的下垂特性，如BA段所示。電流，Idm為最大電流，一般選擇為額定電流IdN的1.5～2倍。（3）BA段下垂特性只適合于

情況，

為理想空載轉速；當

時，ASR退出飽和。圖3-3雙閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性2.ASR不飽和時：轉速超調退飽和至轉速穩(wěn)定的工作過程，穩(wěn)態(tài)特性具有挖土機特性。（1）當

，ΔUn<0，ASR退飽和，ASR起轉速調節(jié)作用，直至ΔUn=0，如圖3-3中CA段所示。此時ACR一直維持電流穩(wěn)定，使得電機穩(wěn)態(tài)特性有變軟趨勢。ASR起主導作用，ACR可看作是ASR環(huán)內的一個擾動，只要開環(huán)放大倍數(shù)K足夠大，轉速就可以做到無靜差；（2）ASR不飽和，U*i<U*im，則有Id<Idm。即CA段靜特性從理想空載狀態(tài)的Id=0一直延續(xù)到Id=Idm，而Idm一般都是大于額定電流IdN的，這就是靜特性的運行段，是一條近似水平的特性曲線。圖3-3雙閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性3.總結兩個調節(jié)器的作用

（1）雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性在負載電流IdL<Idm時表現(xiàn)為轉速無靜差；（2）負載電流IdL>Idm時，轉速調節(jié)器ASR飽和，電流調節(jié)器ACR起主要調節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差。4.穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算雙閉環(huán)調速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，轉速和電流無偏差，當兩個調節(jié)器都不飽和時，各變量之間的關系：ΔUn=0；ΔUi=0；在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉速n是由給定電壓U*n決定的；轉速調節(jié)器ASR的輸出量U*i是由負載電流IdL決定的；控制電壓Uct的大小則同時取決于n和Id，或者說，同時取決于給定轉速信號U*n和負載電流IdL。這些關系反映了PI調節(jié)器不同于P調節(jié)器的特點。P調節(jié)器的輸出量總是正比于其輸入量；而PI調節(jié)器的輸出量在動態(tài)過程中取決于輸入量的積分，到達穩(wěn)態(tài)后，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要PI調節(jié)器提供多大的輸出值，它就能提供多大，直到飽和為止。上述穩(wěn)態(tài)關系說明：3.2.1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型ASR和ACR傳遞函數(shù)（PI調節(jié)器的數(shù)學形式）：圖3-4雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖3.2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)特性電流反饋系數(shù)：三相全控橋整流裝置的失控時間：直流電動機的機電時間常數(shù)：上圖中的變量涉及到的關系式如下：轉速反饋系數(shù)：電動勢系數(shù)：電磁轉矩系數(shù)：直流電動機的電磁時間常數(shù)：

GD2為電動機轉動慣量；R為電樞回路的總電阻；Ce為電動勢系數(shù)；Cm為電磁轉矩系數(shù)。m為一個周期內整流電壓的波頭數(shù)，f為交流電源的頻率；

Id為電動機的電樞電流；IdL為負載電流3.2.1雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型電機起動時考慮的幾個關鍵點：（1）Id>IdL,dn/dt>0轉速升速階段；（2）Id=IdL,dn/dt=0轉速恒速階段；

（3）Id<IdL,dn/dt<0轉速降速階段；在起動過程中轉速調節(jié)器ASR經歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖3-5中標明的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個階段。IdLIdn*nIdmOOIIIIIIt4t3t2t1t圖3-5雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)起動時的轉速和電流波形3.2.2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的起動特性1.起動過程的第一個階段（0~t1）：電流上升階段IdL

Idn*nIdmOOIIIIIIt4t3t2t1t（1）突加給定電壓U*n時，電樞電壓Ud0↑、電流Id↑，但是在Id<IdL之前，電動機還不能轉動；（2）當Id≥IdL

,電機開始起動。但是由于機械慣性，n≈0，即Un≈0；則轉速輸入偏差ΔUn=U*n，ASR飽和，輸出維持在最大限幅值U*im幅值，電流快速上升。（3）當電流上升到Id≈Idm,ΔUi=U*im-Ui≈0,電流恒定，標志起動階段結束。在此階段：ASR由不飽和到飽和，ACR一直不飽和，只有ACR起主要調節(jié)作用；關鍵位置：Id=IdL時，轉速n升速；Id=Idm時，電機快速起動。2.起動過程的第二個階段（t1~t2）：恒流升速（主要階段）IdL

Idn*nIdmOOIIIIIIt4t3t2t1t（1）從電流Id=Idm開始到轉速n上升到給定值n*=n0為止，均屬于恒流升速階段；（2）此階段ASR一直飽和，輸出維持在最大限幅值U*im幅值，ASR開環(huán)，ACR起主要調節(jié)作用，維持電流恒定；轉速呈線性增長。（3）ACR的輸入電壓偏差ΔUi=U*im-Ui維持一定的恒值,電流恒定，標志起動階段結束。關鍵位置：n=n*=n0時，ΔUn=0,U*n=Un=αn，電機穩(wěn)速運行。在此階段：ASR一直飽和，轉速開環(huán)，ACR一直不飽和，只有ACR起主要調節(jié)作用；IdL

Idn*nIdmOOIIIIIIt4t3t2t1t（1）此階段開始時：n=n*=n0；ΔUn≈0；但ASR的輸出仍維持在最大限幅值U*im，在恒流Idm作用下繼續(xù)加速一段時間以至轉速n>n0，轉速出現(xiàn)超調；（2）轉速超調后，ΔUn<0，ASR退飽和，則電樞電流Id開始下降，但在下降過程中仍保持Id>IdL成立時，n仍會上升一段時間；當電流下降到Id=IdL

時，轉速n達到峰值(t3時刻)；（3）t3時刻后，n會下降，會出現(xiàn)Id<IdL一小段時間，電流也下降直至穩(wěn)定，另外，ASR對轉速進行調節(jié)直至轉速穩(wěn)定。3.起動過程的第三個階段（t2以后的階段）：轉速、電流調節(jié)此階段：ASR和ACR均不飽和。ASR起主要調節(jié)作用，ACR是一個跟隨子系統(tǒng)。3.起動過程的第三個階段（t2以后的階段）：轉速、電流調節(jié)（1）在第一階段由不飽和達到飽和狀態(tài)；（2）在第二階段保持飽和狀態(tài)；（3）在第三階段為不飽和狀態(tài)；總結：起動過程的特點ASR工作狀態(tài)ACR在三個階段中都是不飽和狀態(tài)。ACR工作狀態(tài)（1）飽和非線性控制（2）準時間最優(yōu)控制（3）超調（ASR的飽和、不飽和狀態(tài)影響）（轉速必須有超調才能使ASR退飽和，對轉速才能進行調節(jié)）3.3轉速、電流調節(jié)器的工程設計方法3.3.1典型I型和II型系統(tǒng)R(s)C(s)上式中，分母中的sr

項表示該系統(tǒng)在原點處有

r重極點，或者說，系統(tǒng)含有

r個積分環(huán)節(jié)。根據(jù)r=0，1，2，……等不同數(shù)值，分別稱作0型、I型、Ⅱ型、……系統(tǒng)。為了保證穩(wěn)定性和較好的穩(wěn)態(tài)精度，多選用I型和II型系統(tǒng)。1.典型I型系統(tǒng)式中T—系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)；

K—系統(tǒng)的開環(huán)增益。結構圖與傳遞函數(shù)開環(huán)對數(shù)幅頻特性性能特性對數(shù)幅頻特性的中頻段以–20dB/dec的斜率穿越0dB線；只要參數(shù)的選擇滿足關系式

，系統(tǒng)就一定是穩(wěn)定的，且有足夠的穩(wěn)定裕量；相角穩(wěn)定裕度：圖3-6典型I型系統(tǒng)的幅頻特性2.典型Ⅱ型系統(tǒng)結構圖和傳遞函數(shù)

開環(huán)對數(shù)幅頻特性性能特性中頻段也以–20dB/dec的斜率穿越零分貝線。由于分母中s2項對應的相頻特性是–180°，后面還有一個慣性環(huán)節(jié)，在分子添上一個比例微分環(huán)節(jié)（s+1），是為了把相頻特性抬到–180°線以上，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定，即應選擇參數(shù)滿足或注意：

比T大得越多，系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度越大。圖3-7典型II型系統(tǒng)的幅頻特性*3.3.2典型I型系統(tǒng)性能指標和參數(shù)的關系K

與開環(huán)對數(shù)頻率特性的關系

圖3-8典型I型系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性圖中箭頭表示K值增大時特性變化的方向。K

與截止頻率

c

的關系即

（時）

K值越大，截止頻率

c

也越大，系統(tǒng)響應越快，但相角穩(wěn)定裕度

=90°–arctg

cT

越小，這也說明快速性與穩(wěn)定性之間的矛盾。在具體選擇參數(shù)K時，須在二者之間取折衷。

典型I型系統(tǒng)跟隨性能指標與參數(shù)的關系

（1）穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標：系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標可用不同輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差來表示。表3-1典型

I型系統(tǒng)在不同輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差輸入信號階躍輸入斜坡輸入加速度輸入穩(wěn)態(tài)誤差

0v0/K

在階躍輸入下的I型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時是無差的；在斜坡輸入下則有恒值穩(wěn)態(tài)誤差，且與K值成反比；在加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差為

。

因此，I型系統(tǒng)不能用于具有加速度輸入的隨動系統(tǒng)。（2）動態(tài)跟隨性能指標K、T與標準形式中的參數(shù)的換算關系

典型I型系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)

n

—無阻尼時的自然振蕩角頻率，或稱固有角頻率；

—

阻尼比，或稱衰減系數(shù)。當

<1時，系統(tǒng)動態(tài)響應是欠阻尼的振蕩特性，當

1時，系統(tǒng)動態(tài)響應是過阻尼的單調特性；當

=1時，系統(tǒng)動態(tài)響應是臨界阻尼。二階系統(tǒng)性質0<

<1*性能指標和系統(tǒng)參數(shù)之間的關系

超調量上升時間調節(jié)時間峰值時間

截止頻率相角穩(wěn)定裕度：I型系統(tǒng)工程最佳參數(shù)：*3.3.3典型Ⅱ型系統(tǒng)性能指標和參數(shù)的關系引入一個新的關鍵變量

h，即稱為中頻寬度：相關參數(shù)根據(jù)幅頻特性知，開環(huán)增益：最小的閉環(huán)幅頻特性峰值Mrmin:表3-2II型系統(tǒng)在不同輸入信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差輸入信號階躍輸入斜坡輸入加速度輸入穩(wěn)態(tài)誤差00（1）穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標

典型II型系統(tǒng)跟隨性能指標和參數(shù)的關系

在階躍和斜坡輸入下，II型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時均無差；加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差與開環(huán)增益K成反比。表3-3典型II型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標

（按Mrmin準則確定關系時）

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）動態(tài)跟隨性能指標

h=5是較好的選擇典型I型和II系統(tǒng)系統(tǒng)比較

典型I型系統(tǒng)和典型Ⅱ型系統(tǒng)除了在穩(wěn)態(tài)誤差上的區(qū)別以外，在動態(tài)性能中，典型I型系統(tǒng)在跟隨性能上可以做到超調小，但抗擾性能稍差；典型Ⅱ型系統(tǒng)的超調量相對較大，抗擾性能卻比較好。

這是設計時選擇典型系統(tǒng)的重要依據(jù)。*3.3.4雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖及相關參數(shù)

圖3-9雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖－電流反饋濾波時間常數(shù)：

－轉速反饋濾波時間常數(shù)在設計之前，須了解調速系統(tǒng)由生產機械和工藝要求選擇的電動機、測速發(fā)電機、整流器等元件的固有參數(shù)。設計原則：“先內環(huán)后外環(huán)”，即先設計ACR調節(jié)器，再設計ASR調節(jié)器。3.3.5電流調節(jié)器的設計設計分為以下幾個步驟：

電流環(huán)結構圖的簡化電流調節(jié)器結構的選擇電流調節(jié)器的參數(shù)計算電流調節(jié)器的實現(xiàn)電流環(huán)化簡后的結構圖圖3-10電流環(huán)的簡化結構圖近似處理條件：（1）忽略反電動勢影響：電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率：（2）小慣性環(huán)節(jié)的近似處理：簡化內容：忽略反電動勢的動態(tài)影響等效成單位負反饋系統(tǒng)小慣性環(huán)節(jié)近似處理電流調節(jié)器的選擇采用PI型控制器，其傳遞函數(shù)形式：校正為典型I型系統(tǒng)，令則電流環(huán)的動態(tài)結構圖變?yōu)椋篕Is(Tis+1)Id

(s)+-U*i(s)

圖3-11電流環(huán)校正為Ⅰ型系統(tǒng)的結構圖參數(shù)選擇

在一般情況下，希望電流超調量

i

<5%，可選

=0.707，KI

T

i=0.5，則注意：

如果實際系統(tǒng)要求的跟隨性能指標不同，KI和Ki的計算應作相應的改變。此外，如果對電流環(huán)的抗擾性能也有具體的要求，還得再校驗一下抗擾性能指標是否滿足。電流調節(jié)器的實現(xiàn)模擬式電流調節(jié)器電路圖中

U*i

—為電流給定電壓；

–

Id

—為電流負反饋電壓；

Uc

—電力電子變換器的控制電壓。圖3-12含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調節(jié)器

電流調節(jié)器參數(shù)計算舉例：

電流調節(jié)器的設計舉例：

電流調節(jié)器的設計3.3.6轉速調節(jié)器的設計設計分為以下幾個步驟：電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)轉速調節(jié)器結構的選擇轉速調節(jié)器參數(shù)的選擇轉速調節(jié)器的實現(xiàn)電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經簡化后可視作轉速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，為此，須求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)。近似條件：降階處理：（1）ACR閉環(huán)傳遞函數(shù)（2）ACR等效傳遞函數(shù)接入轉速環(huán)內，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應為U*i(s)，因此電流環(huán)在轉速環(huán)中應等效為這就表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對象，加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)（內環(huán)）控制的一個重要功能。

轉速調節(jié)器結構簡化n

(s)+-Un

(s)ASRCeTmsRU*n(s)Id

(s)

T0ns+11

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

(s)圖3-13轉速環(huán)的動態(tài)結構圖（電流環(huán)簡化）

電流環(huán)（1）ASR動態(tài)結構圖（2）系統(tǒng)等效和小慣性的近似處理（3）轉速環(huán)結構簡化

n

(s)+-ASRCeTmsRU*n(s)

Id

(s)

/

T

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

(s)圖3-14等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理

轉速調節(jié)器選擇式中Kn—轉速調節(jié)器的比例系數(shù)；

n—轉速調節(jié)器的超前時間常數(shù)。ASR也應該采用PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為調速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為n

(s)+-U*n(s)

圖3-15轉速環(huán)

校正后成為典型II型系統(tǒng)ASR校正后的系統(tǒng)結構ASR調節(jié)器的參數(shù)計算一般可選擇：

轉速調節(jié)器的實現(xiàn)模擬式轉速調節(jié)器電路圖3-16含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調節(jié)器圖中:

U*n

—為轉速給定電壓，

-n—為轉速負反饋電壓，

U*i

—調節(jié)器的輸出是電流調節(jié)器的給定電壓。

舉例：

轉速調節(jié)器的設計舉例：

轉速調節(jié)器的設計舉例：

轉速調節(jié)器的設計舉例：

轉速調節(jié)器的設計（6）校驗轉速超調量《運動控制系統(tǒng)》

1）了解PWM控制的概念。2）掌握直流電機PWM調速原理。3）熟悉不可逆PWM變換器的工作原理。4）熟悉雙極式可逆PWM變換器的工作原理。5）掌握直流PWM調速系統(tǒng)的機械特性。6）熟悉雙閉環(huán)直流PWM調速系統(tǒng)的組成及其工作原理。7）熟悉雙閉環(huán)直流PWM調速系統(tǒng)的MALAB/Simulink仿真建模和分析方法。主要知識點與學習要求:第四章直流脈寬調速系統(tǒng)4.1PWM控制原理

4.2PWM變換器

4.3直流PWM調速系統(tǒng)的機械特性

4.4雙閉環(huán)直流PWM調速系統(tǒng)4.5不可逆雙閉環(huán)直流PWM調速系統(tǒng)的MATLAB仿真

本章主要內容:4.1

PWM控制原理PWM控制基本原理是利用電力電子器件的導通和關斷的時間比，將恒定直流電壓轉換成連續(xù)的直流電壓脈沖序列，并通過控制脈沖的寬度或者脈沖序列的周期以達到變壓變頻的目的。4.1.1直流電機PWM調速原理采用PWM控制技術直接將恒定的直流電壓調制成可改變大小和極性的直流電壓，以此作為直流電動機的電樞端電壓，實現(xiàn)調速系統(tǒng)的平滑調速。當開關VT斷開時，Us供給電動機的電流被切斷，電動機的儲能經過VD續(xù)流，Ud接近于零。若開關VT按照某一固定頻率開閉而改變周期內的接通時間時，控制脈沖寬度相應改變，從而改變了電動機兩端平均電壓，達到調速的目的。VT表示PWM控制器；VD表示續(xù)流二極管以直流斬波器為例：T是脈沖周期；ton是導通時間；ρ是一個周期T中晶閘管VT導通時間的比率，稱為負載率或占空比；0≤ρ≤1，f是開關頻率.電樞電壓的公式：(1)脈沖寬度調制(PWM)：VT的開關周期T不變，改變導通時間ton，這種方法也稱定頻調寬法。

(2)脈沖頻率調制(PFM)：VT導通時間ton不變，改變其開關周期T，這種方法也稱定寬調頻法。

(3)調寬調頻法：

VT導通時間ton和開關周期T都可調。PWM的三種調速方法：主電路線路簡單，需用的功率器件少；開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較小；低速性能好，穩(wěn)速精度高，調速范圍寬；若與快速響應的電機配合，則控制系統(tǒng)的頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗擾能力強；功率開關器件工作在開關狀態(tài)，導通損耗小，當開關頻率適當時，開關損耗也不大，因而裝置效率較高；直流電源采用不控整流時，電網功率因數(shù)比相控整流器高。4.1.2PWM調速特點4.2PWM變換器PWM調速的分類：PWM

變

換

器

分

類不可逆

可逆雙極式單極式受限單極式無制動作用（其實際上是一種直流斬波器）有制動作用PWM變換器的作用：用PWM調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調節(jié)電機轉速。4.2.1不可逆PWM變換器1.無制動作用的PWM變換器圖4-2

簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)電路原理圖和電壓電流的波形電路原理圖電壓電流波形圖由圖4-2(b)可見，穩(wěn)態(tài)電流是脈動的，其平均值與負載電流IL成正比。工作原理電樞回路總電阻為R，則回路平衡電壓方程為：Ud=ρUs=E+RId

Id是電樞脈動電流id的平均值。電流id不能反向，因此不能產生制動作用，只能作單象限運行。VT的基極由脈寬可調的脈沖電壓Ug驅動。當0≤t<ton時，Ug為正，VT飽和導通，電源電壓Us通過VT加到電動機電樞兩端；當ton≤t<T時，Ug為負，VT截止，電動機電樞兩端失去電源，經二極管VD續(xù)流；電動機得到的平均端電壓為：令γ=Ud/Us為PWM電壓系數(shù)，則

γ=ρ

；無制動時機械特性曲線電流連續(xù)時，調節(jié)占空比

，得到一簇平行的機械特性曲線。電路原理圖2.有制動作用的PWM變換器4-3有制動作用的不可逆PWM變換器電路原理圖工作原理（電動狀態(tài)、制動狀態(tài)）注意：VT1和VT2的驅動電壓大小相等，方向相反，Ug1=-Ug2；（1）電動狀態(tài)工作原理正脈沖比負脈沖寬，平均電流始終為正值；（1）

0≤t≤ton，Ug1為正，VT1飽和導通；

Ug2為負，VT2關斷。電壓Us加到電樞兩端，電流id沿圖中的回路1流通。（2）

ton≤t≤T，Ug1為負，Ug2為正，VT1關斷，但VT2卻不能立即導通，因為電流id沿回路2經VD2續(xù)流，在VD2兩端產生的壓降給VT2施加反壓，使VT2關斷。圖4-4電動狀態(tài)的電壓電流波形電動狀態(tài)時，電路實際上是由VT1和VD2交替導通的;VT2始終不導通。電動狀態(tài)電流流通回路：回路1和回路2有制動作用與無制動作用的PWM變換器相比有制動作用的PWM變換器電路中多了一個功率開關器件VT2，但在電動狀態(tài)時，VT2并沒有被用上，其電壓和電流波形與簡單不可逆PWM變換器的電壓和電流波形(參見圖4-2(b))完全一樣。（1）如果在電動機運行中要降低轉速n，則應減小控制電壓，使Ug1的正脈沖變窄，負脈沖變寬，從而使平均電樞電壓Ud降低；（2）但是，由于慣性的作用，轉速n和反電動勢E還來不及立即變化，造成E大于平均電樞電壓Ud(即E>Ud)，這時，VT2就在電動機制動中發(fā)揮作用。制動產生原因：Ud=ρUs=E+RId

電流-id電流反向

（1）在ton≤t≤T階段，Ug2變正，VT2導通，反電動勢E和整流電壓Ud之間的電壓差E-Ud產生的反向電流-id沿回路3通過VT2流通，產生能耗制動，直到t=T為止；（2）

在T≤t≤T+ton(即0≤t≤ton)階段，VT2截止，-id沿著回路4通過VD1續(xù)流，對電源回饋制動，同時在VD1上的壓降使VT1不能導通；（3）在整個制動狀態(tài)中，VT2、VD1輪流導通，而VT1始終截止，反向電流的制動作用使電動機轉速下降，直到新的穩(wěn)態(tài)。制動工作原理輕載電動階段輕載電動狀態(tài)，一個周期分成四個工作階段：1）第1階段，VD1續(xù)流，

電流沿回路4流通；2）第2階段，VT1導通，電流沿回路1流通；3）第3階段，VD2續(xù)流，電流沿回路2流通；4）第4階段，VT2導通，電流沿回路3流通。注意：在輕載電動狀態(tài)中，負載電流較小，以致在VT1關斷后id續(xù)流時，還沒有到達周期T，電流已經衰減到零。4.2.2可逆PWM變換器可逆PWM變換器電路的結構形式有H型和T型等類，這里主要討論常用的H型變換器，它是由四個功率管和四個續(xù)流二極管組成的橋式電路。H型可逆PWM變換器在控制方式上分為雙極式、單極式和受限單極式三種。下面重點分析雙極式H型可逆PWM變換器。雙極式H型PWM變換器圖4-5H型PWM變換器1回路1的電流流向；雙極式H型PWM變換器電動狀態(tài)：電機正向運行的第一階段。雙極式H型PWM變換器時：VT2和VT3關斷VT1和VT4導通電動機電樞電壓：電動狀態(tài)：電機正向運行的第一階段。2正向續(xù)流回路回路2的電流流向雙極式H型PWM變換器VT1

、VT4截止，

VD2

、VD3續(xù)流VT2

、VT3保持截止回路2的電流流向；電動狀態(tài)：電機正向運行的第二階段。時，VT2和VT3不會立即導通；電流經過VD2和VD3和電機構成續(xù)流回路。VT1和VT4關斷時：電動機電樞電壓：雙極式的由來？（UAB的極性正負）雙極式H型PWM變換器正向續(xù)流回路：3VT2和VT3導通；輕載時，電機處于制動狀態(tài)?；芈?的電流流向：雙極式H型PWM變換器續(xù)流結束；VT2和VT3導通；VT1和VT4關斷雙極式H型PWM變換器同理，VT1和VT4不能立即導通，經VD1和VD4續(xù)流；延時導通。VT2和VT3關斷注意：一個周期內：（1）回路1和3為電流工作回路；回路2和4為續(xù)流回路，以保證電流連續(xù)。（2）

VT1和VT4導通，經VD2和VD3續(xù)流；然后VT2和VT3導通，經VD1和VD4續(xù)流。如此反復，使得兩組VT管和VD管切換工作。雙極式H型PWM變換器

輸出波形U,iUdEid+UsttonT0-UsO正向電動運行波形U,iUdEid+UsttonT0-UsO反向電動運行波形（1）在雙極式控制的可逆變換器中，γ=2ρ-1；

調速時，占空比ρ的可調范圍為0～1，電壓系數(shù)γ的變化范圍為-1<γ<1。（2）當ρ>0.5時，γ為正，電動機正轉；

ρ<0.5時，γ為負，電動機反轉；

ρ=0.5時，γ=0，電動機停止。（3）在γ=0時，雖然E不變，電樞兩端的瞬時電壓和瞬時電流卻都不是零，而是交變的，交變電流平均值為零，不產生平均轉矩，會徒然增大電動機的損耗。但是其好處是使電動機帶有高頻的微振，起著所謂“動力潤滑”的作用，消除正、反向時的靜摩擦死區(qū)。雙極式H型可逆PWM變換器電動機電樞平均端電壓性能評價雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點：（1）電流一定連續(xù)；（2）可使電機在四象限運行；（3）電機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；（4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調速范圍可達1:20000左右；（5）低速時，每個開關器件的驅動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。雙極式控制方式的不足之處是：在工作過程中，4個開關器件可能都處于開關狀態(tài)，開關損耗大，而且在切換時可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故。4.3直流PWM調速系統(tǒng)的機械特性

嚴格地說，即使在穩(wěn)態(tài)情況下，脈寬調速系統(tǒng)的轉矩和轉速也都是脈動的，所謂穩(wěn)態(tài)，是指電機的平均電磁轉矩與負載轉矩相平衡的狀態(tài)，機械特性是平均轉速與平均轉矩（電流）的關系。

采用不同形式的PWM變換器，系統(tǒng)的機械特性也不一樣。對于帶制動電流通路的不可逆電路和雙極式控制的可逆電路，電流的方向是可逆的，無論是重載還是輕載，電流波形都是連續(xù)的，因而機械特性關系式比較簡單，現(xiàn)在就分析這種情況。式中R、L—電樞電路的電阻和電感。

帶制動的不可逆電路電壓方程（0≤t<ton）（ton

≤t<T）

雙極式可逆電路電壓方程(0≤

t<ton)

(ton

≤

t<T)

機械特性方程

無論是上述哪一種情況，電樞兩端在一個周期內的平均電壓都是Ud

=

Us，只是

與占空比

的關系不同。式中Cm=Km

N

—電機在額定磁通下的轉矩系數(shù)；

n0=

Us

/Ce—理想空載轉速，與電壓系數(shù)成正比。n–Id,–TeavOn0s0.75n0s0.5n0s0.25n0sId

,Teav

=1

=0.75

=0.5

=0.25

PWM調速系統(tǒng)機械特性圖4-7脈寬調速系統(tǒng)的機械特性曲線（電流連續(xù)），n0s＝Us

/Ce4.4雙閉環(huán)直流PWM調速系統(tǒng)

系統(tǒng)組成圖4-8雙閉環(huán)脈寬PWM調速系統(tǒng)的組成注意：在雙閉環(huán)直流PWM調速系統(tǒng)中，采用PWM變換器得到電動機的電樞電壓Ud，這是與一般轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的不同之處，但是二者的轉速環(huán)ASR和電流環(huán)ACR采用的控制器及設計方法都是一樣的。

工作原理《運動控制系統(tǒng)》

1）掌握交流電機變頻調速原理。2）掌握異步電動機變壓變頻控制方式。3）掌握異步電機電壓-頻率協(xié)調控制下的機械特性。4）了解異步電機轉速開環(huán)恒壓頻比調速系統(tǒng)的組成。5）了解轉差頻率控制概念，掌握轉差頻率控制規(guī)律。6）了解轉差頻率閉環(huán)控制調速系統(tǒng)的組成及工作原理。7）了解同步電動機的調速方法、調速特點。8）了解異步電機轉速開環(huán)恒壓頻比調速系統(tǒng)的MALAB/Simulink仿真分析方法。9）了解異步電機轉差頻率閉環(huán)控制調速系統(tǒng)的MALAB/Simulink仿真分析方法。主要知識點與學習要求:第五章交流電機變壓變頻調速系統(tǒng)5.1變頻調速原理

5.2異步電機變壓變頻控制方式

5.3異步電機變頻調速時的機械特性5.4

異步電機變壓變頻調速系統(tǒng)5.5同步電機變壓變頻調速系統(tǒng)

5.6異步電機轉速開環(huán)恒壓頻比調速系統(tǒng)的MATLAB仿真

*5.7異步電機轉速閉環(huán)轉差率控制調速系統(tǒng)的MATLAB仿真

本章主要內容:5.1變頻調速原理交流電動機的轉速注意：同步電動機，轉差率s=0.改變極對數(shù)p；

改變電源頻率f1（即變頻調速，無轉差率損耗，效率高）改變轉差率s交流電動機調速方法①調壓調速；②轉子串電阻調速（繞線式異步電動機）；③串級調速；（繞線式異步電動機）；④電磁轉差離合器調速；5.2異步電機變壓變頻控制方式異步電機的變壓變頻調速（簡稱為變頻調速系統(tǒng)）特點：在調速時轉差功率不隨轉速而變化、調速范圍寬、無論是高速還是低速時效率都較高、應用面很廣。三相異步電機定子每組電動勢的有效值

兩種基本控制方式（保持磁通

不變）

基頻以下調速基頻以上調速5.2.1基頻以下控制

根據(jù)式

，,要保持

m

不變，當頻率f1

從額定值f1N

向下調節(jié)時，必須同時降低Eg

，使即采用恒值電動勢頻率比的控制方式。

在一定條件下，定子相電壓

，即恒壓頻比的控制方式。在低頻時Us和Eg

都較小，定子阻抗壓降不能被忽略。這時，需要人為地把電壓Us抬高一些，以便近似地補償定子壓降。

帶壓降補償?shù)暮銐侯l比控制特性OU1f1圖5-1

恒壓頻比控制特性U1Nf1Na

—無補償

b

—帶定子壓降補償

在基頻以下，磁通恒定時轉矩也恒定，屬于“恒轉矩調速”5.2.2基頻以上控制

在基頻以上調速時，頻率應該從f1N

向上升高，但是定子電壓U1

卻最多只能保持U1=U1N

，這將迫使磁通與頻率成反比地降低，相當于直流電機弱磁升速的情況。

在基頻以上，轉速升高時轉矩降低，基本上屬于“恒功率調速”。

圖5-2基頻以上和基頻以下的恒壓頻比控制特性5.3異步電機電壓—頻率協(xié)調控制時的機械特性5.3.1恒壓恒頻時異步電機的機械特性異步電動機的穩(wěn)態(tài)等效電路圖5-3異步電動機的穩(wěn)態(tài)等效電路當定子電壓Us

和電源角頻率

1

恒定時：異步電動機的機械特性當s很小時，上式可以簡化為:(1)當s很小時，轉矩近似與s成正比，機械特性Te=f（s）是一段直線;(2)當s接近于1時，可忽略R2'

，則:

特性分析Te=f（s）是對稱于原點的一段雙曲線。（3）當s為以上兩段的中間數(shù)值