运动控制系统课件-.ppt

1、自动化学院自动化学院运 动 控 制 系 统孙跃孙跃 教授教授syue1960cqu.eduTEL:(023)65111779序言课程的内容、目的课程的内容、目的 以电动机为控制对象、以实现既定（旋以电动机为控制对象、以实现既定（旋转）运动规律和特性为目标、以电力能量变转）运动规律和特性为目标、以电力能量变换技术（电力电子应用技术）和自动控制理换技术（电力电子应用技术）和自动控制理论及相关控制技术为手段，探讨如何构成运论及相关控制技术为手段，探讨如何构成运动控制系统。动控制系统。序言课程的地位、意义课程的地位、意义 自动化学科及自动控制领域背景知识自动化学科及自动控制领域背景知识 自动化专业的内

2、涵及专业特征自动化专业的内涵及专业特征 本课程的专业地位及重要性本课程的专业地位及重要性序言课程的特点课程的特点 支撑知识（课程）广泛支撑知识（课程）广泛 理论性和实践性结合紧密理论性和实践性结合紧密 公式多多、记忆多多、结论多多公式多多、记忆多多、结论多多序言课程体系课程体系 以直流电动机为对象以直流电动机为对象直流运动系统直流运动系统 以交流电动机为对象以交流电动机为对象交流运动系统交流运动系统直流拖动控制系统第 1 篇内容提要内容提要n直流调速方法n直流调速电源n直流调速控制q 引引 言言 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域

3、中得到了广泛的应用。由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。根据直流电机转速方程 eKIRUnq 直流调速方法直流调速方法nUIRKe式中 转速（r/min）；电枢电压（V）；电枢电流（A）；电枢回路总电阻（）；励磁磁通（Wb）；由电机结构决定的电动势常数。（1-1）由式（1-1）可以看出，有三种方法调节电动机的转速：（1）调节电枢供电电压）调节电枢供电电压 U；（2）减弱励磁磁通）减弱励磁磁通 ；（3）改变电枢回路电阻）改变电枢回路电阻 R。（1）调压调速n工作条

4、件：保持励磁 =N；保持电阻 R=Ran调节过程：改变电压 UN U U n，n0 n调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线（2）调阻调速n工作条件：保持励磁 =N；保持电压 U=UN；n调节过程：增加电阻 Ra R R n，n0不变；n调速特性：转速下降，机械特性曲线变软。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3调阻调速特性曲线（3）调磁调速n工作条件：保持电压 U=UN；保持电阻 R=R a；n调节过程：减小励磁 N n，n0 n调速特性：转速上升，机械特性曲线变软。nn0OTeTL N 1 2 3nNn

5、1n2n3调磁调速特性曲线 三种调速方法的性能与比较 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。第第1章章 闭环控制的直流调速系统闭环控制的直流调速系统 本章着重讨论基本的闭环控制的直流调速系统及其分析与设计方法。本章提要本章提要1.1 直流调速系统用的可控直流电源直流调速系统用的可控直流电源1.2 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M系统）的主要问题系统）的主要问题1.3

6、 直流脉宽调速系统的主要问题直流脉宽调速系统的主要问题1.4 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计1.5 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计1.6 比例积分控制规律和无静差调速系统比例积分控制规律和无静差调速系统1.1 直流调速系统用的可控直流电源直流调速系统用的可控直流电源 根据前面分析，调压调速是直流调速系统的主要方法，而调节电枢电压需要有专门向电动机供电的可控直流电源可控直流电源。本节介绍几种主要的可控直流电源。常用的可控直流电源有以下三种n旋转变流机组（G-M系统）用交流电动机和直流发电机组成机组

7、，提供可调直流电压。nAC/DC可控整流器用可控整流器，提供可调直流电压。n直流斩波器或脉宽调制变换器不可控整流加直流斩波器，提供可调直流电压。1.1.1 旋转变流机组旋转变流机组图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）Ward-Leonard系统系统已经淘汰！1.1.2 可控整流器可控整流器图1-3 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）晶闸管晶闸管-电动机调速系统电动机调速系统（V-M系统）系统）相控整流器模式相控整流器模式 V-M系统的问题n晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt与di/dt 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。n由谐波与无功功率引起

8、电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。1.1.3 直流斩波器或脉宽调制变换器直流斩波器或脉宽调制变换器不可控交直变换器不可控交直变换器直流斩波器直流斩波器直流电动机直流电动机直流电网直流电网变换变换（输出不可调）（输出不可调）变换变换（可调电压输出）（可调电压输出）直流斩波调速直流斩波调速（调速）（调速）a）原理图b）电压波形图tOuUsUdTton控制电路控制电路M 1.直流斩波器的原理结构图1-5 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形 2.斩波器的基本控制原理 在原理图中，VT 表示电力电子开关器件，VD 表示续流二极管。当VT 导通时，直流电源电压 Us 加到电动机

9、上；当VT 关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢电动机电枢经经 VD 续流，两端电压接近于零续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如图1-5b，好像是电源电压Us在ton 时间内被接上，又在 T ton 时间内被斩断，故称“斩波”。这样，电动机得到的平均电压为 3.输出电压计算ssondUUTtU(1-2)式中 T 晶闸管的开关周期；ton 开通时间；占空比，=ton/T=ton f ；其中 f 为开关频率。4.斩波电路三种控制方式n根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分，有三种控制方式：nT 不变，变不变，变 ton 脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWM）；nton不变，变

10、T 脉冲频率调制（PFM）；nton和 T 都可调，改变占空比混合型。PWM系统的优点（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；（4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；PWM系统的优点（续）（5）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；（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。小小 结结 三种可控直流电源，V-M系统在上世纪6070年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统

11、。直流PWM调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代V-M系统成为主要的直流调速方式。1.2 晶闸管晶闸管-电动机系统（电动机系统（V-M系统）系统）的主要问题的主要问题 本节讨论V-M系统的几个主要问题：（1）触发脉冲相位控制；（2）电流脉动及其波形的连续与断续；（3）抑制电流脉动的措施；（4）晶闸管-电动机系统的机械特性；（5）晶闸管触发和整流装置的放大系数和 传递函数。在如图可控整流电路中，调节触发装置 GT 输出脉冲的相位，即可很方便地改变可控整流器 VT 输出瞬时电压 ud 的波形，以及输出平均电压 Ud 的数值。a)u1TVTRLu2uVTu

12、didu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+OOOOO1.2.1 触发脉冲相位控制触发脉冲相位控制Ud0IdE 等效电路分析 如果把整流装置内阻移到装置外边，看成是其负载电路电阻的一部分，那么，整流电压便可以用其理想空载瞬时值 ud0 和平均值 Ud0 来表示，相当于用图示的等效电路代替实际的整流电路。图1-7 V-M系统主电路的等效电路图 式中 电动机反电动势；整流电流瞬时值；主电路总电感；主电路等效电阻；且有 R=Rrec+Ra+RL；EidLR 瞬时电压平衡方程tiLRiEuddddd0(1-3)对ud0进行积分，即得理想空载整流电压平均值Ud0。用触发脉

13、冲的相位角 控制整流电压的平均值Ud0是晶闸管整流器的特点。Ud0与触发脉冲相位角 的关系因整流电路的形式而异，对于一般的全控整流电路，当电流波形连续时，Ud0=f()可用下式表示 式中 从自然换相点算起的触发脉冲控制角；=0 时的整流电压波形峰值；交流电源一周内的整流电压脉波数；对于不同的整流电路，它们的数值如表1-1所示。Umm 整流电压的平均值计算cossinmd0mUmU(1-5)表1-1 不同整流电路的整流电压值*U2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。整流与逆变状态n当 0 0，晶闸管装置处于整流状态，电功率从交流侧输送到直流侧；n当/2 max 时，Ud0 0，装置处于有源逆

14、变状态，电功率反向传送。为避免逆变颠覆，应设置最大的移相角限制。相控整流器的电压控制曲线如下图 图1-8 相控整流器的电压控制曲线 O 逆变颠覆限制 通过设置控制电压限幅值，来限制最大触发角。1.2.2 电流脉动及其波形的连续与断续电流脉动及其波形的连续与断续 由于电流波形的脉动，可能出现电流连续由于电流波形的脉动，可能出现电流连续和断续两种情况，这是和断续两种情况，这是V-MV-M系统不同于系统不同于G-MG-M系统系统的又一个特点。的又一个特点。决定电流连续与否的关键：电枢回决定电流连续与否的关键：电枢回路总电感储能的大小！路总电感储能的大小！V-M系统主电路的输出图1-9 V-M系统的电

15、流波形a）电流连续b）电流断续OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEUdudttudidid1.2.3 抑制电流脉动的措施抑制电流脉动的措施 在V-M系统中，脉动电流会产生脉动的转矩，对生产机械不利，同时也增加电机的发热。为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施，主要是：n设置平波电抗器；图1-3中的Ln增加整流电路相数；n采用多重化技术。（1）平波电抗器的设置与计算n单相桥式全控整流电路 n三相半波整流电路 n三相桥式整流电路 mind287.2IUL mind246.1IUL mind2693.0IUL（1-6）（1-8）（1-7）（2

16、）多重化整流电路MLTVT12c1b1a1c2b2a2LP 如图电路为由2个三相桥并联而成的12脉波整流电路，使用了平衡电抗器来平衡2组整流器的电流。并联多重联结的12脉波整流电路M（1）电流连续情况图1-10 电流连续时V-M系统的机械特性 n=Id R/CenIdILO结论：结论：只要电流只要电流连续，晶闸管可连续，晶闸管可控整流器就可以控整流器就可以看成是一个线性看成是一个线性的可控电压源。的可控电压源。1.2.4 晶闸管晶闸管-电动机系统的机械特性电动机系统的机械特性（2）电流断续情况 当电流断当电流断续时，由于非续时，由于非线性因素，机线性因素，机械特性方程要械特性方程要复杂得多。且

17、复杂得多。且特性表现出严特性表现出严重的非线性特重的非线性特征。征。图1-11 完整的V-M系统机械特性（3）V-M系统机械特性的特点 图1-11绘出了完整的V-M系统机械特性，分为电流连续区和电流断续区。由图可见：n当电流连续时，特性还比较硬；n断续段特性则很软，而且呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。1.2.5 整流（含触发电路）环节的传递函数整流（含触发电路）环节的传递函数 在进行调速系统的分析和设计时，可以把晶闸管触发和整流装置当作系统中的一个环节来看待。应用线性控制理论进行直流调速系统分析或设计时，须事先求出这个环节的放大系数和传递函数。实际的触发电路和整流电路都是非线性的，只能在

18、一定的工作范围内近似看成线性环节。如有可能，最好先用实验方法测出该环节的输入-输出特性，即曲线，图1-13是采用锯齿波触发器移相时的特性。设计时，希望整个调速范围的工作点都落在特性的近似线性范围之中，并有一定的调节余量。整流环节的放大系数的计算整流环节（含触发电路）的放大系数可由工作范围内的特性率决定，计算方法是cdsUUK图1-13 晶闸管触发与整流装置的输入-输出特性和的测定(1-12)整流环节的传递函数 在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的。众所周知，晶闸管一旦导通后，控制电压的变化在该器件关断以前就不再起作用，直到下一相触发脉

19、冲来到时才能使输出整流电压发生变化，这就造成整流电压滞后于控制电压的状况。用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入-输出关系为按拉氏变换定理，晶闸管装置的传递函数表示为（1-14）)(1scs0dTtUKUsTKsUsUsWse)()()(sc0ds Ts 值的选取 Ts是电路的惯性时间常数。相对于整个系统的响应时间来说，Ts 是不大的，在一般情况下，可取其统计平均值 Ts=Tsmax/2，并认为是常数。也有人主张按最严重的情况考虑，取Ts=Tsmax。表1-2列出了不同整流电路的失控时间。表1-2 各种整流电路的失控时间（f=50Hz）由于式（1-14）中包含指数函数，它使系统成

20、为非最小相位系统，分析和设计都比较麻烦。为了简化，先将该指数函数按台劳级数展开，则式（1-14）变成 （1-15）33s22ssssss!31!211ee)(sssTsTsTKKKsWsTsT近似传递函数 考虑到 Ts 很小，可忽略高次项，则传递函数便近似成一阶惯性环节。（1-16）sTKsWsss1)(整流环节（含触发电路）动态结构sTsseKUc(s)Ud0(s)1sTKssUc(s)Ud0(s)(a)准确的（b）近似的图1-15 晶闸管触发与整流装置动态结构图ssss1.3 直流脉宽调速系统直流脉宽调速系统 自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制（PWM）的高频开关控制

21、方式形成的脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即直流PWM调速系统。本节提要本节提要（1）PWM变换器的工作状态和波形；（2）直流PWM调速系统的机械特性；（3）PWM控制与变换器的数学模型；1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、变换器的工作状态和电压、电流波形电流波形 PWM变换器的作用是：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。PWM变换器电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大类，下面分别阐述其工作原理。1.不可逆PWM变换器（1）简单的不可逆）简单的不可逆PWM变换器变换器

22、 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统主电路原理图如图1-16所示，功率开关器件可以是任意一种全控型开关器件，这样的电路又称直流降压斩波器。图1-16 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统 VDUs+UgCVTidM+_E（a）电路原理图 M 主电路结构21电动机上的电流始终为单向电动机上的电流始终为单向工作状态与波形在一个开关周期内，在一个开关周期内，n当当0 0 t t t tonon时，时，U Ug g为正，为正，VTVT导通，电导通，电源电压通过源电压通过VTVT加到电加到电动机电枢两端；动机电枢两端；n当当t tonon t t T T 时，时，U Ug g为负，为负，VTV

23、T关断，电关断，电枢失去电源，经枢失去电源，经VDVD续续流。流。U,iUdEidUsttonT0图1-16b 电压和电流波形O电机两端得到的平均电压为(1-17)式中 =ton/T 为 PWM 波形的占空比，ssondUUTtU输出电压方程 改变 （0 1）即可调节电机的转速，若令=Ud/Us为PWM电压系数，则在不可逆 PWM 变换器 =(1-18)（2）有制动的不可逆PWM变换器电路 在简单的不可逆电路中电流不能反向，因而没有制动能力，只能作单象限运行。需要制动时，必须为反向电流提供通路，如图1-17a所示的双管交替开关电路。当VT1 导通时，流过正向电流+id，VT2 导通时，流过 i

24、d 。应注意，这个电路还是不可逆的，只能工作在第一、二象限，因为平均电压 Ud 并没有改变极性。图1-17 主电路结构M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E12CUs+MVT2Ug2VT1Ug1控制要求：控制要求：Ug1=-Ug2，即，即Ug1和和Ug2大小相等方向相反大小相等方向相反 正向电动运行正向电动运行ton T/2 工作状态与波形n正向电动状态 运行条件：运行条件：ton T/2，使：使：Ud En在0 t ton期间，Ug1为正，VT1导通，Ug2为负，VT2关断。此时，电源电压Us加到电枢两端，电流 id 沿图中的回路1流通。n在 ton t T 期间，Ug1和Ug2都改变

25、极性，VT1关断，但VT2却不能立即导通，因为id沿回路2经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使它失去导通的可能。正向电动状态（续）结论：结论：实际上是由实际上是由VTVT1 1和和VDVD2 2交替导通，交替导通，虽然电路中多了一虽然电路中多了一个功率开关器件，个功率开关器件，但并没有被用上。但并没有被用上。与简单的不可逆电与简单的不可逆电路波形（图路波形（图1-16b1-16b）完全一样。完全一样。U,iUdEidUsttonT0Ob）一般电动状态的电压、电流波形图1-17 主电路结构M+-VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1U

26、g1控制要求：控制要求：Ug1=-Ug2，即，即Ug1和和Ug2大小相等方向相反大小相等方向相反 正向制动运行正向制动运行ton T/2工作状态与波形（续）n正向制动状态 运行条件：运行条件：ton T/2，使：使：Ud E 在制动状态中，id为负值，VT2就发挥作用了。这种情况发生在电动运行过程中需要降速的时候。这时，先减小控制电压，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。但是，由于机电惯性，转速和反电动势E还来不及变化，因而造成 E Ud 的局面，很快使电流id反向，VD2截止，VT2开始导通。制动状态的一个周期分为两个工作阶段：n在 0 t ton 期间，VT2

27、 关断，id 沿回路 4 经 VD1 续流，向电源回馈制动，与此同时，VD1 两端压降钳住 VT1 使它不能导通。n在 ton t T期间，Ug2 变正，于是VT2导通，反向电流 id 沿回路 3 流通，产生能耗制动作用。因此，在制动状态中，VT2和VD1轮流导通，而VT1始终是关断的，此时的电压和电流波形示于图1-17c。U,iUdEidUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUgOn 输出波形c）制动状态的电压电流波形在制动状态在制动状态中，中，VT2VT2和和VD1VD1轮流导轮流导通，而通，而VT1VT1始终是关断始终是关断的。的。工作状态与波形（续）

28、n轻载电动状态 有一种特殊情况，即轻载电动状态，这时平均电流较小，以致在关断后经续流时，还没有到达周期 T，电流已经衰减到零，此时，因而两端电压也降为零，便提前导通了，使电流方向变动，产生局部时间的制动作用。n 输出波形d）轻载电动状态的电流波形4123Tton0U,iUdEidUsttonT041 23O 轻载电动状态，一个周期分成四个阶段：n第1阶段，VD1续流，电流 id 沿回路4流通；n第2阶段，VT1导通，电流 id 沿回路1流通；n第3阶段，VD2续流，电流 id 沿回路2流通；n第4阶段，VT2导通，电流 id 沿回路3流通。在1、4阶段，电动机流过负方向电流，电机工作在制动状态

29、；在2、3阶段，电动机流过正方向电流，电机工作在电动状态。因此，在轻载时，电流可在正负方向之间脉动，平均电流等于负载电流，其输出波形见图1-17d。小小 结结表1-3 二象限不可逆PWM变换器的不同工作状态2.桥式可逆PWM变换器 可逆可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称用的是桥式（亦称H形）电路，如图形）电路，如图1-20所示。所示。其控制方式有双极式、单极式、受限单极式其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆的可逆PWM变换器。变换器。能让电动机作双向电动运行的

30、能让电动机作双向电动运行的PWM变换器变换器+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4图1-18 桥式可逆PWM变换器n H形主电路结构控制要求：控制要求：Ug1（Ug4）=Ug2（Ug3）n 双极式控制方式（1）正向电动运行运行条件：运行条件：Ug1正脉冲宽度正脉冲宽度 Ug1负脉冲宽度负脉冲宽度电动机：电动机：电枢端平均电压电枢端平均电压Ud En第1阶段，在 0 t ton 期间，Ug1、Ug4为正，VT1、VT4导通，Ug2、Ug3为负，VT2、VT3截止，电流 id 沿回路1流通，

31、电动机M两端电压UAB=+Us；n第2阶段，在ton t T期间，Ug1、Ug4为负，VT1、VT4截止，VD2、VD3续流，并钳位使VT2、VT3保持截止，电流 id 沿回路2流通，电动机M两端电压UAB=Us；n 正向电动运行时的输出波形U,iUdEid+UsttonT0-UsOb)正向电动运行波形n 双极式控制方式（续）（2）正向制动运行（继正向电动后）运行条件：运行条件：Ug1正脉冲宽度正脉冲宽度 Ug1负脉冲宽度负脉冲宽度电动机：电动机：电枢端平均电压电枢端平均电压Ud En第1阶段，在 0 t ton 期间，Ug2、Ug3为负，VT2、VT3截止，VD1、VD4 续流，并钳位使 V

32、T1、VT4截止，电流 id 沿回路4流通，电动机M两端电压UAB=+Us；n第2阶段，在ton t T 期间，Ug2、Ug3 为正，VT2、VT3导通，Ug1、Ug4为负，使VT1、VT4保持截止，电流 id 沿回路3流通，电动机M两端电压UAB=Us；n 正向制动时的输出波形U,iUdEid+UsttonT0-UsOc)反向电动运行波形n 双极式控制方式（续）（1）反向电动运行运行条件：运行条件：Ug2正脉冲宽度正脉冲宽度 Ug2负脉冲宽度负脉冲宽度电动机：电动机：电枢端平均电压电枢端平均电压Ud E（2）反向制动运行（继反向电动后）运行条件：运行条件：Ug2正脉冲宽度正脉冲宽度 Ug2负

33、脉冲宽度负脉冲宽度电动机：电动机：电枢端平均电压电枢端平均电压Ud E同理，可分析反向电动和反向制动运行的情况同理，可分析反向电动和反向制动运行的情况n 输出平均电压 双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为（1-19）如果占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中相同，则在双极式控制的可逆变换器中 =2 1 （1-20）注意：这里 的计算公式与不可逆变换器中的公 式就不一样了。sonsonsond)12(UTtUTtTUTtUn 调速范围 调速时，的可调范围为01，1 0.5时，为正，电机正转；n当 0.5时，为负，电机反转；n当=0.5时，=0，电机停止。注注 意：意：当电机停止时电枢电压并

34、不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电机的损耗，这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。n 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。n 性能评价（续）双极式控制方式的不足之处是：在工作过程中，4个开关

35、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，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。1.3.2 直流脉宽调速系统的机械特性直流脉宽调速系统的机械特性 由于采用脉宽调制，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，是指电稳态，是指电机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态状态，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

36、，因而机械特性关系式比较简单，现在就分析这种情况。对于带制动电流通路的不可逆电路，电压平衡方程式分两个阶段 式中 R、L 电枢电路的电阻和电感。n 带制动的不可逆电路电压方程EtiLRiUdddd s（0 t ton）（1-21）EtiLRidd0dd（ton t T）（1-22）对于双极式控制的可逆电路，只在第二个方程中电源电压由 0 改为 Us，其他均不变。于是，电压方程为EtiLRiUdddds(0 t ton)(1-23)n 双极式可逆电路电压方程EtiLRiUdddds(ton t 6dB。保留适当的稳定裕度，是考虑到实际系统各环节参数发生变化时不致使系统失去稳定。在一般情况下，稳定

37、裕度也能间接反映系统动态过程的平稳性，稳定裕度大，意味着动态过程振荡弱、超调小。5.设计步骤n系统建模首先应进行总体设计，选择基本部件，按稳态性能指标计算参数，形成基本的闭环控制系统，或称原始系统。n系统分析建立原始系统的动态数学模型，画出其伯德图，检查它的稳定性和其他动态性能。n系统设计如果原始系统不稳定，或动态性能不好，就必须配置合适的动态校正装置，使校正后的系统全面满足性能要求。6.设计方法n凑试法设计时往往须用多种手段，反复试凑。n工程设计法详见第2章。1.5.4 系统设计举例与参数计算（一）系统设计举例与参数计算（一）因该部分内容在自动控制原理的“综合矫正部分已经重点介绍了，本课程就

38、不再重复。1.6 比例积分控制规律和无静差调速系统比例积分控制规律和无静差调速系统 前节主要讨论，采用比例（P）放大器控制的直流调速系统，可使系统稳定，并有一定的稳定裕度，同时还能满足一定的稳态精度指标。但是，带比例放大器的反馈控制闭环调速系统是有静差有静差的调速系统。本节将讨论，采用积分（I）调节器或比例积分（PI）调节器代替比例放大器，构成无静差调速系统无静差调速系统。本节提要本节提要n问题的提出n积分调节器和积分控制规律n比例积分控制规律n无静差直流调速系统及其稳态参数计算n系统设计举例与参数计算（二）1.6.1 问题的提出问题的提出图1-24 采用转速负反馈的闭环调速系统+-AGTMT

39、G+-+-+-UtgUdIdn+-+UnUn U*nUcUPE+-MTGIdUnUdUcUnntg基于转速负反馈的有静差闭环直流调速系统基于转速负反馈的有静差闭环直流调速系统1.6.1 问题的提出问题的提出 如前，采用P放大器控制的有静差的调速系统，Kp 越大，系统精度越高；但 Kp 过大，将降低系统稳定性，使系统动态不稳定。进一步分析静差产生的原因，由于采用比例调节器，转速调节器的输出为 Uc=Kp UnnUc 0，电动机运行，即Un 0；nUc=0，电动机停止。因此，在采用比例调节器控制的自动系统中，输入偏差是维系系统运行的基础，必然要产生静差，因此是有静差系统有静差系统。如果要消除系统误

40、差，必须寻找其他控制方法，比如：采用积分（Integration）调节器或比例积分（PI）调节器来代替比例放大器。1.6.2 积分调节器和积分控制规律积分调节器和积分控制规律 1.积分调节器积分调节器 如图，由运算放大器可构成一个积分电路。+CUexRbalUinR0+A图1-43 积分调节器a)原理图可求得：dtUdtUCRidtCUinin0ex111(1-64)式中，积分时间常数。当初始值为零时，在阶跃输入作用下，对式（1-64）进行积分运算，得积分调节器的输出CR0tUUinex(1-65)UexUinUexmtUinUexOb)阶跃输入时的输出特性()L/dB0L()-20dB1/O

41、-/2c)Bode图图1-43 积分调节器2.积分调节器的特性3.积分调节器的传递函数 积分调节器的传递函数为 ssUsUsW1)()()(inexi(1-66)4.转速的积分控制规律n如果采用积分调节器，则控制电压Uc是转速偏差电压Un的积分，按照式（1-64），应有 如果是Un 阶跃函数，则 Uc 按线性规律增长，每一时刻 Uc 的大小和 Un 与横轴所包围的面积成正比，如下图 a 所示。t0ncd1tUU图1-45 积分调节器的输入和输出动态过程a)阶跃输入 b)一般输入n 输入和输出动态过程 图b 绘出的 Un 是负载变化时的偏差电压波形，按照Un与横轴所包围面积的正比关系，可得相应的

42、Uc 曲线，图中Un 的最大值对应于Uc 的拐点。若初值不是零，还应加上初始电压Uc0，则积分式变成 0c0ncd1UtUUt 由上图 b 可见，在动态过程中，当 Un 变化时，只要其极性不变，即只要仍是 Un*Un，积分调节器的输出 Uc 便一直增长；只有达到 Un*=Un，Un=0时，Uc 才停止上升；不到 Un 变负，Uc 不会下降。结论：结论：当当 Un =0时，时，Uc并不是零，而是一个终值并不是零，而是一个终值 Ucf；如果；如果 Un 不再变化，此终值便保持恒定不变，不再变化，此终值便保持恒定不变，这是积分控制的特点。这是积分控制的特点。n分析结果：分析结果：采用积分调节器，当转

43、速在稳态时达到采用积分调节器，当转速在稳态时达到与给定转速一致，系统仍有控制信号，保与给定转速一致，系统仍有控制信号，保持系统稳定运行，实现无静差调速。持系统稳定运行，实现无静差调速。5.比例与积分控制的比较 有静差调速系统动态过程分析有静差调速系统动态过程分析 当负载转矩由当负载转矩由TL1突增到突增到TL2时时，有静差调速系统的转速n、偏差电压 Un 和控制电压 Uc 的变化过程示于下图。当负载转矩由 TL1 突增到 TL2 时，有静差调速系统的转速 n、偏差电压 Un 和控制电压 Uc 的变化过程示于右图。图1-44 有静差调速系统突加负载过程 突加负载时的动态过程n 无静差调速系统图1

44、-46 积分控制无静差调速系统突加负载时的动态过程 虽然现在Un=0，只要历史上有过 Un，其积分就有一定数值，足以产生稳态运行所需要的控制电压 Uc。积分控制规律和比例控制规律的根本区别就在于此。n 无静差调速系统 当负载突增时，积分控制的无静差调速系统动态过程曲线示于下图。在稳态运行时，转速偏差电压 Un 必为零。如果 Un 不为零，则 Uc 继续变化，就不是稳态了。在突加负载引起动态速降时产生Un，达到新的稳态时，Un 又恢复为零，但 Uc 已从 Uc1 上升到 Uc2，使电枢电压由 Ud1 上升到 Ud2，以克服负载电流增加的压降。在这里，Uc 的改变并非仅仅依靠 Un 本身，而是依靠

45、 Un 在一段时间内的积累。结论：结论：比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状；而积分调节器的输出则包含了输入偏差量状；而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。的全部历史。1.6.3 比例积分控制规律比例积分控制规律 上一小节从无静差的角度突出地表明了积分控制优于比例控制的地方，但是另一方面，在控制的快速性上，积分控制却又不如比例控制。如图所示，在同样的阶跃输入作用之下，比例调节器的输出可以立即响应，而积分调节器的输出却只能逐渐地变。两种调节器特性比较 UexUinUexmtUinUexOb)I调节器a)P调节器UexUintUinUexO两种调

46、节器I/O特性曲线 那么，如果既要稳态精度高，又要动态响应快，该怎么办呢？只要把比例和积分两种控制结合起来就行了，这便是比例积分控制。1.PI调节器 在模拟电子控制技术中，可用运算放大器来实现PI调节器，其线路如图所示。Uex+C1RbalUinR0+AR1图1-38 比例积分（PI）调节器 2.PI输入输出关系 按照运算放大器的输入输出关系，可得tUUKtUCRURRUd1d1ininpiin10in01ex(1-60)01piRRK10CR式中 PI调节器比例部分的放大系数；PI调节器的积分时间常数。由此可见，PI调节器的输出电压由比例和积分两部分相加而成。3.PI调节器的传递函数 当初始

47、条件为零时，取式（1-60）两侧的拉氏变换，移项后，得PI调节器的传递函数。(1-61)ssKsKsUsUsW11)()()(pipiinexpissKsssW11pi1pi11)(11pi1CRK令 ，则传递函数也可以写成如下形式(1-62)n注意：式（1-61）表明，PI调节器也可以用一个积分环节和一个比例微分环节来表示，1 是微分项中的超前时间常数，它和积分时间常数 的物理意义是不同的。4.PI调节器输出时间特性 UexUinUexmtUinUexOKpUina)PI调节器输出特性曲线OtOt UcUcUn121+2b)PI调节器输出动态过程 图1-39 PI调节器输出特性曲线n 阶跃输

48、入情况 在零初始状态和阶跃输入下，PI调节器输出电压的时间特性示于图1-39a，从这个特性上可以看出比例积分作用的物理意义。n突加输入信号时，由于电容C1两端电压不能突变，相当于两端瞬间短路，在运算放大器反馈回路中只剩下电阻R1，电路等效于一个放大系数为 Kpi 的比例调节器，在输出端立即呈现电压 Kpi Uin，实现快速控制，发挥了比例控制的长处。n此后，随着电容C1被充电，输出电压Uex 开始积分，其数值不断增长，直到稳态。稳态时，C1两端电压等于Uex，R1已不起作用，又和积分调节器一样了，这时又能发挥积分控制的优点，实现了稳态无静差。因此，PI调节器输出是由比例和积分两部分相加而成的。

49、n 一般输入情况 图1-39b绘出了比例积分调节器的输入和输出动态过程。假设输入偏差电压Un的波形如图所示，则输出波形中比例部分和 Un 成正比，积分部分是 Un 的积分曲线，而PI调节器的输出电压 Uc 是这两部分之和+。可见，Uc既具有快速响应性能，又足以消除调速系统的静差。除此以外，比例积分调节器还是提高系统稳定性的校正装置，因此，它在调速系统和其他控制系统中获得了广泛的应用。n 分析结果 由此可见，比例积分控制综合了比例由此可见，比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。比了各自的缺点，扬长避短，互相

50、补充。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。最终消除稳态偏差。1.6.4 无静差直流调速系统及其稳态参数计算无静差直流调速系统及其稳态参数计算 n系统组成n工作原理n稳态结构与静特性n参数计算1.系统组成图图1-48 无静差直流调速系统无静差直流调速系统+-+-M TG+-RP2nRP1U*nR0R0RbalUcVT VSUiTALIdR1C1UnUd-+MTGPI调节器第一章描述的第一章描述的负反馈的闭环调速系统负反馈的闭环调速系统+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+-+UnUn U*nUcUPE+-MTGIdUnUdUcUnn