电力拖动自动控制系统 要点综述.ppt

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1、要点综述电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统根据直流电机转速方程 q 直流调速方法直流调速方法（1-1）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工作条件：保持励磁=N；保持电阻 R=Ran调节过程：改变电压 UN UUn，n0n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 RR n，n0不变；n调速特性：转速下降

2、，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，n0n调速特性：转速上升，机械特性曲线变软。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3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

3、直流调速系统闭环控制的直流调速系统 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。常用的可控直流电源有以下三种n旋转变流机组n静止式可控整流器n直流斩波器或脉宽调制变换器a）原理图b）电压波形图tOuUsUdTton控制电路控制电路M1.直流斩波器的基本结构图1-5直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形这样，电动机得到的平均电压为3.输出电压计算(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。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

4、，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。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。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

5、续和断续两种情况，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；n增加整流电路相数；n采用多重化技术。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 n只要电流连续，晶闸管可控整流器就可以看成是一个线性的可控电压源。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。晶闸管触发和整流装置

6、的放大系数和传递函数晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数表1-2各种整流电路的失控时间（f=50Hz）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。（1-15、28）（6）晶闸管触发与整流装置动态结构Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)(a)准确的（b）近似的图1-21晶闸管触发与整流装置动态结构图ssss1.3 直流脉宽调速系统的主要问题直流脉宽调速系统的主要问题图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（1）简单的不可逆）简单的不可逆PWM变换器变换器 工作状态与波形在一个开关周期内，n当

7、0tton时，Ug为正，VT导通，电源电压通过VT加到电动机电枢两端；n当tontT 时，Ug为负，VT关断，电枢失去电源，经VD续流。U,iUdEidUsttonT0图1-16b电压和电流波形O（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id。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1-17a有制动电流通路的不可逆PWM变换器主电路结构M+-VD2Ug2Ug

8、1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1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PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路，如图1-20所示。这时，电动机M两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变，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的可逆PWM变换器。+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4图1-18桥式可逆PWM变换器nH形主电路结构n调速范围调速时，的可调

9、范围为01，10.5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。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，应设置逻辑延时设置逻辑延时。nId

10、,TeavOn0s0.75n0s0.5n0s0.25n0sId,Teav=1=0.75=0.5=0.25nPWM调速系统机械特性图1-20脉宽调速系统的机械特性曲线（电流连续），n0sUs/Cen泵升电压产生的原因对于PWM变换器中的滤波电容，其作用除滤波外，还有当电机制动时吸收运行系统动能的作用。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作“泵升电压泵升电压”。1.4 反馈控制闭环直流调速系统的反馈控制闭环直流调速系统的 稳态分析和设计稳态分析和设计 2.调速指标n调速范围：调速范围：生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比

11、叫做调速范围，用字母D 表示，即（1-31）其中nmin 和nmax 一般都指电机额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的转速。n静静差差率率：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落nN，与理想空载转速n0之比，称作静差率s，即或用百分数表示（1-32）（1-33）式中 nN=n0-nNn调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。调速系统的静差率指标应以最低速时最低速时所能达到的数值为准。静差率与机械特性硬度的区别4.调速范围、静差率和额定速降之间的关系（1-33）n 一个调速系统的调速范围，是指在最低一个

12、调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。速时还能满足所需静差率的转速可调范围。n例例题题1-1某直流调速系统电动机额定转速为，额定速降nN=115r/min，当要求静差率30%时，允许多大的调速范围？如果要求静差率20%，则调速范围是多少？如果希望调速范围达到10，所能满足的静差率是多少？解解 要求30%时，调速范围为若要求20%，则调速范围只有若调速范围达到10，则静差率只能是开环调速系统及其存在的问题开环调速系统及其存在的问题n例例题题1-2 某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，其额定数据如下：60kW、220V、305A、1000r/min，采用V-M系统，主

13、电路总电阻，电动机电动势系数。如果要求调速范围D=20，静差率5%，采用开环调速能否满足？若要满足这个要求，系统的额定速降最多能有多少？解解 当电流连续时，V-M系统的额定速降为开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为这已大大超过了5%的要求，更不必谈调到最低速了。如果要求D=20，s5%，则由式（1-29）可知由上例可以看出，开环调速系统的额定速降是275r/min，而生产工艺的要求却只有2.63r/min，相差几乎百倍！由此可见，开环调速已不能满足要求，需采用反馈控制的闭环调速系统来解决这个问题。n闭环调速系统的组成及其静特性闭环调速系统的组成及其静特性图1-24采用转速负反馈的闭环调

14、速系统+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+-+UnUn U*nUcUPE+-MTGIdUnUdUcUnntg转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下：电压比较环节 放大器电力电子变换器调速系统开环机械特性测速反馈环节 n稳态关系KpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+-IdR-UnKsn闭环系统的稳态结构框图图1-25转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图系统的静特性方程式开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系(1-37)（1-38）(1-39)n系统特性比较（续）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。上述三项优点若要有效，都取决

15、于一点，即K 要足够大，因此必须设置放大器。结论结论2：闭环调速系统可以获得比开环调速系统闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。检测与反馈装置。n例题例题1-3 在例题1-2中，龙门刨床要求D=20，s 5%，已知Ks=30，=0.015Vmin/r，Ce=0.2Vmin/r，如何采用闭环系统满足此要求？解解 在上例中已经求得nop=275r/min，但为了满足调速要求

16、，须有ncl=2.63r/min，由式（1-38）可得代入已知参数，则得即只要放大器的放大系数等于或大于46，闭环系统就能满足所需的稳态性能指标。反馈控制规律反馈控制规律1.被调量有静差2.抵抗扰动,服从给定3.系统的精度依赖于给定和反馈检测精度n扰动作用与影响图1-27闭环调速系统的给定作用和扰动作用 励磁变化励磁变化Id变化变化电源波动电源波动Kp变化变化电阻变化电阻变化检测误差检测误差KpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+-R n抗扰能力（续）反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动。反馈控制系统的规律是：一方面能反馈控制系统的规律是：一方面能够有效地抑制一切被

17、包在负反馈环内够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面，前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。号的任何变化都是唯命是从的。n电流截止负反馈考虑到，限流作用只需在起动和堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随着负载增减。如果采用某种方法，当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。这种方法叫做电流截止负反馈电流截止负反馈，简称截流反馈。2.系统稳态结构0UiId Rs-Ucom图1-30电流截止负反馈环节的I/O特性图1-31带电流截止负反馈的

18、闭环直流调速稳态结构图nKpKs 1/CeU*nUcUnIdEUd0Un+-RRs-UcomId Rs-Ucom-3.静特性方程与特性曲线由图1-31可写出该系统两段静特性的方程式。当Id Idcr 时，电流负反馈被截止，静特性和只有转速负反馈调速系统的静特性式（1-35）相同，现重写于下（1-35）当Id Idcr时，引入了电流负反馈，静特性变成（1-40）IdblIdcrn0IdOn0AB图1-32带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性4.电流截止负反馈环节参数设计nIdbl应小于电机允许的最大电流，一般取Idbl=（1.52）INn从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流

19、应大于电机的额定电流，一般取 Idcr（1.11.2）IN1.5 反馈控制闭环直流调速系统的反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计动态分析和设计反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型、闭环调速系统的动态结构图图1-36反馈控制闭环调速系统的动态结构图n(s)U*n(s)IdL(s)Uct(s)Un(s)+-KsTss+1KP1/Ce TmTl s2+Tms+1+-R(Tl s+1)Ud0(s)调速系统的开环传递函数由图可见，反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是式中K=KpKs/Ce（1-56）反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件（1-58）系统稳态参数计算

20、例题例题1-4用线性集成电路运算放大器作为电压放大器的转速负反馈闭环直流调速系统如图1-28所示，主电路是晶闸管可控整流器供电的V-M系统。已知数据如下：n电动机：额定数据为10kW，220V，55A，1000r/min，电枢电阻Ra=0.5；n晶闸管触发整流装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器Y/Y联结，二次线电压U2l=230V，电压放大系数Ks=44；nV-M系统电枢回路总电阻：R=1.0；n测速发电机：永磁式，额定数据为23.1W，110V，0.21A，1900r/min；n直流稳压电源：15V。若生产机械要求调速范围D=10，静差率5%，试计算调速系统的稳态参数（暂不考虑电动机的起

21、动问题）。解解 （1）为满足调速系统的稳态性能指标，额定负载时的稳态速降应为=5.26r/min（2）求闭环系统应有的开环放大系数先计算电动机的电动势系数：Vmin/r=0.1925Vmin/r则开环系统额定速降为r/min=285.7r/min闭环系统的开环放大系数应为（3）计算转速反馈环节的反馈系数和参数转速反馈系数包含测速发电机的电动势系数Cetg和其输出电位器的分压系数2，即=2Cetg根据测速发电机的额定数据，=0.0579Vmin/r先试取2=0.2，再检验是否合适。现假定测速发电机与主电动机直接联接，则在电动机最高转速1000r/min时，转速反馈电压为V=11.58V稳态时Un

22、很小，U*n只要略大于Un 即可，现有直流稳压电源为15V，完全能够满足给定电压的需要。因此，取=0.2是正确的。于是，转速反馈系数的计算结果是Vmin/r=0.01158Vmin/r电位器的选择方法如下：为了使测速发电机的电枢压降对转速检测信号的线性度没有显著影响，取测速发电机输出最高电压时，其电流约为额定值的20%，则=1379此时所消耗的功率为为了使电位器温度不致很高，实选瓦数应为所消耗功率的一倍以上，故可为选用10W，1.5k的可调电位器。（4）计算运算放大器的放大系数和参数根据调速指标要求，前已求出，闭环系统的开环放大系数应为K53.3，则运算放大器的放大系数Kp 应为实取=21。图

23、1-28中运算放大器的参数计算如下：根据所用运算放大器的型号，取R0=40k，则系统稳定性分析例题例题1-5在例题1-4中，已知R=1.0，Ks=44，Ce=0.1925Vmin/r，系统运动部分的飞轮惯量GD2=10Nm2。根据稳态性能指标D=10，s 0.5计算，系统的开环放大系数应有K53.3，试判别这个系统的稳定性。解解 首先应确定主电路的电感值，用以计算电磁时间常数。对于V-M系统，为了使主电路电流连续，应设置平波电抗器。例题1-4给出的是三相桥式可控整流电路，为了保证最小电流时电流仍能连续，应采用式（1-8）计算电枢回路总电感量，即现在 则取=17mH=0.017H。计算系统中各环

24、节的时间常数：n电磁时间常数n机电时间常数n对于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为 Ts=0.00167s为保证系统稳定，开环放大系数应满足式（1-59）的稳定条件按稳态调速性能指标要求K53.3，因此，闭环系统是不稳定的。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n 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，保持系统稳定运行，实现无静差调速。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-

25、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。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的全部历史。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，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。比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。1.系统组成图1-48无静差直流调速系统+-+-MTG+-RP2nRP1U*nR0R0RbalUcVT VSUiTALIdR1C1UnUd-+MTG稳态结构与静特性（续）无静差系

26、统的理想静特性如右图所示。当Id Idcr时，电流截止负反馈起作用，静特性急剧下垂，基本上是一条垂直线。整个静特性近似呈矩形。OIdIdcrn1n2nmaxn图1-50带电流截止的无静差直流调速系统的静特性 n作业：1-10，1-11，1-12，1-15n例题1-1，2，3，4，5转速、电流双闭环直流调速系统转速、电流双闭环直流调速系统和和调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法 第第 2 章章b)理想的快速起动过程IdLntIdOIdma)带电流截止负反馈的单闭环调速系统图2-1直流调速系统起动过程的电流和转速波形2.理想的起动过程IdLntIdOIdmIdcr3.解决思路为了实现在允许条件

27、下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPEL-MTG+图2-2转速、电流双闭环直流调速系统结构系统的组成ASR转速调节器ACR电流调节器TG测速发电机TA电流互感器UPE电力电子变换器内环外 环系统原理图图2-3双闭环直流调速系统电路原理图+-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE

28、1.系统稳态结构图图2-4双闭环直流调速系统的稳态结构图转速反馈系数;电流反馈系数 Ks 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i-R ACR-UiUPE系统静特性实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。双闭环直流调速系统的静特性如图所示，图2-5双闭环直流调速系统的静特性n0IdIdmIdnomOnABC各变量的稳态工作点和稳态参数计算各变量的稳态工作点和稳态参数计算双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系(2-3)(2-5)(2-4)n反馈系数计算转速反馈系数 电流反馈系数

29、(2-6)(2-7)1.系统动态结构图2-6双闭环直流调速系统的动态结构图U*n Uc-IdLnUd0Un+-+-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E图2-7双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形 n OOttIdm IdL Id n*IIIIIIt4 t3 t2 t1 2.分析结果双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：（1）饱和非线性控制；饱和非线性控制；（2）转速超调；转速超调；（3）准时间最优控制准时间最优控制。1.转速调节器的作用 （1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小

30、转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。2.电流调节器的作用（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。工程设计方法的基本思路工程设计方法的基本思路 1.选择调节器结构,使系统典型化并满足稳定和稳

31、态精度。2.设计调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。自动控制理论已经证明，0型系统稳态精度低，而型和型以上的系统很难稳定。因此，为了保证稳定性和较好的稳态精度，多选用I型和II型系统。控制系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标 自动控制系统的动态性能指标包括：跟随性能指标抗扰性能指标系统典型的阶跃响应曲线5%（或2%）0Otrts图2-12典型阶跃响应曲线和跟随性能指标1.跟随性能指标：跟随性能指标：在给定信号或参考输入信号的作用下，系统输出量的变化情况可用跟随性能指标来描述。常用的阶跃响应跟随性能指标有ntr 上升时间n 超调量nts 调节时间突加扰动的动态过程和抗扰性能指标图2-13

32、突加扰动的动态过程和抗扰性能指标5%（或2%）O tmtvCb2.抗扰性能指标抗扰性能指标标志着控制系统抵抗扰动的能力。常用的抗扰性能指标有nCmax 动态降落ntv 恢复时间一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标则以跟随性能为主。表表2-2 典型典型I型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系 （与与KT的关系服从于式的关系服从于式2-16）具体选择参数时，应根据系统工艺要求选择参数以满足性能指标。参数关系KT0.250.390.50.691.0阻尼比超调量 上升时间tr峰值时间 tp 相角稳定裕度 截止频率c1.00%76.3

33、0.243/T0.81.5%6.6T8.3T69.90.367/T0.7074.3%4.7T6.2T 65.50.455/T0.69.5%3.3T4.7T59.20.596/T0.516.3%2.4T3.2T51.80.786/T55.5%33.2%18.5%12.9%tm/T2.83.43.84.0tv/T14.721.728.730.4表表2-3 典型典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系型系统动态抗扰性能指标与参数的关系(控制结构和扰动作用点如图2-15所示，已选定的参数关系KT=0.5)表2-6典型II型系统阶跃输入跟随性能指标（按Mrmin准则确定关系时）h345678910 tr

34、/Tts/Tk52.6%2.412.15343.6%2.6511.65237.6%2.859.55233.2%3.010.45129.8%3.111.30127.2%3.212.25125.0%3.313.25123.3%3.3514.201（2）动态跟随性能指标 表2-7典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系（控制结构和阶跃扰动作用点如图2-18，参数关系符合最小Mr准则）h345678910 Cmax/Cbtm/T tv/T 72.2%2.4513.6077.5%2.7010.4581.2%2.858.8084.0%3.0012.9586.3%3.1516.8588.1%3.2519.

35、8089.6%3.3022.8090.8%3.4025.85n分析结果由此可见，h=5是较好的选择，这与跟随性能中调节时间最短的条件是一致的（见表2-6）。因此，把典型型系统跟随和抗扰的各项性能指标综合起来看，h=5应该是一个很好的选择。n两种系统比较比较分析的结果可以看出，典型I型系统和典型型系统除了在稳态误差上的区别以外，在动态性能中，n典型典型 I 型系统在跟随性能上可以做到超调型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差，小，但抗扰性能稍差，n典型典型型系统的超调量相对较大，抗扰性型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好能却比较好。这是设计时选择典型系统的重要依据。1.调节器结构的

36、选择调节器结构的选择n基本思路:将控制对象校正成为典型系统。系统校正控制对象 调节器 输入输出典型系统 输入输出表2-8校正成典型I型系统的几种调节器选择控制对象调节器参数配合T1、T2T3T1T2表2-9校正成典型II型系统的几种调节器选择控制对象调节器参数配合认为：认为：n例题2-1，2-2n作业：2-7，2-9，2-14（1，2，3），2-16（1，2）直流调速系统的数字控制直流调速系统的数字控制第第 3 章章电力拖动自动控制系统图3-4微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图1.主程序完成实时性要求不高的功能，完成系统初始化后，实现键盘处理、刷新显示、与上位计算机和其他外设通信等

37、功能。主程序框图见图3-5。2.初始化子程序完成硬件器件工作方式的设定、系统运行参数和变量的初始化等。初始化子程序框图见图3-6。图3-5主程序框图 图3-6初始化子程序框图 3中断服务子程序 中断服务子程序完成实时性强的功能，如故障保护、PWM生成、状态检测和数字PI调节等,中断服务子程序由相应的中断源提出申请，CPU实时响应。n转速调节中断服务子程序转速调节中断服务子程序n电流调节中断服务子程序电流调节中断服务子程序n故障保护中断服务子程序故障保护中断服务子程序 图3-7转速调节中断服务子程序框图 图3-8电流调节中断服务子程序框图 图3-9故障保护中断服务子程序框图 当故障保护引脚的电平

38、发生跳变时申请故障保护中断，而转速调节和电流调节均采用定时中断。三种中断服务中，故障保护中断优先级故障保护中断优先级别最高，电流调节中断次之，转速调节中别最高，电流调节中断次之，转速调节中断级别最低。断级别最低。数字PI调节器算法有位置式和增量式两种算法：n位置式算法位置式算法即为式(3-15)表述的差分方程，算法特点是：比例部分只与当前的比例部分只与当前的偏差有关，而积分部分则是系统过去所有偏差有关，而积分部分则是系统过去所有偏差的累积。偏差的累积。位置式PI调节器的结构清晰，P和I两部分作用分明，参数调整简单明了，但需要存储的数据较多。n增量式PI调节器算法PI调节器的输出可由下式求得 （

39、3-17）（3-18）可逆调速系统和位置随动系统 电力拖动自动控制系统第第 4 章章有许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地起动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是说，需要可可逆逆的调速系统的调速系统。有环流控制的可逆晶闸管有环流控制的可逆晶闸管-电动机系统电动机系统一一.V-M系统的可逆线路系统的可逆线路 根据电机理论，改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向，都能够改变直流电机的旋转方向。因此，V-M系统的可逆线路有两种方式：l电枢反接可逆线路；l励磁反接可逆线路。-+Ud0RM+-nEV-单组晶闸管装置的有源逆变单组晶闸管装置供电的V-M系统

40、在拖动起重机类型的负载时也可能出现整流和有源逆变状态。a）整流状态：提升重物，90，Ud0E，n 0由电网向电动机提供能量。PId+-+-Ud0RMnEV-b）逆变状态：放下重物90，Ud0E，n 0由电动机向电网回馈能量。PIdn-nIdTe提升放下c）机械特性n整流状态：电动机工作于第1象限；n逆变状态：电动机工作于第4象限。TL图4-3单组V-M系统带起重机类型负载时的整流和逆变状态 两组晶闸管装置反并联的整流和逆变两组晶闸管装置反并联可逆线路的整流和逆变状态原理与此相同，只是出现逆变状态的具体条件不一样。现以正组晶闸管装置整流和反组晶闸管装置逆变为例，说明两组晶闸管装置反并联可逆线路的

41、工作原理。图4-4两组晶闸管反并联可逆V-M系统的正组整流和反组逆变状态R-+Ud0fM+-nEVF-a)正组整流电动运行 a)正组晶闸管装置VF整流nVF处于整流状态：此时，f90，Ud0fE，n 0电机从电路输入能量作电动运行。PIdb)反组晶闸管装置VR逆变当电动机需要回馈制动时，由于电机反电动势的极性未变，要回馈电能必须产生反向电流，而反向电流是不可能通过VF流通的。这时，可以利用控制电路切换到反组晶闸管装置VR，并使它工作在逆变状态。b)两组晶闸管反并联可逆V-M系统的反组逆变状态+-+-Ud0rRMnEVR-nVR逆变处于状态：此时，r90，E|Ud0r|，n 0电机输出电能实现回

42、馈制动。PIdc）机械特性范围Id-Idn反组逆变回馈制动正组整流电动运动c)机械特性运行范围 整流状态：整流状态：V-M系统工作在第一象限。逆变状态：逆变状态：V-M系统工作在第二象限。表表4-1 V-M系统反并联可逆线路的工作状态系统反并联可逆线路的工作状态 V-M系统的工作状态正向运行正向制动反向运行反向制动电枢端电压极性+电枢电流极性+电机旋转方向+电机运行状态电动电动回馈发电回馈发电电动电动回馈发电回馈发电晶闸管工作的组别和状态正组整流正组整流反组逆变反组逆变反组整流反组整流正组逆变正组逆变机械特性所在象限一一二二三三四四图4-5反并联可逆V-M系统中的环流 MVR VFUd0f+-

43、+Ud0rRrecRrecRa-环流的形成IdIcIc 环流Id 负载电流 环流的定义：采用两组晶闸管反并联的可逆V-M系统，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流。环流的分类在不同情况下，会出现下列不同性质的环流：（1）静静态态环环流流两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流，其中又有两类：n直流平均环流由晶闸管装置输出的直流平均电压所产生的环流称作直流平均环流。n瞬时脉动环流两组晶闸管输出的直流平均电压差为零，但因电压波形不同，瞬时电压差仍会产生脉动的环流，称作瞬时脉动环流。图4-6=配合控制电路GTF-正组触发装置GTR-反

44、组触发装置AR-反号器 MVRVFRrecRrec-1ARGTRGTFUcRaM（3）=配合控制电路图4-7配合控制移相特性=移相控制特性（续）-UcmUc90o rmin180o0oUcm90o0o180o fmin fmin rmin r fCTRCTFUc1=控制的工作状态待逆变状态待逆变状态 实际上，这时逆变组除环流外并未流过负载电流，也就没有电能回馈电网，确切地说，它只是处于“待逆变状态”，表示该组晶闸管装置是在逆变角控制下等待工作。逆变状态逆变状态 只有在制动时，当发出信号改变控制角后，同时降低了整流电压和逆变电压的幅值，一旦电机反电动势E|Ud0r|=|Ud0f|，整流组电流将被

45、截止，逆变组才真正投入逆变工作，使电机产生回馈制动，将电能通过逆变组回馈电网。=控制的工作状态（续）n待整流状态待整流状态 同样，当逆变组工作时，另一组也是在等待着整流，可称作处于“待整流状态”。所以，在=配合控制下，负载电流可以迅速地从正向到反向（或从反向到正向）平滑过渡，在任何时候，实际上只有一组晶闸管装置在工作，另一组则处于等待工作等待工作的状态。四.=配合控制的有环流可逆V-M系统1.系统组成系统组成 MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUc-正向运行过程系统状态+-+Id有环流系统正向运行过程MVRVF-1

46、ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUc-Pnn 制动过程整个制动过程可以分为两个主要阶段，其中还有一些子阶段。主要阶段分为：I.本组逆变阶段；II.它组制动阶段。现以正向制动为例，说明有环流可逆调速系统的制动过程。I.本组逆变阶段在这阶段中，电流由正向负载电流下降到零，其方向未变，因此只能仍通过正组VF流通，具体过程如下：l发出停车（或反向）指令后，转速给定电压突变为零（或负值）；lASR输出跃变到正限幅值+U*im；lACR输出跃变成负限幅值-Ucm；lVF由整流状态很快变成的逆变状态，同时反组VR由待逆变状态转变成待整流状态

47、。l在VF-M回路中，由于VF变成逆变状态，极性变负，而电机反电动势E 极性未变，迫使电流迅速下降，主电路电感迅速释放储能，企图维持正向电流，这时大部分能量通过VF回馈电网，所以称作“本组逆变阶段”。由于电流的迅速下降，这个阶段所占时间很短，转速来不及产生明显的变化，其波形图见图4-10中的阶段I。本组逆变过程系统状态MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTALdUc+-+Id0+-+-.它组制动阶段当主电路电流下降过零时，本组逆变终止，第I阶段结束，转到反组VR工作，开始通过反组制动。从这时起，直到制动过程结束，统称“它组制

48、动阶段”。它组制动阶段又可分成三个子阶段：l它组建流子阶段；l它组逆变子阶段；l反向减流子阶段。l它组建流子阶段（1）Id 过零并反向，直至到达-Idm 以前，ACR并未脱离饱和状态，其输出仍为-Ucm。这时，VF和VR输出电压的大小都和本组逆变阶段一样，但由于本组逆变停止，电流变化延缓，的数值略减，使（2）反组VR由“待整流”进入整流，向主电路提供Id。由于反组整流电压Ud0r 和反电动势E 的极性相同，反向电流很快增长，电机处于反接制动状态，转速明显地降低，因此，又可称作“它组反接制动状态”。反接制动过程系统状态+-MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-

49、TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTA LdUc+-+0+-+Id-l它组逆变子阶段 当反向电流达到Idm 并略有超调时，ACR输出电压Uc 退出饱和，其数值很快减小，又由负变正，然后再增大，使VR回到逆变状态，而VF变成待整流状态。此后，在ACR的调节作用下，力图维持接近最大的反向电流Idm，因而电机在恒减速条件下回馈制动，把动能转换成电能，其中大部分通过VR逆变回馈电网，过渡过程波形为图4-10中的第II2阶段，称作“它组回馈制动阶段”或“它组逆变阶段”。由图可见，这个阶段所占的时间最长，是制动过程中的主要阶段。它组回馈制动过程系统状态+-MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n

50、+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTA LdUc+-+0+-+Id+-+-l反向减流子阶段 在这一阶段，转速下降得很低，无法再维持-Idm，于是电流立即衰减。在电流衰减过程中，电感L上的感应电压LdId/dt支持着反向电流，并释放出存储的磁能，与电动机断续释放出的动能一起通过VR逆变回馈电网。如果电机随即停止，整个制动过程到此结束。+-MVRVF-1ARGTRGTFUcASRACRU*n+-UnUiU*i+-TGLc1Lc2Lc3Lc4TMTA LdUc+-+0+-+Id+-+-反向减流过程系统状态0000000-tttOOOId n Uc 制动过程系统响应曲线I II1I