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1、,自动化学院,运 动 控 制 系 统,孙跃 教授,TEL: (023) 65111779,序言,课程的内容、目的,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，探讨如何构成运动控制系统。,序言,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专业的内涵及专业特征本课程的专业地位及重要性,序言,课程的特点,支撑知识（课程）广泛理论性和实践性结合紧密公式多多、记忆多多、结论多多,序言,课程体系,以直流电动机为对象直流运动系统以交流电动机为对象交流运动系统,直流拖动控制系统,第 1 篇,内容提要,直流调速
2、方法直流调速电源直流调速控制,引 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，在过去的许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域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，为了保证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。,直流电动机稳态转速方程,直流调速方法,（1-1）,直流电动机三种调速方法： （1）调节电枢供电电压 U； （2）减弱励磁磁通 ； （3）改变电枢回路电阻 R。,（1）调压调速,工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电阻 R = Ra调节过程： 改变电压 UN U
3、U n ， n0 调速特性： 转速下降，机械特性曲线平行下移。,（2）调阻调速,工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电压 U =UN ；调节过程： 增加电阻 Ra R R n ，n0不变；调速特性： 转速下降，机械特性曲线变软。,（3）调磁调速,工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a ；调节过程： 减小励磁 N n ， n0 调速特性： 转速上升，机械特性曲线变软。,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
4、，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1章 转速反馈的直流调速系统,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。,1.1 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。 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,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，提供可调直流电压。AC/DC可控整流器用可控整流器，提供可调直流电压。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。,
5、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,已经淘汰！,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-电动机调速系统（V-M系统）,相控整流器模式,V-M系统的问题,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。由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。,直流斩波器或脉宽调制变换器,不可控交直变换器,直流斩波器,直流电动机,直流电网,变换（输出不可调）,变换（可调电压输出）,直流斩波调速（调速）,1. 直流斩波器的原
6、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,施加于电枢两端的电枢电压瞬时值波形是一系列脉冲波形，如图1-5b所示。但由于电枢电感和续流二极管的作用，使电枢电流成为一连续波形。,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。,4. 斩波电路三种控制方式,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：T 不变，变 ton 脉冲宽度调制（PWM）；ton不变，变 T 脉冲频率调制（PFM）；ton和 T 都
7、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）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；（3）动态响应相对较快，动态抗扰能力强；（4）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高；（5）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 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。 直流PWM调速系统特别在中、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-电动机（V-M）系统的主要问题,（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
8、；（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。,调节VT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。,触发脉冲相位控制,等效电路分析,其中，电阻R是电枢回路总电阻，它包含整理装置的内阻和电动机的电枢电阻。,图1-7 V-M系统主电路的等效电路图,动态电压平衡方程,(1-3),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。,(1-5),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
9、流电源一周内的整流电压脉波数；,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,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； 当 /2 max 时， Ud0 0 ，装置处于有源逆变状态，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,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。,电流脉动及其波形的连续与断续,由于电流波形的脉动，可能出现电流连续和断续两种情况，这是V-M系统不同于G-M系统的一个重要特点。,决定电流连续与否的关键： 电枢回路总电感储能的大小！,V-M
10、系统主电路的输出,图1-9 V-M系统的电流波形,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：设置平波电抗器； 图1-3中的L增加整流电路相数；采用多重化技术。,（1）平波电抗器的设置与计算,单相桥式全控整流电路 三相半波整流电路 三相桥式整流电路,（1-6）,（1-8）,（1-7）,（2）多重化整流电路,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,（1）电流连续情况,图1-10 电流连续时V-M系统的
11、机械特性,结论：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。,晶闸管-电动机系统的机械特性,（2）电流断续情况,当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多。且特性表现出严重的非线性特征。,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,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：当电流连续时，特性还比较硬；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。,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。实际的触发电路和整流电路都是非线性的，只能在一
12、定的工作范围内近似看成线性环节。,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,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（1-1
13、4）,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）,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）,整流环节（含触发电路）动态结构
14、,1.3 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。,PWM变换器的工作状态和电压、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PWM变换器 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
15、，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。,主电路结构,2,1,电动机上的电流只能单向,工作状态与波形,在一个开关周期内，当0 t ton时，Ug为正，VT导通，电源电压通过VT加到电动机电枢两端；当ton t T 时， Ug为负，VT关断，电枢失去电源，经VD续流。,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，,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
16、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。应注意的是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,+,-,VD2,Ug2,Ug1,VT2,VT1,VD1,E,1,2,C,Us,+,VT2,Ug2,VT1,Ug1,控制要求：Ug1=-Ug2 ，即Ug1和Ug2大小相等方向相反,正向电动运行,ton T/2,工作状态与波形,正向电动状态 运行条件： ton T/2， 使：Ud E在0 t ton期间， Ug1为正，VT1导通， Ug2为负，VT2关断。此
17、时，电源电压Us加到电枢两端，电流 id 沿图中的回路1流通。在 ton t T 期间， Ug1和Ug2都改变极性，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。,结论：实际上是由VT1和VD2交替导通，虽然电路中多了一个功率开关器件，但并没有被用上。与简单的不可逆电路波形（图1-16b）完全一样。,b）一般电动状态的电压、电流波形,图1-17,主电路结构,M,+,-,VD2,Ug2,Ug1,VT2,VT1,VD1,E,4,1,2,3,C,Us,+,VT2,Ug2,VT1,Ug1,控制要求：Ug1=-Ug2
18、，即Ug1和Ug2大小相等方向相反,正向制动运行,ton T/2,正向制动状态 运行条件： ton T/2， 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：在 0 t ton 期间，VT2 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 VT
19、1 使它不能导通。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。,输出波形,c）制动状态的电压电流波形,在制动状态中， VT2和VD1轮流导通，而VT1始终是关断的。,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。,输出波形,d）轻载电动状态的电流波形,轻载电动状态，
20、一个周期分成四个阶段：第1阶段，VD1续流，电流 id 沿回路4流通；第2阶段，VT1导通，电流 id 沿回路1流通；第3阶段，VD2续流，电流 id 沿回路2流通；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； 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 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。 其控
21、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。,能让电动机作双向电动运行的PWM变换器,+Us,Ug4,Ug3,VD1,VD2,VD3,VD4,Ug1,Ug2,VT1,VT2,VT4,VT3,1,3,2,A,B,4,VT1,Ug1,VT2,Ug2,VT3,Ug3,VT4,Ug4,图1-18 桥式可逆PWM变换器,H形主电路结构,控制要求： Ug1（Ug4）= Ug2（Ug3）,双极式控制方式,（1）正向电动运行运行条件： Ug1正脉冲宽度 Ug1负脉冲宽度电动机： 电枢端平均电压Ud E第1阶段，在 0 t ton 期间， Ug1 、 Ug4为正
22、， VT1 、 VT4导通， Ug2 、 Ug3为负，VT2 、 VT3截止，电流 id 沿回路1流通，电动机M两端电压UAB = +Us ；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 ；,正向电动运行时的输出波形,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： Ug1正脉冲宽度 Ug1负脉冲宽度电动机： 电枢端平均电压Ud E第1阶段，在 0 t ton 期间， Ug2 、 Ug3为负，VT2 、 VT3截止，
23、 VD1 、 VD4 续流，并钳位使 VT1 、 VT4截止，电流 id 沿回路4流通，电动机M两端电压UAB = +Us ；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 ；,正向制动时的输出波形,双极式控制方式（续）,（1）反向电动运行运行条件： Ug2正脉冲宽度 Ug2负脉冲宽度电动机： 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： Ug2正脉冲宽度 Ug2负脉冲宽度电动机： 电枢端平均电压Ud E,同理，可分析
24、反向电动和反向制动运行的情况,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。,调速范围,调速时， 的可调范围为01， 10.5时， 为正，电机正转；当 0.5时， 为负，电机反转；当 = 0.5时， = 0 ，电机停止。,注 意：,当电机停止时电枢电压并不等于零，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
25、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。,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。,1.3.2 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，是指电机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态，机械特性是平均转速与平均转矩（电流）的关系。,采用
26、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，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。,带制动的不可逆电路电压方程,（0 t ton） （1-21）,（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,( 0 t ton ) (1-23),双极式可逆电路电压方程,(ton t T ) (1-24
27、),机械特性方程,按电压方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方程式。无论是上述哪一种情况，电枢两端在一个周期内的平均电压都是 Ud = Us，只是 与占空比 的关系不同，分别为式（1-18）和式（1-20）。,平均电流和转矩分别用 Id 和 Te 表示，平均转速 n = E/Ce，而电枢电感压降的平均值 Ldid / dt 在稳态时应为零。 于是，无论是上述哪一组电压方程，其平均值方程都可写成 (1-25),(1-26)或用转矩表示， (1-27)式中 Cm = KmN 电机在额定磁通下的转矩系数； n0 = Us / Ce 理想空载转速，与电压系数成正比。,机械特性方程,PWM调速系统
28、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 /Ce,说 明,机械曲线表征的是电流连续时脉宽调速系统的稳态性能。仅绘出了第一、二象限的机械特性，它适用于带制动作用的不可逆电路，双极式控制可逆电路的机械特性与此相仿，只是更扩展到第三、四象限了。,1.3.3 PWM变换器环节的数学模型,图1-21绘出了PWM控制器和变换器的框图，其驱动电压都由 PWM 控制器发出，PWM控制与变换器的动态数学模型和晶闸管触发与整流装置基本一致。,图1-21 PWM变换器环节框图,因此PWM控制与变换器（简称PWM装置）也可以看成是一个滞后环节，其传递函数可以写成（1-28）,其中 Ks PWM装置的放大系数； Ts PWM装置的延迟时间， Ts T0 。,当开关频率为10kHz时，T = 0.1ms ，在一般的电力拖动自动控制系统中，时间常数这么小的滞后环节可以近似看成是一个一阶惯性环节，因此,（1-29）,与晶闸管装置传递函数完全一致。,PWM系统的优越性,主电路线路简单，需用的功率器件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；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；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。,
