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1、运动控制系统 Motion Control Theory 主讲人：罗慧（控制科学与工程系）E_mail:,1,直流调速系统,电力拖动自动控制系统,第 1 篇,2,引 言,直流电机调速系统优点：调速范围广，易于实现平滑调速，起动、制动性能 好，动态性能良好。缺点：有换向器和电刷，高速或过载时容易产生换向火花，使用环境受限；噪声大，维护困难；结构复杂，成本 高。交流电机调速系统优点：异步电动机结构简单、坚固耐用、维护方便、造价 低廉，使用环境广，运行可靠，便于制造大容量、高转速、高电压电机。缺点：调速性能比直流电机差，尤其是低速时。,3,引例：他励直流发电机端电压自动控制系统,1、问题的提出,励磁
2、绕组,额定转速,负载电流,电机的电枢绕组内阻为R1,4,用户用电量的多少随时间变化，负载电流I是经常波动的，依发电机外特性：,问题提出：不论负载电流I如何变化，如何保证发 电机的输出电压恒为额定值？,：发电机的空载电势：发电机的电枢电阻：额定负载电流：额定端电压当 时，当 时，,5,2、解决方案一：开环控制+人工调节,工人测量发电机端电压，判断输出端电压是否正常，如果不正常就改变励磁电流，使端电压等于希望值。,6,3、解决方案二：采用闭环控制,平衡工作点：,如果偏离平衡工作点：,功率放大,7,建立高性能的自动控制系统的原则,采用闭环系统 引入负反馈 按偏差控制,8,交直流调速系统的应用 制造业
3、：钢板连轧、加工机床、电炉、造纸、印刷、纺织、印染、起重、传送等高新产业：机器人、电动汽车、高速列车等生活：冰箱、空调、洗衣机、电梯等军事：舰炮控制、潜艇推进等,9,开环or闭环？,开环调速系统,开环：系统的输出量不被引回，对系统的控制部分不产生影响。例：步进数控,10,连轧机,闭环调速系统,11,12,自动控制系统设计步骤,直流调速系统研究方法,系统建模：物理模型数学模型；2.系统分析：开环系统单闭环系统双闭 环系统；静态特性动态性能；系统设计：频域分析方法工程设计方法；,13,直流电机的模型,直流电动机运行遵循的4个基本方程：,14,直流电机的动态模型,15,电枢回路的电磁时间常数：,电机
4、拖动系统的机电时间常数：,直流电机的动态模型,16,电枢回路的电磁时间常数：,电机拖动系统的机电时间常数：,直流电机的静态模型,17,2.1 可控直流源及建模2.2 稳态调速性能指标和开环系统的机械特性2.3 转速反馈控制的直流调速系统（比例单环）2.4 带电流截止负反馈的直流调速系统（比例单环）2.5 比例积分控制规律和无静差调速系统（PI单环）,第2章 转速反馈控制的直流调速系统,18,直流电机稳态转速方程：,直流电机调速方法,调节转速的方法：1、改变电枢回路电阻 R2、改变励磁磁通 3、改变电枢电压 Ud,19,图1旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）,2.1 直流调速系统用的可
5、控直流电源一、3种可控直流电源,20,1、旋转变流机组,2、静止式可控整流器,通过晶闸管(Thyristor)直接对交流电源电压进行可控整流。电流连续时，整流电压的平均值：,21,图2 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）,V-M系统的优点（与G-M系统相比较）,晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10 4 以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。,22,V-M系统的缺点：,由于晶闸管整流器的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。电流容易
6、断续，需串联较大的平波电抗器。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”。,23,图1-5 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形,3、直流PWM变换器,24,（1）直流斩波器,电动机得到的平均电压为,输出电压计算,式中 T 开关周期；ton 开通时间；占空比，=ton/T=ton f；其中 f 为开关频率。,25,（2）桥式双极性PWM变换器,输出电压平均值,26,PWM调速系统的优点,（1）主电路结构简单，需用的功率器件少；（2）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；（3）开关频率高，动态性能好，若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，
7、动态响应快；（4）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。,27,二、晶闸管整流开环调速系统的机械特性,V-M调速系统的机械特性电流连续时,电流断续时,1、理想空载转速很高；2、机械特性很软，相当于 整流内阻变大。,（见表2-1）,三、晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数,非线性晶闸管整流放大系数的线性化处理,29,如果不能实测特性，可以根据装置的参数估算。例如：设触发电路控制电压的调节范围为 Uc=010V 相对应的整流电压的变化范围是 Ud=0220V 可取：Ks=220/10=22,晶闸管触发和整流装置的放大系数估算,30,晶闸管整流传递函数的近似处理,晶闸管触发与整流的
8、失控时间与纯滞后特性：以单相全波纯电阻负载整流电路为例：,31,（具体见表2-2）,晶闸管触发与整流装置的传递函数,如果失控时间足够小（满足以下条件），可以忽略高阶项，晶闸管触发与整流装置的传递函数可近似为一阶惯性环节。,32,闭环截止频率,开环截止频率,四、直流PWM调速系统的机械特性,不可逆PWM变换器：定义：对不可逆PWM变换器：特点：线路简单，电流不能反向，无制动能力，只能单象限运行。,33,不可逆直流PWM调速系统的机械特性,34,电流连续时：,五、直流PWM变换器的传递函数,直流PWM放大器的失控时间与滞后特性:传递函数与V-M系统具有相同的形式，但滞后时间远远小于V-M系统：,35,总结：功率变换器的模型,单闭环直流调速系统的静态模型,单闭环直流调速系统的动态模型,
