运动控制 第2章转速反馈控制的直流调速系统课件.ppt

1,直流电机的优点：调速性能好：调速范围广，易于平滑调节起动、制动转矩大，易于快速起动、停车易于控制由于存在换向器，其制造复杂，价格较高应用范围广泛调速系统是电力拖动控制系统中最基本的系统,2,第1篇 直流调速系统,直流电机的工作原理和主要结构,3,由左手定则：通电线圈在磁场的作用下，线圈逆时针旋转。,4,5,6,7,8,9,10,F,F,电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线圈中产生感应电动势（用E表示）。,电枢中的感应电动势,E,E,电枢电动势,11,根据右手定则知，感应电动势和原通入电流的方向相反，所以称为反电势，其大小为：,单位： N（韦伯），n（转/每分），E（伏）,12,第1篇 直流调速系统,直流电机的等效电路图,瞬时电压平衡方程为：,13,电磁转矩及转矩平衡方程,Km 与线圈的结构有关的常数,N 线圈所处位置的磁通,Id 电枢线圈中的电流,电磁转矩：,单位： N（韦伯），Id（安培），Te（牛顿米）,14,由转矩公式可知：产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或改变磁通的方向。,15,工作机械系统折算到电动机轴上的总转动惯量电机的角速度,电机提供的电磁转矩（动力转矩）负载对运动力的反抗作用表现为负载转矩（阻力转矩）运动平衡方程：,第1篇 直流调速系统,16,系统加速系统减速系统恒速,第1篇 直流调速系统,17,稳定运行的含义：（1）系统以一定的速度匀速运转（2）系统受到干扰转速稍有变化时，应保证干扰 消除后仍能以原来的转速运行 要使系统稳定运行，必须使电机的电磁转矩和负载转矩大小相等，方向相反，相互平衡。即,直流电机稳定运行时的电压平衡方程：,第1篇 直流调速系统,18,设外加电枢电压 Ud0 一定，Te = TL(平衡)。此时若TL突然增加，则调整过程为：,与原平衡点相比，新的平衡点：Id n ,19,20,第1篇 直流调速系统,机械特性：当Ud0不变时，转速n随电磁转矩或者电流Id变化的规律。斜率大，特性软斜率小，特性硬,理想空载转速：,21,直流调速方法,直流电机转速方程：,n,Ud0,Id,R,N,Ke, 转速 电枢电压 电枢电流 电枢回路总电阻 励磁磁通 由电机结构决定的电动势常数 电机在恒定磁通下的电动势转速比,Ce,22,有三种方法可以调节电机的转速： （1）调节电枢供电电压 Ud0 （2）减弱励磁磁通 N （3）改变电枢回路电阻 R,23,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 U n ， n0 调速特性： 转速下降，机械特性曲线平行 下移。,调压调速特性曲线,24,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,调阻调速特性曲线,调阻调速,25,工作条件： 保持电压 U =UN 保持电阻 R = Ra 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,调磁调速,26,三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（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。,因此，直流调速系统以调压调速为主。,27,第2章 转速反馈控制的直流调速系统,直流调速系统的可控直流电源稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性转速反馈控制的直流调速系统直流调速系统的数字控制转速反馈控制直流调速系统的限流保护,28,直流调速系统用的可控直流电源,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机供电的可控直流电源。,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,29,常用的可控直流电源有以下三种,旋转变流机组用交流电机和直流发电机组成机组，以获得可控的直流电压。静止式可控整流器用静止式的可控整流器，以获得可控的直流电压。直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。,30,旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）,旋转变流机组,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,31,由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机 G 实现变流，由 G 给需要调速的直流电机 M 供电，调节G 的励磁电流 即可改变其输出电压 ，从而调节电机的转速。 简称G-M系统20世纪50年代曾广泛使用缺点：设备多、体积大、效率低。,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,32,静止式可控整流器,晶闸管,通过调节触发装置GT的控制电压Uc 来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。,晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,33,晶闸管原理,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,半控型电力电子器件,34,2.1.2 直流PWM变换器-电动机系统 全控型电力电子器件（IGBT、MOSFET）问世后，出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了直流脉宽调速系统。与V-M系统相比，PWM调速系统在很多方面具有较大的优越性。直流PWM调速系统的应用日益广泛，特别在中、小容量的高动态性能系统中，已完全取代了V-M系统。,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,35,直流脉宽调速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，达1:10000左右。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。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。,2.1 直流调速系统用的可控直流电源,36,PWM变换器的工作状态、电压和电流波形 Page16,2.1.2 直流PWM变换器-电机系统,VD,Us,+,Ug,C,VT,id,+,_,_,E,2,1,Ud,O,t,Ug,主电路原理图,37,当ton t T 期间， Ug为负，VT关断，电枢失去电源，电枢电流经VD续流,当0 t ton期间，Ug为正，VT导通，电源电压通过VT加到电机电枢两端,在一个开关周期内：,电压和电流波形,U, i,2.1.2 直流PWM变换器-电机系统,Ug,O,38,2.1.2 直流PWM变换器-电机系统,1）电机两端得到的平均电压,式中： = ton / T 为PWM波形的占空比。,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 变换器中 = 。,39,不允许电流反向续流二极管VD的作用只是为id提供一个续流的通道,2.1.2 直流PWM变换器-电机系统,40,有制动电流通路的不可逆PWM变换器,2.1.2 直流PWM变换器-电机系统,M,-,+,VD2,Ug2,Ug1,VT2,VT1,VD1,E,1,2,C,Us,+,VT2,Ug2,VT1,Ug1,-,41,2.1.2 直流PWM变换器-电机系统,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。,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，VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使它失去导通的可能。,Ug1,电动状态,VT2不发挥作用,42,2.1.2 直流PWM变换器-电机系统,减小控制电压， 使Ug1正脉冲变窄，使Ud降低，造成E Ud，使电流反向。,M,-,+,VD2,Ug2,Ug1,VT2,VT1,VD1,E,4,3,C,Us,+,VT2,Ug2,VT1,Ug1,-,43,2.1.2 直流PWM变换器-电机系统,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。 在 T t 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VT1使它不能导通。,制动状态,44,2.1.2 直流PWM变换器-电机系统,M,-,+,VD2,Ug2,Ug1,VT2,VT1,VD1,E,4,1,2,3,C,Us,+,VT2,Ug2,VT1,Ug1,-,轻载电动状态,45,电动状态制动状态轻载电动状态,有制动电流通路的不可逆PWM变换器,2.1.2 直流PWM变换器-电机系统,平均电压始终大于零，虽然电流能够反向，但是电压和转速仍不能反向。,46,直流PWM调速系统的机械特性 page19,2.1.2 直流PWM变换器-电机系统,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:,M,-,+,VD2,VT1,VD1,E,1,2,C,Us,+,VT2,VT1,-,47,按一个周期内的平均值，电压平均值方程：,2.1.2 直流PWM变换器-电机系统,平均电压平均电流转速电枢电感压降的平均值,48,电压平均值方程,2.1.2 直流PWM变换器-电机系统,或采用电磁转矩表示：,理想空载转速：,转矩系数：,49,2.1.2 直流PWM变换器-电机系统,直流PWM调速系统的机械特性（电流连续）,50,2.1.2 直流PWM变换器-电机系统,51,2.1.2 直流PWM变换器-电机系统,52,2.1.2 直流PWM变换器-电机系统,PWM装置的放大系数,PWM装置的延迟时间 Ts T,53,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阶惯性环节。,2.1.2 直流PWM变换器-电机系统,54,第2章 转速反馈控制的直流调速系统,直流调速系统的可控直流电源稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性转速反馈控制的直流调速系统直流调速系统的数字控制转速反馈控制直流调速系统的限流保护,55,2.2.1 转速控制的要求和稳态调速性能指标 对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面：（1）调速 在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地（有级）或 平滑地（无级）调节转速（2）稳速 以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动（3）加、减速 频繁起停的设备，要求加、减速尽量快，以提高生产率。,2.2 稳态直流调速性能指标,56,调速指标,2.2.1 转速控制的要求,调速范围：生产机械要求电机提供的最高转速和最低转速之比。,其中nmin 和nmax 指电机额定负载时的最低和最高转速。 对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时最低和最高的转速。,57,2.2.1 转速控制的要求,静差率：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。,或用百分数表示,式中：nN = n0 - nN,58,2.2.1 转速控制的要求,0,TeN,Te,n0,a,b, nNa, nNb,n,静差率和机械特性有联系又有区别机械特性软 静差率大,59,2.2.1 转速控制的要求,静差率和机械特性有联系又有区别特性a与b的硬度相同特性a与b的额定速降相同特性a与b的静差率不同,60,2.2.1 转速控制的要求,例如，在1000r/min时降落10r/min，只占1%在100r/min时同样降落10r/min，占10%。如果在只有10 r/min时，再降落10 r/min，占100%，此时电机将停止转动。 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所能达到的数值为准。,61,调速范围、静差率和额定速降之间的关系,2.2.1 转速控制的要求,以电机额定转速nN为最高转速，若转速降落为nN，则系统的静差率应该是最低速时的静差率：,可求得最低转速为：,0,TeN,Te,n0a,n0b,a,b, nNa, nNb,n,62,而调速范围为,2.2.1 转速控制的要求,63,上式表示调压调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所应满足的关系。 对于同一个调速系统， nN 值一定。因此如果对静差率要求越严，即要求 s 值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。,2.2.1 转速控制的要求,64,例题2-1 某直流调速系统电机额定转速为1430rpm，额定速降 nN = 115rpm，当要求静差率s30%时，允许多大的调速范围？如果要求静差率s 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？,2.2.1 转速控制的要求,65,例题2-1 某直流调速系统电机额定转速为1430rpm，额定速降 nN = 115rpm，当要求静差率s30%时，允许多大的调速范围？如果要求静差率s 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？,2.2.1 转速控制的要求,66,例题2-1 某直流调速系统电机额定转速为1430rpm，额定速降 nN = 115rpm，当要求静差率s30%时，允许多大的调速范围？如果要求静差率s 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？,2.2.1 转速控制的要求,67,2.2.2 直流调速系统的机械特性,开环调速系统，即无反馈控制的直流调速系统调节控制电压Uc就可以改变电机的转速晶闸管整流器和PWM变换器都是可控的直流电源，用UPE来统一表示可控直流电源,68,开环调速系统中各环节的稳态关系如下：电力电子变换器：直流电机：开环调速系统的机械特性为：,2.2.2 直流调速系统的机械特性,69,2.2.2 直流调速系统的机械特性,70,2.2.2 直流调速系统的机械特性,例2-2：某龙门刨床工作台拖动采用直流电机，额定数据：60kW，220V，305A，1000rpm。采用V-M系统，主电路总电阻R=0.18，电机反电势系数Ce=0.2V/rpm。 若要求调速范围 D = 20，静差率s 5%，采用开环调速能否满足？,71,2.2.2 直流调速系统的机械特性,在额定转速时的静差率为：,已大大超过了5%,更不必谈调到最低速了。,72,如果要求D = 20，s 5%，则：开环调速系统的额定速降太大，无法满足。转速反馈控制的直流调速系统。,2.2.2 直流调速系统的机械特性,73,第2章 转速反馈控制的直流调速系统,直流调速系统的可控直流电源稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性转速反馈控制的直流调速系统直流调速系统的数字控制转速反馈控制直流调速系统的限流保护,74,开环调速系统不能满足基本的稳态调速性能指标根据自控原理，将系统被调量作为反馈量引入系统，可以有效的抑制扰动造成的影响，这是反馈控制的基本作用；通过“检测”误差+纠正“误差”的基本原理，使输出量的反馈与给定量组成一个闭合的回路，称为闭环控制系统。直流调速系统中，被调量是转速，所构成的转速反馈控制的直流调速系统。,2.3.1 转速反馈控制直流调速系统的数学模型,75,开环系统的稳态速降大,2.3.1 转速反馈控制直流调速系统的数学模型,闭环系统的稳态关系,比例放大器,76,2.3.1 转速反馈控制直流调速系统的数学模型,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,77,2.3.1 转速反馈控制直流调速系统的数学模型,闭环调速系统的静特性方程,闭环系统的开环放大系数：,78,2.3.1 转速反馈控制直流调速系统的数学模型,闭环调速系统的静特性方程,闭环系统的开环放大系数：,闭环调速系统的静特性表示闭环系统中电机转速与负载电流（或转矩）间的稳态关系。 在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大区别。,79,比例控制闭环系统为何能够减少额定稳态速降？开环系统机械特性与闭环调速系统静特性的关系,2.3.2 比例控制的直流调速系统,80,如果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为：,(2-46),2.3.2 比例控制的直流调速系统,而闭环时的静特性可写成：,式中：n0op(n0cl)：开(闭)环系统的理想空载转速 nop(ncl)：开(闭)环系统的稳态速降,81,额定速降：同样负载扰动下，两者的转速下降,2.3.2 比例控制的直流调速系统,闭环系统静特性比开环系统机械特性硬得多。,82,静差率：,2.3.2 比例控制的直流调速系统,当 n0op = n0cl 时：,闭环系统的静差率要小得多。,83,2.3.2 比例控制的直流调速系统,84,调速范围,2.3.2 比例控制的直流调速系统,闭环时:,开环时:,85,2.3.2 比例控制的直流调速系统,Id,闭环静特性,开环机械特性,开环系统： Id n A A,闭环系统： Id nUnUn n Ud0 Uc A B,为什么闭环系统的稳态速降会减少？,86,2.3.2 比例控制的直流调速系统,在例题2-2中，龙门刨床要求: D = 20, s 5%, 已知 Ks = 30, = 0.015V/rpm, Ce = 0.2V/rpm. 若采用比例控制闭环调速系统满足此要求，则比例放大器的放大系数应该是多大？,解: 在上例中已经求得 nop = 275 rpm 但为了满足调速要求，须有ncl = 2.63 rpm 由式（2-48）可得：,代入已知参数，则得：,87,动态数学模型 系统的动态响应,2.3.1 转速反馈控制直流调速系统的数学模型,比例放大器的传递函数：,电力电子变换器的传递函数：,测速反馈的传递函数：,88,第1篇 直流调速系统,直流电机的等效电路,瞬时电压平衡方程为：,2.3.1 转速反馈控制直流调速系统的数学模型,89,运动平衡方程：,第1篇 直流调速系统,2.3.1 转速反馈控制直流调速系统的数学模型,90,2.3.1 转速反馈控制直流调速系统的数学模型,定义时间常数:,Tl 电枢回路电磁（电气）时间常数(s),Tm电力拖动系统机电时间常数(s),91,b)电流电动势间的结构框图,Id (s),a)电压电流间的结构框图,2.3.1 转速反馈控制直流调速系统的数学模型,92,b)电流电动势间的结构框图,Id (s),a)电压电流间的结构框图,+,直流电机的动态结构框图,2.3.1 转速反馈控制直流调速系统的数学模型,控制输入量,扰动输入量,93,2.3.1 转速反馈控制直流调速系统的数学模型,额定励磁下的直流电机是一个二阶线性环节时间常数Tm表示机电惯性时间常数Tl表示电磁惯性,94,2.3.1 转速反馈控制直流调速系统的数学模型,95,2.3.1 转速反馈控制直流调速系统的数学模型,96,转速反馈控制的直流调速系统开环传递函数：,2.3.1 转速反馈控制直流调速系统的数学模型,97,n(s),反馈控制规律有静差的控制系统抗扰能力系统的精度,2.3.2 比例控制的直流调速系统,比例控制的闭环直流调速系统是一种基本的反馈控制系统。,98,反馈控制规律有静差控制系统,2.3.2 比例控制的直流调速系统,有限值,99,反馈控制规律抗扰能力，服从给定,2.3.2 比例控制的直流调速系统,能够有效地抑制被负反馈环所包围的前向通道上扰动。,100,反馈控制规律系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度,2.3.2 比例控制的直流调速系统,101,n(s),系统的动态稳定性,2.3.2 比例控制的直流调速系统,比例控制的闭环直流调速系统是一种基本的反馈控制系统。,102,系统的动态稳定性,2.3.2 比例控制的直流调速系统,比例控制闭环系统的特征方程为：,其一般表达式为：,103,根据劳斯判据，系统稳定的充分必要条件,各项系数显然都是大于零的，因此稳定条件就只有,2.3.2 比例控制的直流调速系统,104,2.3.2 比例控制的直流调速系统,系统的临界放大系数 Kcr当 K Kcr 时，系统将不稳定对于一个自动控制系统来说，稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证的。,105,在例题2-3中，已知电枢回路的总电阻 R = 0.18 ，电感量L = 3mH， 系统运动部分的飞轮惯量GD2 = 60Nm2，试判别这个系统的稳定性。,2.3.2 比例控制的直流调速系统,机电时间常数：,三相桥式整流电路滞后时间常数：,106,2.3.2 比例控制的直流调速系统,开环放大系数的稳定条件：,系统的动态稳定性与稳态性能指标 K103.6相矛盾。,107,例题2-5 若改用全控型的PWM调速系统，电机不变。由于电枢回路不需要接入平波电抗器，故电枢回路参数为：R = 0.1 ，电感量L = 1mH，PWM的开关频率为8kHz。按同样稳态性能指标D=20, s 5%, 该系统能否稳定？,2.3.2 比例控制的直流调速系统,108,2.3.2 比例控制的直流调速系统,按稳态性能指标D=20，s5% 的要求,PWM调速系统能够在满足稳态性能指标的要求下稳定运行。,若系统处于临界状况，K=339.4，则：,109,2.3.2 比例控制的直流调速系统,Id,闭环静特性,开环机械特性,开环系统： Id n A A,闭环系统： Id nUnUn n Ud0 Uc A B,为什么闭环系统的稳态速降会减少？,110,比例积分控制的无静差直流调速系统。,2.3.3 比例积分控制的直流调速系统,问题的提出： 比例控制( KP )直流调速系统，稳态性能和动态稳定性的要求是互相矛盾的。,设计校正环节,111,积分调节器如右图，由运算放大器可构成一个积分电路。,2.3.3 比例积分控制的直流调速系统,式中 积分时间常数,112,2.3.3 比例积分控制的直流调速系统,积分调节器的传递函数为：,113,2.3.3 比例积分控制的直流调速系统,114,2.3.3 比例积分控制的直流调速系统,以误差信号为输入，积分调节器的输出关系为：,115,2.3.3 比例积分控制的直流调速系统,116,2.3.3 比例积分控制的直流调速系统,117,2.3.3 比例积分控制的直流调速系统,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右图。在稳态运行时，转速偏差电压 U 必为零。如果 U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U，达到新的稳态时，U 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。此处，Uc的改变并非仅仅依靠 Un本身，而是依靠 Un在一段时间内的积累。,积分控制无静差调速系统 突加负载时的动态过程,118,2.3.3 比例积分控制的直流调速系统,将以上的分析归纳起来，可得下述论断：比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史,119,系统的稳态性能（无静差），积分控制优于比例控制。 控制的快速性，积分控制却又不如比例控制。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。,2.3.3 比例积分控制的直流调速系统,120,那么，如果既要稳态精度高，又要动态响应快，该怎么办呢？,2.3.3 比例积分控制的直流调速系统,把比例和积分两种控制结合起来形成比例积分控制。,121,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。,比例积分（PI）调节器,2.3.3 比例积分控制的直流调速系统,122,PI调节器的输入输出关系,2.3.3 比例积分控制的直流调速系统,式中 比例放大系数 积分时间常数,PI调节器输出电压由比例和积分相加而成。,123,PI调节器的传递函数,2.3.3 比例积分控制的直流调速系统,令 ，则传递函数：,124,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。,2.3.3 比例积分控制的直流调速系统,125,2.3.3 比例积分控制的直流调速系统,PI调节器输出时间特性,既有快速性，又能消除静差。,126,2.3.4 直流调速系统的误差分析,直流调速系统的动态结构图,转速调节器ASR比例 积分比例积分,127,2.3.4 直流调速系统的误差分析,使用比例调节器时，系统的开环传递函数为：,式中：,使用积分调节器时，系统的开环传递函数为：,式中：,使用比例积分调节器时，系统的开环传递函数为：,式中：,128,第2章 转速反馈控制的直流调速系统,直流调速系统的可控直流电源稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性转速反馈控制的直流调速系统直流调速系统的数字控制转速反馈控制直流调速系统的限流保护,129,模拟控制直流调速系统,2.4 直流调速系统的数字控制,难以达到很高的调速精度,130,数字运动控制系统,131,以微处理器为核心的数字控制系统(简称微机数字控制系统)硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、智能化等控制规律，而且更改更灵活。,2.4 直流调速系统的数字控制,132,是一个数字采样系统。S1是给定值的采样开关；S2是反馈值的采样开关；S3是输出的采样开关。若所有的采样开关等周期的一起开和闭，则称为同步采样。,2.4.1 数字控制的特殊问题,133,2.4.1 数字控制的特殊问题,134,离散化和数字化： 由于计算机只能处理数字信号，因此，与模拟控制系统相比，微机数字控制系统必须对信号进行离散化和数字化处理。,2.4.1 数字控制的特殊问题,主要特点,135,离散化：为了把模拟的连续信号输入计算机，首先必须在具有一定周期的采样时刻对它们进行实时采样，形成一连串的脉冲信号，即离散的模拟信号，这就是离散化。,2.4.1 数字控制的特殊问题,原信号,信号的离散化是微机数字控制系统的第一个特点。,136,采样周期的选取 为了使连续信号采样后输入计算机而不失真，根据香农采样定理选取采样周期T使：,2.4.1 数字控制的特殊问题,其中 被采样信号的最高频率。,137,在电动机调速系统中，控制对象是电动机的转速和电流，是快速变化的物理量，必须具有较高的采样频率；微型计算机控制的直流调速系统是一种快速数字采样系统，要求微型计算机在较短的采样周期之内，完成信号的转换、采集，完成按某种控制规律实施的控制运算，完成控制信号的输出。,2.4.1 数字控制的特殊问题,138,数字化：采样后得到的离散信号本质上还是模拟信号，还须经过数字量化，即用一组数码（如二进制码）来逼近离散模拟信号的幅值，将它转换成数字信号。,2.4.1 数字控制的特殊问题,信号的数字化是微机数字控制系统的第二个特点。,139,旋转编码器,2.4.2 转速检测的数字化,光电式旋转编码器是检测转速或转角的元件，旋转编码器与电机相连，产生转速或转角信号。,140,光电编码器/光电码盘,141,旋转编码器,2.4.2 转速检测的数字化,增量式编码器在码盘上均匀地刻制一定数量的光栅，在接收装置的输出端便得到频率与转速成正比的方波序列 计算转速。如何鉴别旋转方向？,142,2.4.2 转速检测的数字化,增加一对发光和接收装置，使两对发光与接收装置错开光栅节距的1/4。,143,2.4.2 转速检测的数字化,144,2.4.2 转速检测的数字化,增加一对发光和接收装置，使两对发光与接收装置错开光栅节距的1/4。正转时A相超前B相，反转时B相超前A相采用简单的鉴相电路可以分辨出转向,145,四倍频,2.4.2 转速检测的数字化,146,2.4.2 转速检测的数字化,绝对式编码器,147,数字测速的精度指标 - 分辨率,2.4.2 转速检测的数字化,用改变1个计数值所对应的转速变化量来表示分辨率。以符号Q表示。当被测转速由n1变为n2时，引起的计数值增量为1，则该测速方法的分辨率为：分辨率Q越小 测速装置对转速变化越敏感，测速的精度越高。,148,2.4.2 转速检测的数字化,转速实际值和测量值之差与实际值之比定义为测速误差率,测速误差率反映了测速方法的准确性，越小，准确度越高。取决于测速元件的制造精度，同时与测速方法有关,数字测速的精度指标 测速误差率,149,M法测速,2.4.2 转速检测的数字化,在一定的时间内测取旋转编码器输出的脉冲个数来算出转速的方法。 频率法测速,150,M法测速,2.4.2 转速检测的数字化,式中：n - 转速，单位为r/min M1 - 时间Tc内的脉冲个数 Z - 旋转编码器每圈输出的脉冲个数 Tc - 采样周期，单位为s,在一定的时间内测取旋转编码器输出的脉冲个数来算出转速的方法。 频率法测速,151,M法测速,2.4.2 转速检测的数字化,分辨率,M法测速的分辨率与实际转速大小无关,测速误差率的最大值,max与M1成反比。转速越低，M1越小，误差率越大。,152,M法测速,2.4.2 转速检测的数字化,在一定的时间内测取旋转编码器输出的脉冲个数来算出转速的方法。 频率法测速,153,T法测速测出旋转编码器两个输出脉冲之间的间隔时间来计算转速。 周期法测速,2.4.2 转速检测的数字化,转速为：,154,T法测速,2.4.2 转速检测的数字化,分辨率定义为时钟脉冲个数由M2变成(M2-1)时转速的变化量：,分辨率与转速高低有关，转速越低，Q值越小，分辨能力越强,155,T法测速,2.4.2 转速检测的数字化,测速误差率的最大值,低速时，编码器相邻脉冲间隔时间长，测得的高频时钟脉冲M2个数多，误差率小，测速精度高。T法测速更适用于低速段,156,T法测速测出旋转编码器两个输出脉冲之间的间隔时间来计算转速。 周期法测速,2.4.2 转速检测的数字化,157,旋转编码器,2.4.2 转速检测的数字化,增量式编码器在码盘上均匀地刻制一定数量的光栅，在接收装置的输出端便得到频率与转速成正比的方波序列 计算转速。,158,M法测速,2.4.2 转速检测的数字化,在一定的时间内测取旋转编码器输出的脉冲个数来算出转速的方法。 频率法测速,159,T法测速测出旋转编码器两个输出脉冲之间的间隔时间来计算转速。 周期法测速,2.4.2 转速检测的数字化,160,M/T法测速M法测速随着电机转速的降低，计数值减少，测速装置的分辨能力变差，测速误差增大。T法测速正好相反，随着电机转速的增加，计数值减小，测速装置的分辨能力越来越差，测速误差增大。,2.4.2 转速检测的数字化,161,M/T法测速,2.4.2 转速检测的数字化,综合两种测速方法的特点，产生了M/T法测速。无论在高速还是在低速时，都具有较高的分辨能力和检测精度。,162,M1和M2计数同步开始和结束。采样时钟Tc由系统的定时器产生，其数值保持不变。,2.4.2 转速检测的数字化,检测周期T由采样脉冲之后的第一个脉冲编码器的输出脉冲的边沿来决定,如何计算转速？,163,检测周期T内被测转轴的转角为又有：,2.4.2 转速检测的数字化,164,2.4.2 转速检测的数字化,高速段，Tc T1，TcT2，可看成TTc可认为 M2=f0Tf0Tc不变,M/T法测速,与M法测速的相同,165,2.4.2 转速检测的数字化,高速段: 与M法测速的分辨率完全相同,M/T法测速,转速很低时，M1=1，M2随转速变化，分辨率与T法测速完全相同。M/T法测速无论是在高速还是在低速都有较强的分辨能力。,166,2.4.3 数字PI调节器,167,2.4.3 数字PI调节器,转速调节器ASR比例 积分比例积分,168,2.4.3 数字PI调节器,比例积分PI调节器的传递函数列出如下：,时域表达式为：,式中：Kp为比例系数，Ki为积分系数,当采样频率足够高时，先按模拟系统的设计方法设计调节器，然后再离散化，得到数字控制器的算法。,如何转换为数字控制的算法？,模拟调节器的数字化,169,转换为差分方程，其第k拍输出为：,式中：Tsam 为采样周期,2.4.3 数字PI调节器,u(k)为第k拍的输出值 比例部分只与当前的偏差有关积分部分则是系统过去所有偏差的累积,位置式数字PI调节器,170,增量式数字PI调节,2.4.3 数字PI调节器,第k时刻,第k-1时刻,其特点：只需要k和k-1时刻的偏差以及k-1时刻的输出,171,数字控制算法中，要对u(k)限幅，须在程序内设置限幅值，当|u(k)| um时，便以限幅值作为输出：增量式PI调节器算法只需输出限幅。位置式PI调节器算法必须同时设积分限幅和输出限幅。若无积分限幅会产生较大的退饱和超调。,2.4.3 数字PI调节器,172,改进PI算法 把P和I分开，当偏差大时，只让比例部分起作用，以快速减少偏差。当偏差降低到一定程度后，再将积分作用投入。既可最终消除稳态偏差，又能避免较大的退饱和超调。,2.4.3 数字PI调节器,为一常值,积分分离算法,173,第2章 转速反馈控制的直流调速系统,直流调速系统的可控直流电源稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性转速反馈控制的直流调速系统直流调速系统的数字控制转速反馈控制直流调速系统的限流保护,174,2.5 转速反馈控制直流调速系统的限流保护,问题的提出,全压启动，电流过大,175,堵转电流 有些生产机械的电机可能会遇到堵转的情况。例如，由于故障，机械转轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由于闭环系统的静特性很硬，若没有限流环节，电枢电流将远大于允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。,2.5 转速反馈控制直流调速系统的限流保护,176,为了解决闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。引入电流负反馈，使其不超过允许值。,2.5 转速反馈控制直流调速系统的限流保护,177,电流检测与反馈,2.5 转速反馈控制直流调速系统的限流保护,178,系统稳态结构框图,2.5 转速反馈控制直流调速系统的限流保护,转速和电流负反馈系统稳态结构框图,179,静特性方程,与转速闭环控制调速系统特性方程相比，多了一项由电流反馈引起的转速降落。,2.5 转速反馈控制直流调速系统的限流保护,180,稳态特性,2.5 转速反馈控制直流调速系统的限流保护,采用转速电流负反馈的调速系统静特性,181,电流截止负反馈限流作用只需在起动和堵转时起作用正常运行时电流负反馈不起作用，当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流。即为电流截止负反馈。,2.5.2 带电流截止负反馈的直流调速系统,182,a）利用独立直流电源作比较电压,M,+,+,-,-,Ud,Id,Rs,VD,Ui,Ucom,接放大器,M,2.5.2 带电流截止负反馈的直流调速系统,183,系统稳态结构,2.5.2 带电流截止负反馈的直流调速系统,电流截止负反馈环节的I/O特性,临界的截止电流,184,静特性方程与特性曲线当IdIdcr时，电流负反馈被截止。其静特性与只有转速负反馈调速系统的静特性式相同，即为： 当Id Idcr时，将引入了电流负反馈，其静特性为：,2.5.2 带电流截止负反馈的直流调速系统,185,2.5.2 带电流截止负反馈的直流调速系统,Idbl,Idcr,n0,Id,O,n0,A,B,D,C,186,静特性两个特点（1）电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻 Kp Ks Rs ，因而稳态速降极大，特性急剧下降。（2）比较电压 Ucom与给定电压 U*n 的作用一致，好象把理想空载转速提高到：,2.5.2 带电流截止负反馈的直流调速系统,187,2.5.2 带电流截止负反馈的直流调速系统,两段式静特性常称作挖土机特性。当挖土机遇到坚硬的石块而过载时，电机将停下，最大电流也不超过堵转电流。令 n = 0，有：,KpKsRs R,188,电流截止负反馈环节参数设计Idbl应小于电机允许的最大电流，一般取 Idbl =（1.5 2）IN从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取: Idcr （1.1