电力传动控制系统——运动控制系统 课件 教学PPT 作者 汤天浩

第3章 目录
• 3.1有静差的转速闭环直流调速系统（系统 结构与静特性分析，闭环直流调速系统的 反馈控制规律，稳定性分析）
• 3.2 无静差的转速闭环直流调速系统（比例 积分控制规律、稳态参数计算）
• 3.3 转速闭环直流调速系统的限流保护 • 3.4 转速闭环控制直流调速系统的仿真
3.1.1 比例控制转速闭环直流调速系统的结构 与静特性
n
K
p
K
sU
* n
Id
R
K
p
K
sU
* n
RI d
Ce (1 K pKs / Ce ) Ce (1 K ) Ce (1 K )
（3-1）
式中: K K p—Ks— 闭环系统的开环放大系数 • 闭环调速系Ce统的静特性表示闭环系统电动机
转速与负载电流（或转矩）间的稳态关系。
（a）闭环调速系统
图3-2 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结 构框图
• 转速开环系统控制系统存在的问题：对负 载扰动没有任何抑制作用
3.1.1 比例控制转速闭环直流调速系统 的结构与静特性
• 引入负反馈，在负反馈基础上的“检测误 差，用以纠正误差”这一原理组成的系统， 其输出量反馈的传递途径构成一个闭合的 环路，因此被称作闭环控制系统。
• 在直流调速系统中，被调节量是转速，所 构成的是转速反馈控制的直流调速系统。
1
Id (s) R U d 0 (s) E(s) T1s 1
(3-15)
• 电流与电动势间的传递函数
E(s) R I d (s) I dL (s) Tm s
(3-16)
Ud0(s) E(s)
1/R Tls+1
(a)
Id(s)

换向器与电刷的位置保证了电枢 电流与励磁电流的解耦，使转矩与 电枢电流成正比。
01.03.2021
精品课件
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1.2 运动控制系统的历史与发展
交流调速系统
交流电动机（尤其是笼型感应电 动机）结构简单
交流电动机动态数学模型具有非 线性多变量强耦合的性质，比直流电 动机复杂得多。
01.03.2021
电力电子技术和微电子技术带动了 新一代交流调速系统的兴起与发展， 打破了直流调速系统一统高性能拖 动天下的格局。
进入21世纪后，用交流调速系统取 代直流调速系统已成为不争的事实。
01.03.2021
精品课件
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1.2 运动控制系统的历史与发展
直流调速系统
直流电动机的数学模型简单，转 矩易于控制。
dt
Te
TL
Dm
Km
dm
dt
m
01.03.2021
精品课件
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1.3 运动控制系统的转矩控制规律
忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，运 动控制系统的简化运动方程式
J
d m
dt
Te
TL
d m
dt
m
01.03.2021
精品课件
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1.3 运动控制系统的，唯一的途径就 是控制电动机的电磁转矩，使转速 变化率按人们期望的规律变化。
01.03e.2d02, 1Springer- Verlag, N精e品w课Y件ork, 2001
4
电力拖动自动控制系统 —运动控制系统
第1章
绪论
01.03.2021
精品课件
5
内容提要
运动控制系统及其组成
运动控制系统的历史与发展

矢量控制系统通过矢量变换和按转 子磁链定向，得到等效直流电动机 模型，然后模仿直流电动机控制。
直接转矩控制系统利用转矩偏差和 定子磁链幅值偏差的符号，根据当 前定子磁链矢量所在的位置，直接 选取合适的定子电压矢量，实施电 磁转矩和定子磁链的控制。
内容提要
异步电动机动态数学模型的性质 异步电动机三相数学模型 坐标变换 异步电动机在正交坐标系上的动态数学
7.3.1 坐标变换的基本思路
当观察者也站到铁心上和绕组一起旋转 时，在他看来，d和q是两个通入直流而 相互垂直的静止绕组。
如果控制磁通的空间位置在d轴上，就和 直流电动机物理模型没有本质上的区别 了。
绕组d相当于励磁绕组，q相当于伪静止 的电枢绕组。
7.3.1 坐标变换的基本思路
图7-4 静止两相正交坐标系和旋转正交坐标系 的物理模型
7.3.1 坐标变换的基本思路
图7-3 三相坐标系和两相坐标系物理模型
7.3.1 坐标变换的基本思路
两相绕组，通以两相平衡交流电流，也 能产生旋转磁动势。
当三相绕组和两相绕组产生的旋转磁动 势大小和转速都相等时，即认为两相绕 组与三相绕组等效，这就是3/2变换。
7.3.1 坐标变换的基本思路
虽然电枢本身是旋转的，但由于换向器和电 刷的作用，闭合的电枢绕组分成两条支路。 电刷两侧每条支路中导线的电流方向总是相 同的。
7.3.1 坐标变换的基本思路
当电刷位于磁极的中性线上时，电枢磁动势 的轴线始终被电刷限定在q轴位置上，其效 果好象一个在q轴上静止的绕组一样。
但它实际上是旋转的，会切割d轴的磁通而 产生旋转电动势，这又和真正静止的绕组不 同。
7.3.2 三相-两相变换 （3/2变换）
三相绕组A、B、C和两相绕组之间的 变换，称作三相坐标系和两相正交坐 标系间的变换，简称3/2变换。

电力拖动自动控制系统的发展
1971年，西门子F.Blaschke(布拉施克)提出了矢量 变换控制原理解决了转矩控制问题；1985年德国鲁尔大 学M.Depenbrock提出了直接转矩控制理论，简化了矢量 变换控制原理的复杂计算；各种现代控制理论的发展也 使得交流电机控制技术迅速发展。 微处理机引入控制系统，使模拟控制向数字化方向 发展，从单片机到DSP，从DSP到RISC（简单指令集计算 机），使各种算法得以快速实现，拓宽了交流调速的应 用领域，不但简化了控制系统的硬件结构，而且提高了 控制性能，降低了电机能耗，交流调速系统将成为电力 拖动系统的主要力量。
电力拖动自动控制系统的发展
电力电子技术的前身是汞整流器和晶闸管变流技术， 1957年晶闸管诞生标志着电力电子技术的问世。 第一代整流器时代：1960-1980，以晶闸管（SCR） 及其相控变流技术为代表。 第二代逆变时代：1980-1990，以大功率晶体管 （CRT）和可关断晶闸管（GTO）等自关断电力电子器件及 其逆变技术为代表。 第三代变频时代：1990后，以复合电力电子器件(主 要有绝缘栅双极晶体管IGBT、金属-氧化物-半导体型场效 应管- MOS场效应管)及其变频技术为代表，器件关断速度 快、工作频率高，使得变频和逆变技术空前发展。
电力拖动在国民经济中的作用
电力拖动自动控制系统由电动机、控制系统 和被拖动机械组成，还包括电源、传动机构等。 其特点是：功率范围大：几毫瓦至几百兆瓦；调 速范围宽：几转至几十万转每分；适用范围广： 几乎任何环境和任何负载。 电气传动在国民经济起着重要作用，广泛用 于冶金、轻工、矿山、石化、航空航天等行业， 以及日常生活中，用电量占我国总发电量的60%以 上，产品以每年15%的速度递增,市场前景广阔。

电力拖动自动控制系统的发展
1971年，西门子F.Blaschke(布拉施克)提出了矢量 变换控制原理解决了转矩控制问题；1985年德国鲁尔大 学M.Depenbrock提出了直接转矩控制理论，简化了矢量 变换控制原理的复杂计算；各种现代控制理论的发展也 使得交流电机控制技术迅速发展。 微处理机引入控制系统，使模拟控制向数字化方向 发展，从单片机到DSP，从DSP到RISC（简单指令集计算 机），使各种算法得以快速实现，拓宽了交流调速的应 用领域，不但简化了控制系统的硬件结构，而且提高了 控制性能，降低了电机能耗，交流调速系统将成为电力 拖动系统的主要力量。
O
TL
调磁调速特性曲线
Te
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。
电力拖动自动控制系统的发展
21世纪进入电力电子智能化时代，特点是电 力电子器件及其控制装置智能化，从而使变频和 逆变技术智能化。 电力电子技术的发展促进了电力拖动自动控 制系统的迅速发展，进一步实现了电力拖动系统 的高效节能和优化控制。 电力拖动和自动控制技术的发展密切相关， 控制系统通过电力电子器件为电机提供了可以控 制的电源，是弱电控制强电的媒介。
课程主要内容 第1篇 直流拖动系统和随动系统
第一章 闭环控制的直流调速系统 第二章 多环控制的直流调速系统
第三章 可逆调速系统
第四章 直流脉宽调速系统 第五章 位置随动系统
第2篇
交流调速系统
第六章 交流调速系统的基本类型和交流变压调速系统

W(s)
K p Ks / Ce
(Ts s 1)(TmTl s2 Tms 1)
（ 1-55）
15
第14页/共200页
6. 调速系统的闭环传递函数
设 Idl=0， 从给 定输入 作用上 看，闭 环直流 调速系 统的闭 环传递 函数是
KpKs / Ce
Wcl (s)
(Tss 1)(TmTls2 Tms 1)
为 保 证 系 统稳 定，开 环放大 系数应 满足式 （1-59） 的稳定 条件
K Tm (Tl Ts ) Ts2 0.075 (0.017 0.00167) 0.001672 49.4
TlTs
0.017 0.00167
23
第22页/共200页
例 题 1-6 在 上 题 的 闭环直 流调速 系统中 ，若改 用IGBT脉 宽 调速系 统，电 动机不 变，电 枢回路 参数为 ： R = 0.6 ， Ks = 44， L=5mH， Ts=0.1ms， 按 同 样 的 稳态 性能指 标 D =10， s ≤ 5% 计 算，该 系统能 否稳定 。
K nop 1 171.4 1 32.6 1 31.6
ncl
5.26
25
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例 题 1-7 上 题 的 闭 环脉宽 调速系 统在临 界稳定 的条件 下，最 多能达 到多大 的调速 范围？ （静差 率指标 不变）
解 ： 临 界 稳 定的条 件下闭 环系统 的稳态 速降可 达 闭 环 系 统 的 调速范 围最多 能达到 比 原 来 指 标 高得多
IdL (s)
U*n (s)
+Un (s)
Uc K (s)
P
Ks
sT
s+1

-
-
U fn
Ufi
器
TA
T G
模拟电路方式－－数字模拟电路方式－－全数字方式 数字控制器与模拟控制器相比，具有下列优点：
◆能明显地降低控制器硬件成本。 ◆可显著改善控制的可靠性。 ◆数字电路温度漂移小，不存在参数变化的影响，稳定性好。
◆硬件电路易标准化。 ◆为复杂控制算法的实现提供了坚实基础。
运动控制系统的微机数字控制，大体经历三个阶段∶ 第一个阶段: 系统的控制器主要采用具有单一数据处理功能的 微处理器(Microprocessor)。如Intel 8086 。 第二个阶段: 系统主要采用单片微型计算机(Micro－Controller) 和数字信号处理器(DSP)。如MCS-51系列和MCS-96系列单片机 ； 数字信号处理器(DSP)，如TMS320系列、MOTOROLA公司的 68000系列以及NEC公司的μPD7720系列等等 。 第三个阶段: 九十年代后期的具有单片机特点的数字信号处理器 。 1997年TI公司推出了面向电机控制领域的DSP芯片－－ TMS320C240(F240)芯片。
第三代器件的主要特点是采用MOS门极控制和集成化。其代表性器 件是功率MOSFET、IGBT和IPM
现代的电力电子变换装置中，PWM技术是目前主要采用 的变换器控制技术。
IPM（智能功率模块）
P
泵升电阻 (需外接)
VT1
VT3
B U
VT5
V
W
VT7
VT4
VT6
VT2
N
3．电动机方面
与直流电动机相比，交流电动机特别是鼠笼式异步电动机具有一系列 突出的优点：制造成本低廉、重量轻、惯性小、可靠性和运行效率高、基 本上不用维修、能在恶劣的甚至是含有易爆性气体的环境中安全运行。正 是由于交流电动机有这些优势，使它在电力传动系统中的应用范围比直流 电动机广泛得多。据统计，

ud
ua
ub
uc
ud
O
ud
ua
ub
uc
ud
Ud E
t O
id ic O
ia
ib
ic
id
a）电流连续
ic
t O
ia
ib
ic
b）电流断续
图1-9 V-M系统的电流波形
Ud E
t
t
1.2.3 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：
• 瞬时电压平衡方程
ud0
E
id R
L
did dt
(1-3)
式中
E — 电动机反电动势；
id — 整流电流瞬时值； L — 主电路总电感；
R — 主电路等效电阻；
且有 R = Rrec + Ra + RL；
对ud0进行积分，即得理想空载整流电压 平均值Ud0 。
用触发脉冲的相位角 控制整流电压的
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
O
TL
2 3
Te
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，在基速（即电机 额定转速）以上作小范围的弱磁升速。

不饱和——输出未达到限幅值 当调节器不饱和时，正如1.6节中所阐
明的那样，PI 作用使输入偏差电压在稳 态时总是零。
事实上，转速调节器是可以运行在以 上两种情况，而正常情况下，电流调节 器却不可能让其工作在饱和状态！
3. 系统静特性
由于电流调节器不 n
会达到饱和状态的。n0 C
A
因此，对于静特性
内容提要
转速、电流双闭环控制的直流调速系统 是应用最广性能很好的直流调速系统。本 章着重阐明其控制规律、性能特点和设计 方法，是各种交、直流电力拖动自动控制 系统的重要基础。
内容提要
转速、电流双闭环直流调速系统及其静特 性；
双闭环直流调速系统的数学模型和动态性 能分析；
弱磁控制的直流调速系统。
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 O
系统的静特性如图
Idnom
B
Idm
Id
所示。
图2-5 双闭环直流调速系统的静特性
（1）转速调节器不饱和
U
* n
Un
n
n0
U
* i
Ui
Id
式中， —— 转速和电流反馈系数。
由第一个关系式可得
n
U
* n
n0
(2-1)
从而得到上图静特性的CA段。
静特性的水平特性
与此同时，由于ASR不饱和，U*i < U*im，从上 述第二个关系式可知: Id < Idm。
这就是说， CA段静特性从理想空载状态的 Id = 0 一直延续到 Id = Idm ，而 Idm 一般都是大于额定电流 IdN 的。这就是静特性 的运行段，它是水平的特性。
稳态运行

差功率、减小输出功率来换取转速的降低。
增加的转差功率全部消耗在转子电阻上，
这就是转差功率消耗型的由来。
6.2.2 异步电动机调压调速 的机械特性
增加转子电阻值， 临界转差率加大， 可以扩大恒转矩负 载下的调速范围， 这种高转子电阻电 动机又称作交流力 矩电动机。
缺点是机械特性
较软。
图6-6 高转子电阻电动机（交流力矩 电动机）在不同电压下的机械特性
6.2.3 闭环控制的调压调速系统
要求带恒转 矩负载的调 压系统具有 较大的调速 范围时，往 往须采用带 转速反馈的 闭环控制系 统。
图6-7 带转速负反馈闭环控 制的交流调压调速系统
6.2.3 闭环控制的调压调速系统
当系统带负载稳定时，如果负载增大或减 小，引起转速下降或上升，反馈控制作用 会自动调整定子电压，使闭环系统工作在 新的稳定工作点。
由于受电动机绝缘和磁路饱和的限制， 定子电压只能降低，不能升高，故又 称作降压调速。
异步电动机调压调速
调压调速的基本特征：电动机同步转速保 持额定值不变
n1
n1N
60 f1N np
气隙磁通
Φm
Us 4.44 f1NskNS
随定子电压的降低而减小，属于弱磁调速。
6.2.1 异步电动机调压调速 主电路
12
Lls
L'lr
2
异步电动机的机械特性
异步电动机传递的电磁功率
Pm
3I
'2 r
Rr'
s
机械同步角速度
m1
1
np
异步电动机的机械特性
异步电动机的电磁转矩（机械特性方程式 ）
Te
Pm
m1
3n p