第二章-转速、电流反馈控制的直流调速系统

绪论1、运动控制系统：以机械运动的驱动设备——电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。

工作原理：通过控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。

2、分类（1）按被控量分：以转速为被控量的系统——调速系统以角位移或直线位移为被控量的系统——位置随动(伺服)系统。

（2）按驱动电机的类型分：直流电机带动生产机械——直流传动系统交流电机带动生产机械——交流传动系统（3）按控制器类型分：以模拟电路构成的控制器——模拟控制系统以数字电路构成的控制器——数字控制系统（4）按控制系统中闭环的多少分：单环、双环、多环控制系统3、运动控制系统的功率放大与变换装置：一方面按控制量的大小将电网中的电能作用于电动机上，调节电动机的转矩大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换成电动机所需的交流电或直流电；4、反抗性恒转矩负载不是转矩作用方向和运动方向相反吗？那为什么n>0时T>0,n<0时T<0?答：n>0,T>0 和n<0,T<0意味着电机目前处于正转电动和反转电动状态，这个和负载转矩没有关系。

第二章转速反馈控制的直流调速系统1、直流电动机的稳态转速调节转速方法Φ-=eKIRUn2、直流电动机点数两端的平均电压 三种改变输出平均电压的调制方法：（1）T 不变，变 ton —脉冲宽度调制(PWM)（2）ton 不变，变 T —脉冲频率调制(PFM)（3）ton 和 T 都可调，改变占空比—混合调制(两点式控制)。

当负载电流或电压低于某一最小值，开关器件导通，当高于某一最大值时，使开关器件关断。

3、UPE 是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三组(或单相)交流电源，输出为可控的直流电压，控制电压为Uc 。

UPE 变换器的器件选择：中、小容量系统,多采用IGBT 或P-MOSFET 构成较大容量系统,采用GTO 、IGCT 电力电子开关器件特大容量系统,则常用晶闸管触发与整流装置4、 系统稳态参数计算例： 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，s s ond ρU U T t U ==5、PID调节器的类型和功能比例微分(PD)：由PD调节器构成的超前校正,可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性, 但稳态精度可能受到影响；比例积分(PI)：由PI调节器构成的滞后校正,可以保证稳态精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的；比例积分微分(PID)：PID调节器实现的滞后—超前校正则兼有二者的优点,可以全面提高系统的控制性能，但具体实现与调试要复杂一些。

实验二 转速、电流双闭环直流调速系统一、实验目的1．了解转速、电流双闭环直流调速系统的组成。

2．掌握双闭环直流调速系统的调试步骤，方法及参数的整定。

3．测定双闭环直流调速系统的静态和动态性能及其指标。

4．了解调节器参数对系统动态性能的影响。

二、实验系统组成及工作原理双闭环调速系统的特征是系统的电流和转速分别由两个调节器控制，由于调速系统调节的主要参量是转速，故转速环作为主环放在外面，而电流环作为副环放在里面，可以及时抑制电网电压扰动对转速的影响。

实际系统的组成如实验图2-1所示。

实验图2-1 转速、电流双闭环直流调速系统主电路采用三相桥式全控整流电路供电。

系统工作时，首先给电动机加上额定励磁，改变转速给定电压*n U 可方便地调节电动机的转速。

速度调节器ASR 、电流调节器ACR 均设有限幅电路，ASR 的输出*i U 作为ACR 的给定，利用ASR 的输出限幅*im U 起限制起动电流的作用；ACR 的输出c U 作为触发器TG 的移相控制电压，利用ACR 的输出限幅cm U 起限制αmin 的作用。

当突加给定电压*n U 时，ASR 立即达到饱和输出*im U ，使电动机以限定的最大电流I dm 加速起动，直到电动机转速达到给定转速(即*n n U U )并出现超调，使ASR 退出饱和，最后稳定运行在给定转速（或略低于给定转速）上。

三、实验设备及仪器1.主控制屏NMCL-322.直流电动机-负载直流发电机-测速发电机组3. NMCL －18挂箱、NMCL-333挂箱及电阻箱4.双踪示波器5.万用表四、实验内容1.调整触发单元并确定其起始移相控制角，检查和调整ASR 、ACR ，整定其输出正负限幅值。

2.测定电流反馈系数β和转速反馈系数α，整定过电流保护动作值。

3.研究电流环和转速环的动态特性，将系统调整到可能的最佳状态，画出)(t f I d =和)(t f n =的波形，并估算系统的动态性能指标（包括跟随性能和抗扰性能）。

电力拖动自动控制系统考纲及试题直流调速系统一判断题5串级调速系统的容量随着调速范围的增大而下降。

（Ⅹ）6交流调压调速系统属于转差功率回馈型交流调速系统。

（Ⅹ）7普通串级调速系统是一类高功率因数低效率的仅具有限调速范围的转子变频调速系统。

（√）9交流调压调速系统属于转差功率不变型交流调速系统。

（Ⅹ）13转差频率矢量控制系统没有转子磁链闭环。

（Ⅹ）计算转子磁链的电压模型更适合于中、高速范围，而电流模型能适应低速。

9逻辑无环流可逆调速系统任何时候都不会出现两组晶闸管同时封锁的情况。

（Ⅹ）10可逆脉宽调速系统中电动机的转动方向（正或反）由驱动脉冲的宽窄决定。

（√）与开环系统相比，单闭环调速系统的稳态速降减小了。

（Ⅹ）16闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系，即静特性，它在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大的不同。

二选择题2绕线式异步电动机双馈调速，如原处于低同步电动运行，在转子侧加入与转子反电动势相位相同的反电动势，而负载为恒转矩负载，则（B）A0S1，输出功率低于输入功率BS0，输出功率高于输入功率C0S1，输出功率高于输入功率DS0，输出功率低于输入功率4绕线式异步电动机双馈调速，如原处于低同步电动运行，在转子侧加入与转子反电动势相位相同的反电动势，而负载为恒转矩负载，则（C）Ａnn1，输出功率低于输入功率Bnn1，输出功率高于输入功率Cnn1，输出功率高于输入功率Dnn1，输出功率低于输入功率5与矢量控制相比，直接转矩控制（D）A调速范围宽B控制性能受转子参数影响大C计算复杂D控制结构简单7异步电动机VVVF调速系统中低频电压补偿的目的是A补偿定子电阻压降B补偿定子电阻和漏抗压降C补偿转子电阻压降D补偿转子电阻和漏抗压降8异步电动机VVVF调速系统的机械特性最好的是（D）A恒压频比控制B恒定子磁通控制C恒气隙磁通控制D恒转子磁通控制9电流跟踪PWM控制时，当环宽选得较大时，A开关频率高，B电流波形失真小C电流谐波分量高D电流跟踪精度高4系统的静态速降△ned一定时，静差率S越小，则（）。

第1章 绪论1. 什么是运动控制? 电力传动又称电力拖动，是以电动机作为原动机驱动生产机械的系统的总称。

运动控制系统是将电能转变为机械能的装置，用以实现生产机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其它应用的要求。

2. 运动控制系统的组成：现代运动控制技术是以电动机为控制对象，以计算机和其它电子装置为控制手段，以电力电子装置为弱电控制强电的纽带，以自动控制理论和信息处理理论为理论基础，以计算机数字仿真或计算机辅助设计为研究和开发的工具。

3. 运动控制系统的基本运动方程式：第2章 转速反馈控制的直流调速系统1. 晶闸管-电动机（ V-M ）系统的组成：纯滞后环节，一阶惯性环节。

2. V-M 系统的主要问题：由于电流波形的脉动，可能出现电流连续和断续两种情况。

3. 稳态性能指标：调速范围D 和静差率s 。

D =n N s∆n N (1−s) ，额定速降 ∆n N ，D =n maxn min ，s =∆n N n 04. 闭环控制系统的动态特性；静态特性、结构图？5. 反馈控制规律和闭环调速系统的几个实际问题，积分控制规律和比例积分控制规律。

积分控制规律：⎰∆=t0n c d 1t U U τ 比例积分控制规律：稳态精度高，动态响应快6. 有静差、无静差的主要区别：比例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。

比例积分放大器的结构：PI 调节器7. 数字测速方法：M 法测速、T 法测速、M/T 法测速。

8. 电流截止负反馈的原理：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。

电流截止负反馈的实现方法：引入比较电压，构成电流截止负反馈环节9. 脉宽调制：利用电力电子开关的导通与关断，将直流电压变成连续可变的电压，并通过控制脉冲宽度或周期达到变压变频的目的。

10. 直流蓄电池供电的电流可反向的两象限直流斩波调速系统,已知:电源电压Us=300V,斩波器占空比为30%,电动机反电动势E=100V,在电机侧看,回路的总电阻R=1Ω。

运动控制系统仿真实验报告——转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真双闭环直流调速系统仿真对例题3.8设计的双闭环系统进行设计和仿真分析,仿真时间10s 。

具体要求如下： 在一个由三相零式晶闸管供电的转速、电流双闭环调速系统中，已知电动机的额定数据为：60=N P kW , 220=N U V , 308=N I A , 1000=N n r/min , 电动势系数e C =0.196 V·min/r , 主回路总电阻R =0.18Ω,变换器的放大倍数s K =35。

电磁时间常数l T =0.012s,机电时间常数m T =0.12s,电流反馈滤波时间常数i T 0=0.0025s,转速反馈滤波时间常数n T 0=0.015s 。

额定转速时的给定电压(U n *)N =10V,调节器ASR ，ACR 饱和输出电压U im *=8V,U cm =7.2V 。

系统的静、动态指标为:稳态无静差,调速范围D=10,电流超调量i σ≤5% ,空载起动到额定转速时的转速超调量n σ≤10%。

试求：（1）确定电流反馈系数β(假设起动电流限制在1.3N I 以内)和转速反馈系数α。

（2）试设计电流调节器ACR.和转速调节器ASR 。

（3）在matlab/simulink 仿真平台下搭建系统仿真模型。

给出空载起动到额定转速过程中转速调节器积分部分不限幅与限幅时的仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出、转速调节器积分部分输出），指出空载起动时转速波形的区别，并分析原因。

（4）计算电动机带40%额定负载起动到最低转速时的转速超调量σn 。

并与仿真结果进行对比分析。

（5）估算空载起动到额定转速的时间，并与仿真结果进行对比分析。

（6）在5s 突加40%额定负载，给出转速调节器限幅后的仿真波形（包括转速、电流、转速调节器输出、转速调节器积分部分输出），并对波形变化加以分析。

（一）实验参数某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下： • 直流电动机：220V ，136A ，1460r/min ，C e=0.132Vmin/r ，允许过载倍数λ=1.5； • 晶闸管装置放大系数：K s=40； • 电枢回路总电阻：R =0.5Ω ； • 时间常数：T i=0.03s ， T m=0.18s ；• 电流反馈系数：β=0.05V/A （≈10V/1.5I N ）。

引言目前，转速﹑电流双闭环控制直流调速系统是性能很好﹑应用最广泛的直流调速系统。

我们知道采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。

但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。

故需要引入转速﹑电流双闭环控制直流调速系统，本文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。

首先介绍转速﹑电流双闭环调速系统的组成及其静特性，接着说明该系统的动态数学模型，并从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调节器的作用。

在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。

电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。

因此，调速技术一直是研究的热点。

长期以来，直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛的应用于工程过程中。

直流电动机在额定转速以下运行时，保持励磁电流恒定，可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速；在额定转速以上运行时，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。

采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。

在现代化的工业生产中，几乎无处不使用电力拖动装置。

轧钢机、电铲、提升机、运输机等各类生产机械都要采用电动机来传动。

随着对生产工艺，产品质量的要求不断提高和产量的增长，越来越多的生产机械能实现自动调速。

从20世纪60年代以来，现代工业电力拖动系统达到了全新的发展阶段。

这种发展是以采用电力电子技术为基础的，在世界各国的工业部门中，直流电力拖动系统至今仍广泛的应用着。

直流拖动的突出优点在于：容易控制，能在很宽的范围内平滑而精确的调速，以及快速响应等。

在一定时期以内，直流拖动仍将具有强大的生命力。

1、不属于电力拖动自动控制系统构成单元的是（）。

CA、电动机B、功率放大与变换装置C、柴油机D、传感器2、电动机转速与转角控制的根本是（）控制，但同时也需要做好（）控制。

BA、磁链、转矩B、转矩、磁链C、手动、自动D、自动、手动3、直流电力拖动控制系统和交流电力拖动控制系统比较，（）流电力拖动控制系统的数学模型简单；（）流电力拖动控制系统调节器的设计简单。

CA、直、交B、交、直C、直、直D、交、交4、船舶电力推进是通过（）拖动螺旋桨的系统。

DA、柴油机B、汽轮机C、燃气轮机D、电动机5、（）电动机的转速与电源频率保持严格对应关系，机械特性硬。

CA、直流B、异步C、同步D、永磁6、典型机械负载中，起重机提升重物属于（）负载。

BA、反抗性恒转矩B、位能性恒转矩负载C、通风机类D、恒功率负载7、典型机械负载中，船舶螺旋桨属于（）负载。

CA、反抗性恒转矩B、位能性恒转矩负载C、通风机类D、恒功率负载8、根据转速-转矩四象限，电动机在第四象限为（）状态。

DA、正向电动B、反向电动C、正向制动D、反向制动9、转速-转矩四象限中的第三象限，电动机电磁转矩与转速方向相（），为（）性质。

AA、同、驱动B、反、驱动C、同、制动D、反、制动10、根据运动方程式，转速变化是因为（）。

DA、电磁转矩为驱动转矩B、电磁转矩为制动转矩C、电磁转矩等于阻转矩D、电磁转矩不等于阻转矩11、吊车电动机提升下放重物时，电动机所承担的机械负载属于典型机械负载中的（）负载。

BA、反抗性恒转矩B、位能性恒转矩C、通风机类D、恒功率负载第二章转速反馈控制的直流调速系统转速反馈控制的直流调速系统测验1、直流调速系统要求一定范围内无级平滑调速，以（）调速方式为最好。

BA、电枢回路串电阻B、降低电枢电压C、降低励磁电压D、励磁回路串电阻2、V-M直流调速系统中采用了平波电抗器来抑制电流脉动，改善（）问题。

AA、轻载时电流断续B、低速时的高次谐波C、堵转时电流过大D、功率因数3、在V-M系统主电路的等效电路图中，不属于整流装置电阻的是（）。

《电力拖动自动控制系统》-第二章转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法第二章转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法内容提要：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。

我们将重点学习：●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●调节器的工程设计方法●按工程设计方法设计双闭环系统的调节器●弱磁控制的直流调速系统2.1 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性问题的提出：第1章中表明，采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。

但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。

1. 主要原因是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。

在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值 Idcr 以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。

2．理想的启动过程a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统b) 理想的快速起动过程 2-1直流调速系统起动过程的电流和转速波形性能比较：带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程如图所示，起动电流达到最大值Idm 后，受电流负反馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。

理想起动过程波形如图所示，这时，起动电流呈方形波，转速按线性增长。

这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。

3. 解决思路为了实现在允许条件下的最快起动，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。

阮毅、陈伯时《电力拖动自动控制系统（第4版）》复习要点第一章绪论1、运动控制系统的组成2、运动控制系统的基本运动方程式me L d JT T dt ω=-mm d dtθω=3、转矩控制是运动控制的根本问题。

4、负载转矩的大小恒定，称作恒转矩负载。

a ）位能性恒转矩负载b)反抗性恒转矩负载。

5、负载转矩与转速成反比，而功率为常数，称作恒功率负载。

6、负载转矩与转速的平方成正比，称作风机、泵类负载。

直流调速系统第二章转速反馈控制的直流调速系统1、直流电动机的稳态转速：e U IR n K -=Φ2、调节直流电动机转速的方法：（1）调节电枢供电电压；（2）减弱励磁磁通；（3）改变电枢回路电阻。

3、V-M系统原理图4、触发装置GT 的作用就是把控制电压U c 转换成触发脉冲的触发延迟角α。

改变触发延迟角α可得到不同的U d0，相应的机械特性为一族平行的直线。

5、脉宽调制变换器的作用：用脉冲宽度调制的方法，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序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电动机转速。

6、调速范围：生产机械要求电动机提供的最高转速n max 和最低转速n min 之比。

7、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所对应的转速降落Δn N 与理想空载转速n 0之比。

8、调速范围、静差率和额定速降之间的关系：(1)N N n s D n s =∆-N N ND n s n D n ∆=+∆(1)N N n s n D s ∆=-9、转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图10、直流电动机的动态结构11、开环系统机械特性和比例控制闭环系统静特性的关系：（1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多；（2）闭环系统的静差率要比开环系统小得多；（3）如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围。

12、当负载转矩增大，闭环调速系统转速自动调节的过程：TL ↑→I d ↑→n ↓→U n ↓→∆U n ↑→U c ↑→U d0↑→n ↑13、比例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。

实验四转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真一、实验目的熟练使用MATLAB下的SIMULINK软件进行系统仿真。

学会用MATLAB下的SIMULINK软件建立转速、电流反馈控制的直流调速系统的仿真模型和进行仿真实验的方法。

二、实验器材PC机一台，MATLAB软件三、实验参数采用转速、电流反馈控制的直流调速系统，按照要求分别进行仿真实验，输出直流电动机的电枢电流I d和转速n的响应数据，绘制出它们的响应曲线，并对实验数据进行分析，给出相应的结论。

转速、电流反馈控制的直流调速系统中各环节的参数如下：直流电动机：额定电压U N = 220 V，额定电流I dN =136 A，额定转速n N = 1460r/min，电动机电势系数C e= 0.132 V·min/r，允许过载倍数λ=1.5。

晶闸管整流装置的放大系数K s = 40。

电枢回路总电阻R =0.5Ω，电枢回路电磁时间常数T l = 0.03s，电力拖动系统机电时间常数T m = 0.18 s，整流装置滞后时间常数T s=0.0017s,电流滤波时间常数T oi=0.002s。

电流反馈系数β=0.05V/A（≈10V/1.5I N)。

四、实验内容1、电流环的仿真。

参考教材P90中相关内容建立采用比例积分控制的带限幅的电流环仿真模型，设置好各环节的参数。

图1电流环的仿真模型2、按照表1中的数据分别改变电流环中比例积分控制器的比例系数K p 和积分系数K i ，观察电流环输出电枢电流I d 的响应曲线，记录电枢电流I d 的超调量、响应时间、稳态值等参数，是否存在静差？分析原因。

表1 比例积分系数t/sI d /A不同比例系数Kp 和积分系数Ki 时的电枢电流曲线表1不同比例系数K p 和积分系数K i 的电枢电流数据对比分析：由表1可知，不同的比例系数K p 和积分系数K i 会影响系统的电枢电流且系统存在静差，原因是电流调节系统受到电动机反电动势的扰动，电动机反电动势是一个线性渐增的扰动量，所以系统做不到无静差。