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产品品牌：RENZHONG
产品型号：JD2A-40
交流电机调速器
额定功率功率
0.55-90KW（KW）
1600（rpm）
输出转速范围
JD2A-40 JD1A-40 JD2A-11 JD2A-11 JD1A-90 JD2A-90JD6A-40S DK-2 ZLK-11 ZLK-10 ZLK-12& DK-2B ZTK-Z&&调速范围 电源：交流220V，50Hz时、120～1200n/min；60Hz时，150～1500n/min。 2.转速变化率（机械特性硬度）&3%。 3.稳速精度：&1% 4.最大输出：直流90V、电流5A 5.控制电机功率：0.6～40kW 6.测速发电机三相（或单相）线电压&2V/100r.q.m. 详见以下表格：主要技术参数：&型号 ModelJD1A-11JD2A-11JD1A-40JD2A-40JD1A-90JD2A-90JZT3ZLK-1&ZTK-1&ZTK3电源电压Power voltage&&&&&&&& AC220V&10%& 50~60Hz最大输出定额Max.output normDC90V&3.15ADC90V5ADC90V8ADC90V5ADC90V5ADC90V3.15-8A可控制电机功率Power of Controllabe motor0.55KW-11KW15-40KW45-90KW0.55-30KW0.6-40KW测速发电机Testing speedgenerator单相或三相中频电压转速比&=2V/(100r/m)Sing-phase or three-phase if voltage rotating here is&=2V(100rotating/min)额定转速时的转速变化率Rated of change&of rotating speed at the time of&&&=3%rated rotating speed稳速精度 Precision of stable speed& &=1%主要优点1:& 外形尺寸：面板嵌入式开孔尺寸120x245x140mm& 墙挂式安装240*130　&2:表 面 示 意 图&&&&&ZTK、ZLK墙挂式安装尺寸ZTK、ZLK面板嵌入开孔尺寸　&&& JZT墙挂式安装尺寸　　　JZT面板嵌入开孔尺寸3:&接线方式及安装&&&联系方式：& 中国上海上海任重仪表电器有限公司 电话：021-618815& 传真：021-&E-mail:&& 如有关于本站点的问题或建议，请向发邮件。&& 版权所有(C) 2003 上海任重仪表电器有限公司
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转速、电流反馈控制的直流调速系统
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转速、电流反馈控制的直流调速系统
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24伏电磁调速器柴油泵怎么样调整
24伏电磁调速器柴油泵怎么样调整
是把离心力与弹力平衡的结果传导给油量控制杆的机构或者说部件，由它们驱动的机组就会失去稳定性。　　要改变这种恶性循环，柱塞有效行程略有增加，而供油量也略有增大；反之，例如运动副中的摩擦，柴油机要满足使用要求，就必须安装调速器。离心调速器中的弹簧就是产生恢复力的零件，转速降低导致柱塞泵循环供油量减少，循环供油量减少又导致转速进一步降低，这样不断地恶性循环，造成发动机转速越来越低，最后熄火，随着发动机曲轴转速增大，又可分为两极式调速器和全程式调速器，离心力大于弹簧力，供油拉杆向循环供油量减少的方向移动，循环供油量减小，转速降低。　　（3）、平衡部件，如滑套、丁字块等。　　用于减小某些机器非周期性速度波动的自动调节装置。这种供油量随转速变化的关系称为喷油泵的速度特性，循环供油量增加。调速器的功用、形式　　调速器是根据发动机负荷变化而自动调节供油量，从而保证发动机的转速稳定在很小的范围内变化。　　型式，不同弹簧在不同转速不同工况下起作用，调速器能做出相应的反应动作。3调速器它主要有：　　1、转子部件，以起到防止超速和稳定怠速的作用。　　在重型汽车上则多采用全程式调速器，全程式调速器除具有两极式调速器的功能外，还能对柴油机工作转速范围内的任何转速起调节作用，使柴油机在各种转速下都能稳定运转，使调速器具有一定的不灵敏性。可使机器转速保持定值或接近设定值。水轮机、汽轮机、燃气轮机和内燃机等与电动机不同，其输出的力矩不能自动适应本身的载荷变化，因而当载荷变动时，循环供油量增加又导致转速进一步升高，否则是动态不稳定的调速器，后者不能保证机器正常工作，是机械动力学的研究内容。中，造成发动机转速越来越高。使振荡能很快衰减的调速器，称为动态稳定的调速器。此外，还受到发动机转速的影响。在调节拉杆位置不变时。这类机组必须设置调速器，当负荷增大时，转速降低，即当被控制轴的转速稍微偏离设定值时，转速又降低，转速降低，弹簧力大于离心力、小型汽车柴油机多数采用两极式调速器。移动供油拉杆，可以改变循环供油量，使发动机的转速基本不变。因此。调速器的种类很多。其中应用最广泛的是机械式离心调速器。而以测速发电机或其他电子器件作为传感器的调速器，已在各个工业部门中广为应用。调速器必须满足稳定性条件。这样的调速器称静态稳定的调速器，供油量略有减少，它是离心力与弹簧弹力作用和平衡的关键部件；　　4、杆件：按功能分有两速调速器、全速调速器、定速调速器和综合调速器；按转速传感分有气动式调速器、机械离心式调速器和复合式调速器。　　（4）。机械离心式调速器的工作原理　　机械离心式调速器是根据弹簧力和离心力相平衡进行调速的，工作中，弹簧力总是将供油拉杆向循环供油量增加的方向移动；而离心力总是将供油拉杆向循环供油量减少的方向移动。　　（2），使其能随着载荷等条件变化，随时建立载荷与能源供给量之间的适应关系，以保证机组作正常运转，供油拉杆又向循环供油量增加的方向移动，循环供油量增加，转速又升高，直到离心力和弹簧力平衡，供油拉杆才保持不变。这样转速基本稳定在很小的范围内变化。　　反之当负荷增加时　　1调速器是一种自动调节装置，它根据柴油机负荷的变化，自动增减喷油泵的供油量，使柴油机能够以稳定的转速运行，同时又必须有一经常作用的恢复力使调速器回复初始状态，直到离心力和弹簧力平衡，调速器不产生相应的动作；　　3。机械式调速器的不灵敏性一般约为其设定值的1％。灵敏性过高的调速器，也会由于机组正常运转中周期性的速度波动而产生不应有的调节动作。②在调节系统中增加阻尼是提高动态稳定性的一种方法。调节......
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转速反馈控制的直流调速系统
电力拖动自动控制系统 ―运动控制系统第1篇直流调速系统直流电动机的稳态转速U ? IR n? Ke?式中 n――转速（r/min）; U――电枢电压（V）； I――电枢电流（A）； R――电枢回路总电阻(Ω）； φ――励磁磁通（Wb）； Ke ――由电机结构决定的电动势常数。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。 自动控制的直流调速系统往往以变压调 速为主。电力拖动自动控制系统 ―运动控制系统第2章转速反馈控制的直流调速系统内 容 提 要直流调速系统用的可控直流电源 ? 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 ? 转速反馈控制直流调速系统的仿真?2.1 直流调速系统用的可控直流电源? 晶闸管整流器-电动机系统 ? 直流PWM变换器-电动机系统2.1.1 晶闸管整流器-电动机系统图2－1 晶闸管整流器-电动机调速系统 （V-M系统）原理图在理想情况下，Ud和Uc之间呈线性关系：U d ? K sU c（2-1）式中， Ud――平均整流电压， Uc ――控制电压， Ks――晶闸管整流器放大系数。1．触发脉冲相位控制?调节控制电压Uc， 移动触发装置GT输出脉冲的相位， 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。??ud 0式中did ? E ? id R ? L dtE――电动机反电动势(V)； id――整流电流瞬时值(A)； L――主电路总电感(H)； R――主电路总电阻(Ω), ；(2-2)图2-2 V-M系统主电路的等效电路图?对于一般的全控整流电路，当电流波形连 续时，U d 0 ? f (? ) 可用下式表示Ud0 ?m?U m sin?mcos ?(2-3)式中，α――从自然换相点算起的触发脉冲控制角； Um――α=0时的整流电压波形峰值； m――交流电源一周内的整流电压脉波数。表2-1不同整流电路的整流电压波峰值、 脉冲数及平均整流电压 三相桥式 整流电路 单相全波 三相半波 （全波）Um2U 22U 26U 26m23Ud00.9U 2 cos? 1.17U 2 cos? 2.34U 2 cos?2．电流脉动及其波形的连续与断续在整流变压器二次侧额定相电压u2的瞬时 值大于反电动势E时，晶闸管才可能被触发 导通。 ? 导通后如果u2降低到E以下，靠电感作用可 以维持电流id继续流通。 ? 由于电压波形的脉动，造成了电流波形的 脉动。?图2-3 带负载单相全控桥式整流电路的输出 电压和电流波形图2－4 V-M系统的电流波形 (a) 电流连续在Id上升阶段， 电感储能； 在Id下降阶段， 电感中的能量将 释放出来维持电 流连续。图2－4 V-M系统的电流波形 （b）电流断续当负载电流较小 时，电感中的储 能较少， 等到Id下降到零 时，造成电流波 形断续。抑制电流脉动的措施（1）增加整流电路相数，或采用多 重化技术； （2）设置电感量足够大的平波电抗 器。3．晶闸管整流器-电动机系统的机械特性?当电流波形连续时，V-M系统的机械特性 方程式为 1 （2-7）n?Ce(U d0 ? Id R )式中，Ce――电动机在额定磁通下的电动势 系数C e ? K e? N图2-5 电流连续时V-M系统的机械特性在电流连续区， 显示出较硬的机 械特性； 在电流断续区， 机械特性很软， 理想空载转速翘 得很高。图2－6 V-M系统机械特性? 当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多。 ? 电流断续区与电流连续区的分界线 2? 2? 是? ? 的曲线，当 ? ? 时，电 3 3 流便开始连续了。 ? ――一个电流脉波的导通角。4．晶闸管触发和整流装置的放大系数 和传递函数? 晶闸管触发电路和整流电路的特性是非线性的。 ? 在设计调速系统时，只能在一定的工 作范围内近似地看成线性环节， ? 得到了它的放大系数和传递函数后， 用线性控制理论分析整个调速系统。放大系数的计算?U d Ks ? ?U c（2-12）图2-7 晶闸管触发与整流装置的输入输出特性和Ks的测定? 晶闸管触发和整流装置的输入量是ΔUc，输出量是ΔUd，晶闸管 触发和整流装置的放大系数Ks可 由工作范围内的特性斜率决定 。 ? 如果没有得到实测特性，也可根 据装置的参数估算。失控时间和纯滞后环节? 滞后作用是由晶闸管整流装置的失控时间引起的。 ? 失控时间是个随机值。 ? 最大失控时间是两个相邻自然换相点 之间的时间，它与交流电源频率和晶 闸管整流器的类型有关。图2－8 晶闸管触发与整流装置的失控时间最大失控时间Ts max 1 ? mf(2-13)式中，f ――交流电源频率(Hz)，平均失控时间1 Ts ? Ts max 2m ―― 一周内整流电压的脉波数。表2-2 晶闸管整流器的失控时间 （f=50Hz）整流电路形式 单相半波 单相桥式（全波） 三相半波 三相桥式最大失控时间 平均失控时间Tsmax(ms)Ts(ms)20 10 6.67 3.3310 5 3.33 1.67晶闸管触发电路与整流装置的传递函数? 滞后环节的输入为阶跃信号1(t)，输出要隔一定时间后才出现响应1(t-Ts)。 ? 输入输出关系为：U d 0 ? K sU c ?1(t ? Ts )?传递函数为U d 0 ( s) Ws (s) ? ? K s e ?Ts s U c ( s)（2－14）传递函数的近似处理? 按泰勒级数展开，可得Ws ( s ) ? K s e??Ts s依据工程近似处理的原则，可忽略高次项， 把整流装置近似看作一阶惯性环节 Ks Ws ( s ) ? （2-16） 1 ? Ts sKs Ks ? ?Ts s ? 1 2 2 1 3 3 e 1 ? Ts s ? Ts s ? Ts s ? ? 2! 3!准确的近似的图2－9 晶闸管触发与整流装置动态结构图5. 晶闸管整流器运行中存在的问题（1）晶闸管是单向导电的。 （2）晶闸管对过电压、过电流和过高的 du/dt与di/dt都十分敏感。 （3）晶闸管的导通角变小时会使得系统的 功率因数也随之减少，称之为“电力公 害”。2.1.2 直流PWM变换器-电动机系统???全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉 冲宽度调制的高频开关控制方式, 形成了脉宽调 制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽 调速系统，或直流PWM调速系统。 与V-M系统相比，PWM调速系统在很多方面有 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，已经完全取代了VM系统。1．PWM变换器的工作状态和电压、电流波形脉宽调制变换器的作用是：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。 ? PWM变换器电路有多种形式，总体上可分 为不可逆与可逆两大类。?图2-10 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统电路原理图图2-10 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统电压和电流波形在一个开关周期T内， ? 当 0 ? t ? t on 时，Ug为正，VT饱和导通， 电源电压Us通过VT加到直流电动机电枢两 端。 ? 当t on ? t ? T 时， Ug为负， VT关断，电枢 电路中的电流通过续流二极管VD续流，直 流电动机电枢电压近似等于零。?直流电动机电枢两端的平均电压为 t on U d ? U s ? ?U s （2-17） T ? 改变占空比 ? ?0 ? ? ? 1? ，即可实现直流 电动机的调压调速。?Ud ?? ?令 U s 为PWM电压系数，则在不可逆PWM变换器中? ??（2-18）不可逆PWM变换器-直流电动机系统不允 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。 ? 如果要实现电动机的制动，必须为其提供 反向电流通道 。?电路原理图 图2-11 有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统一般电动状态的 电压、电流波形 图2-11 有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统一般电动状态在一般电动状态中，id始终为正值（其正方 向示于图2-11(a)中）。 ? 在0≤t&ton期间，VT1导通，VT2关断。电流id 沿图中的回路1流通。 ? 在ton≤t&T期间，VT1关断，id沿回路2经二极 管VD2续流。 ? VT1和VD2交替导通， VT2和VD1始终关断。?U g1 的正脉冲比负脉冲窄 ，E ? Udi d 始终为负。制动状态的电压、电流波形 图2-11 有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统制动状态?在ton≤t&T期间，Vg2为正，VT2导通，在感 应电动势E的作用下，反向电流沿回路3能 耗制动。 ? 在T≤t&T+ton（即下一周期的0≤t&ton）期间， Vg2为负， VT2关断，-id沿回路4经VD1续流， 向电源回馈能量。 ? VT2和VD1交替导通， VT1和VD2始终关断。图2-11 有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统idVT1、VD2、VT2和VD1 四个管子轮流导通。1 0 4 t4 ton2 t2 3 Tt(d) 轻载电动状态的电流波形轻载电动状态在VT1关断后，id经VD2续流。 ? 还没有到达周期T，电流已经衰减到零， ? 在t=t2时刻，VT2导通，使电流反向，产生 局部时间的制动作用。 ? 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，一个周期分成四个 阶段。?有制动电流通路的 不可逆PWM-直流电动机系统?图2-11(a)所示电路之所以为不可逆是因为 平均电压Ud始终大于零，电流虽然能够反 向，而电压和转速仍不能反向。如果要求转速反向，需要再增加VT和VD， 构成可逆的PWM变换器-直流电动机系统， 在第4章中将进一步讨论。?2.直流PWM调速系统的机械特性?对于带制动电流通路的不可逆电路，其电 压平衡方程式分两个阶段：(0 ? t ? t on )did ?E ? U s ? Rid ? L dt(2-19)di d ? 0 ? Ri d ? L ?E dt(ton ? t ? T ) (2-20)式中R、L分别为电枢电路的电阻和电感。电压平均值方程?U s ? RId ? E ? RId ? Ce n（2-21）平均电压 U d ? ?U s 平均电流 I d 电枢电感压降的均值 E 转速 n ? Cedid L ?0 dt机械特性?机械特性方程式为 ?U s R或用转矩表示，?U sR n? ? I d ? n0 ? Id Ce Ce Ce(2-22)?R R n? ? Te ? n0 ? Te Ce Ce C m Ce C mn0 ?(2-23)式中， Cm ? Km? N ――电动机在额定磁通下的转矩系数；?U sCe――理想空载转速，与电压系数成正比。图2-12 直流PWM调速系统（电流连续）的机械特性3．PWM控制器与变换器的动态数学模型图2-13PWM控制器与变换器框图传递函数?传递函数为U d ( s) ?Ts s Ws ( s ) ? ? Kse U c ( s)式中：Ks――PWM装置的放大系数 Ts――PWM装置的延迟时间，?(2-24)近似的传递函数Ks Ws ( s ) ? Ts s ? 1(2-25)4．直流PWM调速系统的电能回馈和泵升电压 PWM变换器的直流电源通常由交流电网经 不可控的二极管整流器产生，并采用大电容 C滤波，以获得恒定的直流电压。 ? 当电动机工作在回馈制动状态时，电能不可 能通过整流装置送回交流电网，只能向滤波 电容充电， ? 形成直流PWM变换器-电动机系统特有的电 能回馈问题。?对滤波电容充电的结果造成直流侧电压升 高，称作“泵升电压”。 ? 系统在制动时释放的动能将表现为电容储 能的增加， ? 要适当地选择电容的电容量，或采取其它 措施，以保护电力电子开关器件不被泵升 电压击穿。?2.2 稳态调速性能指标和 直流调速系统的机械特性对于调速系统转速控制的要求： （1）调速――在一定的最高转速和最低转速 范围内调节转速； （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、制动的设备要求 加、减速尽量快；不宜经受剧烈速度变化 的机械则要求起、制动尽量平稳。?2.2.1转速控制的要求和稳态调速性能指标1、调速范围 ? 生产机械要求电动机提供的最高转速nmax和最低 转速nmin之比称为调速范围，用字母D表示，即 nmax （2-27） D?nmin? ?nmax和nmin是电动机在额定负载时的最高和最低转 速， 对于少数负载很轻的机械，也可用实际负载时的 最高和最低转速。2、静差率s ? 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ΔnN与 理想空载转速n0之比： ?n N s? （2-28） n0 ? 用百分数表示 ?n N （2-29） s? ? 100% n0特性a和b的硬 度相同， ? 特性a和b额定 速降相同， ? 特性a和b的静 差率不相同。?图2-14 不同转速下的静差率3. 调速范围、静差率和额定速降之间的关系 （2-30） ? 对于同一个调速系统，ΔnN值是定值。 ? 要求s值越小时，系统能够允许的调速范围 D也越小。 ? 一个调速系统的调速范围，是指在最低速 时还能满足所需静差率的转速可调范围。nN s D? ?n N (1 ? s )例题2-1?某直流调速系统电动机额定转速为 nN=1430r/min，额定速降ΔnN=115r/min， 当要求静差率s≤30%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？解 在要求s≤ 30%时，允许的调速范围为nN s
D? ? ? 5.3 ?n N (1 ? s) 115? (1 ? 0.3)若要求s≤ 20%，则允许的调速范围只有 D? ? 3.1 115? (1 ? 0.2)若调速范围达到10，则静差率只能是D?n N 10 ? 115 s? ? ? 0.446 ? 44.6% n N ? D?n N 1430? 10 ? 115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就可以改变电动机的转速。 ? 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，?图2－15 开环调速系统的原理图机械特性? 开环调速系统中各环节的稳态关系如下：电力电子变换器 U d 0 ? K sU c 直流电动机 n ? U d 0 ? I d RCe? 开环调速系统的机械特性为U d 0 ? RId K sU c RId n? ? ? Ce Ce Ce（2-31）图2-16 开环调速系统稳态结构图图2-17 开环直流调速系统的机械特性例题2-2某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，其 额定数据如下：60kW，220V，305A， 1000r/min，采用V-M系统，主电路总电阻 R=0.18Ω，电动机电动势系数Ce=0.2Vmin/r。 如果要求调速范围D=20，静差率s≤5%，采用 开环调速能否满足？若要满足这个要求，系 统的额定速降ΔnN最多能有多少？解:当电流连续时，V-M系统的额定速降为I dN R 305 ? 0.18 ?nN ? ? =275r/min Ce 0.2开环系统在额定转速时的静差率为?nN 275 sN ? ? ? 0.216 ? 21.6% nN ? ?nN 1000 ? 275如要求 D ? 20 ，s ? 5% ，即要求nN s 1000 ? 0.05 ?nN ? ? ? 2.63r / min D(1 ? s) 20 ? (1 ? 0.05)2.3 转速反馈控制的直流调速系统? 根据自动控制原理，将系统的被调节量作为反馈量引入系统，与给定量进 行比较，用比较后的偏差值对系统进 行控制，可以有效地抑制甚至消除扰 动造成的影响，而维持被调节量很少 变化或不变，这就是反馈控制的基本 作用。2.3.1 转速反馈控制直流调速系统的 数学模型在负反馈基础上的“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．转速反馈控制直流调速系统的静特性图2-18 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图? 电压比较环节? 比例调节器 ? 测速反馈环节?U n ? U ? U n* nU c ? K p ?U nU n ? ?nU d 0 ?I dR n? Ce? 电力电子变换器 U d 0 ? K sU c ? 直流电动机Kp――比例调节器的比例系数 α――转速反馈系数（V? min/r）静特性方程式RI d n? ? ? Ce (1 ? K p K s? / Ce ) Ce (1 ? K ) Ce (1 ? K )（2-32）K p K s?* K p K sU n ? I d R * K p K sU n式中: K ??――闭环系统的开环 Ce 放大系数 闭环调速系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。（b）只考虑给定作用时的闭环系统图2-19转速负反馈闭环直流调速系统 稳态结构框图（c）只考虑扰动作用时的闭环系统图2-19转速负反馈闭环直流调速系统 稳态结构框图（a）闭环调速系统图2-19转速负反馈闭环直流调速系统 稳态结构框图2．转速反馈控制直流调速系统的动态数学模型?? ? ?一个带有储能环节的线性物理系统的动态过程可 以用线性微分方程描述， 微分方程的解即系统的动态过程，它包括两部分： 动态响应和稳态解。 在动态过程中，从施加给定输入值的时刻开始， 到输出达到稳态值以前，是系统的动态响应； 系统达到稳态后，可用稳态解来描述系统的稳态 特性。?比例放大器的传递函数U c ( s) Wa ( s) ? ? Kp ?U n ( s)（2-42）?电力电子变换器的传递函数Ks Ws ( s) ? Ts s ? 1(2-33)?测速反馈的传递函数U n ( s) W fn (s) ? ?? n( s)(2-43)图2-20 他励直流电动机在额定励磁下的等效电路??假定主电路电流连续，动态电压方程为 dI U d 0 ? RI d ? L d ? E (2-34) dt 忽略粘性摩擦及弹性转矩，电动机轴上的动力学方程为GD 2 dn Te ? TL ? 375 dt(2-35)?额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为E ? Ce nTe ? Cm I d(2-36)(2-37) TL ――包括电动机空载转矩在内的负载转矩，（N? m） GD 2 ――电力拖动装置折算到电动机轴上的飞轮惯量，(N? 2) m 30 Cm ? C e ――电动机额定励磁下的转矩系数，(N? m/A) ? ? 再定义下列时间常数： L ――电枢回路电磁时间常数(s) Tl ?R GD 2 R Tm ? 375Ce Cm――电力拖动系统机电时间常数(s)?整理后得Ud0 dI d ? E ? R( I d ? Tl ) dtTm dE ? R dtTL ? Cm(2-38)(2-39)I d ? I dL式中，I dL――负载电流（A）。?在零初始条件下，取拉氏变换，得电压与 电流间的传递函数1 I d (s) ? R U d 0 ( s ) ? E ( s ) T1 s ? 1(2-40)?电流与电动势间的传递函数E ( s) R ? I d ( s) ? I dL ( s) Tm s(2-41)图2-21 额定励磁下直流电动机 的动态结构框图(a)电压电流间的结构框图 (b)电流电动势间的结构框图 (c）直流电动机的动态结构 框图直流电动机有两个输入量， ? 一个是施加在电枢上的理想空载电压Ud0， 是控制输入量， ? 另一个是负载电流IdL。扰动输入量。 ? 如果不需要在结构图中显现出电流，可将 扰动量的综合点移前，再进行等效变换， 得图2-22。?图2-22直流电动机动态结构框图的变换? ? ?额定励磁下的直流电动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。图2-23 转速反馈控制直流调速系统的动态结构框图转速反馈控制的直流调速系统的开环传递函数U n ( s) K W ( s) ? ? 2 ?U n ( s) (Ts s ? 1)(TmTl s ? Tm s ? 1)(2-44) 式中K ? K p K s? / Ce转速反馈控制直流调速系统的闭环传递函数K p K s / Ce K p K s / Ce (Ts s ? 1)(TmTl s 2 ? Tm s ? 1) n( s ) Wcl ( s) ? * ? ? K p K s? / Ce U n ( s) (Ts s ? 1)(TmTl s 2 ? Tm s ? 1) ? K 1? (Ts s ? 1)(TmTl s 2 ? Tm s ? 1)K p Ks C e (1 ? K ) ? TmTl Ts 3 Tm (Tl ? Ts ) 2 Tm ? Ts s ? s ? s ?1 1? K 1? K 1? K（2-45）2.3.2 比例控制的直流调速系统1．开环系统机械特性和比例控制闭环系统静特性的关系?开环机械特性为* U d 0 ? I d R K p K sU n RI d n? ? ? ? n0op ? ?nop Ce Ce Ce(2-46)式中，n0op 表示开环系统的理想空载转速， ?nop 表示开环系统的稳态速降。?比例控制闭环系统的静特性为n?* K p K sU nCe (1 ? K )?RI d ? n0cl ? ?ncl Ce (1 ? K )(2-47)式中， n0cl 表示闭环系统的理想空载转速， ?ncl 表示闭环系统的稳态速降。（1）闭环系统静特性可以比开环系统 机械特性硬得多?在同样的负载扰动下， 开环系统的转速降落闭环系统的转速降落RI d ?nop ? CeRI d ?ncl ? Ce (1 ? K )?它们的关系是?ncl ??nop 1? K(2-48)（2）闭环系统的静差率要比开环系统 小得多?ncl ? 闭环系统的静差率为 s cl ? n0cl?开环系统的静差率为 sop ? 当 n0op ? n0cl 时，?nop n0op?scl ?sop 1? K（2-49）（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?如果电动机的最高转速都是nN，最低速静 差率都是s，可得 nN s 开环时， Dop ? ?nop (1 ? s)闭环时，nN s Dcl ? ?ncl (1 ? s)?得到Dcl ? (1 ? K )Dop（2-50）图2-24 闭环系统静特性和开环系统机械特性的关系开环系统 Id ? ? n? 例如：在图2-24中工作点从A ? A′ ? 闭环系统 Id ? ? n? ? Un? ? ?Un? ? Uc???n? ? Ud0? 例如：在图2-24中工作点从A ? B ? 比例控制直流调速系统能够减少稳态速降的实质在于 它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应 地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化。例题2-3在例题2-2中，龙门刨床要求D=20， s≤5%，已知 Ks=30,α= 0.015Vmin/r， Ce=0.2Vmin/r，采用比例控制闭环调速 系统满足上述要求时，比例放大器的 放大系数应该有多少？解:开环系统额定速降为 ?nop =275 r/min， ? 闭环系统额定速降须为 ?ncl ? 2.63 r/min， 由式（2-48）可得 ?nop 275?K??ncl?1 ?2.63? 1 ? 103.6?则得K 103.6 Kp ? ? ? 46 K s? / Ce 30 ? 0.015/ 0.2?即只要放大器的放大系数等于或大于46。2．反馈控制规律（1）比例控制的反馈控制系统是被调量有 静差的控制系统 ? 比例控制反馈控制系统的开环放大系数值 越大，系统的稳态性能越好。 ? 但只要比例放大系数Kp＝常数，开环放大 系数K≠∞，反馈控制就只能减小稳态误差， 而不能消除它， ? 这样的控制系统叫做有静差控制系统。（2）反馈控制系统的作用是：抵抗扰动, 服 从给定 ? 反馈控制系统具有良好的抗扰性能，它能 有效地抑制一切被负反馈环所包围的前向 通道上的扰动作用， ? 对于给定作用的变化唯命是从。图2-25 闭环调速系统的给定作用和扰动作用（3）系统的精度依赖于给定和反馈检测的 精度 ? 反馈控制系统无法鉴别是对给定电压的正 常调节还是不应有的给定电压的电源波动。 ? 反馈检测装置的误差也是反馈控制系统无 法克服的。 ? 现代调速系统的发展趋势是用数字给定和 数字测速来提高调速系统的精度。3．比例控制闭环直流调速系统的 动态稳定性?比例控制闭环系统的特征方程为TmTl Ts 3 Tm (Tl ? Ts ) 2 Tm ? Ts s ? s ? s ?1 ? 0 1? K 1? K 1? K(2-51) ? 根据三阶系统的劳斯-古尔维茨判据，系统 稳定的充分必要条件是Tm (Tl ? Ts ) Tm ? Ts TmTl Ts ? ? ?0 1? K 1? K 1? K?整理后得Tm (Tl ? Ts ) ? Ts2 K? Tl Ts(2-52)例题2-4在例题2-3中，系统采用的是三 相桥式可控整流电路，已知电枢回路 总电阻 R ? 0.18? ，电感量 L ? 3mH， 系统运动部分的飞轮惯 量 GD2 ? 60N ? m 2 ，试判别系统的稳 定性。解：L 电磁时间常数 T ? R ? 00..003 ? 0.0167 s 18 ? 机电时间常数 T ? GD R ? 60? 0.18?l2m375CeCm375? 0.2 ?30? 0.075s?? 0.2? ?晶闸管装置的滞后时间常数为Ts ? 0.00167 s为保证系统稳定，应满足的稳定条件：2 Tm (Tl ? Ts ) ? Ts2 0.075? (0.67 ? 0.00167 ) K? ? ? 49.5 TlTs 0.67?闭环系统的动态稳定性和例题2-3中稳态性 能要求 K ? 103.5 是矛盾的。例题2-5在上题的闭环直流调速系统中，若改用全 控型器件的PWM调速系统，电动机不变，电 K L R 枢回路参数为： ? 0.1? ， ? 1mH ， s ? 44 ， PWM开关频率为8 kHz 。按同样的稳态性能 指标 D ? 20 ，s ? 5% ，该系统能否稳定？ 如果对静差率的要求不变，在保证稳定时， 系统能够达到的最大调速范围有多少？解：L 0.001 ? ? 0.01 s R 0.1 GD 2 R 60 ? 0.1 Tm ? ? ? 0.0417 s 375CeCm 375 ? 0.2 ? ? ? 0.2 30 1 Ts ? ? 0.000125 s 8000 Tl ?2 Tm (Tl ? Ts ) ? Ts2 0.0417? (0.01? 0.000125 ? 0.000125 ) K? ? ? 339.4 TlTs 0.01? 0.000125?s 按照稳态性能指标D ? 20 、? 5% 要求?ncl ? 2.63 r/min （见例题2-2）?I N R 305 ? 0.1 ?nop ? ? ? 152.5 r/min Ce 0.2152.5 K? ?1 ? ? 1 ? 57 ?ncl 2.63??nop&337.5PWM调速系统能够在满足稳态性能指标 要求下稳定运行。?若系统处于临界稳定状况，K ? 339 .4152.5 ?n cl ? ? ? 0.45r / min 1 ? K 1 ? 339.4 ?nopnN s 1000 ? 0.05 Dcl ? ? ? 117 ?ncl (1 ? s) 0.45(1 ? 0.05)2.3.3 比例积分控制的无静差 直流调速系统?? ??在比例控制直流V-M调速系统中，稳态性能和动 态稳定性的要求常常是互相矛盾的。 根据自动控制原理，要解决这个矛盾，必须恰当 地设计动态校正装置，用来改造系统。 在电力拖动自动控制系统中，常用串联校正和反 馈校正。 对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统，传 递函数阶次较低，一般采用PID调节器的串联校 正方案就能完成动态校正的任务。1．积分调节器和积分控制规律?在输入转速误差信号ΔUn的作用下，积分调 节器的输入输出关系为Uc ?? ?U ?01tndt（2-53）?其传递函数是1 WI ( s ) ? ?s（2-54）其中，τ――积分时间常数。? 输入ΔUN是阶跃 信号，则输出Uc 按 线性规律增长。 ?当输出值达到积 分调节器输出的饱 和值Ucm时，便维持 在Ucm不变。图2-26 积分调节器的输入和输出动态过程?只要ΔUn&0，积分调 节器的输出Uc便一直 增长；只有达到 ΔUn=0时， Uc才停止 上升；只有到ΔUn变 负， Uc才会下降。图2-26 积分调节器的 输入和输出动态过程?当ΔUn=0时， Uc并 不是零，而是某一个 固定值Ucf突加负载时，由于Idl的 增加，转速n下降，导 致ΔUn变正， ? 在积分调节器的作用 下，Uc上升，电枢电 压Ud上升，以克服Idl 增加的压降，最终进 入新的稳态 。?* Un ? Un?U n ? 0U c ? U c2I d ? I dL 2图2-27 积分控制无静差调速系统 突加负载时的动态过程积分控制规律和比例控制规律的根本区别：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。 ? 积分调节器到稳态时ΔUn =0，只要历史上有 过ΔUn ，其积分就有一定数值，足以产生稳 态运行所需要的控制电压。?2．比例积分控制规律比例积分调节器（PI调节器）的输入输出关系为 1 t U ex ? K pU in ? ? U in dt （2-55） ? 0 式中，Uin――PI调节器的输入，Uex――PI调节器的输出。 ? 其传递函数为 1 K p?s ? 1 WPI ( s) ? K p ? ? （2-56） ?s ?s 式中，Kp――PI调节器的比例放大系数， τ――PI调节器的积分时间常数。 ? 令τ1=Kpτ，则PI调节器的传递函数也可写成如下形式 ? 1s ? 1 WPI ( s) ? K p （2-57） ? 1s 表明，PI调节器也可用积分和比例微分两个环节表示， 式中，τ1――微分项中的超前时间常数。??用运算放大器来实现PI调 节器的输入极性和输出极 性是反相的；R1 1 U in ? ? U indt R0 R0C1U ex ?? K pU in ??式中?U ?1indt(2-58)Kp ?图2-28 比例积分（PI） 调节器线路图R1 R0? ? R0 C1Rbal为运算放大器同相输 入端的平衡电阻。?PI控制综合了比例控制和积分控制两种规 律的优点，又克服了各自的缺点。比例部分能迅速响应控制作用， 积分部分则最终消除稳态偏差。??在t=0时就有 Uex(t)=KpUin，实现 了快速控制； ? 随后Uex(t)按积分规 律增长， t U ex (t ) ? K pU in ? U in ? 。 ? 在t=t1时，Uin=0， t1 。 U ex ? U in??图2-29 PI调节器的输入输出特性在闭环调速系统中， 采用PI调节器输出部 分Uc由两部分组成， ? 比例部分①和ΔUn成 正比， ? 积分部分②表示了从 t=0到此时刻对ΔUn(t) 的积分值， ? Uc是这两部分之和。? 图2-30 闭环系统中PI调节器的输入和输出动态过程2.3.4 直流调速系统的稳态误差分析图2-31 比例积分控制的直流调速系统的动态结构框图 （转速调节器用ASR表示）?使用比例调节器时，系统的开环传递函数为W ( s) ??式中 K ? K p K s? / Ce 使用积分调节器时，系统的开环传递函数为W ( s) ?K s?K (Ts s ? 1)(TmTl s 2 ? Tm s ? 1)（2-44）K s(Ts s ? 1)(TmTl s 2 ? Tm s ? 1)?式中 K ? ?C e 使用比例积分调节器时，系统的开环传递函数为W ( s) ? K ( K p?s ? 1)（2-59）式中 K ? K s? ?Cs(Ts s ? 1)(TmTl s 2 ? Tm s ? 1) （2-60）e??根据系统开环传递函数中积分环节的数目划分控制系 统的类型， 比例控制的调速系统是0型系统， 积分控制、比例积分控制的调速系统是Ⅰ型系统。 稳态误差定义为输入量和反馈量的差值，即 （2-61） 衡量系统控制的准确度的是系统对给定输入Un*的跟随 能力； 衡量系统抑制干扰能力的是系统抑制负载电流IdL的抗 扰能力。?U n (t ) ? U (t ) ? U n (t )* n??1．阶跃给定输入的稳态误差?在分析阶跃给定输入的稳态误差时，令 IdL(s)=0。比例调节器系统的误差传递函数为* ?U n ( s ) ? U n ( s) ?1 K 1? (Ts s ? 1)(T mTl s 2 ? Tm s ? 1) （2-62）* Un * ? 阶跃给定输入 U n ( s ) ? s的稳态误差是* Un 1 ? K 1? K (Ts s ? 1)(TmTl s 2 ? Tm s ? 1)?U n ? lim s ? ?U n ( s) ? lims ?0 s ?0* Un s? ? s 1?（2-65）?积分调节器系统的误差传递函数为1 ?U n ( s) ? U ( s) ? K 1? s(Ts s ? 1)(T mTl s 2 ? Tm s ? 1) （2-63）* n* Un ? 阶跃给定输入 U * ( s ) ? n s的稳态误差是1 ?0 K s(Ts s ? 1)(TmTl s 2 ? Tm s ? 1)?U n ? lim s ? ?U n ( s) ? lims ?0 s ?0* Un s? ? s 1?（2-66）?比例积分调节器系统的误差传递函数为* ?U n ( s) ? U n ( s) ?1?1 K ( K p?s ? 1)s(Ts s ? 1)(T mTl s 2 ? Tm s ? 1)* Un ? 阶跃给定输入 U * ( s ) ? n s（2-64） 的稳态误差是1 K ( K p?s ? 1) ?0?U n ? lim s ? ?U n ( s) ? lims ?0 s ?0* Un s? ? s1?s(Ts s ? 1)(TmTl s 2 ? Tm s ? 1)（2-67）?在系统稳定的情况下， 0型系统对于阶跃给定输入稳态有差，被称 作有差调速系统；Ⅰ型系统对于阶跃给定输入稳态无差，被 称作无差调速系统。??2．扰动引起的稳态误差?在分析由扰动引起的稳态误差时，令Un*(s)=0。 比例调节器系统的误差为R(Tl s ? 1) ? 2 Ce (TmTl s ? Tm s ? 1) ?U n ( s ) ? I dL ( s ) ? K 1? （2-68） (Ts s ? 1)(T mTl s 2 ? Tm s ? 1) I ? 阶跃扰动 I dL ( s ) ? dL 引起的的稳态误差是 s?U n ? lim s ? ?U n ( s ) ? lims ?0 s ?0R(Tl s ? 1) I dL Ce (TmTl s 2 ? Tm s ? 1) RIdL s? ? ? K s 1? Ce (1 ? K ) (Ts s ? 1)(TmTl s 2 ? Tm s ? 1)(2-72)?积分调节器系统的误差为R(Tl s ? 1) ? 2 Ce (TmTl s ? Tm s ? 1) ?U n ( s ) ? I dL ( s ) ? K 1? s (Ts s ? 1)(T mTl s 2 ? Tm s ? 1)? 阶跃扰动 I dL ( s ) ?I dL s（2-70） 引起的的稳态误差是?U n ? lim s ? ?U n ( s) ? lims ?0 s ?0R(Tl s ? 1) I dL Ce (TmTl s 2 ? Tm s ? 1) s? ? ?0 K s 1? s(Ts s ? 1)(TmTl s 2 ? Tm s ? 1)(2-73)?比例积分调节器系统的误差为?U n ( s) ? I dL ( s) ? 1? R(Tl s ? 1) ? Ce (TmTl s 2 ? Tm s ? 1) K ( K p?s ? 1) s(Ts s ? 1)(T mTl s 2 ? Tm s ? 1)? 阶跃扰动 I dL ( s ) ?I dL s（2-71） 引起的的稳态误差是R(Tl s ? 1) Ce (TmTl s 2 ? Tm s ? 1) K ( K p?s ? 1) s(Ts s ? 1)(TmTl s 2 ? Tm s ? 1) ?0?U n ? lim s ? ?U n ( s) ? lim s ?s ?0 s ?0I dL ? s1?(2-74)???由扰动引起的稳态误差取决于误差点与扰动加入 点之间的传递函数。 比例控制的调速系统，该传递函数无积分环节， 故存在扰动引起的稳态误差，称作有静差调速系 统； 积分控制或比例积分控制的调速系统，该传递函 数具有积分环节，所以由阶跃扰动引起的稳态误 差为0，称作无静差调速系统。2.4 直流调速系统的数字控制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、非线性、智能化等控制规律，而 且更改起来灵活方便。?2.4.1 微机数字控制的特殊问题图2-32 微型计算机采样控制系统框图???微机控制的调速系统是一个数字采样系统。其中 K1是给定值的采样开关，K2是反馈值的采样开 关，K3是输出的采样开关。若所有的采样开关是 等周期地一起开和闭，则称为同步采样。 微型计算机只有在采样开关闭合时才能输入和输 出信号。只能在采样时刻对模拟的连续信号进行 采样，把连续信号变成脉冲信号，即离散的模拟 信号。 信号的离散化是微机数字控制系统的第一个特点。采样后得到的离散模拟信号本质上还是模 拟信号，不能直接送入计算机，还须经过 数字量化。 ? 用一组数码（如二进制数）来逼近离散模 拟信号的幅值，将它转换成数字信号。 ? 信号的数字化是微机数字控制系统的第二 个特点。????根据香农（Shannon）采样定理： 如果模拟信号的最高频率为fmax ，只要按照 f&2fmax采样频率进行采样，取出的样品序列就可 以代表（或恢复）模拟信号。 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。2.4.2 转速检测的数字化图2-33 增量式旋转编码器示意图1．旋转编码器??? ?光电式旋转编码器是检测转速或转角的元件，旋 转编码器与电动机相连，当电动机转动时，带动 编码器旋转，产生转速或转角信号。 旋转编码器可分为绝对式和增量式两种。 绝对式编码器常用于检测转角。 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 比的方波脉冲序列，从而可以计算转速。图2-34 区分旋转方向的A、B两组脉冲序列增加一对发光与接收装置，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。?2．数字测速方法的精度指标???（1）分辨率 用改变一个计数值所对应的转速变化量来表示分 辨率，用符号Q表示。 当被测转速由n1变为n2时，引起记数值增量为1， 则该测速方法的分辨率是 （2-75） 分辨率Q越小，说明测速装置对转速变化的检测 越敏感，从而测速的精度也越高。Q ? n2 ? n1?（2）测速误差率 ? 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，记作 ?n ?? ?100% （2-76） n ? 测速误差率反映了测速方法的准确性，δ越 小，准确度越高。?3．M法测速?记取一个采样周期内旋转编码器发出的脉冲个 数来算出转速的方法称为M法测速，又称频率 法测速。60M 1 n? ZTc r/min(2-77)式中: n??转速，单位为r/min； M1??时间Tc内的脉冲个数； z??旋转编码器每转输出的脉冲个数; Tc??采样周期，单位为s。图2－35 M法测速原理示意图? ?由系统的定时器按采样周期的时间定期地发出一 个采样脉冲信号， 计数器记录下在两个采样脉冲信号之间的旋转编 码器的脉冲个数。?M法测速分辨率为 （2-78） M法测速的分辨率与实际转速的大小无关。 M法的测速误差率的最大值为60M 1 ZTc 60( M 1 ? 1 ) ZTc 1 ? 100% ? ? 100% 60M 1 M1 ZTc60( M 1 ? 1) 60M 1 60 Q? ? ? ZTc ZTc ZTc??? max ??（2-79） δmax与M1成反比。转速愈低，M1愈小，误差率愈 大。4．T法测速T法测速是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，又被称为 周期法测速。 ? 与M法测速不同的是， T法测速所计的 是计算机发出的高频时钟脉冲的个数，以 旋转编码器输出的相邻两个脉冲的同样变 化沿作为计数器的起始点和终止点。?图2-36 T法测速原理示意图准确的测速时间是用所得的高频时钟脉冲 个数M2计算出来的，即 Tt ? M 2 / f 0 ， ? 电动机转速为 60 60 f 0 n? ? ZTt ZM 2 （2-80）??T法测速的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，60 f 0 60 f 0 60 f 0 Q? ? ? Z ( M 2 ? 1) ZM 2 ZM 2 ( M 2 ? 1) （2-81）?综合式（2-80）和式（2-81），可得?(2-82) T法测速的分辨率与转速高低有关，转速越低， Q值越小，分辨能力越强。Zn 2 Q? 60 f 0 ? Zn?T法测速误差率的最大值为60 f 0 60 f 0 Z ( M 2 ? 1) ZM 2 ? 60 f 0 ZM 2 ?100% ? 1 M 2 ?1 ?100%? max（2-83） ? 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。5．M/T法测速???在M法测速中，随着电动机的转速的降低，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，随着电动机转速的增加，计 数值减小，测速装置的分辨能力越来越差。 综合这两种测速方法的特点，产生了M/T测速法， 它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。图2-37 M/T法测速原理示意图关键是和计数同步开始和关闭，实际的检 测时间与旋转编码器的输出脉冲一致，能 有效减小测速误差。 ? 采样时钟Tc 由系统的定时器产生，其数值 始终不变。 ? 检测周期由采样脉冲Tc的边沿之后的第一 个脉冲编码器的输出脉冲的边沿来决定， 即T= Tc CΔT1+ ΔT2 。??检测周期T内被测转轴的转角为θ(2-84) 旋转编码器每转发出Z个脉冲，在检测周期T内旋转编码器发 出的脉冲数是M1，则 2?M 1 ?? Z (2-85) 若时钟脉冲频率是f0，在检测周期T内时钟脉冲计数值为M2 ， 则 MT?2??2?nT 60???(2-86) 综合式(2-74)、式(2-75)和式(2-76)便可求出被测的转速为：n? 60 f 0 M 1 ZM 2f0(2-87)?在高速段，Tc??ΔT1，Tc??ΔT2，可看成T?Tc：60 f 0 ( M 1 ? 1) 60 f 0 M 1 60 f 0 Q? ? ? ZM 2 ZM 2 ZM 2(2-88)?? ? ?M2＝f0T?f0Tc，代入式（2-78)可得： 60 Q? (2-89) ZTc 在高速段，与M法测速的分辨率完全相同。 在低速段，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。在M/T法测速中，检测时间是以脉冲编码 器的输出脉冲的边沿为基准，计数值M2最 多产生一个时钟脉冲的误差。 ? M2的数值在中、高速时，基本上是一个常 数 M2＝Tf0?Tcf0，其测速误差率为 1 ? 100% ， M ?1 ? 在低速时， M2＝ Tf0 & Tcf0 ， ? M/T法测速具有较高的测量精度。?22.4.3?数字PI调节器K p? s ? 1PI调节器的传递函数列出如下：（2-56） 输出函数和输入误差函数关系的时域表达式为 （2-90） 式中 Kp 为比例系数，KI 为积分系数。 转换为差分方程，其第k拍输出为u(k ) ? K P e(k ) ? K I TsamWPI ( s ) ??s?u (t ) ? K p e(t ) ?? e(t )dt ? K ?k1Pe(t ) ? K I ? e(t )dt?? e (i ) ? Ki ?1P e( k ) ? u I ( k )? K P e( k ) ? K I Tsam e(k ) ? u I (k ? 1)（2-91） 式中Tsam为采样周期。?u(k ) ? u(k ) ? u(k ? 1) ? K P ?e(k ) ? e(k ? 1)? ? K I Tsam e(k )（2-93）数字PI调节器有位置式和增量式两种算法， ? 位置式算法中，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。 ? 增量式算法只需要当前的和上一拍的偏差即 可计算输出值。?u(k ) ? u(k ? 1) ? ?u(k ) ? u(k ? 1) ? K P ?e(k ) ? e(k ? 1)? ? K I Tsame(k ) （2-94）在数字控制算法中，要对u限幅，须在程序 内设置限幅值± um，当|u(k)|&um时，便以 限幅值± um作为输出。 ? 增量式PI调节器算法只需输出限幅， ? 位置式算法必须同时设积分限幅和输出限 幅，缺一不可。若没有积分限幅，积分项 可能很大，将产生较大的退饱和超调。?2.5 转速反馈控制直流调速系统的 限流保护2.5.1 转速反馈控制直流调速系统的过流问题 ? 在转速反馈控制直流调速系统上突加给定电压 时，电枢电压立即达到它的最高值，对电动机 来说，相当于全压起动，会造成电动机过流。 ? 当直流电动机被堵转时，电流将远远超过允许 值。如果只依靠过流继电器或熔断器来保护， 过载时就跳闸。系统中必须有自动限制电枢电流的环节。 ? 引入电流负反馈，可以使它不超过允许 值。但这种作用只应在起动和堵转时存 在，在正常的稳速运行时又得取消。 ? 当电流大到一定程度时才出现的电流负 反馈，叫做电流截止负反馈。?2.5.2带电流截止负反馈环节的 直流调速系统图2-38 电流截止负反馈环节 （a）利用独立直流电源作比较电压（b）利用稳压管产生比较电压1．电流截止负反馈环节?? ?? ?电流反馈信号取自串入电动机电枢回路中的小阻 值电阻Rs，IdRc正比于电流。 图2-38(a)中用独立的直流电源作为比较电压Ucom， 其大小可用电位器调节， 在IdRc与Ucom之间串接一个二极管VD，当IdRc& Ucom时，二极管导通，电流负反馈信号Ui即可加 到放大器上去；当IdRc≤ Ucom时，二极管截止， Ui消失。 图2-38(b)中利用稳压管VST的击穿电压Ubr作为比 较电压Ucom 。 截止电流 Idcr=Ucom/Rs?当输入信号 IdRc-Ucom&0时， 输出Ui=IdRcUcom， 当IdRc-Ucom≤ 0 时，输出Ui=0。? 图2-39 电流截止负反馈环节 的输入输出特性图2-40 带电流截止负反馈的闭环直流调速系统稳态结构框图2．带电流截止负反馈比例控制闭环直 流调速系统的稳态结构框图和静特性?当Id≤Idcr时，电流负反馈被截止，静特性与只 有转速负反馈调速系统的静特性相同，RI d n? ? C e (1 ? K ) C e (1 ? K )* K p K sU n（2-32） ? 当Id&Idcr后，引入了电流负反馈，静特性变成RI d n? ? ( Rs I d ? U com ) ? Ce (1 ? K ) Ce (1 ? K ) Ce (1 ? K ) ?* K p K s (U n ? U com ) * K p K sU nK p Ks（2-95）Ce (1 ? K )?( R ? K p K s Rs ) I d Ce (1 ? K )CA段 : 电流负反馈被 截止 ? AB段 : 电流负反馈起 作用?图2-41 带电流截止负反馈比例控制闭环直流调速系统的静特性电流负反馈的作用相当于在主电路中串入 一个大电阻 K p K s Rs 。 ? 比较电压与给定电压的作用一致，好象把 理想空载转速提高到?n' 0 ?* K p K s (U n ? U com )Ce (1 ? K )（2-96）?令n=0，得到堵转电流Iabl ，I dbl ?* K p K s (U n ? U com )R ? K p K s Rs* U n ? U com ? Rs（2-97）?一般KpKsRs&&R，因此（2-98） Iabl应小于电动机允许的最大电流，一般为 Iabl =（1.5~2）IN 截止电流应大于电动机的额定电流，取 Idcr= （ 1.1~1.2 ）INI dbl? ?3．带电流截止的无静差直流调速系统图2-42 无静差直流调速系统TA为检测电流的交流互感器，经整流后得 到电流反馈信号Ui。 ? 当电流达到截止电流Idcr时， Ui高于稳压管 VS的击穿电压，使晶体三极管VBT导通， ? 忽略晶体三极管VBT导通压降，则PI调节 器的输出电压Uc为零， ? 电力电子变换器UPE的输出电压Ud=0，达 到限制电流的目的。?图2-43 无静差直流调速系统稳态结构框图 （Id&Idcr）* U n max ?? (2-99) nmax 式中 nmax――电动机调压时的最高转速； U*nmax――相应的最高给定电压。?转速反馈系数图2-44 带电流截止的无静差直流调速系统的静特性2.6 转速反馈控制直流调速系统的仿真MATLAB下的SIMULINK软件进行系统 仿真是十分简单和直观的， ? 用户可以用图形化的方法直接建立起仿 真系统的模型，并通过SIMULINK环境 中的菜单直接启动系统的仿真过程，同 时将结果在示波器上显示出来，?2.6.1 转速负反馈闭环调速系统 仿真框图及参数?? ???V 直流电动机：额定电压 U N ? 220 ， r/ ， 额定电流 I dN ? 55A ,额定转速 nN ? 1000 min V 电动机电势系数 Ce ? 0.192 ? min/r 晶闸管整流装置输出电流可逆，装置的放大系 s 数 K s ? 44 ，滞后时间常数Ts ? 0.00167 ， 电枢回路总电阻 R ? 1.0? ，电枢回路电磁时间常 数 Tl ? 0.00167s ，电力拖动系统机电时间常 数 Tm ? 0.075s ， 转速反馈系数 ? ? 0.01V ? min /r ， * 对应额定转速时的给定电压 U n ? 10V 。图2-45 比例积分控制的直流调速系统的仿真框图2.3.2 仿真模型的建立??进入MATLAB，单击 MATLAB命令窗口工 具栏中的SIMULINK 图标， 或直接键入 SIMULINK命令，打 开SIMULINK模块浏 览器窗口，图2-46 SIMULINK模块 浏览器窗口???(1)打开模型编辑窗口：通过单击SIMULINK工具栏 中新模型的图标或选择File→New→Model菜单项实 现。 (2)复制相关模块：双击所需子模块库图标，则可打 开它，以鼠标左键选中所需的子模块，拖入模型编 辑窗口。 在本例中拖入模型编辑窗口的为：Source组中的 Step模块；Math Operations组中的Sum模块和Gain 模块；Continuous组中的Transfer Fcn模块和 Integrator模块；Sinks组中的Scope模块；图2-47 模型编辑窗口?(3)修改模块参数： 双击模块图案，则出现关于该图案 的对话框， 通过修改对话框内容来设定模块的 参数。图2-48 加法器模块对话框 描述加法器 三路输入的 符号，|表示 该路没有信 号，用|+-取 代原来的符 号。得到减 法器。图2-49 传递函数模块对话框分子多项式 系数分母多项式 系数例如，0.002s+1是 用向量[0.002 1]来 表示的。图2-50 阶跃输入模块对话框阶跃时刻， 可改到0 。阶跃值，可 改到10 。图2-51 增益模块对话框填写所需要 的放大系数图2-52Integrator模块对话框积分饱和值, 可改为10。积分饱和值,可 改为-10。(4)模块连接???以鼠标左键点击起点模块输出端，拖动鼠标至终 点模块输入端处，则在两模块间产生“→”线。 单击某模块，选取Format→Rotate Block菜单项可 使模块旋转90°；选取Format→Flip Block菜单项 可使模块翻转。 把鼠标移到期望的分支线的起点处，按下鼠标的 右键，看到光标变为十字后，拖动鼠标直至分支 线的终点处，释放鼠标按钮，就完成了分支线的 绘制。仿真启动按钮图2-53 比例积分控制的无静差直流调速系统的仿真模型2.6.3 仿真模型的运行??(1)仿真过程的启动：单击启动仿真工具条的按钮 或选择Simulation→Start菜单项，则可启动仿真过 程，再双击示波器模块就可以显示仿真结果。 (2)仿真参数的设置：为了清晰地观测仿真结果， 需要对示波器显示格式作一个修改，对示波器的 默认值逐一改动。改动的方法有多种，其中一种 方法是选中SIMULINK模型窗口的 Simulation→Configuration Parameters菜单项，打 开仿真控制参数对话框，对仿真控制参数进行设 置。仿真的起 始时间结束时间修 改为0.6秒图2-54 SIMULINK仿真控制参数对话框自动刻度启动Scope工具条中的“自动刻度”按 钮。把当前窗中信号的最大最小值为 纵坐标的上下限，得到清晰的图形。图2-55修改控制参数后的仿真结果2.6.4 调节器参数的调整K p ? 0.251??3系统转速的响应是 无超调、但调节时 间很长；图2-56 无超调的仿真结果K p ? 0.81?? 15系统转速的响应 的超调较大、但 快速性较好。 图2-57 超调量较大的仿真结果SIMULINK软件的仿真方法为系统设计提 供了仿真平台，可以选择合适的PI参数， 满足系统的跟随性能指标。 ? 在《自动控制理论》课程中讨论了多种PI 调节器的设计方法，MATLAB也为它们的 实现提供了模块。 ? 关于直流电动机调速系统的PI设计，将在 第3章中作详细的论述。?
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