第1章 闭环控制的直流调速系统3月1日
第一章 直流电动机的数学模型及其闭环控制系统
图 1-10 PWM控制器与变换器的框图
图1-9不可逆PWM变换器—直流电动机系统
结合PWM变换器工作情况可以看出：当控制 电压变化时，PWM变换器输出平均电压按线性规 律变化，因此，PWM变换器的放大系数可求得， 即为
4.直流调速系统的广义被控对象模型
（1）额定励磁状态下直流电动机的动态结构图 图1-12所示的是额定励磁状态下的直流电动机动 态结构图。
图1-12 额定励磁状态下直流电动机的动态结构框图
由上图可知，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U d0 ，另一个是负载电流 I L 。前者是控制输入量，
它已不起作用，整流电压并不会立即变化，必须等
到 t3时刻该器件关断后，触发脉冲才有可能控制另
一对晶闸管导通。
设新的控制电压
U ct2
U
对应的控制角为
ct1
2 1 ，则另一对晶闸管在 t4 时刻导通，平均整
流电压降低。假设平均整流电压是从自然换相点
开始计算的，则平均整流电压在 t3 时刻从U d01降
Tm
GD2 R
375K
e
K
m
2 d
（1-23）
因其中d 的减小而变成了时变参数。由此 可见，在弱磁过程中，直流调速系统的被控对象 数学模型具有非线性特性。这里需要指出的是， 图1-15所示的动态结构图中，包含线性与非线性 环节，其中只有线性环节可用传递函数表示，而 非线性环节的输入与输出量只能用时域量表示， 非线性环节与线性环节的连接只是表示结构上的 一种联系，这是在应用中必须注意的问题。
Ks
U d U ct
《电力拖动自动控制系统》课程综述
电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统简介电力拖动自动控制系统包括：直流调速系统和交流调速系统。
直流调速系统包括：直流调速方法、直流调速电源和直流调速控制。
交流调速系统包括：交流调速系统的主要类型、交流变压调速系统、交流变频调速系统、绕线转子异步电机双馈调速系统——转差功率馈送型调速系统和同步电动机变压变频调速系统。
电力拖动自动控制系统课程内容介绍第一篇直流调速系统闭环反馈直流调速系统1.1 直流调速系统用的可控直流电源根据前面分析，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动机供电的可控直流电源。
常用的可控直流电源有以下三种:旋转变流机组——用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。
静止式可控整流器——用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。
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。
1.2 晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题本节讨论V-M系统的几个主要问题：（1）触发脉冲相位控制；（2）电流脉动及其波形的连续与断续；（3）抑制电流脉动的措施；（4）晶闸管-电动机系统的机械特性；（5）晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数。
1.3 直流脉宽调速系统的主要问题自从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（PWM）的高频开关控制方式形成的脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即直流PWM 调速系统。
（1）PWM变换器的工作状态和波形；（2）直流PWM调速系统的机械特性；（3）PWM 控制与变换器的数学模型；（4）电能回馈与泵升电压的限制。
1.4反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计本节提要:转速控制的要求和调速指标；开环调速系统及其存在的问题；闭环调速系统的组成及其静特性；开环系统特性和闭环系统特性的关系；反馈控制规律；限流保护——电流截止负反馈1.5 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计反馈控制闭环直流调速系统的动态数学模型;反馈控制闭环直流调速系统的稳定条件; 动态校正——PI调节器的设计;系统设计举例与参数计算转速、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。
晶闸管双闭环不可逆直流调速系统设计
目录第一章绪论 (2)第二章主电路结构选择 (3)2.1变压器参数计算 (4)第三章双闭环直流调速系统设计 (5)3.1电流调节器的设计 (7)3.2转速调节器的设计 (10)第四章触发电路的选择与原理图 (14)第五章直流调速系统MATLAB仿真 (16)第六章总结 (18)第七章参考文献 (18)第一章绪论转速负反馈控制直流调速系统（简称单闭环调速系统）PI调节器的单闭环转速系统可以实现转速调节无静差，消除负载转矩扰动对稳态转速的影响，并用电流截止负反馈限制电枢电流的冲击，避免出现过电流现象。
但转速单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电流（或电磁转矩）的动态过程。
对于经常正、反转运行的调速系统，缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。
在起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运行。
当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。
这类理想启动过程示意下图1所示。
图1 单闭环调速系统理想启动过程启动电流呈矩形波，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（制动）过程。
下面我们引入了一种双闭环系统来对控制系统进行优化。
第二章 主电路结构选择目前具有多种整流电路，但从有效降低脉动电流保证电流连续和电动机额定参数的情况出发本设计选用三相桥式全控整流电路，其原理如图2-1所示，习惯将其中阴极连接在一起到3个晶闸管（531,,VT VT VT ）称为共阴极；阳极连接在一起的3个晶闸管（642,,VT VT VT ）称为共阳极，另外通常习惯晶闸管从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a,b,c 三相电源相接的3个晶体管分别是531,,VT VT VT ,共阳极组中与a,b,c 三相电源相接的3个晶闸管分别是642,,VT VT VT 。
图2-1 三相桥式全控整流电路原理图其工作特点为：1）每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中1个晶闸管是共阴极组的，1个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。
运动控制系统 复习知识点总结
1 运动控制系统的任务是通过对电动机电压、电流、频率等输入电量的控制，来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使各种工作机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。
（运动控制系统框图）2. 运动控制系统的控制对象为电动机，运动控制的目的是控制电动机的转速和转角，要控制转速和转角，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。
因此，转矩控制是运动控制的根本问题。
第1章可控直流电源-电动机系统内容提要相控整流器-电动机调速系统直流PWM变换器-电动机系统调速系统性能指标1相控整流器-电动机调速系统原理2.晶闸管可控整流器的特点（1）晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，其门极电流可以直接用电子控制。
（2）晶闸管的控制作用是毫秒级的，系统的动态性能得到了很大的改善。
晶闸管可控整流器的不足之处晶闸管是单向导电的，给电机的可逆运行带来困难。
晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt都十分敏感，超过允许值时会损坏晶闸管。
在交流侧会产生较大的谐波电流，引起电网电压的畸变。
需要在电网中增设无功补偿装置和谐波滤波装置。
3.V-M系统机械特4.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。
5.（1）直流脉宽变换器根据PWM变换器主电路的形式可分为可逆和不可逆两大类（2）简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统（3）有制动电流通路的不可逆PWM-直流电动机系统（4）桥式可逆PWM变换器（5）双极式控制的桥式可逆PWM变换器的优点双极式控制方式的不足之处（6）直流PWM变换器-电动机系统的能量回馈问题”。
（7）直流PWM调速系统的机械特性6..生产机械要求电动机在额定负载情况下所需的最高转速和最低转速之比称为调速范围，用字母D来表示（D的表达式）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电动机转速的变化率，称为静差率s。
电力拖动自动控制系统_(第三版)_陈伯时
1-17在无静差转速单闭环调速系统中，转速的稳态精度是否还受给定电源和测速发电机精度的影响？并说明理由。
答：转速的稳态精度还受给定电源和测速发电机精度的影响，因为系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度， 。例如，若给定应为15V～1500转；当给定发生错误为13V时，转速n不为1500转。当反馈检测环节的精度不准时，即α有误差时，转速n也不为1500转。
1-4某一调速系统，测得的最高转速特性为 ，最低转速特性为 ，带额定负载时的速度降落 ，且在不同转速下额定速降 不变，试问系统能够达到的调速范围有多大？系统允许的静差率是多少？
解：思路一：
系统能够达到的调速范围为：
系统允许的静差率：
思路二：
系统允许的静差率：
系统能够达到的调速围为：
1-5某闭环调速系统的调速范围是1500~150r/min，要求系统的静差率 ，那么系统允许的静态速降是多少？如果开环系统的静态速降是100r/min，则闭环系统的开环放大倍数应有多大？
（1）系统开环工作时，试计算调速范围 时的静差率s值。
（2）当 ， 时，计算系统允许的稳态速降。
（3）如组成转速负反馈有静差调速系统，要求 ， ，在 时 ， ，计算转速负反馈系数 和放大器放大系数 。
（4）如将上述调速系统改为电压负反馈有静差调速系统，仍要求在 时， ， ，并保持系统原来的开环放大系数 不变，试求在 时的静差率。
②抵抗扰动，服从给定。
③系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。
（2）改变给定电压会改变电动机的转速，因为反馈控制系统完全服从给定作用。
（3）如果给定电压不变，调节测速反馈电压的分压比会改变转速，因为反馈信号与给定信号的比较值发生了变化，破坏了原先的平衡，调速系统就要继续动作，使反馈信号与给定信号达到新的平衡为止。
《自动控制技术》章节测试题(全)
第一章单闭环直流调速系统1-1 自动控制技术概述1、根据不同的信号源来分析，自动控制包含（ABC）几种基本控制方式。
A开环控制 B闭环控制 C 复合控制 D人为控制2、在自动控制系统中，若想稳定某个物理量，就该引入该物理量的（B ）A.正反馈B.负反馈C. 微分负反馈D. 微分正反馈3、控制系统输出量（被控量）只能受控于输入量，输出量不反送到输入端参与控制的系统称为（A）。
A、开环控制系统B、闭环控制系统C、复合控制系统D、反馈控制系统4、闭环控制系统是建立在（B）基础上，按偏差进行控制的。
A、正反馈B、负反馈C、反馈D、正负反馈5、闭环控制系统中比较元件把（A）进行比较，求出它们之间的偏差。
A、反馈量与给定量B、扰动量与给定量C、控制量与给定量D、输入量与给定量6、比较元件是将检测反馈元件检测的被控量的反馈量与（B）进行比较。
A、扰动量B、给定量C、控制量D、输出量7、偏差量是由（B）和反馈量比较，由比较元件产生的。
A、扰动量B、给定量C、控制量D、输出量8、在生产过程中，如温度、压力控制，当（D）要求维持在某一值时，就要采用定值控制系统。
A、给定量B、输入量C、扰动量D、被控量9、开环控制系统可分为（A C）。
A、按给定量控制的开环控制系统B、按输出量控制的开环控制系统C、前馈控制系统D、按输出量控制的反馈控制系统E、按输入量控制的反馈控制系统10、自动控制系统的信号有（A B C D）等。
A、扰动量B、给定量C、控制量D、输出量11、开环控制系统和闭环控制系统最大的差别在于闭环控制系统存在一条从被控量到输出端的反馈信号。
（√）12、偏差量是由控制量和反馈量比较，由比较元件产生的。
（×）1-2 调速系统性能指标1、调速控制系统的性能指标主要指：( CD )A最高转速 B最低转速 C调速范围 D静差率2、静差率和机械特性的硬度有关，当理想空载转速一定时，特性越硬，则静差率（A）A．越小 B．越大 C．不变 D．不确定3、控制系统能够正常运行的首要条件是（B）A．抗扰性B．稳定性C．快速性 D．准确性4、调速范围是指电动机在额定负载情况下，电动机的（B）之比。
第1章闭环控制的直流调速系统
1.3.7 限流保护 — 电流截止负反馈
▪ 问题的提出 ：
➢ 起动的冲击电流——直流电动机全电压起动时，会产生很大 的冲击电流。
1.3.5 反馈控制规律 （闭环调速系统的三个基本性质）
▪ 1）被调量偏差控制 ▪ 2）抵抗扰动, 服从给定 ▪ 3）系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度
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1.3.6 闭环直流调速系统稳态参数的计算
sp1-1 某晶闸管整流装置供电的转速负反馈单闭环 有静差调速系统的调速范围是1500~150r/min，系 统开环速降为80r/min，若要求静差率由10%降到 5%，则系统的开环系数如何变化？
➢ 堵转电流——电动机堵转时，电流将远远超过允许值。
▪ 有两类生产机械要求限制电流:
➢ 一类，快速启动和制动的生产机械。 ➢ 另一类，经常在堵转状态下工作的生产机械，如挖土机。
▪ 解决办法：引入电流截止负反馈
--- 按照反馈原理，引入电流负反馈，保持电流不超过允许值。 而且，这种办法只在启动和堵转时存在，正常运行时取消， 保持静特性有较好的硬度。
图5 ：V—M系统的电流波形
抑制电流脉动的主要措施：
➢ 设置平波电抗器； a.电感量大➢，增且加负整载也流足电够路大相时数，。电流连续（脉动）
b.电感量小，且负载轻时，电流断续
3）晶闸管—电动机系统的机械特性
▪ 当电流连续时，V-M系统的机械特性方程式为
n
1 Ce
(U d 0
Id
电力拖动自动控制系统考试重点
第一章 闭环控制的直流调速系统1、三种调节电动机的转速的方法分别是：（1）调节电枢供电电压 U ；（调压调速）（2）改变电枢回路电阻 R 。
（调阻调速） （3）减弱励磁磁通 Φ；（调磁调速） 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。
2、常用的可控直流电源有以下三种：旋转变流机组；静止式可控整流器；直流斩波器或脉宽调制变换器；3、G-M 系统工作原理：由交流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动机 M 供电，调节G 的励磁电流 if 即可改变其输出电压 U ，从而调节电动机的转速 n 。
4、V-M 系统晶闸管可控整流器工作原理：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。
5、V-M 系统的特点：由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。
晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt 与di/dt 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。
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”。
6、斩波器的晶闸管工作在开关状态。
7、脉动电流影响和抑制措施：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。
抑制电流脉动的措施，主要是：设置平波电抗器；增加整流电路相数；8、对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面：调速，稳速，加减速。
9、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 ∆nnom ，与理想空载转速 n0 之比，称作静差率 s.10、闭环系统的稳态结构框图 11、闭环调速系统的静特性 表示闭环系统电动机转速与 12、闭环调速系统可以获得比开环调速系统能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。
13、转速反馈闭环调速系统具有以下三个基本特征或基本规律：被调量有静差；抵抗扰动，服从给定；系统的精度依赖于给定和反馈检测精度；14、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。
《电力拖动自动控制系统》习题答案
第一章闭环控制的直流调速系统1－1 为什么 PWM —电动机系统比晶闸管—电动机系统能够获得更好的动态性能？ 答：PWM —电动机系统在很多方面有较大的优越性：（1） 主电路线路简单，需用的功率器件少。
（2） 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。
（3） 低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达 1：10000 左右。
（4） 若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。
（5） 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。
（6） 直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。
1－2 试分析有制动通路的不可逆 PWM 变换器进行制动时，两个 VT 是如何工作的。
答：在制动状态中，i d 为负值，VT 2 就发挥作用了。
这种情况发生在电动运行过程中需要降 速的时候。
这时，先减小控制电压，使U g 1 的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电 压U d 降低。
但是，由于机电惯性，转速和反电动势还来不及变化，因而造成 E > U d ，很 快使电流 i d 反向，VD 2 截止，在 t on δ t ＜Ｔ时，U g 2 变正，于是VT 2 导通，反向电流沿回路 3 流通，产生能耗制动作用。
在T δ t ＜Ｔ+ t on 时，VT 2 关断， i d 沿回路 4 经VD 1 续流，向电源回馈制动，与此同时，VD 1 两端压降钳住VT 1 使它不能导通。
在制动状态中，VT 2 和VT 1轮流导通，而VT 1 始终是关断的。
在轻载电动状态，这时平均电流较小，以致在VT 1 关断后 i d 经VD 2 续流时，还没有达到周期Ｔ，电流已经衰减到零，这时VD 2 两端电压也降为零，VT 2 便提前导通了，使电流反向， 产生局部时间的制动作用。
１－３ 调速范围和静差率的定义是什么？调速范围、静差速降和最小静差率之间有什么关 系？为什么说“脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了”？ 答：生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母Ｄ表示，即D =n max n min其中，n max 和 n min 一般都指电动机额定负载时的最高和最低转速，对于少数负载很轻的机械，可以用实际负载时的最高和最低转速。
调速系统开环闭环介绍
1. 直流斩波器的基本结构
控制电路
+
VT
Us
VD
_
a）原理图
u
+ Us ton Ud
M
_O
t
T
b）电压波形图
图1-5 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形
2. 斩波器的基本控制原理
在原理图中，VT 表示电力电子开关器 件，VD 表示续流二极管。当VT 导通时， 直流电源电压 Us 加到电动机上；当VT 关 断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢 经 VD 续流，两端电压接近于零。如此反 复，电枢端电压波形如图1-5b ，好像是电 源电压Us在ton 时间内被接上，又在 T – ton 时间内被斩断，故称“斩波”。
• 逆变颠覆限制
O
通过设置控制 电压限幅值， 来限制最大触 发角。
图1-8 相控整流器的电压控制曲线
1.2.2 电流脉动及其波形的连续与断续
由于电流波形的脉动，可能出现电流连续 和断续两种情况，这是V-M系统不同于G-M系 统的又一个特点。当V-M系统主电路有足够大 的电感量，而且电动机的负载也足够大时，整 流电流便具有连续的脉动波形。当电感量较小 或负载较轻时，在某一相导通后电流升高的阶 段里，电感中的储能较少；等到电流下降而下 一相尚未被触发以前，电流已经衰减到零，于 是，便造成电流波形断续的情况。
因此，自动控制的直流调速系统往往以 调压调速为主。
第1章 闭环控制的直流调速系统
本章着重讨论基本的闭环控制系统 及其分析与设计方法。
本章提要
1.1 直流调速系统用的可控直流电源 1.2 晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题 1.3 直流脉宽调速系统的主要问题 1.4 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计 1.5 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计 1.6 比例积分控制规律和无静差调速系统
《电力拖动自动控制系统》教学大纲
《电力拖动自动控制系统》教学大纲一、课程基本信息1、课程英文名称：Automation Control System by Power Driving2、课程类别：专业方向课程3、课程学时：总学时64，实验学时84、学分：45、先修课程：《电路原理》、《模拟电子技术》、《数字电子技术》、《电力电子技术》、《电机学》、《控制电机》、《自动控制原理》、《电力拖动基础》等专业基础课程6、适用专业：电气工程及其自动化二、课程的目的与任务课程的教学目的：本课程是电气工程及其自动化专业的专业特色课程。
通过本课程的学习，了解和掌握电力拖动自动控制系统的设计、校正和综合方法，为今后的工作打下专业基础。
课程教学的任务：了解直流电力拖动自动控制系统的特点，调速方法，调速系统的静态动态性能指标。
掌握直流转速单闭自动控制系统和转速、电流双闭环自动控制系统的静、动态设计方法，深刻领会和掌握控制系统的工程设计方法，能够熟练应用典型Ⅰ型、典型Ⅱ系统的设计和校正方法，了解可逆直流调速系统和位置随动系统的特点和设计方法。
了解交流电力拖动自动控制系统的特点，调速方法，特别是重点了解和掌握笼型异步电动机变压变频调速系统的原理、特点和设计方法，了解矢量控制技术在异步电动机变压变频调速系统的应用，了解同步电动机变压变频调速系统的特点和设计方法。
三、课程的基本要求本课程是所有专业基础课程的综合应用，特别是对《电力电子技术》、《电机学》、《控制电机》、《自动控制原理》、《电力拖动基础》以及《模拟电子技术》、《数字电子技术》的基础知识应用较多，学生必须在这些专业基础课程学习过后，才能开设本课程。
教师在授课中必须引导学生对专业基础课程的综合应用，按照系统的控制规律为主线，由简入繁、由低及高的循序深入，思路必须清楚，引导学生学习和掌握系统设计与分析的方法，培养学生对工程问题的处理方法，同时要认真进行和完成课程实验，并且通过课程设计，要求学生能够对简单的电力拖动自动控制系统进行性能分析和设计。
运动控制系统上海大学全部章节内容
制量；
功率驱动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；
电动机按供电大小拖动生产机械运转。
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自动化与电气工程系 8
0 绪论
4. 运动控制系统各部分的组成
运动控制系统的三个组成部分，任何一
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自动化与电气工程系 22
1.1.1 旋转变流机组供电的直流调速系统
直流励 磁发电机
同步或异 步交流电
动机
直流发 电机
需调速 的直流 电动机
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自动化与电气工程系 23
1.1.1 旋转变流机组供电的直流调速系统
G-M系统，国际上称Ward-Leonard系统
第II象限
电力电 子开关
器件
续流 二极管
控制电路
+
VT
Us
VD
+
+
VT
Us VD M
_
_
MM
Ud tTonUs
ρ
ρUs
为占空比
“T-ton”
斩断
u
+
Us ton
Ud
_
a）原理图
_
O
t
T
b）电压波形图
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自动化与电气工程系 31
1.1.3 静止式可控整流器或脉宽调制变换器
三种改变输出平均电压的调制方法
1.2.5 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传
递函数
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自动化与电气工程系 35
第一章交直流调速系统PPT课件
的地方仍然使用这种系统。 但是这种由机组供电的直流调速系统需要旋
转变流机组，至少包含两台与调速直流电动机 容量相当的旋转电机（原动机和直流发电机） 和一台容量小一些的励磁发电机，因而设备多 、体积大、效率低、安装需打地基、运行有噪 音、维护不方便。为了克服这些缺点，在20世 纪50年代开始采用静止变流装置来代替旋转变 流机组，直流调速系统进入了由静止变流装置 供电的时代。
K K
晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合
晶闸管由P1、N1、P2、N2四层半导体材料交替组成，其结构 及图形符号如图所示。P1区引出的电极为阳极A，N2层引出的 电极为阴极K，由中间P2层引出的电极为控制极G。为更好的理 解晶闸管的工作原理，常将其N1、P2两个区域分解成两部分， 分别构成一个NPN型和一个PNP型的三极管。分解后的情况如图
晶闸管也像半导体二极管那样具有单向导电性， 但它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、调 压及开关等方面。
优点： 体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、
操作方便、寿命长、 容量大（正向平均电流达千安、 正向耐压达数千伏）。
常用晶闸管的结构
螺栓型晶闸管
晶闸管模块
平板型晶闸管外形及结构
一、基本结构
对系统的调速性能要求不高时，可直接由励
磁电源供电，要求较高的闭环直流调速系统一 般都通过放大装置（G-M系统的放大装置多采用 交磁放大机或磁放大器）进行控制。如果改变 if的方向，则U的极性和n的转向都跟着改变， 因此G-M系统的可逆运行是很容易的。
G-M系统具有很好的的调速性能，在20世纪50 年代曾广泛地使用，至今在尚未进行设备更新
Ra
调改速变特电性压：UN U n ， n0
转速下降，机械特性曲线平行下移。
第一章 单闭环直流调速系统
第1章 单闭环直流调速系统
本章着重讨论基本的闭环控制系 统及其分析与设计方法。
本章提要
1.1 直流调速系统的构成 1.2 单闭环调速系统的稳态分析与设计 1.3 单闭环调速系统的动态分析与设计 1.4 无静差调速系统 1.5 电压反馈电流补偿控制的调速系统
1.1 直流调速系统的构成 根据前面分析，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动机供电的可 控直流电源。 本节介绍几种主要的可控直流电 源。
TL
T
斜率小，特性硬
直流调速系统主要内容
直流调速方法 直流调速电源 直流调速控制
直流调速方法
根据直流电机转速方程
Ud Id R n Ke
式中 n — 转速（r/min）； U d — 电枢供电电压（V）； I d — 电枢电流（A），由负载决定； R — 回路总电阻（ ）； — 励磁磁通（Wb）； Ke — 由电机结构决定的电动势常数。• Leabharlann -M系统的特点 与G-M系统相比较：
晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有 很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的 优越性。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。
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；
Rrec是整流装置内阻， Ra是电枢电阻， RL是电抗器内阻。
对ud进行积分，即得理想空载整流电压 平均值Ud 。 用触发脉冲的相位角 控制整流电压的 平均值Ud是晶闸管整流器的特点。 Ud与触发脉冲相位角 的关系因整流电 路的形式而异，对于一般的全控整流电路， 当电流波形连续时，Ud = f () 可用下式表 示
PWM单闭环直流调速控制系统设计方案稿
摘要当今，自动化控制系统已经在各行业得到了广泛的应用和发展，而直流调速系统控制作为电气传动的主要方式之一，在现代化生产中起着主要作用。
随着微电子技术的发展，集成芯片在调速系统中的应用不仅使系统简化，体积减小，可靠性提高，而且各种经典和智能算法都分别在调速系统中得到了灵活的应用，以此来实现最优控制。
本设计从直流电动机的工作原理入手，并详细分析了系统的原理与其静态和动态性能。
然后按照自动控制原理，对转速闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，还在直流调速系统理论研究的基础上，对转速闭环直流调速系统中的转速调节器采用PI控制算法；提出了PI参数的整定方法，转速闭环直流调速系统是性能很好，应用广泛的直流调速系统, 采用转速闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。
转速闭环直流调速系统的控制规律，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。
在设计中采用TL494控制的PWM 脉宽调节作为控制电路。
关键词：PWMVDMOS 转速闭环ABSTRACTNowadays, automation control system has been widely in industries, and the application and development of electric control system of dc speed as the main method of transmission, in modern plays a main role in production. Along with the development of microelectronics technology, integrated chips in the governing system not only makes the application system, volume decreases, and reliability, and various classic and intelligent algorithm in the governing system of the flexible application, so as to achieve the optimal control.This design from the working principle of dc motor are analyzed in detail, and the principle and system static and dynamic performance. Then according to the principle of the automatic control system of single loop, the design parameters of analysis and calculation, and also in dc speed control system based on the study of the theory of single closed loop speed regulator in the dc speed control system by PI control algorithm,, the speed closed loop dc speed control system is performance is very good, one of the most widely used dc speed control system, adopt single closed loop speed dc speed control system can get good static and dynamic characteristics of speed. Speed single closed loop control dc speed control system, the characteristics and the design method of ac, dc power is dragging the automatic control system is the important foundation. In the design of TL494 adopted PWM control pulse width adjustment as the control circuit. Keywords: PWM VOMOS CLOSED LOOP SPEED REGULATION目录前言1第1章PWM单闭环直流调速控制系统方案的确定21.1 PWM单闭环直流调速系统拖动方案的确定21.1.1 直流电机的选择与调速方法21.1.2 电力拖动供电方案的确定31.2 PWM单闭环直流调速系统控制方案的确定51.2.1 采用转速闭环直流调速的理由71.2.2 选择PWM控制系统的理由71.2.3 选择VDMOS的主电路的理由8第2章转速单闭环直流调速控制系统92.1 转速单闭环直流调速系统的系统组成92.1.1 转速控制的要求102.1.2 转速调速指标102.1.3 调速围、静差率和额定速降之间的关系112.2 转速单闭环直流调速系统的原理图122.2.1 转速单闭环直流调速系统的静特性分析122.2.2 转速单闭环直流调速系统的稳态结构图13第3章变流器主电路和保护环节设计153.1 PWM信号发生器153.1.1 TL494芯片的主要特点153.1.2 TL494引脚各端子功能173.1.3 TL494的工作原理173.2 检测环节183.2.1 转速检测与其测速发电机183.2.2过电流保护环节 (19)3.2.3电机驱动电路203.2.4调速方法 (2)13.3 调节器的选择与调整213.3.1 调节器电路213.3.2 调节器限幅22第4章调速系统动态参数的工程设计244.1 调节器工程设计方法的基本思路244.2 转速调节器的设计254.2.1转速调节器的选择254.2.2 转速调节器参数的选择25结论27参考文献28附录错误!未定义书签。
2021电拖控习题
2021电拖控习题2021年电机与拖动基础习题第1章闭环控制的直流调速系统1．确定电磁力的方向用( 左手 )定则,确定感应电势的方向用( 右手 )定则,确定电流产生磁通的方向用( 右手螺旋 )定则.安培定则，也叫右手螺旋定则，是表示电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系的定则。
通电直导线中的安培定则（安培定则一）：用右手握住通电直导线，让大拇指指向电流的方向，那么四指的指向就是磁感线的环绕方向；通电螺线管中的安培定则（安培定则二）：用右手握住通电螺线管，使四指弯曲与电流方向一致，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的N极。
2. 直流电机的U＞E时运行于( 电动 )状态,U＜E时运行在( 制动 )状态.3、直流调速系统常用的可控直流电源有（旋转变流机组（G-M系统））、（静止可控整流器（V-M系统））、和（直流斩波器或脉宽调制变换器）。
4、晶闸管—电动机系统中，抑制电流脉动可采取的措施是：（增加整流电路相数）、（采用多重化技术）、和（设置平波电抗器）。
5、直流电机运行时电磁转矩的大小与（每对磁极下的磁通?）和（电枢电流I）成正比. CM?I?MZ6、他励直流电动机带负载运行时,若增大负载转矩,电动机的转速将（下降）. CM?I?MZ n?U?IRKe?7、欲改变直流电动机的转向,可以（改变供电电压U）或（改变励磁磁通?）.8、他励直流电动机带额定负载转矩运行时,如果降低电源电压,则此电动机的转速将（降低）,电枢电流将（不变）.9、直流发电机电磁转矩的方向和电枢旋转方向（相反），电动机电磁转矩的方向和电枢旋转方向（相同）。
机械能转化成电能，所以相反在电磁转矩的带动下转动所以相同 10、直流电动机的感应电动势与电枢端电压方向( 相反 )U?Ke?n?IR11、直流电机的电磁转矩是由（每极气隙磁通量）和（电枢电流）共同作用产生的。
CM?I?MZ12. 直流电动机的电磁转矩是驱动性质的，因此稳定运行时，大的电磁转矩对应的转速就高。
转速闭环直流调速系统
第一章 转速闭环直流调速系统第一节 闭环调速系统的组成及其静特性1.1.1绪论在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机 TG ，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压U n ，与给定电压 U *n 相比较后，得到转速偏差电压 DU n ，经过放大器 A ，产生电力电子变换器UPE 的控制电压U c ，用以控制电动机转速 n 。
比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静特性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。
如果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为（1·1）（1·2）比较1·1和1·2不难得到以下结论（1）闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬得多。
在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为l l n n K C RI K C U K K n c c 0e d e *n s p )1()1(∆-=+-+= op op 0e d e *n s p e d 0d n n C RI C U K K C R I U n ∆-=-=-=它们的关系 （1·3）（2）如果比较同一的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多。
闭环系统和开环系统的静差率分别为当 n 0op =n 0c l 时（1·4）（3）当要求的静差率一定时，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n max ；而对最低速静差率的要求相同，那么开环时， 闭环时，再考虑式（1-3），得（1·5） （4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器上述三项优点若要有效，都取决于一点，即 K 要足够大，因此必须设置放大器。
把以上四点概括起来，可得下述结论：闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。
由此看来，闭环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。
自动控制系统第一二章习题解答
习题课N N NN N NN N n D n n D s c s n s n D n n n n n S n n D ∆+∆=↓⇒↓=∆-∆=∆+∆=∆==D s n )1(N min 0min maxkn C I R n op e d op +∆=∆=∆∑1n cl opcl op op cl op D k s s ks n n )1(D 1s cl cl 00+==+== e s p C K K k α=第一章 闭环控制的直流调速系统1－1 为什么PWM —电动机系统比晶闸管—电动机系统能够获得更好的动态性能？答：PWM —电动机系统（1） 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。
（2） 低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1：10000左右。
（3） 若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。
（4） 无需加电抗器，主回路电磁时间常数TL 小。
1-4 11135148515150151500min 0max 0min max ==--=∆-∆-==N N n n n n n n D1-694.116311513011113.4831168301151n 1111n ns 11)1( D )1(11n n 1n 1n 1212cl121212cl2cl12112122cl21112cl2cl12cl21cl1==++=++==⨯=⨯++=∆++=∆++=∆∆=++=+=+=++=∆∆+∆=∆+∆=∆k k D D k k n k k s k k D D D k D k D k k k n k n cl cl cl cl cl opop cl op op1-5某闭环调速系统的调速范围是1500~150r/min ，要求系统的静差率，那么系统允许的静态速降是多少？如果开环系统的静态速降是100r/min ，则闭环系统的开环放大倍数应有多大？ 解7.31106.310011min /06.302.0102.01501min min 0min max =-=-∆∆=+∆=∆=-⨯=-=∆∆+∆=∆==cl op op cl N NN N n n K Kn n r s s n n n n n n n S n n D 1－7 某调速系统的调速范围D=20，额定转速nN ，=1500r/min,开环转速降落为240r/min ，若要求系统的静差率由10%减少到5%，则系统的开环增益将如何变化？解； s=0.1时，8.27133.82401min /33.8)1.01(201.01500)1(=-=-∆∆==-⨯⨯=-=∆cl op N N n n K r s D s n n S=5%时，8.59195.32401min /95.3)05.01(2005.01500)1(=-=-∆∆==-⨯⨯=-=∆cl op N N n n K r s D s n n 1-10 有一V-M 调速系统，电动机参数为：,35k ,5.1R ,2.1R m in,/r 1500n ,A 5,12I ,V 220U ,KW 2.2P S REC s N N N N =Ω=Ω=====要求：（1）计算开环速降和调速要求所允许的闭环速降。
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• G-M系统特性
第II象限 n n0 n1 n2 -TL O TL Te 第I象限
第III象限
图1-2 G-M系统机械特性
第IV象限
1.1.2 静止式可控整流器
图1-3 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）
• V-M系统工作原理 晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系 统，又称静止的Ward-Leonard系统）， 图中VT是晶闸管可控整流器，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。
• V-M系统的问题 由于晶闸管的单向导电性，它不允许电 流反向，给系统的可逆运行造成困难。 晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt 与di/dt 都十分敏感，若超过允许值会在 很短的时间内损坏器件。 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”。
1.1.3 直流斩波器或脉宽调制变换器 在干线铁道电力机车、工矿电力机 车、城市有轨和无轨电车和地铁电机车 等电力牵引设备上，常采用直流串励或 复励电动机，由恒压直流电网供电，过 去用切换电枢回路电阻来控制电机的起 动、制动和调速，在电阻中耗电很大。
1.1 直流调速系统用的可控直流电源 根据前面分析，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动机供电的 可控直流电源。 本节介绍几种主要的可控直流 电源。
常用的可控直流电源有以下三种 旋转变流机组——用交流电动机和直流发 电机组成机组，以获得可调的直流电压。 静止式可控整流器——用静止式的可控整 流器，以获得可调的直流电压。 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。
（5）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； （6）直流电源采用不控整流时，电网功率 因数比相控整流器高。
小 结
三种可控直流电源，V-M系统在上世 纪60~70年代得到广泛应用，目前主要用 于大容量系统。 直流PWM调速系统作为一种新技术， 发展迅速，应用日益广泛，特别在中、 小容量的系统中，已取代V-M系统成为 主要的直流调速方式。
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1.2 晶闸管 电动机系统（V-M系统） 晶闸管-电动机系统（ 系统） 电动机系统 系统 的主要问题
本节讨论V-M系统的几个主要问题： （1）*触发脉冲相位控制； （2）*电流脉动及其波形的连续与断续； （3）*抑制电流脉动的措施； （4）晶闸管-电动机系统的机械特性； （5）晶闸管触发和整流装置的放大系数和 传递函数。
直流电机工作原理
随着转子的转动，线圈边位置互换，这时要使转子连续转动．则应使线圈 边中的电流方向也加以改变．要进行换向。由于换向器与静止电刷的相互 配合作用，线圈不论转到何处，B刷h始终与运动到N极下的线圈边相接触， 而电极A始终与运动到S极下的线圈边相接触．这就保证了电流总是经电刷 经N极下导体流入，再沿S极导体经电刷B流出。因而电磁力和电磁转矩的 方向始终保持不变，使电机沿逆时针方向连续转动。
（1）调压调速
工作条件： 保持励磁 Φ = ΦN ； 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。
n n0 nN n1 n2 n3 O IL
调压调速特性曲线 UN U1 U2 U3
I
（2）调阻调速
工作条件： 保持励磁 Φ = ΦN ； 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。
1.1.1 旋转变流机组
图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）
• G-M系统工作原理 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动机 M 供电， 调节G 的励磁电流 if 即可改变其输出电 压 U，从而调节电动机的转速 n 。 这样的调速系统简称G-M系统，国际 上通称Ward-Leonard系统。
ΦN Φ1 Φ2 Φ3
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。
为了节能，并实行无触点控制，现 在多用电力电子开关器件，如快速晶闸 管、GTO、IGBT等。 采用简单的单管控制时，称作直流 斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲 宽度调制开关的电路，脉宽调制变换器 （PWM-Pulse Width Modulation）。
4. 斩波电路三种控制方式 根据对输出电压平均值进行调制的方式不同 而划分，有三种控制方式： T 不变，变 ton —脉冲宽度调制（PWM）； ton不变，变 T —脉冲频率调制（PFM）； ton和 T 都可调，改变占空比—混合型。
直流电机工作原理
从图中可以看出，接入直流电源以后，电刷A为正极性，电刷B为负极 性。电流从正电刷A经线圈ab、cd，到负电刷B流出。根据电磁力定律， 在载流导体与磁力线垂直的条件下，线圈每一个有效边将受到一电磁力 的作用。电磁力的方向可用左手定则判断，伸开左手，掌心向着N极，4 指指向电流的方向，与4指垂直的拇指方向就是电磁力的方向。在图示 瞬间，导线ab与dc中所受的电磁力为逆时针方向，在这个电磁力的作用 下，转子将逆时针旋转．即图中S的方向。
电力拖动自动控制系统
第 1 篇
直流拖动控制系统
引言部分教学要点预习
直流电机的转速方程 调节直流电机转速的三种方法
直流电机调压调速，转速下降，机械特性曲线 平行下移。 直流电机调阻调速，转速下降，机械特性曲线 变软。 直流电机调磁调速，转速上升，机械特性曲线 变软。
直流电动机结构
直流电机及调速系统
引言部分教学要点复习
直流电机的转速方程 调节直流电机转速的三种方法
直流电机调压调速，转速下降，机械特性曲线 XXXX电机调磁调速，转速上升，机械特性曲线 XX。
第1章 闭环控制的直流调速系统 章
本章着重讨论基本的闭环控制系 统及其分析与设计方法。
本章提要
1.1 直流调速系统用的可控直流电源 1.2 晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题 1.3 直流脉宽调速系统的主要问题 1.4 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计 1.5 反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计 1.6 比例积分控制规律和无静差调速系统
1.1－1.3教学要点预习
• PWM系统的优点 （1）主电路线路简单，需用的功率器件少； （2）开关频率高，电流容易连续，谐波少， 电机损耗及发热都较小； （3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽， 可达1:10000左右； （4）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；
PWM系统的优点（续）
1.2.1 触发脉冲相位控制
T VT uVT a) u1 u2 ud R id L
在如图可控整流 电路中，调节触发 装置 GT 输出脉冲 的相位，即可很方 便地改变可控整流 器 VT 输出瞬时电 压 ud 的波形，以 及输出平均电压 Ud 的数值。
u2 b) 0 O ug c) 0 O ud + d) 0 O α id e) 0 O uVT f) 0 O +
• 整流电压的平均值计算
m π = U m sin cos α π m
U d0
式中
(1-5)
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；
对于不同的整流电路，它们的数值如表1-1所示。
表1-1 不同整流电路的整流电压值
整流电路 Um m Ud0 单相全波 2U 2 * 2 0.9U 2 cos α 三相半波 2U 2 3 1.17U 2 cos α 三相全波 6U 2 6 2.34U 2 cos α 六相半波 2U 2 6
• 瞬时电压平衡方程
did ud0 = E + id R + L dt
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；
(1-3)
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α 控制整流电压的 平均值Ud0是晶闸管整流器的特点。 Ud0与触发脉冲相位角 α 的关系因整流电 路的形式而异，对于一般的全控整流电路 ，当电流波形连续时，Ud0 = f (α) 可用下式 表示
电磁式直流电机的种类
内容提要
直流调速方法 直流调速电源 直流调速控制
引 言
直流电动机具有良好的起、制动性能， 宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调 速和快速正反向的电力拖动领域中得到了 广泛的应用。 由于直流拖动控制系统在理论上和实 践上都比较成熟，而且从控制的角度来看， 它又是交流拖动控制系统的基础。因此， 为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先 很好地掌握直流拖动控制系统。
常用的可控直流电源 G-M、V-M、PWM系统的工作原理和机械特性 V-M系统的主要问题 斩波电路三种控制方式 PWM系统的优点 当电流连续时，V-M系统的机械特性方程式 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数 带制动电流通路的不可逆电路和双极式控制的可逆电路的PWM系统 的机械特性 直流脉宽控制与变换器的数学模型（传递函数） 什么是泵升电压
1.35U 2 cos α
* U2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。