电力传动控制系统——运动控制系统第02章 电力传动系统的模型
电力传动控制系统_运动控制系统[习题解答]
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电力传动控制系统——运动控制系统（习题解答）第1章电力传动控制系统的基本结构与组成 (1)第2章电力传动系统的模型 (13)第3章直流传动控制系统 (18)第4章交流传动控制系统 (30)第5章电力传动控制系统的分析与设计* (38)第1章电力传动控制系统的基本结构与组成1. 根据电力传动控制系统的基本结构，简述电力传动控制系统的基本原理和共性问题。
答：电力传动是以电动机作为原动机拖动生产机械运动的一种传动方式，由于电力传输和变换的便利，使电力传动成为现代生产机械的主要动力装置。
电力传动控制系统的基本结构如图1-1所示，一般由电源、变流器、电动机、控制器、传感器和生产机械（负载）组成。
图1-1 电力传动控制系统的基本结构电力传动控制系统的基本工作原理是，根据输入的控制指令（比如：速度或位置指令），与传感器采集的系统检测信号（速度、位置、电流和电压等），经过一定的处理给出相应的反馈控制信号，控制器按一定的控制算法或策略输出相应的控制信号，控制变流器改变输入到电动机的电源电压、频率等，使电动机改变转速或位置，再由电动机驱动生产机械按照相应的控制要求运动，故又称为运动控制系统。
虽然电力传动控制系统种类繁多，但根据图1-1所示的系统基本结构，可以归纳出研发或应用电力传动控制系统所需解决的共性问题：1）电动机的选择。
电力传动系统能否经济可靠地运行，正确选择驱动生产机械运动的电动机至关重要。
应根据生产工艺和设备对驱动的要求，选择合适的电动机的种类及额定参数、绝缘等级等，然后通过分析电动机的发热和冷却、工作制、过载能力等进行电动机容量的校验。
2）变流技术研究。
电动机的控制是通过改变其供电电源来实现的，如直流电动机的正反转控制需要改变其电枢电压或励磁电压的方向，而调速需要改变电枢电压或励磁电流的大小；交流电动机的调速需要改变其电源的电压和频率等，因此，变流技术是实现电力传动系统的核心技术之一。
3）系统的状态检测方法。
电力传动与自动控制系统
被控对象是整个自动控制系统的目标，通过对其参数的控制 ，实现系统的稳定运行和优化控制。
常见类型
温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等。
05 电力传动与自动控制系统 的集成
系统集成的方法与技术
模块化设计
将系统划分为多个独立的功能模块，便于系 统的扩展和维护。
集成平台
构建统一的集成平台，整合各种资源，实现 信息的共享和协同工作。
电力电子变换器的分类
根据工作原理和应用领域，电力电子变换器可分为AC-DC、DCAC、DC-DC等类型。
控制系统的基本原理
控制系统的组成
控制系统由控制器、受控对象、执行器和传感器等组成。
控制系统的基本原理
通过传感器检测受控对象的输出，并将检测到的信号传输给控制器进行处理，控制器根据 处理结果输出控制信号，控制执行器对受控对象进行调节，实现受控对象的稳定和优化。
智能家居
在智能家居领域，自动控制系统 用于控制家电设备、照明、温度
等，实现智能化管理和节能。
自动控制系统的发展趋势
智能化
随着人工智能技术的发展，自动控制 系统将更加智能化，能够自适应地处 理复杂环境和任务。
网络化
随着物联网技术的发展，自动控制系 统将更加网络化，实现远程监控和数 据共享。
模块化Leabharlann 为了便于维护和升级，自动控制系统 将采用模块化设计，提高系统的可扩 展性和可维护性。
控制系统的性能指标
控制系统的性能指标包括稳定性、快速性、准确性和鲁棒性等。
03 自动控制系统概述
定义与特点
定义
自动控制系统是指通过自动调节、控 制、监视等手段，使被控对象自动地 按照预定的规律运行或变化。
特点
电力拖动自动控制系统-运动控制系统习题解答第2、3章
习题解答（供参考）2.1试分析有制动电流通路的不可逆PWM 变换器进行制动时，两个VT 是如何工作的？解：减小控制电压，使U g1得正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电压U d 降低，使得E>U d ，电机流过反向电流，电机进入制动状态。
0≤t< t on 时，通过二极管VD1续流，在t on ≤t<T 期间U g2为正，VT2导通，流过反向制动电流。
因此在制动状态时，VT2和VD1轮流导通，VT1始终关断。
2.2 系统的调速范围是1000~100min r ，要求静差率s=2%，那么系统允许的静差转速降是多少？解：10000.022.04(1)100.98n n n rpm rpm D s ⨯∆===-⨯系统允许的静态速降为2.04rpm 。
2.3 某一调速系统，在额定负载下，最高转速特性为min 1500max 0r n =，最低转速特性为 0min 150min n r =，带额定负载时的速度降落15min N n r ∆=，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：1）调速范围 maxminn D n =(均指额定负载情况下） max 0max 1500151485N n n n rpm =-∆=-=min 0min 15015135N n n n rpm=-∆=-=max min 148511135n D n ===2) 静差率 min 1510%150N n s n ∆===2.4 直流电动机为N P =74kW, N U =220V ，N I =378A ，N n =1430r/min ，Ra=0.023Ω。
相控整流器内阻Rrec=0.022Ω。
采用降压调速。
当生产机械要求s=20%时，求系统的调速范围。
如果s=30%时，则系统的调速范围又为多少？？解： 2203780.0230.1478/1430N N a e N U I R C V rpm n --⨯===378(0.0230.022)1150.1478N e I R n rpm C ⨯+∆===当s=20%时 14300.23.1(1)115(10.2)N n s D n s ⨯===∆-⨯-当s=30%时 14300.35.33(1)115(10.3)N n s D n s ⨯===∆-⨯-2.5 某龙门刨床工作台采用V-M 调速系统。
电力拖动自动控制系统—运动控制系统第2章
（2） 转速调节器饱和
这时，ASR输出达到限幅值U*im ，转速外环呈 开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双 闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节 系统。稳态时
Id
* U im
I dm
(2-2)
式中，最大电流 Idm 是由设计者选定的，取决于 电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速 度。
反馈系数计算
鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计算 与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统 的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值 计算有关的反馈系数： U * nm 转速反馈系数
两个给定电压的最大值U*nm和U*im由设计者选定， 设计原则如下： U*nm受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制； U*im 为ASR的输出限幅值。
TA
+
Ui U* n R 0
R0 Rn - + Cn R0 ASR
+
Ri
Ci LM GT V
L
RP1 -
ACR
+
LM R0
- +
Id
Ud
+
Un
U*i
Uc
UPE
M n
+
-
RP2
TG TG
-
图2-3 双闭环直流调速系统电路原理图
图中表出，两个调节器的输出都是带 限幅作用的。
转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定 了电流给定电压的最大值； 电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制 了电力电子变换器的最大输出电压Udm。
第 2 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
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。 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
电力传动自动控制系统
Shanghai university
第 II 阶段 恒流升速阶段（续）
特点： • ASR处于饱和状态－－转速环开环； • 电流无静差系统； • 转速线性上升； • Id略小于Idm
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第 Ⅲ 阶段转速调节阶段（ t2 以后）
ASR和ACR都不饱和，
ASR起主导作用，ACR 力图使 Id 尽快地跟随 U*i ，或者说，电流内 环是一个电流随动子系 统。
电流U*im 给定下的电流调节系统，基本上保持电流 Id 恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长，直到 n =n* 。
• 电机的反电动势E 也按线性增长，对电流调节系统来说， E 是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动， Ud0 和 Uc 也必须基本上按线性增长，才能保持 Id 恒定。
• 当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长， 其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说， Id 应略低于 Idm。
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二。
转速、电流双闭环直流调速系统的组成
TA
Ui
U*n + U*
i 内环 ACR Uc
ASR
Un
i
-
+
Id
M M
+
+
UPE
Ud
-
n
TG TG
n
外 环
图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构 ASR—转速调节器 ACR—电流调节器 TG—测速发电机 TA—电流互感器 UPE—电力电子变换器
Id
* U im
I dm
最大电流-- Idm 取决于容许过载 能力和拖动系统允许的最大加速 度。
电力传动控制系统_运动控制系统[习题解答]
电力传动控制系统——运动控制系统（习题解答）第1章电力传动控制系统的基本结构与组成 (1)第2章电力传动系统的模型 (13)第3章直流传动控制系统 (18)第4章交流传动控制系统 (30)第5章电力传动控制系统的分析与设计* (38)第1章电力传动控制系统的基本结构与组成1. 根据电力传动控制系统的基本结构，简述电力传动控制系统的基本原理和共性问题。
答：电力传动是以电动机作为原动机拖动生产机械运动的一种传动方式，由于电力传输和变换的便利，使电力传动成为现代生产机械的主要动力装置。
电力传动控制系统的基本结构如图1-1所示，一般由电源、变流器、电动机、控制器、传感器和生产机械（负载）组成。
图1-1 电力传动控制系统的基本结构电力传动控制系统的基本工作原理是，根据输入的控制指令（比如：速度或位置指令），与传感器采集的系统检测信号（速度、位置、电流和电压等），经过一定的处理给出相应的反馈控制信号，控制器按一定的控制算法或策略输出相应的控制信号，控制变流器改变输入到电动机的电源电压、频率等，使电动机改变转速或位置，再由电动机驱动生产机械按照相应的控制要求运动，故又称为运动控制系统。
虽然电力传动控制系统种类繁多，但根据图1-1所示的系统基本结构，可以归纳出研发或应用电力传动控制系统所需解决的共性问题：1）电动机的选择。
电力传动系统能否经济可靠地运行，正确选择驱动生产机械运动的电动机至关重要。
应根据生产工艺和设备对驱动的要求，选择合适的电动机的种类及额定参数、绝缘等级等，然后通过分析电动机的发热和冷却、工作制、过载能力等进行电动机容量的校验。
2）变流技术研究。
电动机的控制是通过改变其供电电源来实现的，如直流电动机的正反转控制需要改变其电枢电压或励磁电压的方向，而调速需要改变电枢电压或励磁电流的大小；交流电动机的调速需要改变其电源的电压和频率等，因此，变流技术是实现电力传动系统的核心技术之一。
3）系统的状态检测方法。
电力传动控制系统——运动控制系统(习题解答)
运动控制系统的基本原理
运动控制系统的定义和组成 运动控制系统的基本功能 运动控制系统的基本原理 运动控制系统的分类和应用
04
电力传动控制系统 的应用
工业自动化领域的应用
电机驱动控制： 电力传动控制系 统可应用于工业 自动化领域的电 机驱动控制，实 现电机的高效、 精确控制，提高 生产效率和产品 质量。
• 运动控制系统的基本组成：如上所述，运动控制系统通常由控制器、驱动器、执行器、传感器等组成。
• 运动控制系统的基本原理：在运动控制系统中，控制器根据输入的指令和传感器的反馈信号，计算出控制指令并输 出给驱动器；驱动器则将控制指令转换为电信号，驱动执行器运动；执行器将电信号转换为机械运动；传感器则检 测执行器的位置、速度等运动参数，并将检测结果反馈给控制器。通过这样的循环过程，实现机械系统的精确运动 控制。
• 运动控制系统的基本概念
• 运动控制系统的作用：运动控制系统是实现各种运动控制任务的关键设备，如数控机床、机器人、自动化生产线等 都需要运动控制系统来驱动其运动。
• 运动控制系统的分类：根据不同的分类标准，运动控制系统可以分为不同的类型。如按照控制方式可以分为开环控 制和闭环控制；按照控制精度可以分为普通运动控制系统和精密运动控制系统等。
火箭发射和姿态控制：电力传动控制系统用于火箭发射和姿态控制，确保火箭在复杂环境中的 稳定性和可靠性。
太空探测器运动控制：电力传动控制系统用于太空探测器的精确运动控制，实现探测器在太空 中的精确导航和定位。
05
运动控制系统的应 用
数控机床领域的应用
数控机床概述 运动控制系统在数控机床中的应用 运动控制系统在数控机床中的优势 运动控制系统在数控机床中的发展趋势
自动化生产线领域的应用
电力拖动自动控制系统：运动控制系统：第二章
L R
式中 arctg
； — 一个电流脉波的导通角。
2.1 直流调速系统用的可控直流电源
2.V-M系统-机械特性 在电流连续续区，机械特 性很软，理想空载转速翘得 很高。
2.V-M系统-放大系数与传函-放电系数
U d Ks U c
晶闸管的触发和整流装
置的输入量是Δ Uc，输出量
是Δ Ud，放大系数Ks可由工 作范围内的特性斜率决定； 如果没有实测特性，也 可根据装置的参数估算。
晶闸管触发与整流装置的输入-输出特
性和Ks的测定
2.1 直流调速系统用的可控直流电源
-
G-M系统原理图
2.1 直流调速系统用的可控直流电源
2.V-M系统
晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）原理图
2.1 直流调速系统用的可控直流电源
2.V-M系统-等效电路图
R + Ud0 _ id L + E _
等效电路图
di d （2-2) u d0 E i d R L dt 式中 E — 电动机反电动势（V）；
（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，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。
（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。
2.1 直流调速系统用的可控直流电源
带负载单相全控桥式整流电路的输出电压和电流波形
2.1 直流调速系统用的可控直流电源
电力拖动自动控制系统--运动控制系统(2)PPT学习教案
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
第24页/共200页
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
电力传动控制系统——运动控制系统(习题解答)之欧阳引擎创编
电力传动控制系统——运动控制系统欧阳引擎（2021.01.01）（习题解答）第1章电力传动控制系统的基本结构与组成 (1)第2章电力传动系统的模型 (14)第3章直流传动控制系统 (19)第4章交流传动控制系统 (31)第5章电力传动控制系统的分析与设计* (40)第1章电力传动控制系统的基本结构与组成1. 根据电力传动控制系统的基本结构，简述电力传动控制系统的基本原理和共性问题。
答：电力传动是以电动机作为原动机拖动生产机械运动的一种传动方式，由于电力传输和变换的便利，使电力传动成为现代生产机械的主要动力装置。
电力传动控制系统的基本结构如图1-1所示，一般由电源、变流器、电动机、控制器、传感器和生产机械（负载）组成。
图1-1 电力传动控制系统的基本结构电力传动控制系统的基本工作原理是，根据输入的控制指令（比如：速度或位置指令），与传感器采集的系统检测信号（速度、位置、电流和电压等），经过一定的处理给出相应的反馈控制信号，控制器按一定的控制算法或策略输出相应的控制信号，控制变流器改变输入到电动机的电源电压、频率等，使电动机改变转速或位置，再由电动机驱动生产机械按照相应的控制要求运动，故又称为运动控制系统。
虽然电力传动控制系统种类繁多，但根据图1-1所示的系统基本结构，可以归纳出研发或应用电力传动控制系统所需解决的共性问题：1）电动机的选择。
电力传动系统能否经济可靠地运行，正确选择驱动生产机械运动的电动机至关重要。
应根据生产工艺和设备对驱动的要求，选择合适的电动机的种类及额定参数、绝缘等级等，然后通过分析电动机的发热和冷却、工作制、过载能力等进行电动机容量的校验。
2）变流技术研究。
电动机的控制是通过改变其供电电源来实现的，如直流电动机的正反转控制需要改变其电枢电压或励磁电压的方向，而调速需要改变电枢电压或励磁电流的大小；交流电动机的调速需要改变其电源的电压和频率等，因此，变流技术是实现电力传动系统的核心技术之一。
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中，这个模型可以以任意角速度旋转，也可以保持静止，
第2章－电力传动系统的模型
2.2.1 统一电机理论的基本思路
从本质上看，旋转电机都是由若干具有相对运动的 电磁耦合线圈所组成的，因此各种电机的电磁关系和运 动方程应具有统一性。根据这一思路，G.Kron提出了原 型电机的概念，分析了原型电机的基本电磁关系，并研
uF RF LF p iF
（2-2）
-4-
第2章－电力传动系统的模型 若忽略粘性磨擦及弹性转矩，电机轴上的动力学方程为
Te TL Jpm Dωm
电磁转矩 Te
（2-3）
GaFiFia
机械阻尼系数
-5-
第2章－电力传动系统的模型 这样，由式（2-1）、式（2-2）和式（2-3）就构
第2章－电力传动系统的模型
第2章 电力传动系统的模型
2.1 直流电动机的模型
2.2 统一电机理论模型 2.3 交流电动机的模型 2.4 坐标变换理论 2.5 基于统一电机理论的交流电动机建模 2.6 电力电子变流器的建模
-1-
第2章－电力传动系统的模型
电力传动系统的数学模型是研究其控制策略的基
础。本章首先利用等效电路建立直流电动机模型，作 为建模方法的典型示例。然后从统一电机理论出发， 以原型电机作为物理模型，建立电动机的通用数学模 型，以电压平衡方程和转子运动方程的形式作为电动
-6-
第2章－电力传动系统的模型
2.2 统一电机理论模型
2.2.1 统一电机理论的基本思路 2.2.2 第一种原型电机 2.2.3 第二种原型电机 2.2.4 由统一电机理论建立的直流电动机模型
-7-
第2章－电力传动系统的模型 直流电动机的数学模型还是比较简单的，交流电动
机的数学模型就复杂得多，而且由于其种类繁多，如果
合电路，因此其数学模型的建立应具有相似性或统一性。
把定子变量变换到固定在转子的参考模型上，以消除同
步电机电压方程的时变电感，这种变换称为Park变换。
-9-
第2章－电力传动系统的模型
后来，G.Kron也提出一种变量变换，把转子变量和
定子变量变换到同一个参考模型上，这个参考模型与旋 转磁场同步旋转，这样也能消除感应电机的时变互感。 Park和Kron变换随后被发展成为统一电机理论，其基本 思想是通过把定子变量和转子变量变换到一个参考模型 从而消除时变电感。 本节从统一电机理论与坐标变换出发，建立电动机 的统一模型，为建立交流异步电动机和同步电动机的数 学模型奠定理论基础。
究了原型电机与其它各种电机之间的联系。研究结果表
明，任何电机的数学模型都可以从原型电机中导出，并 用统一的方法求解。原型电机又称为一般化电机，这一 理论称为统一电机理论或一般化电机理论，它是电机理 论的一个重大发展。
-11-
第2章－电力传动系统的模型 近代电机理论的分析和研究，一种是采用向量分析 方法，用向量来表达电机的电压、电流、磁链等变量之
机模型的一般表达式。在统一电机理论的基础上，通
过坐标变换，给出各类交流电动机的数学模型。最后 讨论如何建立电力电子变流器的数学模型，为后续控 制系统的分析与设计奠定基础。
-2-
第2章－电力传动系统的模型
2.1 直流电动机的模型
+ ia ua Ea + + uF _
a)
_ Ra ia La + Ea _ LF RF iF + uF _
第一种原型电机是从一般的直流电机抽象得出的，
这是一种具有直、交轴线的装有换向器的理想电机，其 特点就是定、转子绕组的轴线在空间均是固定不动的。 如图2-2a所示，电机的定子为凸极，转子装有换向器绕 组，在换向器的直轴和交轴位置上分别装有一对电刷，
出发，而可以通过统一的原型电机模型，经过一定的坐
标变换，直接建立所研究电机的数学模型。 Kron所提出的原型电机有两种：一种是定、转子绕 组的轴线在空间均为固定不动的原型电机，称为第一种 原型电机；另一种是转子绕组轴线在空间旋转的原型电
机，称为第二种原型电机。下面分别予以介绍。
-14-
第2章－电力传动系统的模型 2.2.2 第一种原型电机
成了他励直流电动机的数学模型。为简便起见，在实际
使用时往往忽略机械阻尼系数D的作用，即有
ua Ra La p ia GaFmiF uF RF LF p iF Te GaFiFia Te TL Jpm
（2-4）
电磁转矩系数 （感应电动势系数）
的基本方程； 2）提出所研究电机的动态电路模型； 3）把所研究的电机和具有相应数量线圈的原型电 机加以对比，建立联系矩阵；
4）通过联系矩阵，从原型电机的基本方程出发，
导出所研究电机的数学模型； 5）再通过特定的坐标变换，把数学模型进一步变 换成易于求解的形式，然后求解。
-13-
第2章－电力传动系统的模型 这样，分析各种电机时，不再需要从基本电磁定律
间的关系；还有一种是采用矩阵分析方法，用电压、电
流和磁链矩阵来描述电机变量关系。由于矩阵分析方法 要优于向量分析方法，本节以矩阵分析法为基本工具， 基于统一电机理论建立电动机的数学模型。
-12-
第2章－电力传动系统的模型 用统一电机理论建立电机模型的基本思路如下：
1）运用电磁学和力学的基本定律，建立原型电机
ωm iF Te TL 负载
ua _
b)
图2-1 他励直流电动机模型
a) 物理量的参考正方向 b) 等效电路
-3-
第2章－电力传动系统的模型 假定主电路电流连续，则电枢回路的动态电压方程为
ua Ra La p ia Ea
Ea GaFmiF（2-1）电枢感源自电动势励磁回路的动态电压方程为
根据电机理论，按不同电动机的结构建立各自的电路和 磁路方程，则所建立的方程将形式各异，比较繁杂。特 别是由于电动机的旋转使得定子和转子之间的互感是随 时间变化的变量，更给电机分析和模型应用带来不便。
-8-
第2章－电力传动系统的模型
如果仔细探究电机的机理，可以发现，虽然电机结
构各异，但在电磁本质上却都是一种具有相对运动的耦 基于这样的理念，在 20世纪20年代末， R.H.Park 提出一 种新的电机分析方法，它系统地阐述了一种变量变换，