电力拖动控制系统第1章
《电力拖动自动控制系统》习题解答(前三章)
《电力拖动自动控制系统》部分习题解答第一章1. 什么叫调速范围、静差率？它们之间有什么关系？怎样才能扩大调速范围？ 答：①调速范围——电动机在额定负载下调速时，允许的最高转速max n 与最低转速minn 之比叫做调速范围，用D 表示，即min max n nD =②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N n ∆与理想空载转速0n 之比，称作静差率S ，即0N n nS ∆=③直流变压调速系统中调速范围、静差率和额定速降之间的关系为)1(s n s n D N N -∆=④采用闭环控制方式，使转速降落N n ∆能够大幅度下降，才能保证在静差率S 不变的前提下扩大调速范围。
2. 某一调速系统，测得的最高转速特性为n 0max ＝1500 r/min ，带额定负载时的速降N n ∆＝15 r/min ，最低速特性为n 0min ＝100 r/min ，额定速降不变，试问系统能达到的调速范围有多大？系统允许的静差率是多少？解：已知N n ∆＝15 r/min ，有n max ＝n 0max －N n ∆＝1500 r/min －15 r/min ＝1485 r/min n min ＝n 0min －N n ∆＝100 r/min －15 r/min ＝85 r/min 于是调速范围47.17851585minmax ===n n D静差率%15%10010015%100min0=⨯=⨯∆=n n s N答：系统能达到的调速范围是17.47；允许的静差率是15%。
3. 为什么加负载后直流电动机的转速会降低，它的实质是什么？答：当负载电流增大后，电枢电阻上压降增大，使E 减小，导致转速n 必然下降。
实质是电枢电阻的存在导致压降增大。
4. 某调速系统的调速范围是1500 ~ 150 r/min ，要求静差率为s ＝2% ，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100 r/min ，则闭环系统的开环放大系数应有多大？解：①已知101501500==D ，又)1(s n s n D N N -∆=06.3)02.01(1002.01500)1(N N =-⨯=-=∆s D s n n r/min也可以这样计算n n n n n s NNN ∆+∆=∆=min 0 min r/06.302.0102.01501min N =-⨯=-=∆s s n n ②因为 K1op cl +∆=∆n n所以 68.31106.31001K clop =-=-∆∆=n n答：要求静差率为s ＝2%时，系统允许的静态速降是3.06r/min ；如果开环系统的静态速降是100 r/min ，则闭环系统的开环放大系数应有31.68。
电力拖动自动控制系统—运动控制系统第1章绪论
随着环保意识的提高，电力拖动 自动控制系统将更加注重节能减 排和资源循环利用，实现绿色环 保的生产方式。
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提高产品质量
自动化控制能够减少人为误差，提高 产品加工精度和一致性，从而提高产 品质量。
提升工业安全
自动化控制能够减少人工操作，降低 操作风险，提升工业安全。
电力拖动自动控制系统在工业中的应用案例
数控机床
自动化生产线
电力拖动自动控制系统用于数控机床的进 给轴、主轴等部分，实现高精度、高效率 的加工。
重要性
在现代工业生产中，电力拖动自动控制系统已成为不可或缺的重要技术手段， 它能够提高生产效率、降低能耗、保证产品质量和生产安全，对于实现工业自 动化和智能化具有重要意义。
电力拖动自动控制系统的历史与发展
历史
电力拖动自动控制系统的发展可以追溯到20世纪初，随着电力技术和控制理论的 发展，电力拖动自动控制系统经历了从简单到复杂、从手动到自动的演变过程。
重要性
在现代工业自动化生产中，运动控制 系统扮演着至关重要的角色，它能够 提高生产效率、降低能耗、提升产品 质量，是实现自动化生产的关键技术 之一。
运动控制系统的基本组成
控制器
用于接收输入信号，根据控制 算法计算输出信号，并输出到
执行机构。
执行机构
根据控制器输出的信号，驱动 电动机转动，实现运动控制。
特性。
交流电力拖动系统
采用交流电动机作为动力源，具有 结构简单、价格低廉、维护方便等 优点。
伺服电力拖动系统
采用伺服电动机作为动力源，具有 高精度、高响应速度和高稳定性的 特点，常用于精密控制领域。
电力拖动系统的基本特性
调速性能
电力拖动与控制课后答案__李岚_梅丽凤
第一章电力拖动系统的动力学基础1-1什么是电力拖动系统?它包括那几部分？都起什么作用？举例说明．答：由原动机带动生产机械运转称为拖动。
用各种电动机作为原动机带动生产机械运动，以完成一定的生产任务的拖动方式，称为电力拖动。
电力拖动系统，一般由电动机、机械传动机构、生产机械的工作机构、控制设备和电源五部分组成。
其中，电动机作为原动机，通过传动机构带动生产机械的工作机构执行某一生产任务；机械传动机构用来传递机械能；控制设备则用来控制电动机的运动；电源的作用是向电动机和其他电气设备供电。
1-2电力拖动系统运动方式中T ，T n 及n 的正方向是如何规定的？如何表示它的实际方向？答：设转速n 对观察者而言逆时针为正，则转矩T 与n 的正方向相同为正；负载转矩T L 与n 的正方向相反为正。
与正方向相同取正，否则取反。
1-3试说明GD ２的概念答：J=gGD 42即工程中常用表示转动惯量的飞轮惯量。
1-4从运动方程式中如何看出系统是处于加速、减速、稳速或静止等运动状态？答:当L T T >时，0>dt dn ，系统加速；当L T T <时，0<dt dn ，系统减速。
当L T T =时，0=dt dn ，转速不变，系统以恒定的转速运行，或者静止不动。
1-5多轴电力拖动系统为什么要折算为等效单轴系统？答:多轴电力拖动系统，不同轴上有不同的转动惯量和转速，也有相应的反映电动机拖动的转矩及反映工作机构工作的阻转矩，这种系统比单轴拖动系统复杂，计算较为困难，为了简化计算，一般采用折算的办法，把多轴电力拖动系统折算为等小的单轴系统。
1-6把多轴电力拖动系统折算为等效单轴系统时负载转矩按什么原则折算？各轴的飞轮力矩按什么原则折算？答:功率相等原则;能量守恒原则.1-7什么是动态转矩？它与电动机负载转矩有什么区别？答:动态转矩是指转矩是时间的函数.而负载转矩通常是转速的函数.1-8负载的机械特性有那几种类性？各有什么特点？答：恒转矩负载特性：与n 无关，总是恒值；恒功率负载特性：与n 成反比例变化；通风机负载特性：与n 2成正比例变化。
第01章-电力拖动控制系统的基本结构与组成
(1) 直流调速系统——采用直流电动机作为系统驱
动器，相应的电能变换器则需选用直流变换器，比如： 可控整流器、直流斩波器等； (2) 交流调速系统——采用交流电动机作为系统驱 动器，相应的电能变换器则需选用交流变换器，比如：
交流调压器、各种变频器等。
-8-
第1章－电力拖动控制系统的基本结构与组成 2．位臵控制系统
-29-
第1章－电力拖动控制系统的基本结构与组成 三相同步电动机的工作原理是：
当定子对称绕组通以三相对称电流时，定子绕组就
会产生圆形旋转磁场，其旋转速度为同步转速n0。如果 转子励磁绕组也通以直流励磁电流，就在转子中产生相 应的磁极，其极对数与定子旋转磁场的极对数相同，且 保持磁场恒定不变。在两个磁场的共同作用下，转子被
由此而来。通常把同步转速n0和转子转速n之差称为转差，
转子转速 （1-3） 同步转速
-23-
n0 n s n0
第1章－电力拖动控制系统的基本结构与组成 异步电动机按其转子构造又可分为笼型转子异步电
动机和绕线转子异步电动机，可以根据实际应用要求选
择电动机。 根据异步电动机的转速方程
60 fs n 1 s np
统角度，任何自动控制系统的核心都是控制方法的研究
和控制策略的选择，电力传动控制系统也不例外。根据 生产工艺要求，研发或选择适当的的控制方法或策略是 实现电力传动系统自动控制主要问题。
-13-
第1章－电力拖动控制系统的基本结构与组成
1.2 电动机的主要类型
1.2.1 直流电动机 1.2.2 交流电动机
-4-
第1章－电力拖动控制系统的基本结构与组成
电源 控制指令 控制器 变流器 电动机 负载
传感器 图1-1 电力传动自动控制系统的基本结构
第1章(电力拖动控制系统)__华科__马志源
b)
( )
根据功率相等原则： T FV
（2）运动质量m的折算
根据动能相等原则，系统储存的动能相等。
例，把电机轴的旋转动能折算为直线运动动能后，两者相等： 得直线运动质量为：
mM J M ( ) 2 V
1 1 2 J M mM V 2 2 2
总拖动质量m是电动汽车总质量加上旋转部分的折算值 总拖动质量为：
1.2 电力拖动系统的机械特性
1.2.1 机械特性
1. 机械特性是指转速与转矩之间的关系曲线，即 n f (T ) 负载机械特性 n f (Tl ) 机械特性 固有机械特性 电动机机械特性 n f (T ) 人为机械特性
转速n 、转矩T都有正、负值 ,要选定参考正方向。
2. 运行状态： 电动：转矩与转速的方向一致 制动：转矩与转速的方向相反 3. 四象限运行：
的实用形式为
GD2 dn T T 375 dt
375具有加速度量纲
GD2 4gJ 称为飞轮矩 ( N m2 )
1.1.4 速度控制的本质是对转矩的控制
一、由运动方程式 J
d dt
可知：
当 T=Tl 时， dΩ/dt=0，电力拖动系统处在匀速旋转（含静止不动）的稳态中。 当 T>Tl 时，dΩ/dt>0，电力拖动系统处在加速（或反向减速）状态 。
电力拖动控制系统
华中科技大学电气学院电机及控制系 • 讲课教师：黄声华，王双红 87542626转8103（O） • 办公地点：电机楼－前楼103 • Email： Shhuang51@wshs.hust.edcn 上课时间：周二7-8，周四5-6 • 上课地点：西十二S210
M
负载
T1
电力拖动运动控制系统平时作业答案
电⼒拖动运动控制系统平时作业答案第⼀章1、请画出运动控制系统及其组成的框图。
答：运动控制系统由电动机、功率放⼤与变换装置、控制器及相应的传感器等构成，其框图如下：2、如果请你设计⼀辆电动滑板车，请问这个电动滑板车的构成？答：由刹车开关、电池电压取样、限流保护、驱动电路、直流有刷电机、霍尔调速⼿柄等===================================================================== 第⼆章1、请写出直流电动机的稳态转速公式，并分析转速与电枢电压的关系。
答：直流电机的稳态转速公式转速n=U-(IR+L*di/dt)/Kφ，I是电枢电流，R是电枢回路的电阻φ是励磁磁通，k是感应电动势常数所以从公式可以看出，要想对直流电机进⾏调速，⼀般的⽅法有两种：⼀种是对励磁磁通φ进⾏控制的励磁控制法，⼀种是对电枢电压U进⾏控制的电枢电压控制法。
2、什么是调速范围和静差率？调速范围、静态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多了”？3、某⼀直流调速系统，测得的最⾼转速特性为=1500 r/min, 最低转速特性为=150 r/min。
电动机额定转速为，带额定负载时的速度速降 =15r/min，且在转速下额定速降如不变，试问系统能够达到的调速范围D是多少？系统允许的静差率s是多少？解：4、转速单闭环调速系统有那些特点？改变给定电压能否改变电动机的转速，为什么？如果给定电压不变，调节测速反馈电压的分压⽐是否能够改变转速，为什么？如果测速发电机的励磁发⽣了变化，系统还有克服什么⼲扰的能⼒？答：1）转速单闭环调速系统有以下三个基本特征①只⽤⽐例放⼤器的反馈控制系统，其被被调量仍是有静差的。
②反馈控制系统的作⽤是：抵抗扰动，服从给定。
扰动性能是反馈控制系统最突出的特征之⼀。
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。
电力拖动及其控制系统习题解
第1章 单环控制直流调速系统1-1 什么叫调速范围？什么叫静差率？调速范围与静态速降和最小静差率有什么关系？如何扩大调速范围？为什么？答：最高转速和最低转速之比叫做调速范围，m inm in m ax n nn n D N ==。
静差率是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n n s ∆=。
调速范围、静差率和额定速降之间的关系是：(1)N N n sD n s =∆-只有设法减小静态速降Δn N 才能扩大调速范围，减小静差率，提高转速的稳定度。
1-2 在直流调速系统中，改变给定电压能否改变电动机的转速？为什么？若给定电压不变，调整反馈电压的分压比，是否能够改变转速？为什么？答：改变给定电压可以电动机的转速，因为系统对给定作用的变化唯命是从；调整反馈电压的分压比可以改变转速，因为*n U n α=。
1-3 转速负反馈系统的开环放大系数为10，在额定负载时电动机转速降为50r/min ，如果将系统开环放大系数提高为30，它的转速降为多少？在同样静差率要求下，调速范围可以扩大多少倍？解：50/min N n r ∆=，10K =又Kn n opcl +=1∆∆，则550/min op n r ∆=开环放大系数提高为30，,55017.74/min 1130cl opn n r K ∆∆===++由(1)N cl n s D n s =∆-，s 和N n 不变，则211502.8217.74D D D ==所以，在同样静差率要求下，调速范围可以扩大2.82倍.1-4 某调速系统的调速范围是100~1000 r/min ，要求S =5%，系统允许的静态转速降是多少？如果开环系统的静态转速降为50 r/min ，则闭环系统的开环放大系数应为多大？ 解： max min 100010100n D n === 10000.05(1)(10.05)N cl cl n s D n s n ⨯==∆-∆⨯-， 5.26/min cl n r ∆=又K n n op cl +=1∆∆，则5018.55.26K =-=1-5 某调速系统的调速范围D =10，额定转速n N =1000 r/min ，开环转速降Δn N =200 r/min ，若要求系统的静差率由15%减小到5％，则系统的开环放大系数将如何变化？ 解：110000.1517.65/min (1)10(10.15)N cl n s n r D s ⨯∆===-⨯-210000.05 5.26/min (1)10(10.05)N cl n s n r D s ⨯∆===-⨯-12001110.3317.65opcl n K n ∆=-=-=∆，22001137.025.26op cl n K n ∆=-=-=∆2137.02 3.5810.33K K ==，开环放大系数扩大3.58倍。
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。
第1章：电力拖动系统的基础
10
图1-3 多轴拖动系统 （a）旋转运动 （b）直线运动
11
1.2.1负载转矩的折算
负载转矩是静态转矩，可根据静态功率守恒原 则进行折算。
对于旋转运动，如图1.3（a）所示，当系统匀 速运动时，生产机械的负载功率为
PL TLL
式中，TL ——生产机械的负载转矩；
电机拖动与控制
第1章 电力拖动系统的基础
1
第一章：电力拖动系统的基础
§1.1 ：电力拖动系统的概述
• 电力拖动系统是用电动机来拖动机械运行的系统。 包括：电动机、传动机构、控制设备三个基本环节。
• 电力拖动系统框图如下：
电源
控制设备
电动机
传动机构
生产机构
2
电力拖动系统的运行状态分：静态和动态 静态：稳定运行状态或稳态（静止或匀速，系统
4
在旋转运动中，系统的运动方程式为：
T TL
J
d dt
T:电动机的电磁转矩，N.m； TL:生产机械的负载转矩， N .m ； J:转动部分的转动惯量，kg.m2； Ω:转动部分的机械角速度，rad/s；
5
在工程计算中，常用n代替 表示系统速度， 用飞轮力矩GD2代替J表示系统机械惯性。
J =m2=(G/g)(D2 )/4=GD2/4g
m：系统转动部分的质量，Kg； G：系统转动部分的重量，N； ：系统转动部分的转动半径，m ； D ：系统转动部分的转动直径，m ； g ：重力加速度=9.81m/s2
6
运动方程的实用形式为： GD 2 dn
T TL = 375 dt
系统旋转运动的三种状态
1）当T＞TL时，转速变化率 dn / dt ＞0，则拖动系统加 速运行；
《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。
第1章电力拖动自动控制系统运动控制系统第5版
1.4 生产机械的负载转矩特性
生产机械的负载转矩是一个必然存 在的不可控扰动输入。
归纳出几种典型的生产机械负载转 矩特性，实际负载可能是多个典型 负载的组合，应根据实际负载的具 体情况加以分析。
恒转矩负载
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
TL 常数
1.3 运动控制系统转矩控制规律
运动控制系统的基本运动方程式
d
( J m
dt
)
Te
TL
Dm
Km
dm
dt
m
1.3 运动控制系统转矩控制规律
当J为常数时，运动控制系统的基本 运动方程式
J
d m
dt
Te
TL
Dm
K m
d m
dt
m
1.3 运动控制系统转矩控制规律
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比。
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。
交流调速系统
基于稳态模型的交流调速系统 转速开环的变压变频调速 转速闭环的转差频率控制系统
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 运动控制系统转矩控制规律 生产机械的负载转矩特性
现代运动控制技术
电机学、电力电子 技术、微电子技 术、计算机控制 技术、控制理论、 信号检测与处理 技术等多门学科 相互交叉的综合 性学科 。
图1-1运动控制及其相关学科
1.1 运动控制系统及其组成
图1-3 恒转矩负载
电力拖动课件及其课后题答案
开环调速已不能满足要求，原因所在：
nnom I dnom R Ce
负载电流在回路电阻上的压降太大，电流 的稍微变化将引起很大的电压变化，从而 转速改变。如何控制转速量的变化呢？
二、开环系统存在的问题
开环系统只适用用于对调速精度要求不高的 场合，但许多需要无级调速的生产机械为了 保证加工精度，常常对调速精度提出一定的 要求，这时，开环调速已不能满足要求。 解决思路： 引入反馈控制思想（提出闭环的必要性） 反馈的手段
开环机械特性曲线
假定： 1）忽略各种非线性因素，假定系统中各环 节的输入输出关系都是线性的，或者只 取其线性工作段。 2）忽略控制电源和电位器的内阻
转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下：
un
* 比较环节 U n U n U n
电机端电压方程E U d 0 I d R 测速反馈环节 U n n 电动机环节
—从自然换相点算起的触发脉冲控制角； Um— = 0 时的整流电压波形峰值（V）；
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，它们的数值见表1-1。
表1-1 不同整流电路的整流电压波形峰值、脉波数及平均整 流电压
整流电路 Um m Ud0 单相全波 2U2 * 2 0.9U 2 cos 三相半波 三相全波 六相半波
第一节 晶闸管-电动机 调速系统的特点
本节讨论V-M系统的几个主要特点： （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）晶闸管-电动机系统的机械特性。
触发脉冲相位控制
a) u1
T
VT uV T u2
id L ud R
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。
电力拖动与运动控制系统第一章课后答案
1-2有一V-M 调速系统，电动机参数为：PN=2.5kW ，UN=220V ，IN=15A ，nN=1500r/min,电枢电阻Ra=2Ω,整流装置内阻Rrec=1Ω，触发整流环节的放大倍数Ks=30。
要求系统满足调速范围D=20，静差率s ≤10%。
（1）计算开环系统的静态速降Δnop 和调速要求所允许的闭环静态速降Δncl 。
（2）采用转速负反馈组成闭环系统，试画出系统的原理图和静态结构框图。
（3）计算放大器所需的放大倍数。
解：（1）（2）r V n I R U C N N a N e min/127.01500152220•=⨯-=-=()()min /33.354127.01512r C I R R ne N rec a op =+=+=∆ ()()m in /33.81.01201.015001r S D s n n N cl =-⨯=-=∆（3）1-7 某直流调速系统，其额定数据如下：60kW ，220V ，305A ，1000r/min ，Ra=0.05，电枢回路总电阻R=0.18 ，如果要求调速范围 D = 20，静差率s<= 5%，问开环系统能否满足要求？解：如果要求D=20，S<=5%， 所以，开环不能满足要求。
54.41133.833.3431=-=-∆∆=cl op n n K 79.802.030127.054.41=⨯⨯==αs e p K KC K 205.0100005.0305220=⨯-=-=∴-=N a N a N N n R I U Ce CeR I U n min /8.267205.018.0305r Ce R I n N N =⨯==∆m in /63.2)05.01(2005.01000)1(r D s s n n N N =-⨯≤-=∆1-8 带电流截止负反馈的转速负反馈单闭环有静差调速系统，已知：最大给定电压Unm=15v 。
直流电机额定数据如下：30kW ，220V ，160A ，1000r/min ，Ra=0.1，电枢回路总电阻R=0.4 ，Ks=40。
电力拖动自动控制系统—运动控制系统第1章绪论
03 电力拖动系统基础知识
电力拖动系统概述
电力拖动系统的定义
利用电动机将电能转换为机械能，实 现对机械运动过程的控制。
电力拖动系统的组成
电力拖动系统的分类
根据电动机类型、传动方式和控制要 求等不同，可分为直流电力拖动系统 和交流电力拖动系统。
包括电动机、传动机构、控制设备和 电源等部分。
直流电机与交流电机原理及应用
插补功能
根据预设轨迹生成中间点，实 现平滑运动。
输入输出处理
接收外部信号并处理，输出控 制信号给执行器。
传感器与执行器
传感器类型
包括光电编码器、磁编码器、霍尔传感器等。
传感器与执行器的匹配
根据被控对象和控制要求选择合适的传感器 和执行器。
执行器类型
包括直流电机、交流电机、步进电机、伺服 电机等。
性能参数
为了提高跟踪精度和响应速度，常采 用先进的控制算法，如自适应控制、 滑模变结构控制等。
关节控制系统通过接收来自上位控制器的指 令，驱动伺服电机或步进电机等执行机构， 实现关节的精确角速度或角位移跟踪。
包装机械中物料传输线速度调节
包装机械中的物料传输线负责 将待包装物品传输到包装工位， 其速度调节对于保证包装效率 和质量至关重要。
智能化、网络化的发展推动了运 动控制系统的变革和升级，但同 时也需要解决相关的技术难题和
安全问题。
未来研究方向和热点问题探讨
新型传感器和执行器的研发与应用
探索新型传感器和执行器的原理、结构、制造工艺等关键技术，提高 其性能、可靠性和寿命。
先进控制策略的研究与优化
针对复杂非线性系统，研究更为先进的控制策略，提高系统的控制精 度和稳定性。
性能指标定义及分类
《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。
《电力拖动自动控制系统》复习要点
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。
电力拖动控制系统习题
“电力拖动控制系统”习题第一章习题1-1 某V-M 系统，电动机数据为：P nom =10kW ，U nom =220V ，I nom =55A ，n nom =1000r/min ，R a =0.1Ω。
若采用开环控制系统，且仅考虑电枢电阻引起的转速降。
1．要求s =10%，求系统调速范围。
2．要求调速范围D =2，则其允许的静差率s 为多少？ 3．若要求D =10，s =5%，则允许的转速降Δn nom 为多少？1-2 在电压负反馈单闭环有静差调速系统中，当下列参数变化时系统对其是否有抑制调节作用，为什么？1．放大器的放大系数K p 。
2．供电电网电压。
3．电枢电阻R a 。
4．电动机励磁电流。
5．电压反馈系数γ。
1-3 某调速系统的调速范围是150~1500r/min ，即D =10，要求静差率s =2%，此时系统允许的稳态速降是多少？如果开环系统的稳态速降是100r/min ，此时闭环系统的开环放大系数应有多大？1-4 在教材图1-23（P 19）所示的转速负反馈有静差系统中，当U n *不变时调整转速反馈电位计RP 2，使转速反馈系数α增大至原来的2倍。
试问电动机转速n 是升高还是下降？系统的稳态速降比原来增加还是减小？对系统稳定是有利还是不利？为什么？1-5 在带电流截止环节的转速负反馈系统中，如果截止比较电压发生变化，对系统的静特性有什么影响？如果电流反馈电阻R s 的大小发生变化，对静特性又有什么影响？ 1-6 某调速系统原理图如下：已知数据如下：电动机：P nom =30kW ，U nom =220V ，I nom =157.8A ，n nom =1000r/min ，R a =0.1Ω。
采用三相桥式整流电路，等效内阻R rec =0.3Ω，K s =40。
最大给定电压为U nm *=15V ，当主电路电流最大时，整定U im =10V 。
设计指标：D =50，s =10%，I dbl =1.5I nom ，I dcr =1.1I nom 。
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TL
调磁调速特性曲线
Te
※自动控制的直流调速系
统往往以调压调速为主。
第1章
单闭环直流调速自动控制系统
1.1 直流调速的预备知识
1.2 比例调节的单闭环直流调速自动控制系统
1.3比例积分调节的单闭环直流调速自动控制系统
1.4 单闭环直流调速自动控制系统的限流保护
1.1 直流调速的预备知识
1.1.1 直流调速的可控电枢电源
解： 当电流连续时，V-M系统的额定速降为：
nN I dN R 305 0.18 =275r/min Ce 0.2
开环系统在额定转速时的静差率为：
sN nN 275 0.216 21.6% nN nN 1000 275
如要求D=20，静差率S≤5%，即要求：
重要结论： 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。
1.2 比例调节的单闭环 直流调速自动控制系统
1.2.1 开环控制系统及其存在的问题
• 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.
* n
K p K sU
* n
式中:
K
K p K s Ce
—闭环系统的开环放大系数
• 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。
系统的稳态结构图
1.2.3 P调节单闭环直流调速 自动控制系统稳态参数设计
1．开环系统机械特性和比例控制闭环系统静特性的关系 断开反馈回路，则系统的开环机械特性为
运动控制系统
第 1 篇
直流调速自动控制系统
回顾：直流调速方法
直流电机转速方程 :
由上式得出：有三种方法调节电动机的转速。 （1）调节电枢供电电压U；
（2）减弱励磁磁通 ；
（3）改变电枢回路电阻R。
（1）调压调速
• 工作条件： n 保持励磁 = N ； n0 保持电阻 R = Ra • 调节过程： 改变电压 UN U U n ， n0 • 调速特性： O 转速下降，机械特性 曲线平行下移。
U d0 I d R n Ce
* K p KsU n
Ce
RId n0op nop Ce
而闭环时的静特性可写成
RId n n0cl ncl Ce (1 K ) Ce (1 K )
* K p KsU n
系统特性比较
（1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特 性硬得多。
V-M系统的特点 弱点控制强电。 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。
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”。
开环调速系统的原理图
开环系统的机械特性 • 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 K U
d0 s c
直流电动机
U d 0 I dR n Ce
• 开环调速系统的机械特性为
变换器的放 大倍数
U d 0 RId K sU c RId n Ce Ce Ce
U d 0 RId K sU c RId n Ce Ce Ce
结论： P调节的单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。
eg2:在例题eg1中，要想满足工艺要求将系统改为P 调节的单闭环直流调速自动控制系统，请问怎样 设计P调节器的放大系数才能满足要求？ （α=0.015V.min/r；Ks=30）
开环直流调速系统的机械特性
开环系统的稳态结构图
eg1: 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=0.18，Ra=0.05 ，如果要求调速范围 D = 20 ，静差率 5%，采用开环调速能否满足？若要 满足这个要求，系统的额定速降最多能有多少？
nmax D nmin
其中nmin 和nmax 一般都指电机额定负载时的转速.
• 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 nN 与 理想空载转速想空载转速相同,机械特性越硬,S越低. 对系统而言,要求S越低越好.
Eg3：用线性集成电路运算放大器作为电压放大器的单闭环直流 调速自动控制系统如图1-12所示，主电路是由晶闸管可控整流器供 电的V-M系统，已知数据如下： 电动机：额定数据为10KW，220V，55A，1000r/min，电枢电阻 Ra=0.5Ω； 晶闸管触发整流装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器Y/Y 联接，二次线电压U21=230V，电压放大系数Ks=44；V-M系统电枢 回路总电阻R=1.0Ω； 测速发电机：永磁式，额定数据为23.1KW，110V，0.21A， 1900r/min； 直流稳压电源为±15V。 若生产机械要求调速范围D=10，静差率S≤5%，试计算调速自动 控制系统的稳态参数。（暂不考虑电动机的起动问题）。
电力电子变换器
调速系统开环机械特性
U d 0 I d R Ud0—UPE 的理想空 n 载输出电压； Ce
测速反馈环节
U n n
R— 电 枢 回 路 总 电 阻。
系统的静特性方程式
RI d n Ce (1 K p K s / Ce ) Ce (1 K ) Ce (1 K ) K p K sU I d R
ncl nop 1 K
（2）如果比较同一n0的开环和闭环系统，则 闭环系统的静差率要小得多。
scl
sop 1 K
（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。
Dcl (1 K ) Dop
（4）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。
nN nN s 1000 0.05 2.63r / min D(1 s ) 20 (1 0.05)
由以上分析可以看出，显然采用开环直流调速控制 系统没有办法满足工艺要求。我们知道调速范围和 静差率是相互制约的两个量，既要扩大调速范围又 要降低静差率，唯一的办法是减少因负载所引起的 转速降△nN。
P调节单闭环直流控制系统的结构
运放 （比较） 调节器
给定 环节
带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图
测速发电机
稳态关系
电压比较环节 放大器
U n U U n
* n
Kp— 放大器的电压 放大系数；
U c Kp U n
U d0 KsUc
Ks— 电力电子变换 器的电压放大系 数； —转速反馈系数 （V· min/r）；
nN nN s n0 min nmin nN
于是，最低转速为
nN (1 s)nN nmin nN s s
而调速范围为
nmax nN D nmin nmin
将上面的式代入 nmin，得
常用公式,理 解记忆!!
s 值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。
（2）V-M系统完整机械特性
当电流连续时， 特性比较硬； 断续段特性则很 软，而且呈显著 的非线性，理想 空载转速翘得很 高。
2 直流脉宽调速系统的机械特性
机械特性方程
R R n I d n0 Id Ce Ce Ce
U s
或用转矩表示，
R R n Te n0 Te Ce CeCm CeCm
• 晶闸管整流器——用可控整流器，以获得可调的直流电 压。 • 直流脉宽调制变换器(PWM)——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进行脉宽调制， 以产生可变的平均电压。
1 晶闸管整流器-电动机系统
思考：
1 半控整流，电机可运行哪些象限？ 2 全控整流，电机可运行哪些象限 3 若要四象限运行，可如何改进？
解： 开环系统额定速降为 △nop=275r/min 闭环系统额定速降须为△ncl≤2.63 r/min
275 K 1 1 103.6 ncl 2.63
Kp K 103.6 46 K s / Ce 30 0.015/ 0.2
nop
因此，只要放大器的放大系数等于或大于46即可。 从分析可以看出，只需要设置一定放大倍数的P调 节器即能解决开环系统不能解决的问题。
Ra R1 R2 R3
IL
调阻调速特性曲线
I
（3）弱磁调速
• 工作条件： n 保持电压 U =UN ； n0 保持电阻 R = R a ； • 调节过程： 减小励磁 N n ， n0 • 调速特性： O 转速上升，机械特性 曲线变软。
n3 n2 n1 nN
N 1 2 3
机械特性硬度一样,S是否一样??
3. 静差率与机械特性硬度的区别
对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静 差率越大，转速的相对稳定度也就越差。 调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数 值为准。
4. 调速范围、静差率和额定速降之间的关系
设：电机额定转速nN为最高转速，转速降落为nN， 则该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即
nN n1 n2 n3 IL
调压调速特性曲线
UN U1 U2 U3
I
（2）调阻调速
• 工作条件： n 保持励磁 = N ； n0 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： O 转速下降，机械特性 曲线变软。