最新无静差直流调速系统备课讲稿
单闭环无静差直流调速系统
8.3.4 单闭环无静差直流调速系统上面介绍的采用比例调节器的单闭环调速系统，其控制作用需要用偏差来维持，属于有静差调速系统，只能设法减少静差，无法从根本上消除静差。
对于有静差调速系统，如果根据稳态性能指标要求计算出系统的开环放大倍数，动态性能可能较差，或根本达不到稳态，也就谈不上是否满足稳态要求。
采用比例积分调节器代替比例放大器后，可以使系统稳定且有足够的稳定裕量。
但是采用PI调节器之后的系统稳态性能是否满足当时并未提及。
通过下面的讨论我们将看到，将比例调节器换成比例积分调节器之后，不仅改善了动态性能，而且还能从根本上消除静差，实现无静差调速。
积分调节器和积分控制规律图所示为用线性集成电路运算放大器构成的积分调节器（简称I调节器）的原理图。
根据运算放大器的工作原理，我们可以很容易地得到（）式中，——积分调节器的积分时间常数。
式（）表明积分调节器的输出电压是输入电压对时间的积分。
当积分调节器在输入和输出都为零时，突加一个阶跃输入，其输出将随时间线性增大（如图所示），即（）其上升的速度取决于积分时间常数。
在积分调节器中，只要在调节器输入端有Uin作用，电流i不为零，电容C就不断积分，输出Uex也就不断线性变化，直到运算放大器饱和为止。
图积分调节器图阶跃输入时积分调节器的输出特性从以上分析可知，积分调节器具有下述特点“（1）积累作用。
只要输入端有信号，哪怕是微小信号，积分就会进行，直至输出达到饱和值（或限幅值）。
只有当输入信号为零，这种积累才会停止。
（2）记忆作用。
在积分过程中，如果突然使输入信号为零，其输出将始终保持在输入信号为零瞬间前的输出值。
（3）延缓作用。
即使输入信号突变，例如为阶跃信号，其输出却不能跃变，而是逐渐积分线性渐增的。
这种滞后特性就是积分调节器的延缓作用。
积分调节器的积累作用和记忆作用是使采用积分调节器和单闭环调速系统完全消除静差的根本原因，这就是积分控制规律。
在采用比例调节器的调速系统中，调节器的输出是功率变换器的控制电压Uct，且。
无静差直流调速系统课件
目
CONTENCT
录
• 引言 • 无静差直流调速系统的基本原理 • 无静差直流调速系统的数学模型 • 无静差直流调速系统的设计与优化 • 无静差直流调速系统的实现与应用 • 结论与展望 • 参考文献与附录
01
引言
直流调速系统的背景与重要性
工业电机驱动的应用广泛
在钢铁、有色金属、化工、纺织、造纸等行业中， 直流电机作为重要驱动部件被广泛应用。
随着电力电子器件和微处理器技术的不断发展，无静差直流调速系统的性能将得到 进一步提高。
采用先进的控制算法和优化算法，实现更加精准的直流调速控制。
未来发展趋势与研究方向
• 研究新的无静差直流调速方案，降低系统成本和复杂度，提高系统的可靠性和稳定性。
未来发展趋势与研究方向
01
未来研究方向
02
03
04
无静差直流调速系统的应用场景与实例
工业生产
应用于机床、纺织、石油 化工等行业的生产设备中 ，提高生产效率和产品质 量。
交通运输
应用于电动汽车、地铁、 铁路机车等交通工具中， 提高能源利用效率并减少 环境污染。
航空航天
应用于航空发动机、航天 器等高精度控制系统中， 确保安全可靠运行。
06
结论与展望
内容
包括直流电机的工作原理、电力电子变换器、反馈控制系统、无 静差调节原理、系统实现及性能分析等。
02
无静差直流调速系统的基本原理
直流电机的基本工作原理
02
01
03
直流电机的转动原理
基于通电导体在磁场中受到力的作用而转动的原理。
直流电机的电磁转矩
与电流、磁通和转子电阻等因素有关。
直流电机的调速原理
无静差直流调速系统.共29页文档
11、获得的成功越大，就越令人高兴 。野心 是使人 勤奋的 原因， 节制使 人枯萎 。 12、不问收获，只问耕耘。如同种树 ，先有 根茎， 再有枝 叶，尔 后花实 ，好好 劳动， 不要想 太多， 那样只 会使人 胆孝懒 惰，因 为不实 践，甚 至不接 触社会 ，难道 你是野 人。(名 言网) 13、不怕，不悔(虽然只有四个字，但 常看常 新。 14、我在心里默默地为每一个人祝福 。我爱 自己， 我用清 洁与节 制来珍 惜我的 身体， 我用智 慧和知 识充实 我的头 脑。 15、这世上的一切都借希望而完成。 农夫不 会播下 一粒玉 米，如 果他不 曾希望 它长成 种籽； 单身汉 不会娶 妻，如 果他不 曾希望 有小孩 ；商人 或手艺 人不会 工作， 如果他 不曾希 望因此 而有收 益。-- 马钉路 德。
1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人
直流电机调速系统课程设计报告指导书
直流电机调速系统课程设计指导书一、实验目的1、通过对KZ－D系统开环机械特性和闭环机械特性的实测及研究，加深对负反应控制的根本原理的理解。
2、掌握操作实际系统的方法和必要参数的测定方法。
3、研究系统各参数间的根本关系及各参数变化对系统的影响。
4、加深比照例积分调节器动态传输特性的认识，了解其在无静差自动控制系统中的作用。
5、通过实践掌握工程实践中常见的双闭环无静差调速系统参数设计计算和ST调试方法。
5 DD03-2电机导轨﹑测速发电机及转速表6 DJ13 直流复励发电机7 DJ15 直流并励电动机8 D42 滑线变阻器串联形式：0.41A，1.8kΩ并联形式：0.82A，900Ω9 数字存储示波器自备10 万用表自备三、实验线路及原理晶闸管直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、电动机-发电机组等组成。
在本实验中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制电路可直接由给定电压U g作为触发器的移相控制电压U ct，改变U g的大小即可改变控制角α，从而获得可调的直流电压，以满足实验要求。
实验系统的组成原理图如图5-1所示。
图1-1 实验系统原理图四、实验容(1) 测定晶闸管直流调速系统主电路总电阻值R,电感值L,s K , 测定直流电动机电势常数C e 测定晶闸管直流调速系统机电时间常数T M (2) 转速调节器的调试,电流调节器的调试(3) 设计调速系统。
调速指标为D =10，S <10%；测定系统开环机械特性和∆n nom ，判断能否满足调速指标；如果不能满足，可采用转速负反应；计算及整定比例调节器参数、反应系数；测定闭环系统的机械特性。
(4) 设计及调试双闭环无静差KZ －D 调速系统要求额定转速时S ≤2%，电流超调量σi %<5%，转速起动到额定转速时，超调量σn ed n %<10%，负载扰动恢复时间小于05.s ，电动机过载倍数λ=12.，电流反应系数A V 615.4=β。
无静差直流调速系统29页PPT
无静差直流调速系统
6
、
露
凝
无
风
景
澈
。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
于
我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
1
0
、
倚
南
窗
以
寄
傲
，
审
容
膝
之
易
安
。
谢谢！
51、 天 下 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
直流PWM调速系统课设
（一）任务书1 性能指标稳态指标：系统无静差动态指标：σi<=5%;空载起动到额定转速时σn<=10% 。
2 给定电机及系统参数P N=220W，U N=48V，I N=3.7A，λ=2，n N=200r/min，R a=6.5欧姆电枢回路总电阻R =8欧姆电枢回路总电感L =120mH电机飞轮惯量GD2=1.29 Nm23 设计步骤及说明书要求①画出系统结构图，并简要说明工作原理②根据给定电机参数，设计整流变压器，并计算变压器容量及副边电压值；选择整流二极管及开关管的参数，并确定过流、过压保护元件参数。
③分析PWM变换器，脉宽调制器（UPW）及逻辑延时（DLD）工作原理。
④设计ACR、ASR并满足给定性能指标要求。
⑤完成说明书，对构成系统的各环节分析时，应先画出本环节原理图，对照分析。
⑥打印说明书（B5），打印电气原理图（A2）。
并交软盘（一组）一张。
目录（二） 实验设计方法及其步骤一、 概述该系统是运用H 型双极模式PWM 控制的原理,采用电流速度双闭环控制方式,设计的一个基于PWM 控制的直流电机控制系统,并设计了软启动电路和完善的保护电路,确保直流电机控制系统准确、可靠地运行。
在主电路设计上,三相交流电经整流电路整流、电容滤波,再由4个IGBT 组成的H 型双极模式转换电路进行调压控制电机速度。
在控制电路中,采用双闭环控制系统,内环是电流环,外环是速度环。
电流检测采用根据磁场补偿原理制成的新型霍尔效应电流互感器—LEM 模块[1].,电流环调节器采用PI 调节,电流调节器输出控制脉冲宽度调制电路产生PWM 波,再通过脉冲分配电路和驱动电路控制IGBT 实现功率变换。
速度检测采用直流测速发电机,其结构简单可靠,准确度高。
为使整个系统能正常安全地运行,设计了过流、过载、过压、欠压保护电路,另外还有过压吸收电路。
确保了系统可靠运行。
二、 系统结构框图及工作原理2.1 系统结构框图如下：双闭环脉宽调速系统的原理框图如图2-1所示。
无静差直流调速系统
系统组成：必须有积分环节，通常采用PI调节器。
工作原理：稳态时调节器输入（偏差电压）为零，UG=Uf ；
当调节器输入（偏差电压）为零时，系统处于 稳态，转速保持不变（不为零）。
习题：
一、6～9，12，13，22
二、5～8，16，17，22，25
三、4，7
具有比例调节功能，动态响应特性好。具有 良好的快速性，弥补了I调节器的延缓作用。
uout1 O t
具有积分调节功能，输出取决于输入的积累。 若输入为零，输出保持输入为零前的输出值。
4. 调节器实用线路分析
具有调零与消振、输入输出限幅和输出功放功能。
调零电位器RP1：消去零漂。 输入限幅VD1、VD2：限制输入电压。 输出功放：V1、V2推挽功率放大器。 补偿电容C：防止自激振荡。 输出限幅VD3、VD4、RP3、RP4。
uin
O uout t
uo ( RF if uc )
1 ( RF i1 i1dt ) CF
RF 1 ( ui R1 R1C F
i1 R1 R2
– +
+
+ uo –
u dt )
i
RF 1 ui R1 R1CF
t2
t1
ui dt uout 1
PI调节器特性：
9.2 晶闸管无静差直流调速系统
一、无静差系统概念 系统的被调量在稳态时等于系统的给定量，偏差为零。 U K F 电动机转速在稳态时与负载无关，只取决于给定量。 实现无静差调速必须使用有积分作用的调节器。 积分调节器的作用： 只要有偏差，调节就一直持续，直至偏差为零。 n
二、调节器的构成及其特性：
R2
直流调速技术 学科第 1 次授课教案
直流调速技术学科第 1 次授课教案1讲稿部分：第一章:直流调速系统概述引言直流调速技术是现代自动控制系统中发展较早的技术之一。
从20世纪30年代起，就开始使用直流调速系统。
直流调速系统的发展分为3个阶段：（1）直流发电机-电动机调速系统（简称G-M调速系统），（2）晶闸管整流装置-电动机调速系统（简称V-M调速系统），（3）直流脉宽调速系统（简称PWM调速系统）。
在20世纪60年代发展起来的电力电子技术，使人们可以对电能进行变换和控制，从而产生了各种高效、节能的新型电源和各种交直流调速装置，将电能转化为动能，进而转化为其他形式的能，如图1-1所示。
1-1交直流调速系统的功能1.什么是调速？将调节电动机转速，以适应生产要求的过程称之为调速。
2.什么是调速系统？用于完成调速这一功能的自动控制系统就被称为是调速系统。
3.为什么要调速？随着生产技术的发展，对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面提出了更高要求，这就要求大量使用调速系统。
电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需要根据工艺要求调节其转速。
比如：在加工毛坯工件时，为了防止工件表面对刀具的磨损，因此加工时要求电机低速运行。
而在对工件进行精加工时，为了要缩短加工时间，提高产品的经济效益，因此此时要求电机高速运行。
现代自动控制系统从生产机械要求控制的物理量来看，分为调速系统、位置随动系统（伺服系统）、张力控制系统、多电动机同步控制系统等多种类型。
4、调速系统的作用机床在加工过程中、需要按不同的加工要求，调整主轴的转速、进给速度。
为保证工件表面质量和精度，要求电动机运行速度平稳。
（1）调速：调速控制系统保证电动机起动、制动、调速过程迅速改变速度。
（2）稳速：调速控制系统能迅速消除扰动(主要是负载和电枢电压波动)而引起的转速波动，保证电动机运行速度平稳。
5、调速系统的分类调速系统根据驱动电动机类型的不同，主要分为直流调速系统和交流调速系统两大类。
无静差直流调速系统
分析结果：
采用积分调节器，当转速在稳态时达到与给定转 速一致，系统仍有控制信号，保持系统稳定运行， 实现无静差调速。
4. 比例与积分控制的比较
有静差调速系统
当负载转矩由TL1突 增到TL2时，有静差 调速系统的转速n、 偏差电压 Un 和控 制电压 Uc 的变化过程示于下 图。
加负载时的动态过程
3. 稳态结构与静特性
当电动机电流低于其截止值时，上述系统的 稳态结构图示于下图，其中代表PI调节器的方框 中无法用放大系数表示，一般画出它的输出特性， 以表明是比例积分作用。
U*n + ∆Un - Un
Uc
Ud0 -
IdR E
Ks
+
1/Ce
n
图1-49 无静差直流调速系统稳态结构图（Id < Idcr ）
1. PI调节器
在模拟电子控制技
术中，可用运算放大 器来实现PI调节器， 其线路如图所示。
C1 R1
+
R0
Uin
A
+
Uex
+
Rbal
图1-38 比例积分（PI）调节器
2. PI调节器输出时间特性
∆Un
Uin Uex
Uexm Uex
Uin KpUin
O
Uc
Uc
2
t
1+2
O
t
1
t
O
a) PI调节器输出特性曲线
图1-46 积分控制无静差调速系统 突加负载时的动态过程
结论
将以上的分析归纳起来，可得下述论断：
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。
无静差直流调速系统
图1-44 有静差调速系统突加负载过程
无静差调速系统
当负载突增时，积分控制的
无静差调速系统动态过程曲线
示于下图。在稳态运行时，转
速偏差电压 Un 必为零。如果 Un 不为零，则 Uc 继续变化， 就不是稳态了。在突加负载引
分析结果
由此可见，比例积分控制综合了比例 控制和积分控制两种规律的优点，又克服 了各自的缺点，扬长避短，互相补充。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。
9.5 无静差直流调速系统及其稳态参数计算
系统组成 工作原理 稳态结构与静特性 参数计算
1. 系统组成
稳态结构与静特性（续）
无静差系统的理想静 n
特性如右图所示。 当 Id < Idcr 时，系统无
nmax
静差，静特性是不同转 n1
速时的一族水平线。 当 Id > Idcr 时，电流截 n2 止负反馈起作用，静特
性急剧下垂，基本上是 一条垂直线。整个静特 性近似呈矩形。
O
Idcr
Id
图1-50 带电流截止的无静差直流调 速系统的静特性
本节提要
问题的提出 积分调节器和积分控制规律 比例积分控制规律 无静差直流调速系统及其稳态参数计算 系统设计举例与参数计算（二）
1 问题的提出
如前，采用P放大器控制的有静差的调速系 统，Kp 越大，系统精度越高；但 Kp 过大，将 降低系统稳定性，使系统动态不稳定。
进一步分析静差产生的原因，由于采用比例 调节器， 转速调节器的输出为
3. 稳态结构与静特性
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本节提要
• 问题的提出 • 积分调节器和积分控制规律 • 比例积分控制规律 • 无静差直流调速系统及其稳态参数计算 • 系统设计举例与参数计算（二）
1 问题的提出
如前，采用P放大器控制的有静差的调速系 统，Kp 越大，系统精度越高；但 Kp 过大，将 降低系统稳定性，使系统动态不稳定。
• 分析结果：
采用积分调节器，当转速在稳态时达到 与给定转速一致，系统仍有控制信号， 保持系统稳定运行，实现无静差调速。
4. 比例与积分控制的比较
有静差调速系统
当负载转矩由TL1突 增到TL2时，有静差 调速系统的转速n、 偏差电压 Un 和控 制电压 Uc 的变化过程示于下 图。
• 突加负载时的动态过程
• 此后，随着电容C1被充电，输出电压Uex 开 始积分，其数值不断增长，直到稳态。稳态 时， C1两端电压等于Uex，R1已不起作用， 又和积分调节器一样了，这时又能发挥积分 控制的优点，实现了稳态无静差。
因此，PI调节器输出是由比例和积分 两部分相加而成的。
一般输入情况
图1-39b绘出了比例积分调节器的输入和输出动 态过程。假设输入偏差电压Un的波形如图所示， 则输出波形中比例部分①和 Un 成正比，积分部分 ②是 Un 的积分曲线，而PI调节器的输出电压 Uc 是这两部分之和①+②。可见， Uc既具有快速响应 性能，又足以消除调速系统的静差。除此以外，比 例积分调节器还是提高系统稳定性的校正装置，因 此，它在调速系统和其他控制系统中获得了广泛的 应用。
分析结果
由此可见，比例积分控制综合了比例 控制和积分控制两种规律的优点，又克服 了各自的缺点，扬长避短，互相补充。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。
9.5 无静差直流调速系统及其稳态参数计算
• 系统组成 • 工作原理 • 稳态结构与静特性 • 参数计算
进一步分析静差产生的原因，由于采用比例 调节器， 转速调节器的输出为
Uc = Kp Un – Uc 0，电动机运行，即Un 0 ； – Uc = 0，电动机停止。
因此，在采用比例调节器控制的自动系 统中，输入偏差是维系系统运行的基础， 必然要产生静差，因此是有静差系统。
如果要消除系统误差，必须寻找其他控 制方法，比如：采用积分（Integration） 调节器或比例积分（PI）调节器来代替比 例放大器。
2 积分调节器和积分控制规律
1. 积分调节器
如图，由运算放大 器可构成一个积分电 路。根据电路分析， 其电பைடு நூலகம்方程
dUex dt
R10CUin
C
+
R0
Uin
A
+
Uex
+
Rbal
图1-43 积分调节器 a) 原理图
3. 转速的积分控制规律
• 如果采用积分调节器，则控制电压Uc是转速偏 差电压Un的积分，按照式（1-64），应有
当负载转矩由 TL1 突增到 TL2 时，有静 差调速系统的转速 n 、 偏差电压 Un 和控制 电压 Uc 的变化过程示 于右图。
图1-44 有静差调速系统突加负载过程
无静差调速系统
当负载突增时，积分控制的
无静差调速系统动态过程曲线
示于下图。在稳态运行时，转
速偏差电压 Un 必为零。如果 Un 不为零，则 Uc 继续变化， 就不是稳态了。在突加负载引
Uc
1
t
0 Undt
如果是Un 阶跃函数，则 Uc 按线性规律增长， 每一时刻 Uc 的大小和 Un 与横轴所包围的面 积成正比，如下图 a 所示。
输入和输出动态过程
a) 阶跃输入 b) 一般输入 由上图 b 可见，在动态过程中，当 Un 变化时，只要其极性不变，即只 要仍是 Un* Un ，积分调节器的输出 Uc 便一直增长；只有达到 Un* = Un ， Un = 0时，Uc 才停止上升；不到 Un 变负，Uc 不会下降。在这里，值得特 别强调的是，当 Un = 0时，Uc并不是零，而是一个终值 Ucf ；如果 Un 不 再变化，此终值便保持恒定不变，这是积分控制的特点。
起动态速降时产生Un，达到新 的稳态时，Un 又恢复为零，但 Uc 已从 Uc1 上升到 Uc2 ，使电枢 电压由 Ud1 上升到 Ud2，以克服 负载电流增加的压降。
在这里，Uc 的改变并非仅仅 依靠 Un 本身，而是依靠 Un 在一段时间内的积累。
无静差调速系统
虽然现在Un = 0，只 要历史上有过 Un ，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 Uc。积分控 制规律和比例控制规律 的根本区别就在于此。
1. PI调节器
在模拟电子控
制技术中，可用 运算放大器来实 现PI调节器，其 线路如图所示。
C1 R1
+
R0
Uin
A
+
Uex
+
Rbal
图1-38 比例积分（PI）调节器
2. PI调节器输出时间特性
∆Un Uin Uex
Uexm Uex
Uin KpUin
O
Uc
Uc
2
t
1+2
O
t
1
t
O
a) PI调节器输出特性曲线
如图所示，在同样的阶跃输入作用之 下，比例调节器的输出可以立即响应， 而积分调节器的输出却只能逐渐地变。
• 两种调节器特性比较
Uin Uex
Uin Uex
Uexm
Uex Uin
Uex
Uin
O
t
Oτ
t
a) P调节器
b) I调节器
两种调节器I/O特性曲线
那么，如果既要稳态精度高，又要动
态响应快，该怎么办呢？只要把比例和 积分两种控制结合起来就行了，这便是 比例积分控制。
b) PI调节器输出动态过程
图1-39 PI调节器输出特性曲线
– 突加输入信号时，由于电容C1两端电压不能突变，相当于两端瞬 间短路，在运算放大器反馈回路中只剩下电阻R1，电路等效于一 个放大系数为 Kpi 的比例调节器，在输出端立即呈现电压 Kpi Uin ， 实现快速控制，发挥了比例控制的长处。
图1-46 积分控制无静差调速系统 突加负载时的动态过程
结论
将以上的分析归纳起来，可得下述论断：
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。
9.4 比例积分控制规律
上一小节从无静差的角度突出地表明 了积分控制优于比例控制的地方，但是 另一方面，在控制的快速性上，积分控 制却又不如比例控制。