电力拖动自动控制系统(陈伯时)第3章直流调速系统的数字控制
电力拖动自动控制系统(陈伯时)第3章直流调速系统的数字控制
47电力运拖动动控自制动系控统制系统
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• 测速基本方式
（1）测速发电机转换电路
电压隔离
TG
A/D
I/O
（2）光电码盘转换电路
+5V
PLG
逻辑控制
计数器
CPU CPU
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极性转换
原信号
t
采样
O 1 2 34 …
n
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7
数字化 N(nT)
离散信号经保持
器保持后，还须经过
数字量化，即用一组
数码（如二进制码）
来逼近离散的模拟信
号。
O
保持
n
Na(nT)（电压）Nd(nT)（数码）
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8
离散化和数字化的负面效应
离散化:时间上的不连续性； 数字化:量值上的不连续性。
控制软件更改灵活方便。 具有信息存储、数据通信和故障诊断等功
能。
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5
离散化和数字化
微机数字控制系统的主要特点 是离散化和数字化。
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6
f(t)
离散化
对模拟的连续
信号采样形成一连
O
串的脉冲信号，即
f(nT)
离散的模拟信号，
这就是离散化。
3
模拟系统的优、缺点
优点:物理概念清晰; 控制信号流向直观。
缺点:控制规律体现在硬件电路上，线 路复杂、通用性差; 控制效果受到器件的性能、温度 等因素的影响。
《电力拖动自动控制系统》辅导
《电力拖动自动控制系统》辅导《电力拖动自动控制系统》是工业自动化专业的主要专业课之一。
本课程教材采用陈伯时主编的《电力拖动自动控制系统》（修订版）。
本课程的教学内容分为二大部分。
第一部分是以直流电动机为控制对象的直流拖动控制系统，主要包括教材中第二章至第五章，介绍直流拖动自动控制系统的基本概念、基本组成环节和基本控制规律及自动控制系统中调节器的工程设计方法。
第二部分是以交流电动机为控制对象的交流拖动系统，主要包括教材中第六章至第八章，主要对交流拖动系统中的一些基本理论、基本环节和控制规律进行了分析。
为便于同学们复习，下面给出各章复习要求，并提供一份模拟练习题。
第一部分：复习要求第一章结论【本章重点】1. 电力拖动控制系统的基本类型：1) 直流电机拖动控制系统的基本类型；2) 交流电机拖动控制系统的基本类型。
2. 现代电力拖动控制系统的物质基础。
第二章闭环控制的直流调速系统【本章重点】1. 转速控制的要求和调速指标：l）调速范围 D ；2）静差率 S3）调速范围、静差率和额定速降之间的关系。
2．闭环调速系统的组成，静特性的含义，转速负反馈闭环调速系统的稳态结构图。
3．开环系统机械特性与闭环系统静特性的比较。
4．闭环系统能够减少稳态速降的实质。
5．反馈控制规律（转速反馈闭环调速系统的三个基本特性）。
6．反馈控制闭环直流调速系统的稳态参数计算。
7．截流反馈的概念，电流截止负反馈环节的特点，以及带电流截止负反馈的闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性。
8．反馈控制闭环调速系统的动态数学模型的建立、动态结构图、传递函数、以及稳定条件。
9． PI 调节器的设计。
10．无静差调速系统的含义，积分控制规律的含义、结构。
积分调节器与比例调节器的区别。
比例控制、积分控制和比例积分控制规律的区别。
11．无静差直流调速系统的分析及稳态参数计算。
第三章多环控制的直流调速系统与调节器的工程设计方法【本章重点】1．转速、电流双闭环直流调速系统的组成，主要包括：双闭环直流调速系统的原理框图和稳态结构图。
电力拖动自动控制系统(第三版)(陈伯时)主编大学
电力拖动自动控制系统（第三版）（陈伯时）主编大学引言电力拖动自动控制系统在现代工业中起着至关重要的作用，它能够有效地控制和操作各种电动设备，减轻人工劳动强度，提高工作效率和安全性。
本文档将介绍《电力拖动自动控制系统》第三版，该版本由陈伯时主编，涵盖了大学教学的相关内容。
1. 拖动系统的基本原理1.1 拖动系统的定义拖动系统是指通过电动机、传动装置和控制装置来实现对机械装置或工业设备的控制和操作。
它可实现运动的平稳性、快速性和精准性，广泛应用于工业生产中。
1.2 拖动系统的组成拖动系统主要由电动机、传动机构和控制系统三部分组成。
电动机提供动力，传动机构将电动机的转速和转矩传递给被控对象，控制系统负责控制和调节拖动系统的运行。
2. 电动机的选择与控制2.1 电动机的分类根据拖动系统的要求，电动机可以分为直流电动机和交流电动机两种。
直流电动机具有调速范围广、起动转矩大等优点，交流电动机具有结构简单、可靠性高等特点。
2.2 电动机的控制电动机的控制包括起动、制动、调速和定位等方面。
常用的电动机控制方法有电压、电流和频率控制法，通过改变电机终端电压、电流和频率来实现电动机的控制和调节。
3. 传动装置的选择与设计3.1 传动装置的分类传动装置主要分为机械传动和液压传动两种。
机械传动包括齿轮传动、皮带传动和链传动等，液压传动则利用液压系统将液压压力转化为机械能传递。
3.2 传动装置的设计原则传动装置的设计应考虑到传动效率、传动可靠性和传动误差等因素，合理选择传动比和传动元件，以实现拖动系统的高效运行。
4. 拖动系统的控制策略4.1 开环控制开环控制是一种基本的控制策略，通过设定输入信号来控制输出信号，但无法对输出信号进行实时调节和修正。
它适用于一些简单的拖动系统。
4.2 闭环控制闭环控制是一种反馈控制策略，通过监测和比较输出信号和参考信号的差异，实现实时调节和修正。
它适用于复杂的拖动系统，能够提高控制的稳定性和精确性。
电力拖动自动控制系统-运动控制系统(_阮毅_陈伯时)课后参考答案第三四章(仅供参考)
第三章作业思考题3-1 在恒流起动过程中，电枢电流能否达到最大值 I dm ？为什么？答：不能达到最大值，因为在恒流升速阶段，电流闭环调节的扰动是电动机的反电动势，它正是一个线性渐增的斜坡扰动量，所以系统做不到无静差，而是I d 略低于I dm 。
3-2 由于机械原因，造成转轴堵死，分析双闭环直流调速系统的工作状态。
答：转轴堵死，则n=0，U n =α×n =0，∆U n =U n ∗−U n =U n ∗比较大,导致U i ∗=∆U n ×K ASE 比较大，U C =（U i ∗−U i ）×K ACR 也比较大，然后输出电压U d0=U C ×K S 较大，最终可能导致电机烧坏。
3-3 双闭环直流调速系统中，给定电压 Un*不变，增加转速负反馈系数 α，系统稳定后转速反馈电压 Un 和实际转速 n 是增加、减小还是不变？答：反馈系数增加使得U n =α×n 增大，∆U n =U n ∗−U n 减小，U i ∗=∆U n ×K ASE 减小，U C =(U i ∗−U i )×K ACR 减小，输出电压U d0=U C ×K S 减小，转速n 减小，然后U n =α×n 会有所减小，但是由于α增大了，总体U n 还是增大的。
3-4 双闭环直流调速系统调试时，遇到下列情况会出现什么现象？ （1） 电流反馈极性接反。
（2）转速极性接反。
答：（1）转速一直上升，ASR 不会饱和，转速调节有静差。
（2）转速上升时，电流不能维持恒值，有静差。
3-5 某双闭环调速系统，ASR 、 均采用 PI 调节器，ACR 调试中怎样才能做到 Uim*=6V 时，Idm=20A ；如欲使 Un*=10V 时，n=1000rpm ，应调什么参数？答：前者应调节β=U im ∗Idm=0.3，后者应调节α=U n∗n=0.01。
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。
电力拖动自动控制系统(陈伯时)ppt3-3,4,6直流调速系统的数字控制
49电力拖动自动控制系统 电力传动控制系统
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3.3.5 M/T法测速
M/T法既检测 Tc 时间内PLG输出 的脉冲个数M1，又检测相同时间间隔 的高频时钟脉冲个数M2。 应保证高频时钟脉冲计数器与PLG 输出脉冲计数器同时开启与关闭， 以减小误差。
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M/T法测速波形图
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M/T法测速
误差率在低速时趋向于T法，在高速段 M/T法相当于T法的 M1次平均，而在这 M1 次中最多产生一个高频时钟脉冲的误差。 故误差率小。
M/T法测速适用的转速范围宽，测 速精度高。
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3.3.6 M/T法测速 软件
PI调节器的输出
u(k ) u(k 1) u(k )
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限幅值设置
不考虑限幅时，位 置式和增量式两种 算法完全等同
增量式PI调节器算法只需输出 限幅； 位臵式算法必须设臵积分限幅 和输出限幅，缺一不可。
49电力拖动自动控制系统 电力传动控制系统
u (k ) K P e(k ) CI K ITsam e(i)
i 1 k
其中
1, CI 0,
e(i) e(i)
δ为一常值。
积分分离法能有效抑制振荡，或减小 超调，常用于转速调节器。
49电力拖动自动控制系统 电力传动控制系统
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(2)．分段PI算法
49电力拖动自动控制系统 电力传动控制系统
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3.4 数字PI调节器
电力拖动自动控制系统(陈伯时)ppt1-2-3直流拖动控制系统
n
2U 2
cos[sin(
6
)
sin(
6
)ectg
]
Ce (1 ectg )
(1-10)
Id
3 2U2
2R
[cos(
6
) cos(
6
)
Ce n]
2U 2
式中 arctg L ； — 一个电流脉波的导通角。
R
89电电力力拖传动动自控动制控系制统系统
21
（3）电流断续机械特性计算
当阻抗角 值已知时，对于不同的控制 角 ，可用数值解法求出一族电流断续时的
1
LP
VT
T
c1
2
c2
L
b1 a1
b2 M
a2
并联多重联结的12脉波整流电路
89电电力力拖传动动自控动制控系制统系统
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1.2.4 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 d0
Id R)
1 Ce
m ( π Um
sin
π m
cos
Id R)
（1-9）
式中 Ce = KeN —电机在额定磁通下的电动势系数。 式（1-9）等号右边 Ud0 表达式的适用范围如第1.2.1节
R— 主电路等效电阻；
且有 R = Rrec + Ra + RL；
89电电力力拖传动动自控动制控系制统系统
8
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 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 的关系因整流电
路的形式而异，对于一般的全控整流电路，
《电力拖动自动控制系统》陈伯时课后答案
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 ≤ 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 ≤ 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 maxn 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。
《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。
前言(运动控制系统 陈伯时)
主要章节
第1章 绪论 第一篇 直流调速系统
第2章 转速反馈控制的直流调速系统 第3章 转速、电流反馈控制的直流调速系统 第4章 可逆控制和弱磁控制的直流调速系统 第二篇 交流调速系统 第5章 基于稳态模型的异步电动机调速系统 第6章 基于动态模型的异步电动机调速系统 第7章 绕线转子异步电动机双馈调速系统 第8章 同步电动机变压变频调速系统 第三篇 伺服系统 第9章 伺服系统
特点：前序课程多，涵盖内容广，实用性强。 要求：掌握闭环调速系统结构、原理及设计。
2.课程主要内容及章节安排
可控电源-电动机系统的特殊问题及机械特性； 调速系统的性能指标； 交、直流调速系统和伺服系统的原理和结构； 反馈控制的基本特点，反馈控制系统的静态和动
态性能指标及分析方法； 调节器结构及参数的设计方法； 反馈控制系统的实现； 计算机仿真在控制系统中的应用；
3.课时安排
课程总学时48学时，课堂学时40学时， 实验课时8学时；
课程着重讲解第1篇直流调速系统， 以第2、3、4章为重点，第2篇内容在 后续课程《交流调速》中讲解。第3 篇内容介绍几个系统
阮毅 陈伯时 主编
机械工业出版社
前言
课程性质、特点及要求； 课程内容及章节安排； 课时安排；
1.课程性质、特点及要求
性质：高等院校电气工程及其自动化、自动 化专业本科必修课程。可作为电力电子与电 力传动、工业自动化等相关学科硕士研究生 用书，还可供从事电力拖动控制系统的工程 技术人员参考。
第一篇直流调速系统第2章转速反馈控制的直流调速系统第3章转速电流反馈控制的直流调速系统第4章可逆控制和弱磁控制的直流调速系统第二篇交流调速系统第5章基于稳态模型的异步电动机调速系统第6章基于动态模型的异步电动机调速系统第7章绕线转子异步电动机双馈调速系统第8章同步电动机变压变频调速系统第三篇伺服系统第9章伺服系统课程总学时48学时课堂学时40学时实验课时8学时
电力拖动与自动控制系统 陈伯时
t
e) 0 O uV T f)
t
0 O
t
• 等效电路分析
如果把整流装置 内阻移到装置外边， 看成是其负载电路 电阻的一部分，那 么，整流电压便可 以用其理想空载瞬 时值 ud0 和平均值 Ud0 来表示，相当于 用图示的等效电路 代替实际的整流电 路。
R +
L
Id E
+
Ud0
_
_
图1-7 V-M系统主电路的等效电路图
• 整流电压的平均值计算
m π U m sin cos π m
U d0
式中
(1-5)
—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；
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 2U2 * 2 0.9U 2 cos 三相半波 三相全波 六相半波
• 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。
（2）减弱励磁磁通 ；
（3）改变电枢回路电阻 R。
《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。
陈伯时版电力拖动自动控制系统 第三章
M/T法数字测速软件
小 结
由于M/T法的计数值M1和M2都随着转速 的变化而变化，高速时，相当于M法测速， 最低速时，M1=1，自动进入T法测速。 因此M/T法测速能适用的转速范围明显 大于前两种。是目前广泛应用的一种测速方 法。
3.3.2 数字滤波方法
问题的提出：在检测到的信号中，有随机干 扰信号混合在采样信号中，有些信号难以用 常规的硬件滤波电路来滤除干扰，特别是对 脉冲信号的干扰，用数字滤波具有硬件不可 替代的特殊功能，所以要采用数字滤波的方 法。
3.2.2 微机数字控制双闭环直流调速系统的软件框图
微机控制系统的控制规律是靠软件来实现 的，所有的硬件也必须由软件实施管理。 微机控制双闭环直流调速系统的软件有： 主程序：完成实时性要求不高的功能， 1）主程序：完成实时性要求不高的功能，完 成系统初始化后，实现键盘处理、刷新显示、 成系统初始化后，实现键盘处理、刷新显示、 与上位计算机和其他外设通信等功能 初始化子程序： 2）初始化子程序：完成硬件器件工作方式的 设定、系统运行参数和变量的初始化等。 设定、系统运行参数和变量的初始化等。 中断服务子程序等。 3）中断服务子程序等。
除主电路和功放电路外，转速、电流调节器， 以及脉冲触发装置等全部由数字电路组成。
3. 计算机控制系统
~ 微机控制电路
A/D AC TA / 3
主电路
U
* n+
U *i
ASR
Ui
ACR
Uc
D/P
PLG M
_
Un P/D
数字装置中如由计算机软硬件实现其功能，即为 计算机控制系统。系统的特点： 1）双闭环系统结构，采用微机控制； 2）全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测； 3）采用数字PI算法，由软件实现转速、电流调节。
电力拖动控制系统电子教案
课次 第二次授课方式 （请打√）理论课□ 讨论课□ 实验课□ 习题课□ 其他□课时 安排2授课题目（教学章、节或主题）：第1章 闭环控制的直流调速系统 1.2晶闸管—电动机系统的主要问题教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：1.掌握晶闸管—电动机系统的机械特性及传递函数。
2.熟悉晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数3.了解V-M 系统触发脉冲的相位控制及抑制电流脉动的措施。
教学重点及难点：1.重点是晶闸管—电动机系统的机械特性及传递函数2.难点是V-M 系统触发脉冲的相位控制及抑制电流脉动的措施。
教 学 基 本 内 容方法及手段 完整的V-M 系统机械特性，分为电流连续区和电流断续区。
由图可见：1）当电流连续时，特性硬； 2）当电流断续时，特性很软，呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。
晶闸管触发和整流装置的放大系数可以由工作范围内的特性斜率决定，计算方法是：晶闸管装置的精确传递函数为：传递函数可近似成一阶惯性环节。
多媒体讲授作业、讨论题、思考题：为什么在V —M 系统中电流会出现断续的情况？基本教材和主要参考资料：陈伯时主编，电力拖动自动控制系统—运动控制系统，第3版，机械工业出版社 课后小结：cd s U U K ∆∆=sT K s U s U s W s e )()()(s c 0d s -==sT K s W s s s 1)(+≈课次第七次授课方式（请打√）理论课□讨论课□实验课□习题课□其他□课时安排2授课题目（教学章、节或主题）：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2.1 转速、电流双闭环调速系统的组成及其静态特性教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：1.了解带电流截止负反馈的单闭环无静差调速系统的局限性，引出双闭环系统。
2.掌握双闭环直流调速系统的组成、特点及稳态结构图和静特性。
3.熟悉各变量的稳态工作点和稳态参数计算。
教学重点及难点：1. 双闭环直流调速系统的组成、特点及稳态结构图和静特性。
电力拖动自动控制系统 运动控制系统 课程设计 陈伯时
《电力拖动自动控制系统》课程设计指导书直流电机双闭环调速控制系统设计目录1 设计任务1.1 技术数据 (1)1.2 要求完成的任务 (2)2 直流电机双闭环系统的组成…………………………………………………..2.1 双闭环系统总体原理结构方案设计…………………………………….2.2 双闭环系统各组成部分电路方案设计…………………………………2.2.1 晶闸管整流电路及保护电路………………………………………….2.2.2 触发控制电路………………………………………………………2.2.3 系统给定…………………………………………………………….2.2.4 检测电路…………………………………………………………….2.2.5 调节器的选择…………………………………………………………2.2.6 电气控制…………………………………………………………..3 转速、电流调节器的设计计算……………………………………………..3.1 电流调节器的设计计算…………………………………………………3.2 转速调节器的设计计算………………………………………………..4 参考文献……………………………………………………………………….5 附录附录1 直流电机双闭环系统设计图纸附录2 直流电机转速、电流双闭环调速控制系统实验附件一：设计说明书书格式要求：1 设计任务：1.1 技术数据（1）用线性集成电路运算放大器作为调节器的转速、电流无静差直流控制系统，主电路由晶闸管可控整流电路供电的V-M系统电动机：额定数据 40KW,220V,210A,1000r/min,电枢电阻Ra=0.5Ω,Rrec=0.8,Ks=40 飞轮转矩:Kgm*m=7.0, 过载倍数1.5晶闸管可控整流电路：三相桥式整流电路，整流变压器Y/Y连接，二次测线电压U2l=230VV-M系统电枢回路总电阻：R=1Ω测速发电机：永磁式，额定数据23.1W,110V,0.21A,1900r/min（2）稳态性能指标生产机械要求调速范围: D=10；静态率: s%≤5%（3）动态性能指标起动超调量:σn %≤15% σi %≤5%扰动产生的动态偏差:(n max-n min)/n min *100%≤10% ;恢复时间: t f≤0.5s（4）对起动、停车的快速性无特别要求1.2 要求完成的任务（1）完成直流转速、电流双闭环系统整体设计（2）按性能系统调节器的设计及相关计算（3）在实验室完成转速、电流双闭环系统的实验（4）呈交一份不少于5000字课程设计说明书,一套设计图纸, 一份实验报告2 直流电机双闭环系统的组成2.1 双闭环系统总体原理结构方案设计…………………………………….直流电机双闭环系统原理图及其描述图2-1 直流电机双闭环系统原理图转速电流双闭环控制的直流调速系统是最典型的直流调速系统，其原理结构如图2-1所示。
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……
0 …… -127 -128
……
00H …… FFH
……
00H …… 81H 80H
……
80H …… 01H 00H
21
47电力拖动自动控制系统 运动控制系统
(3). 输出变量
可以用开关量直接控制功率器件 的通断，也可以用经D/A转换得到的 模拟量去控制功率变换器。
直流PWM功率变换器
晶闸管可控整流器
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32
检测回路
检测回路包括电压、电流、温度和 转速检测（数字测速）,其中：
转速检测用数字测速； 电压、电流和温度检测由
A/D 转换通
道变为数字量送入微机。
47电力拖动自动控制系统 运动控制系统
33
电流和电压检测 电流和电压检测除了用来构成相应 的反馈控制外，还是各种保护和故障 诊断信息的来源。电流、电压信号也 存在幅值和极性的问题，需经过一定 的处理后，经A/D转换送入微机，其 处理方法与转速相同。
7
数字化
离散信号经保持 器保持后，还须经过 数字量化，即用一组 数码（如二进制码） 来逼近离散的模拟信 号。
N(nT)
O
保持
n
Na(nT)（电压）Nd(nT)（数码）
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8
离散化和数字化的负面效应
离散化:时间上的不连续性； 数字化:量值上的不连续性。
负面效应：
电枢电流允许过载倍数1.5，考虑到调节过程中瞬时值可能超过该值，故实际取值为 1.8 倍的额定电枢电流,因此，电枢电流的存储系数： 215-1 1.8*136A 额定转速为1460r/min，取nmax=1.3 倍的额定转速，则转速的存储系数为： 215-1
K= K=
=133.86A-1
1.3*1460r/min 47
多数状态量为双极性（大小和方向），A/D 转换电路一般是单极性的，必须进行极性转换。 经A/D转换后得到以偏移码表示的数字量， 再用软件将偏移码变换为原码或补码。
双 极 性 电平转换 电压隔离 单 极 性 A/D
摸拟量
数字量 (偏移码)
CPU
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20
原码、补码和偏移码
计算机内部存储值 K 物理量的实际值
微机数字控制系统中的存储系数相当于模拟 控制系统中的反馈系数。
47电力拖动自动控制系统 运动控制系统
10
微机数字控制数字化示例： 在微机数字控制系统中，将模拟量数字量化的原则是：在保证 不溢出的前提下，精度越高越好。 计算机内部存储值 定义存储系数K来显示量化精度，其定义为： K=
给定和检测；
–采用数字PI算法，由软件实现转速、
电流调节
47电力拖动自动控制系统 运动控制系统
28
3.2.1 微机数字控制双闭环直流调速系 统的硬件结构
微机数字控制双闭环直流调速系统硬件系 统组成：
主电路 检测电路 控制电路 给定与显示电路
47电力拖动自动控制系统 运动控制系统
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微机数字控制的双闭环直流调速系统
（2）对于要求精度高、调速范围大的系统，往 往需要采用旋转编码器测速，即数字测速。
47电力拖动自动控制系统 运动控制系统
18
• 测速基本方式
（1）测速发电机转换
I/O
CPU
（2）光电码盘转换电路
+5V
PLG
逻辑控制
计数器
CPU
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19
极性转换
返回
41
中断服务子程序
实时性强，由相应的中断源提出申请， CPU实时响应。
转速调节中断子程序（中断级别最低）
电流调节中断子程序（中断级别居中）
故障保护中断子程序（优先级别最高）
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42
保护现场
读入转速给定
转速调节中断子程序 转速反馈 转速调节 启动测速
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• 电流检测方法
（1）电流互感器
~
A B C
Ui U
0
Ui0
电流检测电路
TA——电流互感器
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35
（2）霍尔效应电流变换器
UH = KH B Ic
R1 R1
KH为霍尔常
数； B为与被测电 流Id成正比的 磁通密度； Ic为控制电流。
N
系统初始化
有键按下吗？ Y 键处理
刷新显示
数据通信
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40
系统初始化
初始化子程序
设定定时器、P WM、 数字测速工作方式
硬件工作方式 的设定、系统运 行参数和变量的 初始化等。
设定I/O、通信接口及 显示、键盘工作方式
参数及变量 初始化
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47电力拖动自动控制系统 运动控制系统
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3.2 微机数字控制双闭环直流调速系统 的硬件和软件 3.2.0 系统组成方式 数字控制直流调速系统的组成方式大 致可分为三种： 1. 数模混合控制系统
2. 数字电路控制系统
3. 微型计算机控制系统
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1). 数模混合控制系统
物理量的实际值
存储系数K与物理量的变化范围和计算机内部定点数的长度有关。
例：某直流电动机的额定电枢电流为136A，允许过载倍数1.5，额定速度 1460r/min，计算机内部定点数占一个字的位置（16位），试确定电枢电流和转速 存储系数。 解：定点数长度为一个字（16位），但最高位用于符号位，只有15位可表示量化数值， 故最大存储值Dmax=215-1=32767。
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=17.26min/r
11
3.1.2 采样频率的选择
Shannon 采样定理:
fsam应不小于信号最高频率 fmax 的2倍，即 fsam≥2fmax
这样，经采样及保持后，原信号的频谱不发 生明显的畸变，系统保持原有的性能。
47电力拖动自动控制系统 运动控制系统
12
（见“电机控制专用集成电路”相关资料）
47电力拖动自动控制系统 运动控制系统
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3.2.2 微机数字控制双闭环直流调速系 统的控制软件
微机数字控制双闭环直流调速系统的软 件有： 主程序 初始化子程序 中断服务子程序等
47电力拖动自动控制系统 运动控制系统
39
开始
主程序
完成实时性 要求不高的功能， 系统初始化后， 键盘处理、刷新 显示、数据通信 等功能。
~
下标 “dig” 表示 数字 量
n
* dig
* I ddig
+
-
ASR
ndig
I ddig
ACR
UPE
M -
K
K
FBS
微机
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30
电容串联提 高耐压等级
微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图
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31
主回路
微机数字控制双闭环直流调速系统主 电路中的UPE有两种方式：
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5
离散化和数字化
微机数字控制系统的主要特点
是离散化和数字化。
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6
离散化
对模拟的连续 信号采样形成一连 串的脉冲信号，即 离散的模拟信号， 这就是离散化。
f(t)
O f(nT)
原信号 采样
t
O
1 2 3 4 …
n
47电力拖动自动控制系统 运动控制系统
数字电路
A/D AC
~
TA / 3
U*n
U*i
_
ASR
-
Ui
ACR
U
c
D/A A/P M
--
TG
Un
A/D
功率放 大电路
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24
数模混合控制系统特点：
–转速采用模拟调节器，也可采用
数字调节器；
–电流调节器采用数字调节器； –脉冲触发装置则采用模拟电路。
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Tmin为控制对象的最小时间常数。 或用采样角频率sam
sam (4 ~ 10) c
c 为控制系统的截止频率。
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14
3.1.3 微机数字控制系统的输入与输 出变量 可以是模拟量，也可以是数字量: ►模拟输入量必须经过 A/D 转换为数字 量，而模拟输出量必须经过D/A转换才 能得到。 ►数字量是量化了的模拟量，可以直接 参加运算。
3
模拟系统的优、缺点
优点:物理概念清晰; 控制信号流向直观。 缺点:控制规律体现在硬件电路上，线 路复杂、通用性差; 控制效果受到器件的性能、温度 等因素的影响。
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3.1 微型计算机数字控制的主要特点
硬件电路标准化程度高，不受器件温度漂 移的影响； 进行逻辑判断和复杂运算，实现不同于一 般线性调节的控制规律，…… 控制软件更改灵活方便。 具有信息存储、数据通信和故障诊断等功 能。
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2). 数字电路控制系统
AC
数字电路
~
A/D
TA / 3