直流调速系统的数字控制 第 3 章参考课件
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变频调速选用课件第三章-PWM控制技术
交流电机调速
通过改变PWM信号的占空比，可以调节交流电机输入电压的有 效值，从而实现电机的调速。
交流电机方向控制
通过改变PWM信号的相位，可以改变电机输入电压的相位，从 而控制电机的旋转方向。
交流电机启动与制动
通过PWM信号的频率和占空比的调节，可以实现电机的平滑启 动、制动和停止。
PWM控制在步进电机控PWM控制原理 • PWM控制器设计 • PWM控制技术在电机控制中的应用 • PWM控制技术的实验与实现
01
PWM控制技术概述
PWM控制技术的定义
PWM（脉宽调制）控制技术是 一种通过调节脉冲宽度来控制输 出电压或电流的数字信号处理技
术。
在PWM控制中，脉冲的宽度被 调制，以产生可变的占空比，进
测试PWM信号
通过示波器等工具，测试PWM信号 的波形是否符合预期。
实现电机控制
将PWM信号接入电机驱动器，通过 调整PWM占空比实现电机的调速控 制。
传感器数据采集
如果实验中涉及到传感器数据采集， 需要编写相应的数据采集程序。
PWM控制技术的实验结果分析
分析PWM波形
通过示波器等工具，分析PWM信号的波形是否稳定、占空比是否 准确。
而控制平均输出电压或电流。
PWM控制技术广泛应用于电机 控制、电源管理、音频处理、通
信等领域。
PWM控制技术的发展历程
1960年代
随着数字信号处理技术的发展 ，PWM控制技术开始出现。
1970年代
随着微电子技术的进步，PWM 控制芯片开始出现，广泛应用 于电机控制领域。
1980年代
随着计算机技术的普及，PWM 控制算法开始被广泛应用于电 源管理、音频处理等领域。
步进电机步进控制
通过改变PWM信号的占空比，可以调节交流电机输入电压的有 效值，从而实现电机的调速。
交流电机方向控制
通过改变PWM信号的相位，可以改变电机输入电压的相位，从 而控制电机的旋转方向。
交流电机启动与制动
通过PWM信号的频率和占空比的调节，可以实现电机的平滑启 动、制动和停止。
PWM控制在步进电机控PWM控制原理 • PWM控制器设计 • PWM控制技术在电机控制中的应用 • PWM控制技术的实验与实现
01
PWM控制技术概述
PWM控制技术的定义
PWM（脉宽调制）控制技术是 一种通过调节脉冲宽度来控制输 出电压或电流的数字信号处理技
术。
在PWM控制中，脉冲的宽度被 调制，以产生可变的占空比，进
测试PWM信号
通过示波器等工具，测试PWM信号 的波形是否符合预期。
实现电机控制
将PWM信号接入电机驱动器，通过 调整PWM占空比实现电机的调速控 制。
传感器数据采集
如果实验中涉及到传感器数据采集， 需要编写相应的数据采集程序。
PWM控制技术的实验结果分析
分析PWM波形
通过示波器等工具，分析PWM信号的波形是否稳定、占空比是否 准确。
而控制平均输出电压或电流。
PWM控制技术广泛应用于电机 控制、电源管理、音频处理、通
信等领域。
PWM控制技术的发展历程
1960年代
随着数字信号处理技术的发展 ，PWM控制技术开始出现。
1970年代
随着微电子技术的进步，PWM 控制芯片开始出现，广泛应用 于电机控制领域。
1980年代
随着计算机技术的普及，PWM 控制算法开始被广泛应用于电 源管理、音频处理等领域。
步进电机步进控制
《直流调速控制系统》课件
分，通过接收控制器的控制信号实现转速的调节。
02
直流调速控制系统的主要技术指标
调速范围与静差率
调速范围
指控制系统能够调节的最高和最低转速之比。例如，如果最高转速为1000转/分，最低转速为10转/分，则调速 范围为100:1。
静差率
指在给定的转速变化下，系统的输出转速变化与输入转速变化的比值。例如，如果输入转速变化1%，输出转速 变化2%，则静差率为2%。
03
控制器选择
选择合适的控制器，如单片机、 DSP等，用于实现控制算法和控 制逻辑。
04
软件设计
控制算法选择
选择合适的控制算法，如PID控制、模糊控制 等。
控制逻辑设计
设计合适的人机界面，方便用户对系统进行 操作和控制。
人机界面设计
根据控制算法和控制需求，设计控制逻辑， 实现系统的自动控制。
数据处理程序设计
调速平滑性
调速平滑性
指系统在调节过程中，输出转速变化的连续性和平滑程度。平滑性好的系统， 输出转速变化连续、无突变，对被控对象的振动和冲击小。
调节时间
指系统从某一转速调节到另一转速所需的时间。调节时间越短，系统的响应速 度越快。
动态响应时间与超调量
动态响应时间
指系统在阶跃输入下，达到稳态值的 90%所需的时间。动态响应时间越短 ，系统的快速性越好。
选择合适的仿真软件，如MATLAB/Simulink等，用于建立直流调速控制系统的仿真模 型。
仿真模型建立
根据直流调速控制系统的原理，建立仿真模型的各个模块，包括电机模型、控制器模型 、测速模型等。
仿真结果分析
对仿真结果进行分析，验证仿真模型的正确性和有效性。同时，通过对比实验结果和仿 真结果，进一步理解直流调速控制系统的性能特点和控制效果。
02
直流调速控制系统的主要技术指标
调速范围与静差率
调速范围
指控制系统能够调节的最高和最低转速之比。例如，如果最高转速为1000转/分，最低转速为10转/分，则调速 范围为100:1。
静差率
指在给定的转速变化下，系统的输出转速变化与输入转速变化的比值。例如，如果输入转速变化1%，输出转速 变化2%，则静差率为2%。
03
控制器选择
选择合适的控制器，如单片机、 DSP等，用于实现控制算法和控 制逻辑。
04
软件设计
控制算法选择
选择合适的控制算法，如PID控制、模糊控制 等。
控制逻辑设计
设计合适的人机界面，方便用户对系统进行 操作和控制。
人机界面设计
根据控制算法和控制需求，设计控制逻辑， 实现系统的自动控制。
数据处理程序设计
调速平滑性
调速平滑性
指系统在调节过程中，输出转速变化的连续性和平滑程度。平滑性好的系统， 输出转速变化连续、无突变，对被控对象的振动和冲击小。
调节时间
指系统从某一转速调节到另一转速所需的时间。调节时间越短，系统的响应速 度越快。
动态响应时间与超调量
动态响应时间
指系统在阶跃输入下，达到稳态值的 90%所需的时间。动态响应时间越短 ，系统的快速性越好。
选择合适的仿真软件，如MATLAB/Simulink等，用于建立直流调速控制系统的仿真模 型。
仿真模型建立
根据直流调速控制系统的原理，建立仿真模型的各个模块，包括电机模型、控制器模型 、测速模型等。
仿真结果分析
对仿真结果进行分析，验证仿真模型的正确性和有效性。同时，通过对比实验结果和仿 真结果，进一步理解直流调速控制系统的性能特点和控制效果。
《控制系统数字仿真与CAD 第4版》课件第3章 控制系统的数字仿真
传递函数如下：
Id (s) 1/ R Ud 0 (s) E(s) Tl s 1
（3-5）
电流与电动势间的传递函数为：
E(s)
R
Id (s) IdL (s) Tms
上述式（3-5）、（3-6）可用图的形式描述，如图3-2所示。
（3-6）
直流电动机与驱动电源的数学模型
Ud0 s
1/ R Tl s 1
直流电动机的转速/电流双闭环PID控制方案
一、 双闭环V-M调速系统的目的
双闭环V-M调速系统着重解决了如下两方面的问题： 1. 起动的快速性问题
借助于PI调节器的饱和非线性特性，使得系统在电动机允许的过载 能力下尽可能地快速起动。
理想的电动机起动特性为
直流电动机的转速/电流双闭环PID控制方案
从中可知 1）偏差使调节器输出电压U无限制地增加(正向或负向)。因此，输 出端加限制装置（即限幅Um)。 2）要使ASR退出饱和输出控制状态，一定要有超调产生。 3）若控制系统中（前向通道上）存在积分作用的环节，则在给定 作用下，系统输出一定会出现超调。
直流电动机的转速/电流双闭环PID控制方案
三、 关于ASR与ACR的工程设计问题
对上式取拉普拉斯变换，可得“频域”下的传递函数模型为：
Ud 0 (s) Uct (s)
K s eTs s
（3-7）
由于式（3-7）中含有指数函数 eTss，它使系统成为“非最小相位系统”；
为简化分析与设计，我们可将 eTss 按泰勒级数展开，则式（3-7）变成：
Ud 0 (s) Uct (s)
KseTss
n hTn 50.01834s 0.0917s
直流电动机的转速/电流双闭环PID控制方案
直流电机调速控制ppt课件
励磁电压 励磁电流 调速范围 静差率
单相180V
直流1A
直流180V
s<10%
13
5、KZD-Ⅱ型直流调速系统的组成框图
14
KZD-Ⅱ型直流调速系统的组成框图及调节过程
15
KZD-Ⅱ型直流调速系统的升级、改造
实际操作过程参考
任务： 1、 分析KZD-II型直流调速系统各单元电路的原理， 检查分析电路设计中的缺陷。 2、在保证原电路功能基础上，提出系统改进意见， 并重新设计系统工作原理图。 3、选择电子、电器元器件并逐步对单元电路进造 试验。 4、对现有的直流调速系统进实际改造、安装与调 试。 5、绘制修改后电路原理图、写出改进电路工作原 理和系统使用说明书。
④电路中反馈信号直接在主电路取样，设备维护和检修 时有安全隐患，建议用光电耦合器隔离取样。
⑤可控整流电路和电机励磁电源有改进空间。 ⑥手动调速旋纽使用时间长了会接触不良，影响系统稳
定，建议用触摸式电压调节器来改进。
17
2、在原电路基础上提出改进意见，并重新绘
制系统原理图。
①用比例调节器代替原来的放大和比 较节。
课题:直流电机调速系统升级、 改造
1、直流电动机基本控制原理简介 2、直流调速控制线路原理简介 3、直流电动机自动调速控制线路的改造。
一个还须研讨的导 向课题
1
引言
直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构 复杂，维修也不便，但由于它的调速性能较好和 起动转矩较大，因此，对调速要求较高的生产机 械或者需要较大起动转矩的生产机械往往采用直 流电动机驱动。
光电光电耦合器
参考教材 电子技术基础 维修电工 电机与变压器 半导体变流技术 电力电子技术 元器件手册 上21 网
直流调速自动控制系统详解演示文稿
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；
机械特性硬度一样,S是否一样??
第二十四页，共107页。
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。
第二十五页，共107页。
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
第十二页，共107页。
2 直流PWM变换器-电动机系统
思考：
（1）什么是电压系数，不可逆PWM变换电路的电压系数 是什么？
（2）制动时
VT1和VT2
如何交替工作？
第十三页，共107页。
※PWM系统的特点
（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，动态响应快，
动态抗扰能力强；
第十四页，共107页。
※ PWM系统的特点（续）
（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。
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；
机械特性硬度一样,S是否一样??
第二十四页，共107页。
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。
第二十五页，共107页。
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
第十二页，共107页。
2 直流PWM变换器-电动机系统
思考：
（1）什么是电压系数，不可逆PWM变换电路的电压系数 是什么？
（2）制动时
VT1和VT2
如何交替工作？
第十三页，共107页。
※PWM系统的特点
（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，动态响应快，
动态抗扰能力强；
第十四页，共107页。
※ PWM系统的特点（续）
（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。
第3章直流调速系统的数字控制
随着电机控制专用单片微机的产生，前者逐渐 成为主流，例如Intel公司8X196MC系列和TI公司 TMS320X240系列单片微机可直接生成PWM驱动 信号，经过放大环节控制功率器件，从而控制功 率变换器的输出电压。
3.2.2 微机数字控制双闭环直流调速系统的软件框图
微机数字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。
UU**ii -UUi
ASR
ACR
UUcc
D/P
-_ UUnn
Hale Waihona Puke PLG MP/D数字电路控制系统特点：
– 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
UU**n +
_
Unn
ASR
U**i -Uii
ACR
UUcc
D/P
A~C
TA /3
转速检测用数字测速。
1. 转速检测
转速检测有模拟和数字两种检测方法：
（1）模拟测速一般采用测速发电机，其输出电压不仅表 示了转速的大小，还包含了转速的方向，在调速系统中 （尤其在可逆系统中），转速的方向也是不可缺少的。 因此必须经过适当的变换，将双极性的电压信号转换为 单极性电压信号，经A/D 转换后得到的数字量送入微机。 但偏移码不能直接参与运算，必须用软件将偏移码变换 为原码或补码，然后进行闭环控制。
主电路
PLG M
P/D
在数字装置中，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： – 双闭环系统结构，采用微机控制； – 全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测； – 采用数字PI算法，由软件实现转速、电流调节。
3.2.2 微机数字控制双闭环直流调速系统的软件框图
微机数字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。
UU**ii -UUi
ASR
ACR
UUcc
D/P
-_ UUnn
Hale Waihona Puke PLG MP/D数字电路控制系统特点：
– 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
UU**n +
_
Unn
ASR
U**i -Uii
ACR
UUcc
D/P
A~C
TA /3
转速检测用数字测速。
1. 转速检测
转速检测有模拟和数字两种检测方法：
（1）模拟测速一般采用测速发电机，其输出电压不仅表 示了转速的大小，还包含了转速的方向，在调速系统中 （尤其在可逆系统中），转速的方向也是不可缺少的。 因此必须经过适当的变换，将双极性的电压信号转换为 单极性电压信号，经A/D 转换后得到的数字量送入微机。 但偏移码不能直接参与运算，必须用软件将偏移码变换 为原码或补码，然后进行闭环控制。
主电路
PLG M
P/D
在数字装置中，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： – 双闭环系统结构，采用微机控制； – 全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测； – 采用数字PI算法，由软件实现转速、电流调节。
运动控制系统第3章-转速闭环控制的直流调速系统ppt
s)
闭环时，Dcl
nN s ncl (1
s)
得到 Dcl (1 K )Dop
（2-50）
闭环系统静特性和开环系统机械特性的关系
开环系统 Id n 例如：在图2-24中工作点从A A′
闭环系统 Id n Un Un Uc
n Ud0 例如：在图2-24中工作点从A B 比例控制直流调速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的变化。
图2-26 积分调节器的输入和输出动态过程
图2-26 积分调节器的 输入和输出动态过程
只要ΔUn>0，积分调 节器的输出Uc便一直 增长；只有达到 ΔUn=0时， Uc才停止 上升；只有到ΔUn变 负， Uc才会下降。
当ΔUn=0时， Uc并 不是零，而是某一个 固定值Ucf
突加负载时，由于Idl的 增加，转速n下降，导 致ΔUn变正，
由式（2-48）可得
K
nop
1
275
1 103.6
ncl
2.63
则得
Kp
K
K s / Ce
103.6 30 0.015 / 0.2
46
即只要放大器的放大系数等于或大于46。
3.1.3 闭环直流调速系统反馈控制规律
（1）比例控制的反馈控制系统是被调量有 静差的控制系统 比例控制反馈控制系统的开环放大系数值 越大，系统的稳态性能越好。 但只要比例放大系数Kp＝常数，开环放大 系数K≠∞，反馈控制就只能减小稳态误差， 而不能消除它， 这样的控制系统叫做有静差控制系统。
电力拖动自动控制系统 —运动控制系统
第3章
转速闭环控制的 直流调速系统
直流电机及调速系统课件79页PPT
直流电机及调速系统
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。
？ ？ ？ ？ ？
设计目标
拟定其传动系统 选择伺服电机 确定反馈控制结构 选择伺服系统的参
数
伺服系统设计实例_分析1
解决问题的方法 通过数学建模来分析整个系统的问题
信号
驱动单元数学模型 电机单元数学模型 机械单元数学模型
目标运动
伺服系统设计实例_分析2
数学建模来分析整个系统的问题 数学模型应解决什么问题 数学模型如何来实现互联
直流伺服电机控制系统 速度负反馈闭环调速系统的结构
右图为一数控 机床进给部件 中的电机调速 系统接线图
它是一个速度 负反馈闭环 调速系统
控制
驱动
电机
电源 电源
电机调速系统实例_1 (B)
直流伺服电机控制系统 速度负反馈闭环调速系统的结构
电机调速系统实例_1 (C)
直流伺服电机控制系统 速度负反馈闭环调速系统的结构
直流伺服电机调速驱动单元 结构实例
直流伺服电机调速驱动单元 结构实例
速度指令
电机 测速电机
直流伺服电机调速驱动单元 结构实例
速度单元
速度指令
电机 测速电机
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。
？ ？ ？ ？ ？
设计目标
拟定其传动系统 选择伺服电机 确定反馈控制结构 选择伺服系统的参
数
伺服系统设计实例_分析1
解决问题的方法 通过数学建模来分析整个系统的问题
信号
驱动单元数学模型 电机单元数学模型 机械单元数学模型
目标运动
伺服系统设计实例_分析2
数学建模来分析整个系统的问题 数学模型应解决什么问题 数学模型如何来实现互联
直流伺服电机控制系统 速度负反馈闭环调速系统的结构
右图为一数控 机床进给部件 中的电机调速 系统接线图
它是一个速度 负反馈闭环 调速系统
控制
驱动
电机
电源 电源
电机调速系统实例_1 (B)
直流伺服电机控制系统 速度负反馈闭环调速系统的结构
电机调速系统实例_1 (C)
直流伺服电机控制系统 速度负反馈闭环调速系统的结构
直流伺服电机调速驱动单元 结构实例
直流伺服电机调速驱动单元 结构实例
速度指令
电机 测速电机
直流伺服电机调速驱动单元 结构实例
速度单元
速度指令
电机 测速电机
直流调速系统原理演示幻灯片
24
? 另外，有些生产机械的电动机可能会遇到堵转情况。例如 由于故障造成机械轴被卡住，或挖土机工作时遇到坚硬的 石头等。在这此情况下，由于闭环系统的机械特性很硬， 若没有限流环节的保护，电枢电流将远远超过允许值。
25
电流截止负反馈的作用
可以通过一个电压比较环节，使电流负反馈环节只 有在电流超过某个允许值 (称为阈值 )时才起作用，这 就是电流截止负反馈。
G2
G3
0.01
30
解：由于负载变化量是扰动量，所以其扰动量的 误 差传递函数 为：
?
d (s) ?
1?
G3 (s) G1(s)G2 (S)G3 (S)H (s)
?
8.33(0.005s ? 1)
(0.1s ? 1)(0.02s ? 1)(0.005s ? 1) ? 16.66
故系统拢动量的 误差函数 ： E(s) ? ? d (s)? T(s)
13
? 直流电动机(Direct Current Motor)
由基尔霍夫定律，可得他励直流电动机电枢回路的电
压方程：
ua
?
ia Ra
?
La
di d dt
?
e
14
代入他励直流电动机的机电参数：
Te ? C T ? ia
? Te
? TL
?
J
d dt
可得： TmTe
d 2n dt
?
Tm
dn ? n ? dt
转速的检测方式很多，有测速发电机、电磁感应传感 器、光电传感器等。读出量又分模拟量和数字量。此 系统中，转速反馈量需要的是模拟量，一般采用测速
测速反馈信号
U
与转速成正比，有：
fn
? 另外，有些生产机械的电动机可能会遇到堵转情况。例如 由于故障造成机械轴被卡住，或挖土机工作时遇到坚硬的 石头等。在这此情况下，由于闭环系统的机械特性很硬， 若没有限流环节的保护，电枢电流将远远超过允许值。
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电流截止负反馈的作用
可以通过一个电压比较环节，使电流负反馈环节只 有在电流超过某个允许值 (称为阈值 )时才起作用，这 就是电流截止负反馈。
G2
G3
0.01
30
解：由于负载变化量是扰动量，所以其扰动量的 误 差传递函数 为：
?
d (s) ?
1?
G3 (s) G1(s)G2 (S)G3 (S)H (s)
?
8.33(0.005s ? 1)
(0.1s ? 1)(0.02s ? 1)(0.005s ? 1) ? 16.66
故系统拢动量的 误差函数 ： E(s) ? ? d (s)? T(s)
13
? 直流电动机(Direct Current Motor)
由基尔霍夫定律，可得他励直流电动机电枢回路的电
压方程：
ua
?
ia Ra
?
La
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?
e
14
代入他励直流电动机的机电参数：
Te ? C T ? ia
? Te
? TL
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J
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可得： TmTe
d 2n dt
?
Tm
dn ? n ? dt
转速的检测方式很多，有测速发电机、电磁感应传感 器、光电传感器等。读出量又分模拟量和数字量。此 系统中，转速反馈量需要的是模拟量，一般采用测速
测速反馈信号
U
与转速成正比，有：
fn
《直流电机调速》PPT课件_OK
l 交叉连接（两个独立的交流电源分别供电）
2、无环流可逆线路四象限运行。
22
四象限的状态
• Ⅰ 电机正转，电动运行， VF整流， • Ⅱ电机正转回馈发电制动运行， • VR逆变 • Ⅲ电机反转，电动运行 • VR整流 • Ⅳ电机反转回馈发电制动运行 • VF逆变
23
补充1 晶体管-电动机直流脉宽调速系统 （大功率晶体管）
第一节 概述
一、根据直流电机转速公式
n U I aRa
C e
可知有降电源电压，串电枢回路电阻，
削弱励磁调速三种方式。
P
➢调压调速 恒转矩调速 T 9.55 N
➢弱磁调速 恒功率调速 N
n N
1
1、几种常见的直流传动控制系统
➢ 晶闸管-电动机直流传动控制系统 ➢ 晶体管-电动机直流脉宽调速系统 ➢ 微型计算机控制的直流传动系统 其中晶闸管直流传动使用最为广泛
调速范围很宽）。
5. 适用于中、小容量的调速系统（受最大电压、电流
限制）。
26
补充2： 微型计算机控制的直流传动系统
27
特点：
1. 系统的硬件结构简单（单片机）； 2. 系统的（不同的）控制规律由（容易更改的）软件
实现（配备少量的接口电路）； 3. 运算速度快； 4. 可靠性高； 5. 成本低； 6. 具有保护、诊断和自检功能； 7. 能实现数模混合控制或全数字量控制；
24
25
与晶闸管直流调速系统比较：
1. 主电路所需的功率元件少。
2. 控制线路简单。
3. 频带宽（动态响应速度和稳速精度等性能指标较好）。
如：晶体管脉宽调制（PWM）放大器的开关频率为1kHz~3kHz； 晶闸管三相全控整流桥的开关频率为300Hz。
直流调速系统的数字控制(ppt文档)
• Ｔ法测速误差率
60 f0
60 f0
max
Z (M 2 1) 60 f0
ZM 2
ZM 2
100 % 1 100 % M2 1
故T法测速适用于低速段。
两种测速方法的比较
M法测速在高速段误差小； T法测速在低速段分辨率强，误差小。
因此，可以将两种测速方法相结合，取长补短。既 检测 Tc 时间内旋转编码器输出的脉冲个数M1，又 检测同一时间间隔的高频时钟脉冲个数M2，用来计 算转速，称作M/T法测速。
• 根据计数值 M 计算出对 应的转速值 n。
CLK
Timer
Tc M1
...
Bus INTt t
测速原理与波形图
• 转速计算公式
n 60 M1 ZTc
式中：Z为PLG每转输出的脉冲个数；
M法测速的分辨率
Q 60(M1 1) 60M1 60
ZTc
ZTc ZTc
• M法测速误差率
三、数字PI调节器
（1）PI调节器的传递函数
Wpi (s)
U (s) E(s)
K pi
s 1 s
PI调节器时域表达式
u
(t
)
K
pie(t
)
1
e(t)dt KPe(t) KI
e(t)dt
其中 Kp= Kpi 为比例系数 KI =1/ 为积分系数
（2）PI调节器的差分方程
n 100%
n
测量误差 越小，测速精度越高。
的大小取决于测速元件的制造精度和测速方法。
3. 测速方法
（1） M法测速
工作原理：
PLG
直流调速系统 课件(教师版)1-5
U c ( s) Wa (s) Kp U n (s)
U n ( s) Wfn ( s) n( s )
（1-54）
（1-55）
结构图 知道了各环节的传递函数后，把它 们按在系统中的相互关系组合起来，就 可以画出闭环直流调速系统的动态结构 框图，如下图所示。由图可见，将电力 电子变换器按一阶惯性环节处理后，带 比例放大器的闭环直流调速系统可以看 作是一个三阶线性系统。
4. 闭环调速系统的动态结构框图
IdL (s) R (Tl s+1) U * n ( s)
+ △Un (s)
U c ( s) KP
Ks
+
-
1/Ce TmTl s2+Tms+1
n ( s)
U n ( s)
Tss+1
U d ( s)
图1-36 反馈控制闭环调速系统的动态结构框图
5. 调速系统的开环传递函数
L Tl — 电枢回路电磁时间常数(s)， ； Tl R
Tm—电力拖动系统机电时间常数(s)
GD2 R Tm式（1-46）和（1-47），并考虑式（1-48） 和（1-49），整理后得
dI d U d E R( I d Tl ) dt
Tm dE I d I dL R dt
例
题
=0.376r/min 闭环系统的调速范围最多能够达到 Dcl=s· nN/△ncl（1-s） =1000×0.05/0.376×（1-0.05）=140 可以比原来的指标D =10高得多。 从例1-6和1-7的计算中可以看出，由于IGBT的 开关频率高，PWM装置的滞后时间常数Ts非常小， 同时主电路不需要串接平波电抗器，电磁时间常数 Tl也不大，因此闭环的脉宽调速系统容易稳定。或 者说，在保证稳定的条件下，脉宽调速系统的稳态 性能指标可以大大提高。
U n ( s) Wfn ( s) n( s )
（1-54）
（1-55）
结构图 知道了各环节的传递函数后，把它 们按在系统中的相互关系组合起来，就 可以画出闭环直流调速系统的动态结构 框图，如下图所示。由图可见，将电力 电子变换器按一阶惯性环节处理后，带 比例放大器的闭环直流调速系统可以看 作是一个三阶线性系统。
4. 闭环调速系统的动态结构框图
IdL (s) R (Tl s+1) U * n ( s)
+ △Un (s)
U c ( s) KP
Ks
+
-
1/Ce TmTl s2+Tms+1
n ( s)
U n ( s)
Tss+1
U d ( s)
图1-36 反馈控制闭环调速系统的动态结构框图
5. 调速系统的开环传递函数
L Tl — 电枢回路电磁时间常数(s)， ； Tl R
Tm—电力拖动系统机电时间常数(s)
GD2 R Tm式（1-46）和（1-47），并考虑式（1-48） 和（1-49），整理后得
dI d U d E R( I d Tl ) dt
Tm dE I d I dL R dt
例
题
=0.376r/min 闭环系统的调速范围最多能够达到 Dcl=s· nN/△ncl（1-s） =1000×0.05/0.376×（1-0.05）=140 可以比原来的指标D =10高得多。 从例1-6和1-7的计算中可以看出，由于IGBT的 开关频率高，PWM装置的滞后时间常数Ts非常小， 同时主电路不需要串接平波电抗器，电磁时间常数 Tl也不大，因此闭环的脉宽调速系统容易稳定。或 者说，在保证稳定的条件下，脉宽调速系统的稳态 性能指标可以大大提高。
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模拟系统具有物理概念清晰、控制信号 流向直观等优点，便于学习入门，但其控 制规律体现在硬件电路和所用的器件上， 因而线路复杂、通用性差，控制效果受到 器件的性能、温度等因素的影响。
3
以微处理器为核心的数字控制系统（简 称微机数字控制系统）硬件电路的标准化 程度高，制作成本低，且不受器件温度漂 移的影响；其控制软件能够进行逻辑判断 和复杂运算，可以实现不同于一般线性调 节的最优化、自适应、非线性、智能化等 控制规律，而且更改起来灵活方便。
电力拖动自动控制系统
第3章
直流调速系统的数字控制
1
内容提要
微型计算机数字控制的主要特点 微机数字控制双闭环直流调速系统的硬
件和软件 数字测速与滤波 数字PI调节器 用离散控制系统设计数字控制器
2
3. 0 问题的提出
前两章中论述了直流调速系统的基本规 律和设计方法，所有的调节器均用运算放 大器实现，属模拟控制系统。
U**nn
ASR
UU**ii -UUi
ACR
UUcc
D/P
-_ UUnn
P/D
~AC
TA /3
主电路
PLG M
14
数字电路控制系统特点：
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。
15
3. 计算机控制系统
微机控制电路
A/D
UU**n +
_
Unn
ASR
U**i -Uii
20
检测回路——检测回路包括电压、电流、 温度和转速检测，其中： 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； 转速检测用数字测速。
21
1. 转速检测
转速检测有模拟和数字两种检测方法：
（1）模拟测速一般采用测速发电机，其输出电压 不仅表示了转速的大小，还包含了转速的方向， 在调速系统中（尤其在可逆系统中），转速的方 向也是不可缺少的。因此必须经过适当的变换， 将双极性的电压信号转换为单极性电压信号，经 A/D 转换后得到的数字量送入微机。但偏移码不 能直接参与运算，必须用软件将偏移码变换为原 码或补码，然后进行闭环控制。
近离散模拟信号的幅
值，将它转换成数字 O
n
信号，这就是数字化。
数字化
7
离散化和数字化的负面效应
离散化和数字化的结果导致了时间上和 量值上的不连续性，从而引起下述的负面 效应：
（1）A/D转换的量化误差：模拟信号可 以有无穷多的数值，而数码总是有限的， 用数码来逼近模拟信号是近似的，会产生 量化误差，影响控制精度和平滑性。
RR55
UUBB
RR33
RR44
RR66
A2
A/D
UUiiaa
28
故障综合——利用微机拥有强大的逻辑 判断功能，对电压、电流、温度等信号 进行分析比较，若发生故障立即进行故 障诊断，以便及时处理，避免故障进一 步扩大。这也是采用微机控制的优势所 在。
8
（2） D/A转换的滞后效应：经过计算机 运算和处理后输出的数字信号必须由数模 转换器D/A和保持器将它转换为连续的模 拟量，再经放大后驱动被控对象。但是， 保持器会提高控制系统传递函数分母的阶 次，使系统的稳定裕量减小，甚至会破坏 系统的稳定性。
9
随着微电子技术的进步，微处理器的运 算速度不断提高，其位数也不断增加，上 述两个问题的影响已经越来越小。
但微机数字控制系统的主要特点及其负 面效应需要在系统分析中引起重视，并在 系统设计中予以解决。
返回目录
10
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. 计算机控制系统
微机数字控制双闭环直流调速系统硬件 结构如图3-4所示，系统由以下部分组成
▪ 主电路 ▪ 检测电路 ▪ 控制电路 ▪ 给定电路 ▪ 显示电路
18
图3-4 微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图
19
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： 直流PWM功率变换器 晶闸管可控整流器
22
（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。
23
• 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
CPU
（2）光电码盘转换电路
+5V
PLG
逻辑控制
计数器
CPU
24
2. 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。
25
• 电流检测方法
（1）电流互感器
~
ABC
Ui Ui0
26
（2）霍尔效应电流变换器
UH = KH B Ic
R11
Id
UUHH R0
A1
KH为霍尔常数；
HL
Ui
B为与被测电流
Ic
成正比的磁通密度； +
-
Ic为控制电流。
27
• 信号隔离与转换
R11
RRoo
A1
Ui
+15V
+ 5V
UA
RR22
11
1. 数模混合控制系统
数字电路
A/D
U*n
_
U*i
Ui
-
Uc
ASR
ACRΒιβλιοθήκη D/AUn~ACTA /3
A/P
A/D
TG -M-
12
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。
13
2. 数字电路控制系统
数字电路
A/D
为了把模拟的连续
信号输入计算机，必
须首先在具有一定周
O
期的采样时刻对它们
进行实时采样，形成 f(nT)
原信号
t
采样
一连串的脉冲信号，
即离散的模拟信号，
这就是离散化。
O 1 2 34 …
n
6
数字化：
采样后得到的离散 信号本质上还是模拟 N(nT)
信号，还须经过数字
量化，即用一组数码
（如二进制码）来逼
ACR
UUcc
D/P
P/D
A~C
TA /3
主电路
PLG M
16
在数字装置中，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：
双闭环系统结构，采用微机控制； 全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测； 采用数字PI算法，由软件实现转速、电流调节。
17
3.2.1 微机数字控制双闭环直流调速系统的 硬件结构
4
3. 1 微型计算机数字控制的主要特点
总之，微机数字控制系统的稳定性好， 可靠性高，可以提高控制性能，此外，还 拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模 拟控制系统无法实现的功能。
由于计算机只能处理数字信号，因此， 与模拟控制系统相比，微机数字控制系统 的主要特点是离散化和数字化：
5
f(t)
离散化：
3
以微处理器为核心的数字控制系统（简 称微机数字控制系统）硬件电路的标准化 程度高，制作成本低，且不受器件温度漂 移的影响；其控制软件能够进行逻辑判断 和复杂运算，可以实现不同于一般线性调 节的最优化、自适应、非线性、智能化等 控制规律，而且更改起来灵活方便。
电力拖动自动控制系统
第3章
直流调速系统的数字控制
1
内容提要
微型计算机数字控制的主要特点 微机数字控制双闭环直流调速系统的硬
件和软件 数字测速与滤波 数字PI调节器 用离散控制系统设计数字控制器
2
3. 0 问题的提出
前两章中论述了直流调速系统的基本规 律和设计方法，所有的调节器均用运算放 大器实现，属模拟控制系统。
U**nn
ASR
UU**ii -UUi
ACR
UUcc
D/P
-_ UUnn
P/D
~AC
TA /3
主电路
PLG M
14
数字电路控制系统特点：
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。
15
3. 计算机控制系统
微机控制电路
A/D
UU**n +
_
Unn
ASR
U**i -Uii
20
检测回路——检测回路包括电压、电流、 温度和转速检测，其中： 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； 转速检测用数字测速。
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1. 转速检测
转速检测有模拟和数字两种检测方法：
（1）模拟测速一般采用测速发电机，其输出电压 不仅表示了转速的大小，还包含了转速的方向， 在调速系统中（尤其在可逆系统中），转速的方 向也是不可缺少的。因此必须经过适当的变换， 将双极性的电压信号转换为单极性电压信号，经 A/D 转换后得到的数字量送入微机。但偏移码不 能直接参与运算，必须用软件将偏移码变换为原 码或补码，然后进行闭环控制。
近离散模拟信号的幅
值，将它转换成数字 O
n
信号，这就是数字化。
数字化
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离散化和数字化的负面效应
离散化和数字化的结果导致了时间上和 量值上的不连续性，从而引起下述的负面 效应：
（1）A/D转换的量化误差：模拟信号可 以有无穷多的数值，而数码总是有限的， 用数码来逼近模拟信号是近似的，会产生 量化误差，影响控制精度和平滑性。
RR55
UUBB
RR33
RR44
RR66
A2
A/D
UUiiaa
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故障综合——利用微机拥有强大的逻辑 判断功能，对电压、电流、温度等信号 进行分析比较，若发生故障立即进行故 障诊断，以便及时处理，避免故障进一 步扩大。这也是采用微机控制的优势所 在。
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（2） D/A转换的滞后效应：经过计算机 运算和处理后输出的数字信号必须由数模 转换器D/A和保持器将它转换为连续的模 拟量，再经放大后驱动被控对象。但是， 保持器会提高控制系统传递函数分母的阶 次，使系统的稳定裕量减小，甚至会破坏 系统的稳定性。
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随着微电子技术的进步，微处理器的运 算速度不断提高，其位数也不断增加，上 述两个问题的影响已经越来越小。
但微机数字控制系统的主要特点及其负 面效应需要在系统分析中引起重视，并在 系统设计中予以解决。
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10
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. 计算机控制系统
微机数字控制双闭环直流调速系统硬件 结构如图3-4所示，系统由以下部分组成
▪ 主电路 ▪ 检测电路 ▪ 控制电路 ▪ 给定电路 ▪ 显示电路
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图3-4 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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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： 直流PWM功率变换器 晶闸管可控整流器
22
（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。
23
• 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
CPU
（2）光电码盘转换电路
+5V
PLG
逻辑控制
计数器
CPU
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2. 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。
25
• 电流检测方法
（1）电流互感器
~
ABC
Ui Ui0
26
（2）霍尔效应电流变换器
UH = KH B Ic
R11
Id
UUHH R0
A1
KH为霍尔常数；
HL
Ui
B为与被测电流
Ic
成正比的磁通密度； +
-
Ic为控制电流。
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• 信号隔离与转换
R11
RRoo
A1
Ui
+15V
+ 5V
UA
RR22
11
1. 数模混合控制系统
数字电路
A/D
U*n
_
U*i
Ui
-
Uc
ASR
ACRΒιβλιοθήκη D/AUn~ACTA /3
A/P
A/D
TG -M-
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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。
13
2. 数字电路控制系统
数字电路
A/D
为了把模拟的连续
信号输入计算机，必
须首先在具有一定周
O
期的采样时刻对它们
进行实时采样，形成 f(nT)
原信号
t
采样
一连串的脉冲信号，
即离散的模拟信号，
这就是离散化。
O 1 2 34 …
n
6
数字化：
采样后得到的离散 信号本质上还是模拟 N(nT)
信号，还须经过数字
量化，即用一组数码
（如二进制码）来逼
ACR
UUcc
D/P
P/D
A~C
TA /3
主电路
PLG M
16
在数字装置中，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：
双闭环系统结构，采用微机控制； 全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测； 采用数字PI算法，由软件实现转速、电流调节。
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3.2.1 微机数字控制双闭环直流调速系统的 硬件结构
4
3. 1 微型计算机数字控制的主要特点
总之，微机数字控制系统的稳定性好， 可靠性高，可以提高控制性能，此外，还 拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模 拟控制系统无法实现的功能。
由于计算机只能处理数字信号，因此， 与模拟控制系统相比，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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f(t)
离散化：