第03章直流传动控制系统资料
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-5-
3.1 开环直流调速系统的组成与主要问题
3.1.1 开环直流调速系统的组成 3.1.2 开环直流调速系统的主要问题 3.1.3 开环系统的静特性计算
-6-
• 为什么要研究直流拖动控制系统 • 直流电动机具有良好的起、制动性能，易于在广 范围内平滑调速。 • 直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟， 而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系 统的基础。
L
Uc GT
+ UCR Ud
Id
+
EM
-
-
图3-1 开环直流调速系统结构
-9-
3.1.2 开环直流调速系统的主要问题
• 1．系统机械特性的变异问题
• 对于V-M系统，当电流连续时，系统的机械特性方 程式为
n
1 Ke
(U d
Id R)
(3 1)
额定磁通下的电动势系数 晶闸管整流器输出电压
Ke CeN
-4-
本章要求
• 熟练掌握开环系统的静特性计算 • 熟练掌握转速闭环直流调速系统稳态分析方法、动
态分析方法和设计方法、比例积分控制规律 • 熟练掌握转速、电流双闭环直流调速系统的结构、
稳态分析方法和动态分析方法、转速和电流两个调 节器的作用 • 理解电压与磁场协调控制的直流调速系统结构与控 制原理 • 掌握采用PWM控制的可逆直流调速系统分析方法
其机械特性图处3-于3 带第起一重机象负载限的。V-M系统运行范围
-16-
P
-
-
n
①
(a)整流状态
-
Id
-
②
~
Ud
EM
P
+
n
+
(b)逆变状态
(b)运行范围
• 2）有源逆变 如果直流电动机工作于倒拉反接制动 状态，由机械图3负-3 载带起传重机动负电载的动V-机M系反统运向行范 运围行，感应电动
的V-M系统进行能量的双向流动较为困难。这里有 两种情况：
• 一般反抗性负载的再生发电制动产生的电能无法 回馈给电网，需要采用两组晶闸管整流器反并联 的供电方案，实现电动机的四象限运行。
• 电动机驱动位能性负载，可以通过整流电路自身 的有源逆变将位能负载下降过程的机械能回馈到 电网，如图3-3所示。根据晶闸管触发脉冲的相位， 相控整流器有两种工作状态：
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+
Id
+
~
Ud
EM
P
-
-
n
①
(a)整流状态
•
-
1）整流状态Id
当- 晶闸管的触发脉冲的相位角小于90②，
~ 即（E为9直U0+d流时P电，动整E+ 机流M 的器反工电作动于n 势整）流。状此态时，，且整有流Ud器>将E 输
入的交(流b)逆电变状转态 换成可调的直流电输出(，b)运供行范给围 直流电 动机传动机械负载运动。电动机工作在电动状态，
• （2）静止式可控整流器——用静止式的可控整流器， 以获得可调的直流电压，目前主要用于大容量的直 流调速系统。
• （3）直流斩波器或脉宽调制变换器——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 斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。
-8-
• 由可控直流电源供电的开环直流调速系统结构如图 3-1所示，系统中UCR为由晶闸管整流器或直流 PWM变换器组成的可控整流器，GT为门极（控制 极）驱动装置。调节控制电压Uc就可以改变电动机 的转速。
②
1
2
3
a)
Id
b)
Id
-12-
• 对于直流PWM调速系统，采用不同形式的PWM变 换器，系统的机械特性也不一样。对于带制动电流 通路的不可逆电路和双极式控制的可逆电路，电流 的方向是可逆的，无论是重载还是轻载，电流波形 都是连续的。对于直流PWM可逆整流电路，其电压 方程为
Ud Us (3 4)
n
n
①电流断续
n0
①
②电
②
Hale Waihona Puke Baidu
a)
Id
b)
-11-
• 当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要 复杂得多。
• 不同的控制角，可用数值解法求出一族电流断续时 的机械特性，如图3-2b所示。
• 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。
n
①电流断续
①
②电流连续
-7-
3.1.1 开环直流调速系统的组成
• 在直流电动机调速的三种方法中变压调速的性能最 好，因此是目前最主要的直流调速方案。如果采用 变压调速方法，需要有专门的可控直流电源。常用 的可控直流电源有以下三种：
• （1）旋转变流机组——用交流电动机和直流发电机 组成机组，以获得可调的直流电压。这是一种早期 的获得可调直流电源的方法，现已极少采用。
Ud Ud0 cos (3 2)
• 改变控制角α，可得一族平行直线，但是，V-M系统
中电枢回路的总电阻包括了电机的电枢电阻Ra，整 流器的内阻Re，以及线路电阻Rl，即为
-10-
R Ra Re Rl (3 3)
• 由于R >Ra，因此在相同电压下，V-M系统的机械特 性要比直流电动机电枢调压的机械特性软。如图32a所示，其中：曲线①为仅考虑电枢电阻的机械特 性；曲线②为V-M系统的机械特性。
电压系数
n
1 Ke
(U d
Id R)
(3 1)
-13-
n
1 Ke
Us
RId
(3 5)
n
Us
Ke
R KeKT
Te
n0
R KeKT
Te
(3 6)
额定磁通下的转矩系数
KT CTN
理想空载转速
n0
Us
Ke
-14-
• 2. 能量回馈问题
• （1）V-M系统的能量回馈 • 由于晶闸管的单向导电性，使得采用晶闸管整流器
交直流调速控制系统
昆明学院自动控制与机械工程学院
18 41 61 106 131
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第3章 直流传动控制系统
-2-
主要内容
3.1 开环直流调速系统的组成与主要问题 3.2 转速闭环直流调速系统 3.3 转速、电流双闭环直流调速系统 3.4 直流调速系统的电压与磁场协调控制* 3.5 直流调速系统的可逆控制 3.6 直流调速系统的MATLAB仿真
-3-
• 本章以直流电动机为被控对象，着重讨论直流调速 系统的组成、控制方法和系统性能。第3.1节首先介 绍开环直流调速系统的组成及带来的主要问题。第 3.2节论述转速闭环直流调速系统，分析反馈控制闭 环系统的稳态静差率和动态稳定性，为反馈控制系 统的分析奠定基础。第3.3节分析转速、电流双闭环 的直流调速系统，作为直流调速系统常用的典型控 制模式。随后在第3.4节和第3.5节分别讨论直流调速 系统的电压与磁场协调控制，以及可逆控制问题。 第3.6节介绍利用MATLAB仿真软件进行直流传动控 制系统仿真。
3.1 开环直流调速系统的组成与主要问题
3.1.1 开环直流调速系统的组成 3.1.2 开环直流调速系统的主要问题 3.1.3 开环系统的静特性计算
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• 为什么要研究直流拖动控制系统 • 直流电动机具有良好的起、制动性能，易于在广 范围内平滑调速。 • 直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟， 而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系 统的基础。
L
Uc GT
+ UCR Ud
Id
+
EM
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图3-1 开环直流调速系统结构
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3.1.2 开环直流调速系统的主要问题
• 1．系统机械特性的变异问题
• 对于V-M系统，当电流连续时，系统的机械特性方 程式为
n
1 Ke
(U d
Id R)
(3 1)
额定磁通下的电动势系数 晶闸管整流器输出电压
Ke CeN
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本章要求
• 熟练掌握开环系统的静特性计算 • 熟练掌握转速闭环直流调速系统稳态分析方法、动
态分析方法和设计方法、比例积分控制规律 • 熟练掌握转速、电流双闭环直流调速系统的结构、
稳态分析方法和动态分析方法、转速和电流两个调 节器的作用 • 理解电压与磁场协调控制的直流调速系统结构与控 制原理 • 掌握采用PWM控制的可逆直流调速系统分析方法
其机械特性图处3-于3 带第起一重机象负载限的。V-M系统运行范围
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P
-
-
n
①
(a)整流状态
-
Id
-
②
~
Ud
EM
P
+
n
+
(b)逆变状态
(b)运行范围
• 2）有源逆变 如果直流电动机工作于倒拉反接制动 状态，由机械图3负-3 载带起传重机动负电载的动V-机M系反统运向行范 运围行，感应电动
的V-M系统进行能量的双向流动较为困难。这里有 两种情况：
• 一般反抗性负载的再生发电制动产生的电能无法 回馈给电网，需要采用两组晶闸管整流器反并联 的供电方案，实现电动机的四象限运行。
• 电动机驱动位能性负载，可以通过整流电路自身 的有源逆变将位能负载下降过程的机械能回馈到 电网，如图3-3所示。根据晶闸管触发脉冲的相位， 相控整流器有两种工作状态：
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+
Id
+
~
Ud
EM
P
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-
n
①
(a)整流状态
•
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1）整流状态Id
当- 晶闸管的触发脉冲的相位角小于90②，
~ 即（E为9直U0+d流时P电，动整E+ 机流M 的器反工电作动于n 势整）流。状此态时，，且整有流Ud器>将E 输
入的交(流b)逆电变状转态 换成可调的直流电输出(，b)运供行范给围 直流电 动机传动机械负载运动。电动机工作在电动状态，
• （2）静止式可控整流器——用静止式的可控整流器， 以获得可调的直流电压，目前主要用于大容量的直 流调速系统。
• （3）直流斩波器或脉宽调制变换器——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 斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。
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• 由可控直流电源供电的开环直流调速系统结构如图 3-1所示，系统中UCR为由晶闸管整流器或直流 PWM变换器组成的可控整流器，GT为门极（控制 极）驱动装置。调节控制电压Uc就可以改变电动机 的转速。
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1
2
3
a)
Id
b)
Id
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• 对于直流PWM调速系统，采用不同形式的PWM变 换器，系统的机械特性也不一样。对于带制动电流 通路的不可逆电路和双极式控制的可逆电路，电流 的方向是可逆的，无论是重载还是轻载，电流波形 都是连续的。对于直流PWM可逆整流电路，其电压 方程为
Ud Us (3 4)
n
n
①电流断续
n0
①
②电
②
Hale Waihona Puke Baidu
a)
Id
b)
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• 当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要 复杂得多。
• 不同的控制角，可用数值解法求出一族电流断续时 的机械特性，如图3-2b所示。
• 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。
n
①电流断续
①
②电流连续
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3.1.1 开环直流调速系统的组成
• 在直流电动机调速的三种方法中变压调速的性能最 好，因此是目前最主要的直流调速方案。如果采用 变压调速方法，需要有专门的可控直流电源。常用 的可控直流电源有以下三种：
• （1）旋转变流机组——用交流电动机和直流发电机 组成机组，以获得可调的直流电压。这是一种早期 的获得可调直流电源的方法，现已极少采用。
Ud Ud0 cos (3 2)
• 改变控制角α，可得一族平行直线，但是，V-M系统
中电枢回路的总电阻包括了电机的电枢电阻Ra，整 流器的内阻Re，以及线路电阻Rl，即为
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R Ra Re Rl (3 3)
• 由于R >Ra，因此在相同电压下，V-M系统的机械特 性要比直流电动机电枢调压的机械特性软。如图32a所示，其中：曲线①为仅考虑电枢电阻的机械特 性；曲线②为V-M系统的机械特性。
电压系数
n
1 Ke
(U d
Id R)
(3 1)
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n
1 Ke
Us
RId
(3 5)
n
Us
Ke
R KeKT
Te
n0
R KeKT
Te
(3 6)
额定磁通下的转矩系数
KT CTN
理想空载转速
n0
Us
Ke
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• 2. 能量回馈问题
• （1）V-M系统的能量回馈 • 由于晶闸管的单向导电性，使得采用晶闸管整流器
交直流调速控制系统
昆明学院自动控制与机械工程学院
18 41 61 106 131
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第3章 直流传动控制系统
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主要内容
3.1 开环直流调速系统的组成与主要问题 3.2 转速闭环直流调速系统 3.3 转速、电流双闭环直流调速系统 3.4 直流调速系统的电压与磁场协调控制* 3.5 直流调速系统的可逆控制 3.6 直流调速系统的MATLAB仿真
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• 本章以直流电动机为被控对象，着重讨论直流调速 系统的组成、控制方法和系统性能。第3.1节首先介 绍开环直流调速系统的组成及带来的主要问题。第 3.2节论述转速闭环直流调速系统，分析反馈控制闭 环系统的稳态静差率和动态稳定性，为反馈控制系 统的分析奠定基础。第3.3节分析转速、电流双闭环 的直流调速系统，作为直流调速系统常用的典型控 制模式。随后在第3.4节和第3.5节分别讨论直流调速 系统的电压与磁场协调控制，以及可逆控制问题。 第3.6节介绍利用MATLAB仿真软件进行直流传动控 制系统仿真。