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
18
• 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
47电力运拖动动控自制动系控统制系统
19
极性转换
原信号
t
采样
O 1 2 34 …
n
47电力运拖动动控自制动系控统制系统
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）
47电力运拖动动控自制动系控统制系统
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。
47电力运拖动动控自制动系控统制系统
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。
47电力运拖动动控自制动系控统制系统
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
15
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。
49电力拖动自动控制系统 电力传动控制系统
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M/T法测速波形图
49电力拖动自动控制系统 电力传动控制系统
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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。
49电力拖动自动控制系统 电力传动控制系统
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3.3.6 M/T法测速 软件
PI调节器的输出
u(k ) u(k 1) u(k )
49电力拖动自动控制系统 电力传动控制系统
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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
36
(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
25
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
17
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。
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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
47电力拖动自动控制系统 运动控制系统
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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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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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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
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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
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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
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。
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• 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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极性转换
返回
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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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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
47电力拖动自动控制系统 运动控制系统
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
47电力拖动自动控制系统 运动控制系统
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
47电力拖动自动控制系统 运动控制系统
47电力拖动自动控制系统 运动控制系统
22
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
47电力拖动自动控制系统 运动控制系统
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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。
电力拖动自动控制系统 运动控制系统
=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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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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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：
47电力拖动自动控制系统 运动控制系统
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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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
47电力拖动自动控制系统 运动控制系统
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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。
47电力拖动自动控制系统 运动控制系统
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。
47电力拖动自动控制系统 运动控制系统
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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。
47电力拖动自动控制系统 运动控制系统
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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