第1章 电力拖动自动控制系统 运动控制系统(第5版)
电力拖动自动控制系统-运动控制系统-阮毅-陈伯时思考题和课后习题答案
电力拖动自动控制系统-运动控制系统〔阮毅伯时〕课后答案包括思考题和课后习题第2章2-1 直流电动机有哪几种调速方法？各有哪些特点？答：调压调速，弱磁调速，转子回路串电阻调速，变频调速。
特点略。
2-2 简述直流 PWM 变换器电路的根本构造。
答：直流 PWM 变换器根本构造如图，包括 IGBT 和续流二极管。
三相交流电经过整流滤波后送往直流 PWM 变换器，通过改变直流 PWM 变换器中 IGBT 的控制脉冲占空比，来调节直流 PWM 变换器输出电压大小，二极管起续流作用。
2-3 直流 PWM 变换器输出电压的特征是什么？答：脉动直流电压。
2=4 为什么直流 PWM 变换器-电动机系统比 V-M 系统能够获得更好的动态性能？答：直流 PWM 变换器和晶闸管整流装置均可看作是一阶惯性环节。
其中直流 PWM 变换器的时间常数 Ts 等于其 IGBT 控制脉冲周期〔1/fc〕，而晶闸管整流装置的时间常数 Ts 通常取其最大失控时间的一半〔1/〔2mf〕。
因 fc 通常为 kHz 级，而 f 通常为工频〔50 或 60Hz〕为一周〕，m 整流电压的脉波数，通常也不会超过 20，故直流 PWM 变换器时间常数通常比晶闸管整流装置时间常数更小，从而响应更快，动态性能更好。
2=5 在直流脉宽调速系统中，当电动机停顿不动时，电枢两端是否还有电压？电路中是否还有电流？为什么？答：电枢两端还有电压，因为在直流脉宽调速系统中，电动机电枢两端电压仅取决于直流 PWM 变换器的输出。
电枢回路中还有电流，因为电枢电压和电枢电阻的存在。
2-6 直流 PWM 变换器主电路中反并联二极管有何作用？如果二极管断路会产生什么后果？答：为电动机提供续流通道。
假设二极管断路则会使电动机在电枢电压瞬时值为零时产生过电压。
2-7 直流 PWM 变换器的开关频率是否越高越好？为什么？答：不是。
因为假设开关频率非常高，当给直流电动机供电时，有可能导致电枢电流还未上升至负载电流时，就已经开场下降了，从而导致平均电流总小于负载电流，电机无法运转。
电力拖动自动控制系统-第五版 课后习题答案
习题解答（供参考）2.1试分析有制动电流通路的不可逆PWM 变换器进行制动时，两个VT 是如何工作的？解：减小控制电压，使U g1得正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电压U d 降低，使得E>U d ，电机流过反向电流，电机进入制动状态。
0≤t< t on 时，通过二极管VD1续流，在t on ≤t<T 期间U g2为正，VT2导通，流过反向制动电流。
因此在制动状态时，VT2和VD1轮流导通，VT1始终关断。
2.2 系统的调速范围是1000~100min r ，要求静差率s=2%，那么系统允许的静差转速降是多少？解：10000.022.04(1)100.98n n n rpm rpm D s ⨯∆===-⨯系统允许的静态速降为2.04rpm 。
2.3 某一调速系统，在额定负载下，最高转速特性为min 1500m ax 0r n =，最低转速特性为 0min 150min n r =，带额定负载时的速度降落15min N n r ∆=，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：1）调速范围 maxminn D n =(均指额定负载情况下） max 0max 1500151485N n n n rpm =-∆=-= min 0min 15015135N n n n rpm =-∆=-=max min 148511135n D n ===2) 静差率 min 1510%150N n s n ∆===2.4 直流电动机为N P =74kW, N U =220V ，N I =378A ，N n =1430r/min ，Ra=0.023Ω。
相控整流器内阻Rrec=0.022Ω。
采用降压调速。
当生产机械要求s=20%时，求系统的调速范围。
如果s=30%时，则系统的调速范围又为多少？？解： 2203780.0230.1478/1430N N a e N U I R C V rpm n --⨯===378(0.0230.022)1150.1478N e I R n rpm C ⨯+∆===当s=20%时 14300.23.1(1)115(10.2)N n s D n s ⨯===∆-⨯-当s=30%时 14300.35.33(1)115(10.3)N n s D n s ⨯===∆-⨯-2.5 某龙门刨床工作台采用V-M 调速系统。
电力拖动自动控制系统PPT课件
晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的
动态性能。
2021/3/8
42
• 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”。
本章提要11直流调速系统用的可控直流电源12晶闸管电动机系统vm系统的主要问题13直流脉宽调速系统的主要问题14反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计15反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计16比例积分控制规律和无静差调速系统11直流调速系统用的可控直流电源根据前面分析调压调速是直流调速系统的主要方法而调节电枢电压需要有专门向电动机供电的可控直流电源
电力拖动自动控制系统
电气信息学院
2021/3/8
1
绪论
自动控制系统的几个概念 自动控制系统的分类 自动控制系统的组成 自动控制系统的性能指标 研究自动控制系统的方法 本课程与其它课程的连接本课程的主要内容 计算机控制系统的概念
2021/3/8
2
一.自动控制系统的几个概念
1.自动控制 Automatic control 在无人直接参与的情况下，利用控制装
例子：计算机控制系统。 数学模型用差分方程描述
2021/3/8
13
二.自动控制系统的分类
4.按系统有无反馈环节分类 ①开环控制系统 ②闭环控制系统
5.按系统控制对象和方式分类，又可分为 拖动控制系统（电气控制系统、机械控 制系统）和过程控制系统（石油，化工， 制药等）
2021/3/8
电力拖动自动控制系统运动控制系统第5版
K)
n0cl
ncl
式中， n0cl 表示闭环系统的理想空载转速， ncl 表示闭环系统的稳态速降。
(3-3)
转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图
（1）闭环系统静特性可以比开环系统 机械特性硬得多
• 在同样的负载扰动下，
开环系统的转速降落 闭环系统的转速降落
nop
RI d Ce
• 它们的关系是
ncl
第3章 转速闭环控制的直流调速系 统
第3章 目录
• 3.1有静差的转速闭环直流调速系统（系统 结构与静特性分析，闭环直流调速系统的 反馈控制规律，稳定性分析）
• 3.2 无静差的转速闭环直流调速系统（比例 积分控制规律、稳态参数计算）
• 3.3 转速闭环直流调速系统的限流保护 • 3.4 转速闭环控制直流调速系统的仿真
RI d Ce (1
K)
ncl
nop 1 K
(3-4)
（2）闭环系统的静差率要比开环系统 小得多
• 闭环系统的静差率为
scl
ncl n0cl
• 开环系统的静差n0op n0cl 时，
scl
sop 1 K
（3-5）
（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
• 如 率果都电是s动，机可的得最高转速都是nN，最低速静差
开环时，
Dop
nN s nop (1 s)
闭环时，
Dcl
nN s ncl (1
s)
• 得到
Dcl (1 K )Dop （3-6）
• 结论:比例控制的直流调速系统可以获得比 开环系统硬得多的稳态特性,即负载引起的 转速降落减小了,从而保证在一定静差率的 要求下,能够获得更宽的调速范围.
《电力拖动自动控制系统—运动控制系统(第5版)》教学课件—05直流调速系统的数字控制
综合这两种测速方法的特点，产生了M/T测速 法，它无论在高速还是在低速时都具有较高的 分辨能力和检测精度。
5.2.5 M/T法测速-原理
图5-6 M/T法测速原理示意图
5.2.5 M/T法测速
关键是和计数同步开始和关闭，实际的检测时 间与旋转编码器的输出脉冲一致，能有效减小 测速误差。
5.2.3 M法测速
图5-4 M法测速原理示意图
由系统的定时器按采样周期的时间定期地发出一 个采样脉冲信号，
计数器记录下在两个采样脉冲信号之间的旋转编 码器的脉冲个数。
5.2.3 M法测速
M法测速分辨率为
Q 60(M1 1) 60M1 60
ZTc
ZTc ZTc
（5-4）
M法测速的分辨率与实际转速的大小无关。
M法的测速误差率的最大值为
60M 1 60( M 1 1 )
max ZTc
ZTc 60M 1
ZTc
100% 1 100%
M1
（5-5）
δ大m。ax与M1成反比。转速愈低，M1愈小，误差率愈
5.2.4 T法测速
T法测速是测出旋转编码器两个输出脉冲之 间的间隔时间来计算转速，又被称为周期法测 速。
5.2.4 T法测速
T法测速误差率的最大值为
60 f0
60 f0
m低ax 速 Z时(M，2 编6Z10)M码f02 器ZM相2 邻脉100冲%间 M隔21时1间1长00%，（测5得-9的）
高高频 。时钟脉冲M2个数多，误差率小，测速精度
T法测速更适用于低速段。
5.2.5 M/T法测速
在M法测速中，随着电动机的转速的降低，计 数值减少，测速装置的分辨能力变差，测速误 差增大。
电力拖动自动控制系统--动控制系统(1)-
1.2 晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题
on
• ton不变，变 T —脉冲频率调制（PFM）； • t 和 T 都可调，改变占空比—混合型。
on
40
• PWM系统的优点
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，则系统频带宽，动态响应快
可调的直流电压。 • 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。
28
1.1.1 旋转变流机组（ G-M系统， Ward-Leonard系统）
图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）
29
• G-M系统特性
15
4. 电枢绕组的反电势
E是电枢旋转时，绕组切割主磁通Φ的结果，故和Φ与转速n的乘积
成正比。
式中：Ke—电动势结构系数，Ce —恒磁通电动势结构系数；
n—电动机转速，在此转速下，电动机的电磁转矩
Te正好与负
载转矩Tl相平衡，系统处于稳定运行状态。
16
5. 直流电动机的机械特性方程
1 理想空载转速n0 当Te=0时，n=n0；
34
35
➢ 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。 ➢ 当系统处在深调速状态，即在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，使得 系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流，引起电网电压波形畸变，殃 及附近的用电设备。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”。
电力拖动自动控制系统PPT课件
– 异步电动机变压变频调速时需要进行电压（或 电流）和频率的协调控制，有电压（或电流） 和频率两种独立的输入变量。在输出变量中， 除转速外，磁通也是一个输出变量。
2021/1/21
7
6.1 异步电动机动态数学模型的 性质
• 异步电动机的动态数学模型是一个高阶、 非线性、强耦合的多变量系统。
• 作如下的假设：
– 忽略空间谐波，三相绕组对称，产生的磁动势 沿气隙按正弦规律分布。
– 忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定 的。
– 忽略铁心损耗。 – 不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响
。
2021/1/21
9
6.2 异步电动机的三相数学模型
• 无论异步电动机转子是绕线型还是笼型的 ，都可以等效成三相绕线转子，并折算到 定子侧，折算后的定子和转子绕组匝数相 等。
• 定、转子相对位置变化产生的与转速成正 比的旋转电动势
dL i d
2021/1/21
24
电压方程
• 转矩方程
T e n p L m ( i A s i a i B i b i C i c ) si ( n i A i b i B i c i C i a ) si 1 n ) 2 ( ( i A i c i B i a i C i b ) si 1 n ) 2 ( 0
ia R r
d a dt
ub
ib R r
d b dt
uc
ic R r
d c dt
2021/1/21
21
电压方程
• 将电压方程写成矩阵形式
u
Ri
dψ
dt
uA Rs 0 0 0 0 0 iA
电力拖动自动控制系统运动控制系统(第5版)
主要章节
第二篇 交流调速系统 第6章 基于稳态模型的异步电动机调
速系统 第7章 基于动态模型的异步电动机调
速系统 第8章绕线转子异步电机转子变频控制
系统 第9章同步电动机变压变频调速系统
主要章节
第三篇 伺服系统 第10章 伺服系统
讲课学时
本书按讲课64学时编写，根据编者的教 学经验，在64学时内，难以全部完成九 章内容的教学。
电力拖动自动控制系统 —运动控制系统(第5版）
阮毅 杨影 陈伯时 编 机械工业出版社
前言
本书适用于高等院校电气工程与自动化、 电气工程及其自动化、自动化专业本科 “运动控制系统”或“电力拖动自动控制 系统”课程教学。
其深入部分也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。
考虑到各校相应专业对课程的要求不同， 在实际教学中可选用部分内容，以第2、 3、4、5、6、7章为重点，带*部分可作 为选讲内容。
谢谢使用
在编写过程中，我们虽然花了不 少精力，仍难免有错误与不足之 处，殷切期望广大教师和读者批 评指正。
主要思路
理论与实际相结合，应用自动控制理论解决 运动控制系统的分析和设计等实际问题。以 转速、转矩（电流）和磁链（磁通）控制规 律为主线，由简入繁、由低及高地循序渐进 ，按照从开环到闭环、从直流到交流、从调 速到伺服的层次论述运动控制系统的静、动 态性能和设计方法。
主要章节
第1章 绪论 第一篇 直流调速系统 第2章 转速开环控制的直流调速系统 第3章 转速闭环控制的直流调速系统 第4章 转速、电流双闭环控制的直流
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
硬件电路标准化程度高 控制规律体现在软件上，修改灵活 方便 拥有信息存储、数据通信和故障诊 断等功能
运动控制系统的控制器
模拟控制器
并行运行，控制器的滞后时间小。 微处理器数字控制器 串行运行方式，其滞后时间比模拟 控制器大得多，在设计系统时应予以 考虑。
运动控制系统的信号检测与处理
信号检测
1.2 运动控制系统的历史与发展
直流调速系统
直流电动机的数学模型简单，转 矩易于控制。 换向器与电刷的位置保证了电枢 电流与励磁电流的解耦，使转矩与 电枢电流成正比。
1.2 运动控制系统的历史与发展
交流调速系统
交流电动机（尤其是笼型感应电 动机）结构简单 交流电动机动态数学模型具有非 线性多变量强耦合的性质，比直流电 动机复杂得多。
交流调速系统
基于稳态模型的交流调速系统
转速开环的变压变频调速 转速闭环的转差频率控制系统 动态性能无法与直流调速系统相比
交流调速系统
基于动态模型的交流调速系统
矢量控制系统 直接转矩控制系统 动态性能良好，取代直流调速系统
1.2 运动控制系统的历史与发展
同步电动机交流调速系统
TL 常数
图1-3 恒转矩负载
恒功率负载
负载转矩与转 速成反比，而 功率为常数， 称作恒功率负 载
TL
mห้องสมุดไป่ตู้
PL
常数
m
图1-4 恒功率转矩负载
风机、泵类负载
负载转矩与转速 的平方成正比， 称作风机、泵类 负载
TL n
2 m
2
图1-5 风机、泵类负载
1.4 生产机械的负载转矩特性
生产机械的负载转矩是一个必然存
在的不可控扰动输入。 归纳出几种典型的生产机械负载转 矩特性，实际负载可能是多个典型 负载的组合，应根据实际负载的具 体情况加以分析。
恒转矩负载
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
电压、电流、转速和位置等信号 信号转换 电压匹配、极性转换、脉冲整形等 数据处理 信号滤波
1.2 运动控制系统的历史与发展
电力电子技术和微电子技术带动了
新一代交流调速系统的兴起与发展， 打破了直流调速系统一统高性能拖 动天下的格局。 进入21世纪后，用交流调速系统取 代直流调速系统已成为不争的事实。
1.3 运动控制系统转矩控制规律
转矩控制是运动控制的根本问
题
要控制转速和转角，唯一的途径就 是控制电动机的电磁转矩，使转速 变化率按人们期望的规律变化。
1.3 运动控制系统转矩控制规律
磁链控制同样重要
为了有效地控制电磁转矩，充分利 用电机铁芯，在一定的电流作用下 尽可能产生最大的电磁转矩，必须 在控制转矩的同时也控制磁通（或 磁链）。
1.3 运动控制系统转矩控制规律
当J为常数时，运动控制系统的基本
运动方程式 d m J Te TL D m K m dt d m m dt
1.3 运动控制系统转矩控制规律
忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，运
动控制系统的简化运动方程式
d m J Te TL dt d m m dt
电力电子型功率放大与变换装置
半控型向全控型发展 低频开关向高频开关发展 分立的器件向具有复合功能的功率 模块发展
运动控制系统的控制器
模拟控制器
物理概念清晰、控制信号流向直观 控制规律体现在硬件电路 线路复杂、通用性差 控制效果受到器件性能、温度等因 素的影响
运动控制系统的控制器
以微处理器为核心的数字控制器
电力拖动自动控制系统 —运动控制系统
第 1章
绪论
内 容 提 要
运动控制系统及其组成 运动控制系统的历史与发展
运动控制系统转矩控制规律 生产机械的负载转矩特性
现代运动控制技术
电机学、电力电子 技术、微电子技 术、计算机控制 技术、控制理论、 信号检测与处理 技术等多门学科 相互交叉的综合 性学科 。
同步电动机的转速与电源频率严 格保持同步，机械特性硬。 电力电子变频技术的发展，成功地 解决了阻碍同步电动机调速的失步 和启动两大问题。
1.3 运动控制系统转矩控制规律
运动控制系统的基本运动方程式
d ( J m ) Te TL Dm K m dt d m m dt
图1-1运动控制及其相关学科
1.1 运动控制系统及其组成
图1-2 运动控制系统及其组成
运动控制系统的控制对象—— 电动机
从类型上分
直流电动机、交流感应电动机（交流异 步电动机）和交流同步电动机。 从用途上分 用于调速系统的拖动电动机和用于伺服 系统的伺服电动机。
运动控制系统的功率放大与变 换装置