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2012年度继续教育
直流拖动控制系统学习体会

通过本次2012年度专业技术人员继续教育知识更新培训过程中对无运动控制系统中直流拖动控制系统知识的学习，使我进一步掌握了运动控制系统中的直流拖动控制系统基础理论知识，加深了对直流控制系统的认识和理解，为今后在实际工作中的理论和实践相结合打下了坚实的基础。通过本次知识更新培训，我掌握了以下关于直流拖动控制系统的理论基础知识。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。

一、直流拖动系统三种调速方法及各自工特性
1、 调压调速
工作条件： 保持励磁 F = FN ；保持电阻 R = Ra
调节过程：改变电压 UN ® U¯：U¯®n ¯， n0 ¯
调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下移。
2、调阻调速
工作条件： 保持励磁 F = FN ； 保持电压 U =UN ；
调节过程：增加电阻 Ra ® R­：R ­ ®n ¯，n0不变；
调速特性：转速下降，机械特性曲线变软。
3、调磁调速
工作条件：保持电压 U =UN ；保持电阻 R = R a ；
调节过程：减小励磁 FN ® F¯：F ¯ ® n ­， n0 ­
调速特性：转速上升，机械特性曲线变软。

因此，对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，直流调速系统往往以调压调速为主。聞創沟燴鐺險爱氇谴净。

二、直流调速系统用的可控直流电源
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。这种可控直流电源分为：残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
（1）旋转变流机组——用交流电动机和直流发电机组成机组，获得可调的直流电压。
（2）静止式可控整流器——用静止式的可控整流器获得可调的直流电压。
（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，产生可变的平均电压。其中：酽锕极額閉镇桧猪訣锥。
旋转变流机组又简称G-M系统，其工作原理为：由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机 G 实现变流，由 G 给需要调速的直流电动机 M 供电，调节G 的励磁电流 if 即可改变其输出电压 U，从而调节电动机的转速 n 。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。

旋转变流机组和由它供电的直流调速系统（G-M系统）原理图

静止式可控整流器简称为V-M系统，其工作原理是，通过调节触发装置 GT 的控制电压控制晶闸管可控整流器的通断， 来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。由于V-M系统在控制作用的快速性上具有良好的优越性，大大提高系统的动态性能。謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。

晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）原理图

斩波器的基本控制原理
在图1-5a）中，VT 表示电力电子开关器件，VD 表示续流二极管。当VT 导通时，直流电源电压 Us 加到电动机上；当VT 关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经 VD 续流，两端电压接近于零。好像是电源电压Us在ton 时间内被接上，又在 T-ton 时间内被斩断，故称“斩波”。厦礴恳蹒骈時盡继價骚。

原理图 电压波形图
直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形

由于直流PWM调速系统具有主电路线路简单，需用的功率器件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；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；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高等优点，直流PWM调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代V-M系统成为主要的直流调速方式。茕桢广鳓鯡选块网羈泪。
PWM变换器的直流电源通常由交流电网经不可控的二极管整流器产生，并采用大电容C滤波，以获得恒定的直流电压，电容C同时对感性负载的无功功率起储能缓冲作用。 鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。
对于PWM变换器中的滤波电容，其作用除滤波外，还有当电机制动时吸收运行系统动能的作用。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作“泵升电压”。电力电子器件的耐压限制着最高泵升电压，因此电容量就不可能很小，一般几千瓦的调速系统所需的电容量达到数千微法。在大容量或负载有较大惯量的系统中，不可能只靠电容器来限制泵升电压，这时，可以采用下图中的镇流电阻 Rb 来消耗掉部分动能。分流电路靠开关器件 VTb 在泵升电压达到允许数值时接通。籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。
对于更大容量的系统，为了提高效率，可以在二极管整流器输出端并接逆变器，把多余的能量逆变后回馈电网。
如图所示为PWM控制器和变换器的框图，其驱动电压都由 PWM 控制器发出，PWM控制与变换器的动态数学模型和晶闸管触发与整流装置基本一致。預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。
根据PWM变换器工作原理，不难看出，当控制电压改变时，PWM变换器输出平均电压按线性规律变化，但其响应会有延迟，最大的时延是一个开关周期 T 。渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。

PWM控制与变换器的框图
因此PWM控制与变换器（简称PWM装置）也可以看成是一个滞后环节。

三、直流调速系统的分类、组成、工作原理及特性
直流调速系统可分为两大类，即：开环调速系统和闭环调速系统。
由于开环调速系统在实际应用中存在着局限性，而且在调速性能也不能满足调速精度的要求，故开环调速已不能满足要求，需采用反馈控制的闭环调速系统来解决这些问题。铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。
（一） 闭环调速系统的组成、工作原理及特性
根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。
调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转速降落。
系统组成

图1-24 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图

调节原理
在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机 TG ，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Un ，与给定电压 U*n 相比较后，得到转速偏差电压 DUn ，经过放大器 A，产生电力电子变换器UPE的控制电压Uc ，用以控制电动机转速 n。贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。

UPE的组成
UPE是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三组（或单相）交流电源，输出为可控的直流电压，控制电压为Uc 。坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。
目前，组成UPE的电力电子器件有如下几种选择方案：
（1） 对于中、小容量系统，多采用由IGBT或P-MOSFET组成的PWM
变换器。
（2） 对于较大容量的系统，可采用其他电力电子开关器件，如GTO、IGCT等。
（3） 对于特大容量的系统，则常用晶闸管触发与整流装置。
任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。归纳起来，对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面：蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。
1. 控制要求
1）调速——在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地（有级）或平滑地（无级）调节转速；
2）稳速——以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；
3）加、减速——频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。
2. 调速指标
1）调速范围——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。
2）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时所对应的转速降落 DnN ，与理想空载转速 n0 之比，称作静差率 s ，即綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。
s= DnN / n0
一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。
而闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。
转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有被调量有静差、抵抗扰动，服从给定、 系统的精度依赖于给定和反馈检测精度等三个基本特征，也就是反馈控制的基本规律，各种不另加其他调节器的基本反馈控制系统都服从于这些规律。猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。
反馈控制系统的规律是：一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。

四、转速、电流双闭环直流调速系统的工程设计问题
（一）转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性
为实现在单闭环系统中能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程及实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程，采用电流负反馈来实现近似的恒流过程达到控制目的。即：起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈；同时稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。 構氽頑黉碩饨荠龈话骛。
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接如下图所示。 輒峄陽檉簖疖網儂號泶。
1. 系统的组成

转速、电流双闭环直流调速系统结构
ASR—转速调节器 ACR—电流调节器 TG—测速发电机
TA—电流互感器 UPE—电力电子变换器

图中，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。
2. 系统电路结构
为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用 P I 调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于下图。识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。
（1） 转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大
值；
（2） 电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。

双闭环直流调速系统的电路原理图
稳态结构图和静特性
为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如下图。它可以很方便地根据上图的原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI 调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的 PI 调节器的稳态特征。 凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。
1. 系统稳态结构框图

双闭环直流调速系统的稳态结构框图
a—转速反馈系数 b —电流反馈系数
2. 限幅作用
存在两种状况：
（1） 饱和——输出达到限幅值
当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。 恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。
（2） 不饱和——输出未达到限幅值
当调节器不饱和时， PI 作用使输入偏差电压在稳态时总是零。
在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。

（二）双闭环直流调速系统的动态数学模型
1. 系统动态结构
在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结构，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构框图，如下图所示。 硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。

图2-6双闭环直流调速系统的动态结构框图
2. 数学模型
图2-6中WASR(s)和WACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用PI调节器，则有阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。

五、直流调速系统的数字控制
虽然模拟系统具有物理概念清晰、控制信号流向直观等优点，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。为了适应不断发展的技术要求，随着电子技术的发展，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。氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。
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。釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。
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。

（一） 微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件和软件
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
（1） 数模混合控制系统

数模混合控制系统特点：
转速采用模拟调节器，也可采用模拟调节器；
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。

（2） 数字电路控制系统

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

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。

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

图3-4 微机数字控制双闭环直流PWM调速系统硬件结构图

六、掌握可逆系统的结构、工作原理、控制方式和性能。
（一）单片微机控制的PWM可逆直流调速系统结构
中、小功率的可逆直流调速系统多采用由电力电子功率开关器件组成的桥式可逆PWM变换器。
系统组成

图4-1 PWM可逆直流调速系统原理图

UR—整流器；
UPEM—桥式可逆电力电子变换器，主电路与图1-22相同，须要注意的是，直流变换器必须是可逆的；
GD—驱动电路模块，内部含有光电隔离电路和开关放大电路；
UPW—PWM波生成环节，其算法包含在单片微机软件中；
TG—为测速发电机，当调速精度要求较高时可采用数字测速码盘；
TA—霍尔电流传感器；

V-M系统的可逆线路
根据电机理论，改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向，都能够改变直流电机的旋转方向。因此，V-M系统的可逆线路有两种方式：怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。
（1）电枢反接可逆线路；
（2）励磁反接可逆线路。
1. 电枢反接可逆线路
电枢反接可逆线路的形式有多种，这里介绍如下3种方式：
（1）接触器开关切换的可逆线路
（2）晶闸管开关切换的可逆线路
（3）两组晶闸管装置反并联可逆线路

（1） 接触器开关切换的可逆线路
• KMF闭合，电动机正转；
• KMR闭合，电动机反转。

（2）晶闸管开关切换的可逆线路
• VT1、VT4导通，电动机正转；
• VT2、VT3导通，电动机反转。

晶闸管开关切换的可逆线路
接触器切换可逆线路的特点
n 优点：
仅需一组晶闸管装置，简单、经济。
n 缺点：有触点切换，开关寿命短；
需自由停车后才能反向，时间长。
n 应用：不经常正反转的生产机械。
（3）两组晶闸管装置反并联可逆线路
较大功率的可逆直流调速系统多采用晶闸管-电动机系统。由于晶闸管的单向导电性，需要可逆运行时经常采用两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路，如下图所示。谚辞調担鈧谄动禪泻類。
n 两组晶闸管装置反并联可逆供电方式

a) 电路结构 b) 运行范围
图4-2 两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路
< 两组晶闸管装置可逆运行模式
n 电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电；
n 反转时，由反组晶闸管装置VR供电。
两组晶闸管分别由两套触发装置控制，都能灵活地控制电动机的起、制动和升、降速。
但是，不允许让两组晶闸管同时处于整流状态，否则将造成电源短路，因此对控制电路提出了严格的要求。
2. 励磁反接可逆线路
改变励磁电流的方向也能使电动机改变转向。与电枢反接可逆线路一样，可以采用接触器开关或晶闸管开关切换方式，也可采用两组晶闸管反并联供电方式来改变励磁方向。嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。
励磁反接可逆线路见下图，电动机电枢用一组晶闸管装置供电，励磁绕组由另外的两组晶闸管装置供电。

励磁反接可逆供电方式：

晶闸管反并联励磁反接可逆线路

励磁反接的特点：
优点：供电装置功率小。
由于励磁功率仅占电动机额定功率的1~5%，因此，采用励磁反接方案，所需晶闸管装置的容量小、投资少、效益高。熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。
缺点：改变转向时间长。
由于励磁绕组的电感大，励磁反向的过程较慢；又因电动机不允许在失磁的情况下运行，因此系统控制相对复杂一些。鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。

总之，通过本次2012年度专业技术人员继续教育知识更新培训的学习，体会到直流调速系统的发展是一个从简单到复杂、从开环到闭环、从单环到多环、从单向调速到可逆调速的不断丰富和完善的过程。单闭环不仅是转速闭环一种，根据实际应用要求不同可以采用电压负反馈、电流补偿等替代措施。有环流可逆调速系统和无环流可逆调速系统都在不官完善和发展之中。纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。
其次，随着电子技术的发展，微型控制器及计算机在调速技术的得到了广泛的使用，使运动控制技术得到了突破性的发展。颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。
通过本次培训，使我在运动系统控制技术方面的理论知识得到了拓展和提高，在以后的工作和实践中进一步深入学习和研究，并不断在实践中加以利用，为做好本职工作打好、打实理论基础。濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。

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