2023年度繼續教育
直流拖動控制系統學習體會
，使我進一步掌握了運動控制系統中的直流拖動控制系統基礎理論知識，加深了對直流控制系統的認識和理解，為今後在實際工作中的理論和實踐相結合打下了堅實的基礎。通過本次知識更新培訓，我掌握了以下關於直流拖動控制系統的理論基礎知識。
一、直流拖動系統三種調速方法及各自工特性
1、 調壓調速
工作條件： 保持勵磁 = n ；保持電阻 r = ra
調節過程：改變電壓 un u：un ， n0
調速特性：轉速下降，機械特性曲線平行下移。
2、調阻調速
工作條件： 保持勵磁 = n ； 保持電壓 u =un ；
調節過程：增加電阻 ra r：r n ，n0不變；
調速特性：轉速下降，機械特性曲線變軟。
3、調磁調速
工作條件：保持電壓 u =un ；保持電阻 r = r a ；
調節過程：減小勵磁 n ： n ， n0
調速特性：轉速上公升，機械特性曲線變軟。
因此，對於要求在一定範圍內無級平滑調速的系統來說，以調節電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級調速；減弱磁通雖然能夠平滑調速，但調速範圍不大，往往只是配合調壓方案，在基速（額定轉速）以上作小範圍的弱磁公升速。因此，直流調速系統往往以調壓調速為主。
二、直流調速系統用的可控直流電源
調壓調速是直流調速系統的主要方法，而調節電樞電壓需要有專門向電動機供電的可控直流電源。這種可控直流電源分為：
（1）旋轉變流機組——用交流電動機和直流發電機組成機組，獲得可調的直流電壓。
（2）靜止式可控整流器——用靜止式的可控整流器獲得可調的直流電壓。
（3）直流斬波器或脈寬調變變換器——用恆定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關器件斬波或進行脈寬調變，產生可變的平均電壓。其中：
旋轉變流機組又簡稱g-m系統，其工作原理為：由原動機（柴油機、交流非同步或同步電動機）拖動直流發電機 g 實現變流，由 g 給需要調速的直流電動機 m 供電，調節g 的勵磁電流 if 即可改變其輸出電壓 u，從而調節電動機的轉速 n 。
旋轉變流機組和由它供電的直流調速系統（g-m系統）原理圖
靜止式可控整流器簡稱為v-m系統，其工作原理是，通過調節觸發裝置 gt 的控制電壓控制閘流體可控整流器的通斷， 來移動觸發脈衝的相位，即可改變整流電壓，從而實現平滑調速。由於v-m系統在控制作用的快速性上具有良好的優越性，大大提高系統的動態效能。
閘流體-電動機調速系統（v-m系統）原理圖
斬波器的基本控制原理
在圖1-5a）中，vt 表示電力電子開關器件，vd 表示續流二極體。當vt 導通時，直流電源電壓 us 加到電動機上；當vt 關斷時，直流電源與電機脫開，電動機電樞經 vd 續流，兩端電壓接近於零。好像是電源電壓us在ton 時間內被接上，又在 t-ton 時間內被斬斷，故稱「斬波」。
原理圖電壓波形圖
直流斬波器-電動機系統的原理圖和電壓波形
由於直流pwm調速系統具有主電路線路簡單，需用的功率器件少；開關頻率高，電流容易連續，諧波少，電機損耗及發熱都較小；低速效能好，穩速精度高，調速範圍寬，可達1:10000左右；若與快速響應的電機配合，則系統頻帶寬，動態響應快，動態抗擾能力強；功率開關器件工作在開關狀態，導通損耗小，當開關頻率適當時，開關損耗也不大，因而裝置效率較高；直流電源採用不控整流時，電網功率因數比相控整流器高等優點，直流pwm調速系統作為一種新技術，發展迅速，應用日益廣泛，特別在中、小容量的系統中，已取代v-m系統成為主要的直流調速方式。
pwm變換器的直流電源通常由交流電網經不可控的二極體整流器產生，並採用大電容c濾波，以獲得恆定的直流電壓，電容c同時對感性負載的無功功率起儲能緩衝作用。
對於pwm變換器中的濾波電容，其作用除濾波外，還有當電機制動時吸收執行系統動能的作用。由於直流電源靠二極體整流器供電，不可能回饋電能，電機制動時只好對濾波電容充電，這將使電容兩端電壓公升高，稱作「幫浦公升電壓」。電力電子器件的耐壓限制著最高幫浦公升電壓，因此電容量就不可能很小，一般幾千瓦的調速系統所需的電容量達到數千微法。
在大容量或負載有較大慣量的系統中，不可能只靠電容器來限制幫浦公升電壓，這時，可以採用下圖中的鎮流電阻 rb 來消耗掉部分動能。分流電路靠開關器件 vtb 在幫浦公升電壓達到允許數值時接通。
對於更大容量的系統，為了提高效率，可以在二極體整流器輸出端並接逆變器，把多餘的能量逆變後回饋電網。
如圖所示為pwm控制器和變換器的框圖，其驅動電壓都由 pwm 控制器發出，pwm控制與變換器的動態數學模型和閘流體觸發與整流裝置基本一致。
根據pwm變換器工作原理，不難看出，當控制電壓改變時，pwm變換器輸出平均電壓按線性規律變化，但其響應會有延遲，最大的時延是乙個開關週期 t 。
pwm控制與變換器的框圖
因此pwm控制與變換器（簡稱pwm裝置）也可以看成是乙個滯後環節。
三、直流調速系統的分類、組成、工作原理及特性
直流調速系統可分為兩大類，即：開環調速系統和閉環調速系統。
由於開環調速系統在實際應用中存在著侷限性，而且在調速效能也不能滿足調速精度的要求，故開環調速已不能滿足要求，需採用反饋控制的閉環調速系統來解決這些問題。
（一） 閉環調速系統的組成、工作原理及特性
根據自動控制原理，反饋控制的閉環系統是按被調量的偏差進行控制的系統，只要被調量出現偏差，它就會自動產生糾正偏差的作用。
調速系統的轉速降落正是由負載引起的轉速偏差，顯然，引入轉速閉環將使調速系統應該能夠大大減少轉速降落。
系統組成
圖1-24 帶轉速負反饋的閉環直流調速系統原理框圖
調節原理
在反饋控制的閉環直流調速系統中，與電動機同軸安裝一台測速發電機 tg ，從而引出與被調量轉速成正比的負反饋電壓un ，與給定電壓 u*n 相比較後，得到轉速偏差電壓 un ，經過放大器 a，產生電力電子變換器upe的控制電壓uc ，用以控制電動機轉速 n。
upe的組成
upe是由電力電子器件組成的變換器，其輸入接三組（或單相）交流電源，輸出為可控的直流電壓，控制電壓為uc 。
目前，組成upe的電力電子器件有如下幾種選擇方案：
（1） 對於中、小容量系統，多採用由igbt或p-mosfet組成的pwm
變換器。
（2） 對於較大容量的系統，可採用其他電力電子開關器件，如gto、igct等。
（3） 對於特大容量的系統，則常用閘流體觸發與整流裝置。
任何一台需要控制轉速的裝置，其生產工藝對調速效能都有一定的要求。歸納起來，對於調速系統的轉速控制要求有以下三個方面：
1. 控制要求
1）調速——在一定的最高轉速和最低轉速範圍內，分擋地（有級）或平滑地（無級）調節轉速；
2）穩速——以一定的精度在所需轉速上穩定執行，在各種干擾下不允許有過大的轉速波動，以確保產品質量；
3）加、減速——頻繁起、制動的裝置要求加、減速盡量快，以提高生產率；不宜經受劇烈速度變化的機械則要求起，制動盡量平穩。
2. 調速指標
1）調速範圍——生產機械要求電動機提供的最高轉速和最低轉速之比叫做調速範圍。
2）靜差率——當系統在某一轉速下執行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應的轉速降落 nn ，與理想空載轉速 n0 之比，稱作靜差率 s ，即
s= nn / n0
乙個調速系統的調速範圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉速可調範圍。
而閉環調速系統可以獲得比開環調速系統硬得多的穩態特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調速範圍，為此所需付出的代價是，須增設電壓放大器以及檢測與反饋裝置。
轉速反饋閉環調速系統是一種基本的反饋控制系統，它具有被調量有靜差、抵抗擾動，服從給定、 系統的精度依賴於給定和反饋檢測精度等三個基本特徵，也就是反饋控制的基本規律，各種不另加其他調節器的基本反饋控制系統都服從於這些規律。
反饋控制系統的規律是：一方面能夠有效地抑制一切被包在負反饋環內前向通道上的擾動作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，對給定訊號的任何變化都是唯命是從的。
四、轉速、電流雙閉環直流調速系統的工程設計問題
（一）轉速、電流雙閉環直流調速系統及其靜特性
為實現在單閉環系統中能隨心所欲地控制電流和轉矩的動態過程及實現在允許條件下的最快起動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值idm的恆流過程，採用電流負反饋來實現近似的恆流過程達到控制目的。即：起動過程，只有電流負反饋，沒有轉速負反饋；同時穩態時，只有轉速負反饋，沒有電流負反饋。
為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統中設定兩個調節器，分別調節轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。二者之間實行巢狀（或稱串級）聯接如下圖所示。
1. 系統的組成
轉速、電流雙閉環直流調速系統結構
asr—轉速調節器 acr—電流調節器 tg—測速發電機
ta—電流互感器 upe—電力電子變換器
圖中，把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制電力電子變換器upe。從閉環結構上看，電流環在裡面，稱作內環；轉速環在外邊，稱作外環。這就形成了轉速、電流雙閉環調速系統。
2. 系統電路結構
為了獲得良好的靜、動態效能，轉速和電流兩個調節器一般都採用 p i 調節器，這樣構成的雙閉環直流調速系統的電路原理圖示於下圖。
（1） 轉速調節器asr的輸出限幅電壓u*im決定了電流給定電壓的最大
值；（2） 電流調節器acr的輸出限幅電壓ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓udm。
雙閉環直流調速系統的電路原理圖
穩態結構圖和靜特性
為了分析雙閉環調速系統的靜特性，必須先繪出它的穩態結構圖，如下圖。它可以很方便地根據上圖的原理圖畫出來，只要注意用帶限幅的輸出特性表示pi 調節器就可以了。分析靜特性的關鍵是掌握這樣的 pi 調節器的穩態特徵。
1. 系統穩態結構框圖
雙閉環直流調速系統的穩態結構框圖
—轉速反饋係數 —電流反饋係數
2. 限幅作用
存在兩種狀況：
（1） 飽和——輸出達到限幅值
當調節器飽和時，輸出為恆值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入訊號使調節器退出飽和；換句話說，飽和的調節器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯絡，相當於使該調節環開環。
（2） 不飽和——輸出未達到限幅值
當調節器不飽和時， pi 作用使輸入偏差電壓在穩態時總是零。
在正常執行時，電流調節器是不會達到飽和狀態的。因此，對於靜特性來說，只有轉速調節器飽和與不飽和兩種情況。
（二）雙閉環直流調速系統的動態數學模型
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