第2章轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)概述

1、第第1篇篇直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速 式中 n轉(zhuǎn)速（r/min）; U電樞電壓（V）； I電樞電流（A）； R電樞回路總電阻(）； 勵(lì)磁磁通（Wb）； Ke 由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。eKIRUn調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法 （1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓； （2）減弱勵(lì)磁磁通； （3）改變電樞回路電阻。自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。第第2章章 轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng) 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)2.1 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源n晶閘管整

2、流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) n直流PWM變換器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 2.1.1 晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)圖21 晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖n調(diào)節(jié)控制電壓Uc， n移動(dòng)觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，n改變可控整流器VT輸出瞬時(shí)電壓ud的波形，以及輸出平均電壓Ud的數(shù)值。 在理想情況下，Ud和Uc之間呈線性關(guān)系：（2-1）式中， Ud平均整流電壓， Uc 控制電壓， Ks晶閘管整流器放大系數(shù)。csdUKUn晶閘管觸發(fā)電路和整流電路的特性是非線性的。n在設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，只能在一定的工作范圍內(nèi)近似地看成線性環(huán)節(jié)，n得到了它的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)后，用線性控制理論分析整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)。放大系數(shù)的計(jì)算圖2-7

3、 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入輸出特性和Ks的測(cè)定cdsUUKn晶閘管觸發(fā)和整流裝置的輸入量是Uc，輸出量是Ud，晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)Ks可由工作范圍內(nèi)的特性斜率決定 。n如果沒(méi)有得到實(shí)測(cè)特性，也可根據(jù)裝置的參數(shù)估算。2.1.2 直流直流PWM變換器變換器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)n全控型電力電子器件問(wèn)世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開(kāi)關(guān)控制方式, 形成了脈寬調(diào)制變換器-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。n與V-M系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性。n直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的高動(dòng)態(tài)性能系統(tǒng)中，已經(jīng)完全取代了V-M

4、系統(tǒng)。 1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形n脈寬調(diào)制變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。圖2-10 簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電路原理圖 n在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T內(nèi)，n當(dāng) 時(shí)，Ug為正，VT飽和導(dǎo)通，電源電壓Us通過(guò)VT加到直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端。n當(dāng) 時(shí)， Ug為負(fù)， VT關(guān)斷，電樞電路中的電流通過(guò)續(xù)流二極管VD續(xù)流，直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓近似等于零。 ontt0Ttton圖2-10 簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)電壓和電流波形 2.直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性n對(duì)

5、于不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其電壓平衡方程式分兩個(gè)階段：n (2-19)n (2-20)式中R、L分別為電樞電路的電阻和電感。)0(onddsttEdtdiLRiUEdtdiLRidd0)(Ttton電壓平均值方程電壓平均值方程 平均電壓平均電壓 平均電流平均電流 電樞電感壓降的均值電樞電感壓降的均值 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速nCRIERIUeddssdUUdI0dtdiLd eCEn （2-21） 機(jī)械特性 n機(jī)械特性方程式為 (2-22)n或用轉(zhuǎn)矩表示， (2-23)式中， 電動(dòng)機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)； 理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比。dedeesICRnICRCUn0emeemeesTCCR

6、nTCCRCUn0NmmKCesCUn0圖2-12直流PWM調(diào)速系統(tǒng)（電流連續(xù)）的機(jī)械特性2.2 穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)和穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)和 直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性n對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求：（1）調(diào)速在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；（2）穩(wěn)速以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過(guò)大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)；（3）加、減速頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求加、減速盡量快；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起、制動(dòng)盡量平穩(wěn)。2.2.1轉(zhuǎn)速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)轉(zhuǎn)速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)1、調(diào)速范圍、調(diào)速范圍n生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin

7、之比稱為調(diào)速范圍，用字母D表示，即（2-27）nnmax和nmin是電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速，n對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速。minmaxnnD 2、靜差率、靜差率n當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落nN與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比：n用百分?jǐn)?shù)表示0Nnn0100%Nnn靜差率是用來(lái)衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度。靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度越高。如果在進(jìn)行速度調(diào)節(jié)時(shí)理想如果在進(jìn)行速度調(diào)節(jié)時(shí)理想空載轉(zhuǎn)速不變，則靜差率與空載轉(zhuǎn)速不變，則靜差率與機(jī)械硬度是統(tǒng)一的，機(jī)械特機(jī)械硬度是統(tǒng)一的，機(jī)械特性越硬，靜差率越小，如上性越硬，靜差率

8、越小，如上圖的特性圖的特性1和特性和特性2；如果在；如果在速度調(diào)節(jié)時(shí)理想空載轉(zhuǎn)速發(fā)速度調(diào)節(jié)時(shí)理想空載轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，則二者就不統(tǒng)一了，生變化，則二者就不統(tǒng)一了，如上圖的特性如上圖的特性1和特性和特性3，兩，兩者機(jī)械硬度相同，但是靜差者機(jī)械硬度相同，但是靜差率不同。率不同。不同機(jī)械特性下的靜差率靜差率與機(jī)械硬度的關(guān)系：靜差率與機(jī)械硬度的關(guān)系：maxNNmin0N00(1)NnnnDnnnnnn NNN(1)(1)Nnnnn3. 調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系（2-30）n對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，nN值是定值。n要求值越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍D也越小。n一

9、個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。(1)NNnDn例題例題2-1 n某直流調(diào)速系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為nN=1430r/min，額定速降nN=115r/min， 當(dāng)要求靜差率30%時(shí)，允許多大的調(diào)速范圍？ 如果要求靜差率 20%，則調(diào)速范圍是多少？ 如果希望調(diào)速范圍達(dá)到10，所能滿足的靜差率是多少？ (1)NNnDn解解 在要求 30%時(shí)，允許的調(diào)速范圍為 若要求 20%，則允許的調(diào)速范圍只有 若調(diào)速范圍達(dá)到10，則靜差率只能是1430 0.35.3(1)115 (10.3)NNnDn1 . 3)2 . 01 (1152 . 01430D10 1150.4464

10、4.6%1430 10 115NNND nnD n2.2.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性直流調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性n開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，即無(wú)反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。n調(diào)節(jié)控制電壓Uc就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。n晶閘管整流器和PWM變換器都是可控的直流電源，用UPE來(lái)統(tǒng)一表示可控直流電源， 圖215 開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖機(jī)械特性機(jī)械特性 n開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：電力電子變換器直流電動(dòng)機(jī) n開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性為 csdUKU0ed0dCRIUnedecsed0dCRICUKCRIUn（2-31） 圖2-16 開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖edecsed0dCRICUKCRIUn圖2-17 開(kāi)環(huán)直流調(diào)速系

11、統(tǒng)的機(jī)械特性例題例題2-2 某龍門(mén)刨床工作臺(tái)拖動(dòng)采用直流電動(dòng)機(jī)，其額定數(shù)據(jù)如下：60kW，220V，305A，1000r/min，采用V-M系統(tǒng)，主電路總電阻R=0.18，電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ce=0.2Vmin/r。如果要求調(diào)速范圍D=20，靜差率s5%，采用開(kāi)環(huán)調(diào)速能否滿足？若要滿足這個(gè)要求，系統(tǒng)的額定速降nN最多能有多少？ 解解:當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的額定速降為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率為如要求 ， ，即要求305 0.18=275r/min0.2dNNeIRnC2750.21621.6%1000275NNNNnnn1000 0.052.63 / min(1)20 (1 0.05)NN

12、nnrD20D5%2.3 轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)n根據(jù)自動(dòng)控制原理，將系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)量作為反饋量引入系統(tǒng)，與給定量進(jìn)行比較，用比較后的偏差值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以有效地抑制擾動(dòng)造成的影響，而維持被調(diào)節(jié)量很少變化，這就是反饋控制反饋控制的基本作用。 2.3.1 轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的 數(shù)學(xué)模型n在負(fù)反饋基礎(chǔ)上的“檢測(cè)誤差，用以糾正誤差”這一原理組成的系統(tǒng)，其輸出量反饋的傳遞途徑構(gòu)成一個(gè)閉合的環(huán)路，因此被稱作閉環(huán)控制系統(tǒng)。n在直流調(diào)速系統(tǒng)中，被調(diào)節(jié)量是轉(zhuǎn)速，所構(gòu)成的是轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。1轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性圖2-18 帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 n電壓比較環(huán)節(jié)

13、n比例調(diào)節(jié)器n測(cè)速反饋環(huán)節(jié) n電力電子變換器 n直流電動(dòng)機(jī) n*nnUUUnpcUKUnUncsdUKU0ed0dCRIUnKp比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（Vmin/r）圖2-19轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（a）閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 靜特性方程式 *(1/)(1)(1)psndpsndepseeeK K UI RK K URInCK KCCKCK（2-32） 式中: 閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán) 放大系數(shù) n閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系。 espCKKK2.3.2 比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和比例控制閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系n開(kāi)環(huán)機(jī)械

14、特性為 (2-46) 式中， 表示開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速， 表示開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。n比例控制閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性為 (2-47) 式中， 表示閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速， 表示閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。opopedenspeddnnCRICUKKCRIUn0*0clcledenspnnKCRIKCUKKn0*)1 ()1 (opn0opn0clncln（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開(kāi)環(huán)系統(tǒng) 機(jī)械特性硬得多n在同樣的負(fù)載擾動(dòng)下， 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落 閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落n它們的關(guān)系是 (2-48)edopCRIn)1 (KCRInedclKnnopcl1（2）閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要比開(kāi)環(huán)系統(tǒng) 小得多n閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率

15、為n開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的靜差率為n當(dāng) 時(shí)， （2-49）clclclnns0opopopnns0clopnn00Kssopcl1（3）如果所要求的靜差率一定，則 閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍n如果電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是nN，最低速靜差率都是s，可得 開(kāi)環(huán)時(shí)， 閉環(huán)時(shí)， n得到 （2-50）)1 (snsnDopNop)1 (snsnDclNclopclDKD)1 ( 圖2-24 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性的關(guān)系n開(kāi)環(huán)系統(tǒng) Id n 例如：在圖2-24中工作點(diǎn)從A An 閉環(huán)系統(tǒng) Id n Un Un Uc n Ud0 例如：在圖2-24中工作點(diǎn)從A Bn比例控制直流調(diào)速系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實(shí)質(zhì)在于

16、它的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變電樞電壓，以補(bǔ)償電樞回路電阻壓降的變化。例題2-3 在例題2-2中，龍門(mén)刨床要求D=20，s5%，已知 Ks=30,= 0.015Vmin/r，Ce=0.2Vmin/r，采用比例控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)滿足上述要求時(shí)，比例放大器的放大系數(shù)應(yīng)該有多少？ 解: n開(kāi)環(huán)系統(tǒng)額定速降為 =275 r/min，n閉環(huán)系統(tǒng)額定速降須為 2.63 r/min，由式（2-48）可得n則得n即只要放大器的放大系數(shù)等于或大于46。opncln6 .103163. 22751clopnnK462 . 0/015. 0306 .103/espCKKK2反饋控制規(guī)律（1）比例控制的反饋控制系統(tǒng)是被調(diào)量有）比例控制的反饋控制系統(tǒng)是被調(diào)量有靜差的控制系統(tǒng)靜差的控制系統(tǒng)n 比例控制反饋控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)值越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好。n但只要比例放大系數(shù)Kp常數(shù)，開(kāi)環(huán)放大系數(shù)K，反饋控制就只能減小穩(wěn)態(tài)誤差，而不能消除它，n這樣的控制系統(tǒng)叫做有靜差控制系統(tǒng)。（2）