直流傳動控制系統(tǒng)的分析

直流傳動控制系統(tǒng)的分析第1頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

直流傳動系統(tǒng)具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的各種生產(chǎn)機械中得到了廣泛的應(yīng)用。從生產(chǎn)機械要求控制的物理量看，電氣傳動控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動系統(tǒng)等，各種系統(tǒng)往往通過控制轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，因此調(diào)速系統(tǒng)是最基本的直流傳動控制系統(tǒng)大家網(wǎng)：/第2頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月本節(jié)應(yīng)了解的問題直流調(diào)速控制系統(tǒng)的控制要求和靜態(tài)指標靜態(tài)指標與機械特性之間的關(guān)系靜態(tài)指標參數(shù)之間的關(guān)系開環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)特點閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)特點開環(huán)與閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)特性之間關(guān)系調(diào)速控制系統(tǒng)的動態(tài)指標大家網(wǎng)：/第3頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月一、調(diào)速系統(tǒng)的控制要求和

調(diào)速系統(tǒng)靜指標

任何一臺需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有一定的要求。歸納起來，對于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求有以下三個方面：大家網(wǎng)：/第4頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2）穩(wěn)速——以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；1、

控制要求1）調(diào)速——在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分擋地（有級）或平滑地（無級）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；3）加、減速——頻繁起、制動的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機械則要求起，制動盡量平穩(wěn)。大家網(wǎng)：/第5頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2、調(diào)速系統(tǒng)靜指標調(diào)速范圍定義：生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母D表示，即其中nmin

和nmax

一般都指電動機額定負載時的轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)負載很輕的機械，例如精密磨床，也可用實際負載時的轉(zhuǎn)速。大家網(wǎng)：/第6頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月靜差率定義：負載由理想空載增加到額定值時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落nN

，與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比，稱作靜差率s，即或用百分數(shù)表示式中nN=n0-nN

大家網(wǎng)：/第7頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月3、靜差率與機械特性的關(guān)系靜差率是衡量調(diào)速系統(tǒng)在負載變化時轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性。與機械特性硬度有關(guān)硬度大s小硬度小s大與系統(tǒng)的工作速度有關(guān)理想空載低s大理想空載高s小相同硬度靜差率大家網(wǎng)：/第8頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月bTeNTen0an0b?

nNa

?

nNb

nO不同轉(zhuǎn)速下的靜差率大家網(wǎng)：/第9頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月例如：某電動機在理想空載轉(zhuǎn)速n0為

1000r/min時降落10r/min，靜差率只占1%；n0為

100r/min時同樣降落10r/min，靜差率就占10%；如果n0只有10r/min時，再降落10r/min，靜差率就占100%，這時電動機已經(jīng)停止轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速全部降落完了。

因此，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標應(yīng)以最低速時所能達到的數(shù)值為準。大家網(wǎng)：/第10頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月4、調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系設(shè)：電機額定轉(zhuǎn)速nN為最高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速降落為nN，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時的靜差率，即于是，最低轉(zhuǎn)速為大家網(wǎng)：/第11頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月而調(diào)速范圍為將上面的式代入nmin，得大家網(wǎng)：/第12頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

上式表示調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。對于同一個調(diào)速系統(tǒng)，nN

值一定，由式可見，如果對靜差率要求越嚴，即要求s值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。

結(jié)論

一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。大家網(wǎng)：/第13頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月例題1-1

某直流調(diào)速系統(tǒng)電動機額定轉(zhuǎn)速為nN=1430r/min，額定速降nN

=115r/min，當要求靜差率s≤30%時，允許多大的調(diào)速范圍？如果要求靜差率s≤20%，則調(diào)速范圍是多少？如果希望調(diào)速范圍達到10，所能滿足的靜差率是多少？大家網(wǎng)：/第14頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月解要求s≤30%時，調(diào)速范圍為若要求s≤20%，則調(diào)速范圍只有若調(diào)速范圍達到10，則靜差率只能是大家網(wǎng)：/第15頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月二、開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其特性若直流調(diào)速系統(tǒng)是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，即系統(tǒng)的輸出量不返送到輸入端，系統(tǒng)組成如下圖。開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖+-AM+-UdId+-?UnU*nUcUPE+-大家網(wǎng)：/第16頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

開環(huán)控制系統(tǒng)的特點是：控制裝置與受控對象只有順向作用而無反向聯(lián)系；每個輸入量對應(yīng)一個輸出量，系統(tǒng)的控制精度完全取決系統(tǒng)元器件和特性調(diào)整的準確度；系統(tǒng)抗干擾能力差。因此，當系統(tǒng)對干擾影響要求不高，并且控制精度要求不高時，可采用開環(huán)控制系統(tǒng)。

大家網(wǎng)：/第17頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月例題2

某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機，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

，電動機電動勢系數(shù)CeΦ=0.2V·

r

/

min。如果要求調(diào)速范圍D=20，靜差率s≤5%，采用開環(huán)調(diào)速能否滿足？若要滿足這個要求，系統(tǒng)的額定速降最多能有多少？大家網(wǎng)：/第18頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月解當電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的額定速降為開環(huán)系統(tǒng)機械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時的靜差率為

這已大大超過了5%的要求，更不必談?wù){(diào)到最低速了。大家網(wǎng)：/第19頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

如果要求D=20，s≤

5%，則由D，S與nN關(guān)系可知由上例可以看出，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定速降是275r/min，而生產(chǎn)工藝的要求卻只有2.63r/min，相差幾乎百倍！由此可見，開環(huán)調(diào)速已不能滿足要求，需采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來解決這個問題。結(jié)論：開環(huán)調(diào)速只能用在對靜差率要求不高的直流調(diào)速控制系統(tǒng)大家網(wǎng)：/第20頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月三、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成

及其靜特性

根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)速系統(tǒng)能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。

大家網(wǎng)：/第21頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月1、系統(tǒng)組成+-AMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un?UnU*nUcUPE+-帶轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖大家網(wǎng)：/第22頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)關(guān)系轉(zhuǎn)速負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：電壓比較環(huán)節(jié)放大器電力電子變換器調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械特性測速反饋環(huán)節(jié)大家網(wǎng)：/第23頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月以上各關(guān)系式中

—

放大器的電壓放大系數(shù)；

—

電力電子變換器的電壓放大系數(shù)；

—

轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（V·min/r）；

—UPE的理想空載輸出電壓（V）；

—

電樞回路總電阻。KpKsRUd0大家網(wǎng)：/第24頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

從上述五個關(guān)系式中消去中間變量，整理后，即得轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式

式中，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K為大家網(wǎng)：/第25頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月它相當于在測速反饋電位器輸出端把反饋回路斷開后，從放大器輸入起直到測速反饋輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各環(huán)節(jié)單獨的放大系數(shù)的乘積。電動機環(huán)節(jié)放大系數(shù)為大家網(wǎng)：/第26頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

3、閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖KpKs

1/CeΦU*nUc?UnEnUd0Un++-IdR-轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖大家網(wǎng)：/第27頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月若只考慮給定作用時的閉環(huán)系統(tǒng)若只考慮擾動作用-IdR時的閉環(huán)系統(tǒng)nU*nKpKs

1/CeΦUc?UnUd0Un+-+KpKs

1/CeΦ-IdRnUd0+-E大家網(wǎng)：/第28頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

由于已認為系統(tǒng)是線性的，可以把二者疊加起來，即得系統(tǒng)的靜特性方程式大家網(wǎng)：/第29頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月4.開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系

斷開反饋回路，則可得系統(tǒng)的開環(huán)機械特性為：而閉環(huán)時的靜特性可寫成大家網(wǎng)：/第30頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜性可以比開環(huán)系統(tǒng)機械特性硬得多。在同樣的負載擾動下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為和它們的關(guān)系是

比較兩方程式可得出以下的論斷：大家網(wǎng)：/第31頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）如果比較同一的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多。閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為

和當n0op=n0cl

時，大家網(wǎng)：/第32頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）當要求的靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。如果電動機的最高轉(zhuǎn)速都是nmax，而對最低速靜差率的要求相同，那么：開環(huán)時， 閉環(huán)時， 從開環(huán)與閉環(huán)穩(wěn)態(tài)速降關(guān)系式可得大家網(wǎng)：/第33頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）要取得上述三項優(yōu)勢，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。上述三項優(yōu)點若要有效，都取決于一點，即K要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。結(jié)論閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價是，須增設(shè)電壓放大器以及檢測與反饋裝置。

大家網(wǎng)：/第34頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月例題3

在例題1-2中，龍門刨床要求

D=20，s≤5%，已知Ks=30，=0.015V·min/r，

Ce=0.2V·min/r，如何采用閉環(huán)系統(tǒng)滿足此要求？大家網(wǎng)：/第35頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月解在上例中已經(jīng)求得

Δnop=275r/min但為了滿足調(diào)速要求，須有

Δncl=2.63r/min由開環(huán)與閉環(huán)穩(wěn)態(tài)速降關(guān)系式可得≥大家網(wǎng)：/第36頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月代入已知參數(shù)，則得即只要放大器的放大系數(shù)等于或大于46，閉環(huán)系統(tǒng)就能滿足所需的穩(wěn)態(tài)性能指標。大家網(wǎng)：/第37頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月

系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程開環(huán)系統(tǒng)

Idn例如：在下圖中工作點從AA′

閉環(huán)系統(tǒng)IdnUnUn

nUd0Uc例如：在下圖1中工作點從AB大家網(wǎng)：/第38頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機械特性的關(guān)系A(chǔ)′閉環(huán)靜特性開環(huán)機械特性Ud4Ud3Ud2Ud1BA大家網(wǎng)：/第39頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月四、調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)指標1.動態(tài)指標含義：電氣傳動控制系統(tǒng)的動態(tài)指標是指系統(tǒng)在給定信號和擾動信號作用下，系統(tǒng)輸出在動態(tài)響應(yīng)中的各種指標對給定信號的跟隨性能指標對擾動信號的抗擾性能指標大家網(wǎng)：/第40頁，課件共47頁，創(chuàng)作于2023年2月2.跟隨性能指標：在給定信號或參考輸入信號的作用下，系統(tǒng)輸出量的變化情況可用跟隨性能指標來描述。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標主要有tr

—

上升時間：輸出量第一次達到穩(wěn)態(tài)值的時間—