第2章闭环控制的直流调速系统(修改)

2.2单闭环调速系统的性能分析 2.2.1稳态关系

转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下：
电压比较环节
放大器 电力电子变换器 调速系统开环机械特性
* U n U n Un
U c Kp U n
U d0 KsUc
U d0 Id R n Ce
测速反馈环节
U n n
•反馈电压的极性：为实现负反馈，反馈电压的极性 为正。
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 ， Un与给定电压 U*n 相比较后，得到 转速偏差电压 Un ，
Un经过放大器
，产生电力电子变 换器的控制电压Uc ，用以控制电 动机转速 n。 闭环控制系统和开环控制系统的主 要差别就在于转速经过测量元件反 馈到输入端参与控制。
闭环系统减少稳态速降实质
2.2.6闭环调速系统的基本特征
1.
只有比例放大器的反馈控制系统，其被 调量仍是有静差的。
由静特性分析知，若采用了比例放大器，闭环系统的 开环放大系数K值越大，系统的稳态性能越好。然而，Kp =常数，稳态速差只能减小，却不可能消除。因为闭环系 统的稳态速降为
只有 K = ，才能使 ncl = 0，而这是不可能的。因 此，这样的调速系统叫做有静差调速系统。
解 :当电流连续时，V-M系统的额定速降为
I dN R 305 0.18 nN r / min 275r / min Ce 0.2
开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为
sN nN 275 0.216 21.6% nN nN 1000 275
这已大大超过了5%的要求，更不必谈调到最低 速了。
扰动作用与影响
图2-4 闭环调速系统的给定作用和扰动作用
抗扰能力
反馈控制系统对被反馈环包围的前向通道上 的扰动都有抑制功能。
例如：Us Ud0 n Un Un n Ud0 Uc
但是，如果在反馈通道上的测速反馈系数受到 某种影响而发生变化，它非但不能得到反馈控制 系统的抑制，反而会增大被调量的误差。 例如： Un Un Uc Ud0 n
调速系统的扰动源
负载变化的扰动（使Id变化）； 交流电源电压波动的扰动（使Ks变化）； 电动机励磁的变化的扰动（造成Ce 变化 ）； 放大器输出电压漂移的扰动（使Kp变化）； 温升引起主电路电阻增大的扰动（使R变化）； 检测误差的扰动（使变化） 。 在图2-4中，各种扰动作用都在稳态结构框图上表 示出来了，所有这些因素最终都要影响到转速。

只考虑给定作用时的闭环系统
1 Ce
n
U n*
Kp
Ks
α
图2-2 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图

-IdR
只考虑扰动作用时的闭环系统
1 Ce
n
Ks
Kp
α
图2-2 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图
2.2.3稳态结构图
IdR Un*
ΔUn
Un
Kp
Uc
Ks
Ud0
E
1 Ce
n
α
图2-2 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图
RId ncl Ce ( I K )
2.
反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服 从给定 。
一方面能够有效地抑制一切被包含在负反 馈环内前向通道上的扰动作用； 另一方面则能紧紧跟随着给定作用，对给 定信号的任何变化都是唯命是从。 扰动——除给定信号外，作用在控制系统各 环节上的一切会引起输出量变化的因素都叫 做“扰动作用”。
2. 调速指标

调速范围：
nmax D nmin
nN s 100% n0
nN = n0 - nN

静差率： 式中

调速范围、静差率和额定速降之间的关系
nN s D nN (1 s)
2.1单闭环调速系统的构成及原理 2.1 .1 开环调速系统及其存在的问题
若晶闸管一电动机调速系统是开环调速系 统，调节控制电压就可以改变电动机的转 速。如果负载的生产工艺对运行时的静差 率要求不高，这样的开环调速系统都能实 现一定范围内的无级调速，可以找到一些 用途。 但是，许多需要调速的生产机械常常 对静差率有一定的要求。在这些情况下， 开环调速系统往往不能满足要求。


例题 某龙门刨床工作台拖动采用直流电动 机 ， 其 额 定 数 据 如 下 ： 60kW 、 220V 、 305A、1000r/min，采用V-M系统，主电路 总电阻 0.18 欧姆，电动机电动势系数 0.2 。 如果要求调速范围 D = 20，静差率5%，采 用开环调速能否满足？若要满足这个要求， 系统的额定速降最多能有多少？
2.1.3 闭环调速系统的组成及工作原理
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。 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2-1
转速负反馈单闭环直流调速系统原理图
1 K
s cl
ncl
n0 cl
sop
nop
n0op
因为条件是 n0cl n0op，所以 sop （2-5） scl 1 K
调速范围的比较
（3）在相同的静差率约束下，闭环系统 的调速范围为开环系统的（1+K）倍。 当系统的最高转速是电动机额定转 速 nN ，所要求的静差率为s时，
因此，反馈控制系统所能抑制的只是被 反馈环包围的前向通道上的扰动。

结论 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。
3.
系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。
给定精度——由于给定决定系统输出，输出精度自然取 决于给定精度。 如果产生给定电压的电源发生波动，反馈控制系统无 法鉴别是对给定电压的正常调节还是不应有的电压波动。 因此，高精度的调速系统必须有更高精度的给定稳压电源。 检测精度——反馈检测装置的误差也是反馈控制系统无 法克服的，因此检测精度决定了系统输出精度。

转速闭环调速系统中电机的转速大小受转速给定 电压Un*控制，给定电压为零时，电机停止；给 定电压增大时，电机转速升高；给定电压减小时， 电机转速下降。

以升速控制为例，系统的调节原理分析如 下：
* * Un U U n U n U ct U d n
当然，转速上升，转速反馈电压会升高，但其升值小于给定电压 增值，电压差总体上是增大的，转速是上升的
2.2.4闭环调速与开环调速的比较 比较一下开环系统的机械特性和闭环系统 的静特性，就能清楚地看出反馈闭环控制 的优越性。如果断开反馈回路，则上述系 统的开环机械特性为:
Ud0 Id n Ce

* K p K sU n
Ce
RId n0op nop Ce
闭环系统的静特性方程式为
RI d n n0cl ncl Ce (1 K ) Ce (1 K )
* K p K sU n
式中，
n0 cl和 n0op 分别表示闭环和开环系
统的理想空载转速； ncl 和 nop 分别表示闭环和开环系 统的稳态速降。
稳态速降的比较
（1）在相同的负载扰动下，闭环系统 的负载降落仅为开环系统转速降落




1、给定电路：提供转速控制电压 2、转速调节器：由运算放大器构成的比例调节器 3、触发电路GT：产生触发脉冲 4、整流桥和电动机主回路：整流装置输出电压大小决定 电动机转速。 5、转速检测与反馈电路：
•给定电压的极性：运算放大器具有反相作用，其输出 与给定电压极性相反，所以给定采用负给定，以保证触 发电压为正；
nN Dcl ncl ( 1 s )
nN Dop nop ( 1 s )
由式（2-4）得到
Dcl ( 1 K )Dop
（2-6）
从上述三点可见，
闭环系统的静特性比开环系统的 机械特性要硬得多， 在保证一定静差率的要求下，闭 环系统能够扩大调速范围。
2.2.5系统调节过程
ห้องสมุดไป่ตู้
2.1.2开环调速系统的局限性分析及改进办法

开环调速系统的局限性：
抗干扰能力差，当电机的负载或电网电压发生波动时， 电机的转速就会随之改变，即转速不够稳定，因此开环 调速只能应用于负载相对稳定、对调速系统性能要求不 高的场合。

改进办法：
采用闭环控制。根据自动控制理论，要想使被控量保持稳 定，可将被控量反馈到系统的输入端，构成负反馈闭环 控制系统。将直流电动机的转速检测出来，反馈到系统 的输入端，可构成转速负反馈直流调速系统。
如果要求D = 20，s ≤ 5%，则由式（1-29）可知
nN s 1000 0.05 nN r / min 2.63r / min D(1 s) 20 (1 0.05) 由上例可以看出，开环调速系统的额定速降是275 r/min， 而生产工艺的要求却只有2.63r/min，相差几乎百倍！ 由此可见，开环调速系统的稳速性能较差。稳态速降大， 静差率数值高，往往不能满足生产机械的要求，需采用 反馈控制的闭环调速系统来解决这个问题。
复习 1、控制要求
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： （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。
n n04 n03 n02 n01 n0cl A A’ B C D Ud04 Ud03 Ud02 Ud01 0 Id1 Id2 Id3 Id4 Id
开环机械特性
闭环静特性
图2-4 闭环系统静特性和开环系统机械特性的关系
I d n 例如：在图2-4中工作点从A A′ 闭环系统 Id n Un Un
1 的 1 K 。
RI d ncl Ce ( 1 K )
RI d nop Ce
它们的关系是
ncl
nop
1 K
（2-4）
n
n0
1 2
Δncl Δnop
0
IL
Id
图2-3 闭环系统静特性与开环系统机械特性
转速静差率的比较
（2）在相同的理想空载转速条件下，闭环 系统的转速静差率也仅为开环系统的 1 。
开环系统
n Ud0 Uc 例如：在图2-4中工作点从A B


最终从A点所在的开环机械特性过渡到B点所在 的开环机械特性，电枢电压由 U d 01 增加至 U d 02 。 闭环系统的静特性就是由多条开环机械特性上相 应的工作点组成的一条特性曲线。 据前述分析，闭环系统能够减少稳态速降的实质 在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变 化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻 压降。
以上各关系式中新出现的系数为：
K p——比例调节器的比例系数； ——转速反馈系数（V· min/r） U d 0——电力电子变换器理想空载输出 电压（V）（变换器内阻已并入电枢回 路总电阻R中）。
2.2.2静特性方程式
从上述五个关系式中消去中间变量，整 理后，即得转速负反馈闭环直流调速系 统的静特性方程式
运动控制系统 第 2章
闭环控制的直流调速 系统
学习目标
1.理解开环调速的缺点及其改进方法。 2.掌握转速负反馈调速系统的组成，能 画出其原理图。 3.掌握转速负反馈调速系统的工作原理， 会分析其抗干扰特性。 4.通过与开环调速相比较，掌握闭环调 速系统的优点。 5.理解单闭环系统的开环放大倍数对系 统的稳态、动态性能的影响。
RI d n C e ( 1 K p K s / C e ) C e ( 1 K ) C e ( 1 K ) K p K sU I d R
* n
K p K sU
* N
式中:
K
K p K s Ce
闭环系统的开环 放大系数
注意： 闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动 机转速与负载电流（或转矩）间的稳态关 系，它在形式上与开环机械特性相似，但 本质上却有很大不同，故定名为“静特性 ”，以示区别。