单闭环直流调速系统

30 0 . 015 / 0 . 2
K
op
n cl
1
103 . 6
即只要放大器的放大 系数等于或大于46， 闭环系统就能满足所 需的稳态性指标。
（四)单闭环调速系统基本性质
（1）具有比例调节器的闭环系统是有静差
有静差与无静差的概念
因为闭环系统的稳态速降为 而K ≠ ,有静差调速系统。
K
Ce
K
解 在上例中已经求得 Δnop = 275 r/min 但为了满足调速要求， 须有Δncl = 2.63 r/min 根据 D (1 K ) D 可得 n

cl op
又根据
Kp 46 K K s / C e
K

K p K s Ce
103 . 6
Ra R1 R2 R3
O
IL
调阻调速特性曲线
I
调磁调速



工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = Ra ； 调节过程： 减小励磁 N n ， n0 调速特性： 转速上升，机械特性 曲线变软。
n n0 n3 n2 n1 nN
N 1 2
3
O
TL
调压调速特性曲线

IdR C e (1 K )

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。
n
开环机械特性
开环加载
闭环静特性
A
B A′
C
D
Ud4 Ud3 Ud2 Ud1
闭环加载
O 0

100%
n来自百度文库 n n0
100%
两者之间的关系是： D
n s n(1 s )
他励直流电机的调速方案
他励直流电动机的转速公式：
n E CE U IR CE
（8-1）
式中：U为他励电动的电枢电压 I为电枢电流 E为电枢电动势 R为电枢回路的总电阻 n为电机的转速 Φ为励磁磁通 CE为由电机结构决定的电动势系数
n n0 nN n1
UN
n2
n3 O IL
调压调速特性曲线
U1 U2
U3
I
调阻调速



工作条件： 保持励磁 =N； 保持电压 U=UN ； 调节过程： 增加电阻 Ra R n ，n0不变； 调速特性： 转速下降，机械特性 曲线变软。（斜率较 大，特性较软）
n n0 nN n1 n2 n3
由式（8-1）可以看出，有三种 方法调节电动机的转速： （1）调节电枢供电电压U

（2）减弱励磁磁通 （3）改变电枢回路电阻R

调压调速



工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电阻 R = Ra 调节过程： 改变电压 UN Un ， n0 调速特性： 转速下降，机械特性 曲线平行下移。
（一） 系统组成
（ 二）闭环系统的静特性方程
开环机械特性： n f (U d , I d ) 闭环静特性方程：
假定：
开环机械特性曲线
1）忽略各种非线性因素，假定系统中各环节 的输入输出关系都是线性的，或者只取其线性工 作段。 2）忽略控制电源和电位器的内阻
转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下：
un
比较环节 放大器
* U n U n U n
电机端电压方程E U d 0 I d R 测速反馈环节 U 电动机环节
n
U ct K p U n
n
触发和整流装置 U d 0 K sU ct
E Cen

静特性方程
从上述六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
s cl
n cl n ocl
, s op
n op n 0 op
则得
s op
D cl (1 K ) D op
（4）要取得上述三项优势，闭 当 n 0 op n 0 cl 时 , 则 s cl 环系统必须设置放大器。 1 K 上述三项优点若要有效， （3）当要求的静差率一定 都取决于一点，即 K 要足够大， 时，闭环系统可以大大提高 因此必须设置放大器。 调速范围。
第八章 单闭环直流调速系统
直流调速系统概述 单闭环直流调速系统 单闭环直流调速系统实例分析

8.1 直流调速系统概述
一、什么是调速


电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需 要根据工艺要求调节其转速。比如：在加工毛坯工件 时，为了防止工件表面对生产刀具的磨损，因此加工 时要求电机低速运行；而在对工件进行精加工时，为 了要缩短加工时间，提高产品的成本效益，因此加工 时要求电机高速运行。所以，我们就将调节电动机转 速，以适应生产要求的过程就称之为调速；而用于完 成这一功能的自动控制系统就被称为是调速系统。 目前调速系统分交流和直流调速系统，由于直流调速 系统的调速范围广，静差率小、稳定性好以及具有良 好的动态性能。因此在相当长的时期内，高性能的调 速系统几乎都采用了直流调速系统。但近年来，随着 电子工业与技术的发展，高性的交流调速系统的应用 范围逐扩大并大有取代直流调速系统发展趋势。但作 为一个延用了近百年的调速系统，了解其基本的工作 原理，并加深对自动控制原理的理解还是有必要的。
*
（1）闭环系统速降小,静特 性硬 在同样的负载扰动下， 两者的转速降落分别为
n op RI
d

RI
d
Ce
n cl
RI
d
而闭环时的静特性可写成
n K p K sU n
*
Ce
C e (1 K )
它们的关系是
n op 1 K
C e (1 K )

RI
d
C e (1 K )
例题 在上例中，龙门刨床要求, D = 20，s ≤5%， 已知 Ks = 30， = 0.015V· min/r， Ce = 0.2V· min/r,采用闭环系统,如何设计放大器以 满足此要求？
思路:根据
n cl
n op 1 K KpKs
K
n op n cl
p
1
二、调速控制系统的性能指标
在前几章中我们学过，各种自动化生产机械或系统 所提出的性能指标一般都可以分成稳态指标和动态 指标。对于调速系统来说也不例外，只是它作为一 个特定的系统，其稳态和动态指标有着具体而明确 定义。 稳态指标：主要是要求系统能在最高和最低转速 内进行平滑调节，并且在不同转速下工作时能稳 定运行，而在某一转速下稳定运行时，尽量少受 负载变化及电源电压波动的影响。因此它的指标 就是调速系统的调速范围和静差率。 动态性能指标：主要是平稳性和抗干扰能力。

结论： 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。
降低速降的实质是什么?
un
转速单闭环调速系统结构图
系统调节过程
闭环静特性
开环机械特性
n
A
B A′
C
D
Ud4 Ud3 Ud2 Ud1
n
Un
*
时的 U* n
+
∆Un - Un
Kp
Uc
Ks U
0
d
1/Ce
n
K p K sU
* n

C e (1 K )
-IdR
E
- Ud
0
+
n 1/Ce Ks Kp
+
只考虑扰动作用-IdR时 的闭环系统
n RI
d

C e (1 K )
利用叠加原理得
n
K p K sU n
*
C e (1 K )
n 0 cl n cl
n cl
（2）系统的静差率小,稳速 如果电动机的最高转速都 精度高 是 n max ，而对最低速静差率 的要求相同，那么： 开环和闭环系统的静差 率分别为 n s
D op n nom s n op (1 s )
D cl
nom
n cl (1 s )
Te
三种调速方法的性能与比较
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，自动控制的直流调速系统往往 以调压调速为主。
这就是所谓的电 源—电动机调速 系统（V—M） 系统，它属于开 环系统。
解：如果要满足D=20，Sn<5%的要求，则其在额定条件 下的转速降为：
n ne s D(1 s ) 1000 0.05 20(1 0.05) 2.63%
而由已知条件并设系统电流连续，则其额定转速下 的转速降为：
n IN R Ce N 305 0.18 0.2 274 .5r / min
0 O 0
Id1
Id2
Id3
Id4
I d n U n U n U ct U d 0 n
闭环系统减小速降的物理意义
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。


Id1
Id2
Id3
Id4
Id
I d n U n U n U ct U d 0 n
（三）开环系统机械特性和闭环系统静 特性的关系
系统的开环机械特性为
n U d0 Id R Ce n 0 op n op K p K sU n Ce
（3）系统的精度依赖于给定和反馈检测
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。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。 检测装置好似我们的眼睛，测量的尺子
用晶闸管触发整流 整流电路实现电枢 电压可调，从而达 到改变电机转速的 目的。
例：某电源—电动机直流调速系统，已知电机的额定 转速为n=1000r/min，额定电流IN=305A，主回路电阻 R=0.18Ω，CeΦN=0.2，若要求电动机调速范围D=20， sn<5%，则该调速系统是否能满足要求？
n K p K sU
* n
IdR
C e (1 K p K s / C e )

K p K sU
* n
C e (1 K )

IdR C e (1 K )
式中K为闭环系统的开环放大系数（增益）
K K p K s Ce

闭环系统的稳态结构框图
Ⅱ
un
只考虑给定作用 闭环系统
而静差率为：
s n n0 n 275 1000 275 21.5%
由此例不难发现，象这样的电源——电动机所组成的 开环调速系统，是没有能力完成其调速指标的。要把 额定负载下的转速降从开环系统中的274.5降低到满 足要求的2.63就必须采用负反馈，这也就构成了我们 所谓的闭环直流调速系统——转速负反馈直流调速。
调速范围 生产机械在额定负载时要求电动机提供的最高转速nmax 与最低转速nmin之比称为调速范围，用D表示。即：

D

nmax nmin
静差率（表征转速的稳定程度） 调速系统在某一转速下稳定运行时，负载由理想空载增 加到规定负载时，所对应的转速降落Δn与理想转速n0 之比，用s表示。即：
s n n0
开环系统存在的问题




开环系统只适用用于对调速精度要求不高的 场合，但许多需要无级调速的生产机械为了 保证加工精度，常常对调速精度提出一定的 要求，这时，开环调速已不能满足要求。 解决思路： 引入反馈控制思想（提出闭环的必要性） 反馈的手段
闭环系统的设计思路
开环系统结构框图
闭环系统结构框图
8.2 单闭环直流调速系统
（2）抵抗扰动, 服从给定
n cl
RI
d
Ce (I K )
只有 K = ，才能使 ncl = 0，无静差。
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”。

扰动作用与影响
Id变化
Kp变化 电源波动
R E
电阻变化 励磁变化
U* n
+
∆Un
- U n
Kp
Uc
Ks
Ud0 +
1/Ce
n

闭环调速系统的给定作用和扰动作用 检测误差
Us Ud0 n Un Un Uc Ud0 n
因此，反馈控制系统对前向通道 上的所有扰动都能起抑制作用。

给定作用
与众不同的是，在反馈环外的给定作 用，图中的转速给定信号，它的细微变化 都会使被调量随之变化，丝毫不受反馈作 用的抑制。