运动控制系统课件：第2章 转速反馈控制的直流调速系统

1、第第1 1篇篇 直流调速系统直流调速系统第第2章章 转速反馈控制的直流调速系统转速反馈控制的直流调速系统第2章 转速反馈控制的直流调速系统 2.1 2.1 直流调速系统用的可控直流电源直流调速系统用的可控直流电源 2.2 2.2 稳态调速性能指标和直流调速系统的机械稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性特性 2.3 2.3 转速反馈控制直流调速系统转速反馈控制直流调速系统 2.4 2.4 直流调速系统的数字控制直流调速系统的数字控制 2.5 2.5 转速反馈控制直流调速系统的限流保护转速反馈控制直流调速系统的限流保护 2.6 2.6 转速反馈控制直流调速系统的仿真转速反馈控制直流调速系统的仿

2、真 小结及要求小结及要求引言引言: 直流电动机的调速方法直流电动机的调速方法 n转速，r/min; U电枢电压，V； I电枢电流，A； R电枢回路总电阻，；励磁磁通，WbKe 由电机结构决定的电势常数eKIRUn直流电动机转速公式：直流电动机转速公式： 调节电枢电压调节电枢电压平滑无级，调速范围宽。 减弱磁通减弱磁通平滑无级，基速以上，范围窄 改变电枢回路总电阻改变电枢回路总电阻一般为有级。 直流电动机的直流电动机的三种调速法三种调速法：自动控制的直流调速系统一般以自动控制的直流调速系统一般以调节电枢电压调节电枢电压为主。为主。返回目录2.1 2.1 直流调速系统用的可直流调速系统用的可控直流

3、电源控直流电源 直流调速系统常用的直流调速系统常用的可控直流电源可控直流电源 旋转变流机组旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组，以 获得可调的直流电压。 静止可控整流器静止可控整流器用静止的可控整流器，例如晶闸管可控整流器，以获得可调的直流电压。 直流斩波器或脉宽调制变换器直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压。 旋转变流机组MG放大装置放大装置M3GELMU fi1DW励磁电源励磁电源图图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统（旋转变流机组供电的直流调速系统（）励磁发励磁发电机电机 G-M系统的机械特性图图1-2 G-M

4、系统的机械特性系统的机械特性正向制动状态正向制动状态正向电动状态正向电动状态反向电动状态反向电动状态反向制动状态反向制动状态0eTeTLTLTnnneT1n2n3n4n5n6n四象限运行2.1.1 晶闸管整流器晶闸管整流器-电动机系统电动机系统（V-M系统）系统） 特点特点移相触发控制移相触发控制: :通过调节GT的控制电压来移动触发脉冲的相位从而改变Ud,进行调速。+-+dULVGT图图2-1 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统系统）MUc V-M系统的优缺点与G-M系统相比较：优点：优点：放大倍数高；快速性好；效率高。缺点缺点： 可逆运行困难；

5、 晶闸管的抗过压、过流的能力差； 电力公害neTneTneT半控整流电路半控整流电路全控整流电路全控整流电路 （可逆变）（可逆变）正反两组全控正反两组全控整流电路整流电路晶闸管整流器晶闸管整流器-电动机系统（电动机系统（V-M系统）的系统）的几个问题几个问题1. 触发脉冲相位控制；触发脉冲相位控制；2. 电流脉动及其波形的连续与断续；电流脉动及其波形的连续与断续；3. 晶闸管整流器晶闸管整流器-电动机系统的机械特性；电动机系统的机械特性；4. 晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数。函数。1. 1. 触发脉冲相位控制触发脉冲相位控制(1) V-M主电路及电

6、压平衡方程主电路及电压平衡方程 a b c T ud id VT 2 VT 1 VT 3 M +-+pLVaRcU-EMidUd u 2 u a u b u c O O t u G u t t ud nug等效电等效电路？路？等效电路等效电路 L主电路总电感; R主电路的等效电阻。 +Rd0uE-+-LdiM电压平衡电压平衡方程？方程？电压平衡方程电压平衡方程dd0dddiuEi RLtd0dedUEI RC nI ReeCK d0Uf a电动势转速比电动势转速比与整流电路的形式有关与整流电路的形式有关 式中式中 从自然换相点算起的触发脉冲控制角；从自然换相点算起的触发脉冲控制角； = 0 时

7、的整流电压波形峰值；时的整流电压波形峰值； 交流电源一周内的整流电压脉波数交流电源一周内的整流电压脉波数；对于不同的整流电路，它们的数值如表对于不同的整流电路，它们的数值如表1-1所示。所示。Umm整流电压的平均值计算整流电压的平均值计算cossinmd0mUmU* U2 是整流变压器二次侧是整流变压器二次侧的有效值。的有效值。(2) V-M系统的系统的控制特点控制特点00,( )dddeUI RnUfC0 dUn转速是靠转速是靠触发脉冲的相位触发脉冲的相位进行控制的进行控制的.+-+pLVaRcU-EMidUd2. 电流脉动及其波形的连续与断续电流脉动及其波形的连续与断续 a b c T u

8、d id VT 2 VT 1 VT 3 M L (1) 电流脉动的原因电流脉动的原因 m有限有限电压脉动电压脉动; L有限有限电流脉动电流脉动. u 2 u a u b u c O O t u G u t t ud i d O a）电流连续）电流连续Ouaubuc udOiaibicicEUdudttid重载，重载，L大大(2) 电流的连续与断续电流的连续与断续b）电流断续）电流断续O OttudidUdE 轻载，轻载，L小小脉动电流脉动电流 脉动转矩脉动转矩对生产机械不利；对生产机械不利； 谐波电流谐波电流对电网不利，电机发热。对电网不利，电机发热。(3) 抑制电流脉动的措施抑制电流脉动的措

9、施措施：措施： (1) 增加相数（或采用多重化技术增加相数（或采用多重化技术)-增大增大m (2) 设置平波电抗器设置平波电抗器-增大增大L平波电抗器的两个作用：平波电抗器的两个作用： 限制电流脉动；轻载时保持电流连续。限制电流脉动；轻载时保持电流连续。3.V-M3.V-M系统的机械特性系统的机械特性(1) (1) 电流连续时电流连续时RICde1n01,Ud01IdIdL2,Ud023,Ud03n01n02n03 理想空理想空载转速载转速只要电流连续，只要电流连续，V-M系统的机械特性是直线（受系统的机械特性是直线（受控制）。）。d0dd0e,( )UI RnUfC(2) (2) 电流断续时

10、电流断续时ctg2ctg2cos sin() sin()66(1)eUeCen223 2cos()cos()2662edUC nREIRL1tgn与与Id呈非线性关系呈非线性关系例：三相半波整流电路构成的V-M系统，当电流断续时的机械特性：阻抗角一个电流脉波的导通角 特点：特点：1)机械特性变软机械特性变软,且呈非线性且呈非线性; 2)理想空载转速升高理想空载转速升高分界线分界线0ndIV-M系统的全部机械特性系统的全部机械特性增大增大断续区断续区连续区连续区如何处理非线性段？如何处理非线性段？1）当）当L很大时，只考很大时，只考虑连续段，忽略断续虑连续段，忽略断续段，认为是连续段的段，认为是

11、连续段的延伸。延伸。2）当断续段比较显著）当断续段比较显著时，把断续段曲线用时，把断续段曲线用一一直线表示直线表示，相当于，相当于把总电阻换成了一个把总电阻换成了一个更大的等效电阻。更大的等效电阻。分界线分界线0ndI增大增大断续区断续区4. 4. 晶闸管触发和整流装置的放大晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数系数和传递函数+-+pLVaRcU-EMidUd？UcUddscUKU放大系数放大系数（1） 放大系数放大系数输入输入/输出输出特性特性+-+pLVaRcU-EMidUd 如果不可能实测特性，只好根据装置的参如果不可能实测特性，只好根据装置的参数估算。数估算。例如例如： 设触发电路控

12、制电压的调节范围为设触发电路控制电压的调节范围为 Uc = 010V 相对应的整流电压的变化范围是相对应的整流电压的变化范围是 Ud = 0220V 可取可取 Ks = 220/10 = 22Ks的估算估算u2udUctt 1 10Uc1Uc2 1 1tt000 2 2 2 2Ud01Ud02TsOVcUUd0（2）传递函数）传递函数a) 失控时间分析失控时间分析a)RTu1u2i2aVT1VT3VT2VT4udid 显然，失控制时间是随机的，它的大小随显然，失控制时间是随机的，它的大小随发生变化的时刻而改变，发生变化的时刻而改变，最大可能的失控时最大可能的失控时间就是两个相邻自然换相点之间的

13、时间间就是两个相邻自然换相点之间的时间，与，与交流电源频率和整流电路形式有关交流电源频率和整流电路形式有关 b) 最大失控时间计算最大失控时间计算式中式中 交流电流频率；交流电流频率； 一周内整流电压的脉波数。一周内整流电压的脉波数。fmmfT1maxsc) Ts 值的选取值的选取 相对于整个系统的响应时间来说，相对于整个系统的响应时间来说，Ts 是不大的，是不大的，一般情况取其统计一般情况取其统计平均值平均值 Ts = Tsmax /2，并认为是常，并认为是常数。数。表表1-2 各种整流电路的失控时间（各种整流电路的失控时间（f =50Hz）d) 传递函数的求取传递函数的求取非最小相位系统，

14、分析和设计都比较麻烦非最小相位系统，分析和设计都比较麻烦ssT sK eUc(s)Ud0(s)(a) 准确的准确的晶闸管触发与整流装置动态结构图晶闸管触发与整流装置动态结构图晶闸管装置的传递函数晶闸管装置的传递函数纯滞后纯滞后 )()( TsSscdodoeKsUsUKs Uc(t-Ts)U2 23 311 12!3! 1( )( ) ( )1ssdocT ssssT sssssseTsT sT sTeTsKUsW sU sTs 按台劳级数展开因为 很小 ( )( ) 1scdosKUsUsT s1:3cST近似条件（b） 近似的近似的晶闸管触发与整流装置动态结构图晶闸管触发与整流装置动态结构

15、图2.1.2 直流直流PWM变换器变换器-电动机系统电动机系统 （直流脉宽调速系统或直流（直流脉宽调速系统或直流PWM调速系统）调速系统）1、直流斩波器原理、直流斩波器原理ssondUUTtUT开关器件的通断周期； ton开关器件的导通时间; = ton/T= ton f 占空比.输出直流平均电压输出直流平均电压0TtusUontdU+-LVDVT+-sUM+-ui2. 改变输出平均电压的调制方法改变输出平均电压的调制方法1) 脉冲宽度调制脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation)PWM T不变, 改变ton 改变 改变Ud2) 脉冲频率调制脉冲频率调制(Pulse Freq

16、uency Modulation) PFM ton不变, 改变 T (或f) 改变 改变Ud3) 两点式控制两点式控制 当负载电流或电压低于某一最小值时，使VT触发导通；当电流或电压达到某一最大值时，使VT关断。导通和关断的时间都是不确定的。3. PWM调速系统的优点调速系统的优点（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；（4）若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；PWM系统的优点（续）（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率

17、适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。直流脉宽调速系统的几个主要问题直流脉宽调速系统的几个主要问题直流脉宽调速系统的主要问题直流脉宽调速系统的主要问题PWM变变换换器器+-UsUcMud直流直流PWM调速系统调速系统PWM控控制制器器UgUdcd UUn脉宽（占空比）1. PWM 变换器的工作状态和波形变换器的工作状态和波形PWM变换器变换器不可逆不可逆PWM变换器变换器可逆可逆PWM变换器变换器PWM变换器+-UsMudUdug根据根据Ud是否改变是否改变极性分极性分(1) 不可逆不可逆PWM变换器变换器简单的不可逆简单的不可逆P

18、WM变换器变换器-直流电动机系统直流电动机系统 VDUs+UgCVTidM+_E21ABnUdUdE0tonTiduABUSb)tidssondUUTtU 定义：定义： = Ud / Us PWM电压系数电压系数Ud不能反向不能反向，id也不能反向，只能单象限运行也不能反向，只能单象限运行,轻轻载时电流断续。载时电流断续。特点：特点：VDUs+UgCVTidM+_E21AB+UsM+-ug3VD1VD2VD3VD4ug1ug2VT2VT4VT3132AB4VT1ug4(2) 桥式可逆桥式可逆PWM变换器变换器ida) 工作波形分析工作波形分析ttug2ug1ug4ug3id0112221112

19、4334UAB0tt-Us+UsUdE重载重载轻载轻载Ud0时的运行波形时的运行波形 电动机的工电动机的工作状态？作状态？tonTa) 工作波形分析工作波形分析(续续)Ud4Tl时时Tm （3 3）在相同的最高转速、相同的静差率条）在相同的最高转速、相同的静差率条件下，调速范围大大提高。件下，调速范围大大提高。)1 ( snsnDopNop开开环环 (1)Nclcln sDns闭环（4 4）取得上述三项优势，必须增设放大器，）取得上述三项优势，必须增设放大器，且且K K越大，闭环静特性越好。越大，闭环静特性越好。 (1)clopDK D关系 闭环调速系统可以获得比开环调速系统闭环调速系统可以获

20、得比开环调速系统硬硬得多的稳态特性得多的稳态特性，从而在保证一定静差率，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付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。测与反馈装置。 结论：结论： 在在例题例题2-2中，龙门刨床要求中，龙门刨床要求 D = 20, s 内 项 之 积 外 项 之 积s2ssm)(TTTTTTKll稳定条件稳定条件（2-52）例题例题2-4 系统稳定性的判断举例系统稳定性的判断举例0.003s0.0167s0.18lLTR260 0.18s0.075s30375375 0.20.2

21、memGD RTCC例题例题2-4 在例题在例题2-3中，系统采用的是三相桥式可控整中，系统采用的是三相桥式可控整流电路，已知电枢回路总电阻流电路，已知电枢回路总电阻R=0.18 ，电感量，电感量L=3mH，系统运动部分的飞轮惯量，系统运动部分的飞轮惯量 GD2 = 10Nm2，试判别系统的稳定性。试判别系统的稳定性。解解：计算系统中各环节的时间常数：电磁时间常数机电时间常数22()0.075 (0.01670.00167)0.01670.0167 0.0016749.5mlssslT TTTTKT对于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为：s11110.00167s22300Tmf为保

22、证系统稳定，开环放大系数应满足式（2-52）的稳定条件稳定条件：动态稳定性和稳态性能的矛盾 按动态稳定性的要求 Ku m 时，便以限幅值 u m作为输出。 不考虑限幅时，位置式和增量式两种算法完全等同，考虑限幅则两者略有差异。 增量式增量式PI调节器算法只需输出限幅调节器算法只需输出限幅 位置式算法必须同时设积分限幅和输出限幅位置式算法必须同时设积分限幅和输出限幅1. 开环全压起动会产生很大的冲击电流开环全压起动会产生很大的冲击电流2. 5 转速反馈控制直流调速系统的转速反馈控制直流调速系统的限流保护限流保护+-M+-UdIdUPEUc3.堵转时过电流堵转时过电流2. 闭环调速系统突加给定起动

23、的冲击电流闭环调速系统突加给定起动的冲击电流E+-AMTG+-+-+-UtgUdIdn+-+UnUn U*nUPE+-Uc+-有两类生产机械需限制电动机的电流：有两类生产机械需限制电动机的电流： 经常工作在堵转状态下的生产机械经常工作在堵转状态下的生产机械 快速起动和制动的生产机械快速起动和制动的生产机械要求：要求：在起动或堵转过程中能自动保持电流在起动或堵转过程中能自动保持电流不超过允许值，而在闭环运行时仍具备闭环不超过允许值，而在闭环运行时仍具备闭环系统的一切优越性。系统的一切优越性。（二）（二）电流负反馈作用机理电流负反馈作用机理1. 仅采用电流负仅采用电流负反馈，不要转反馈，不要转速负

24、反馈速负反馈 这种系统的静这种系统的静特性如图中特性如图中B 线，线，特性很陡。显然特性很陡。显然仅对起动有利，仅对起动有利，对稳态运行不利。对稳态运行不利。 Idbln0IdOn0A转速负反馈特性转速负反馈特性B电流负反馈特性电流负反馈特性 调速系统静特性调速系统静特性2. 同时采用转速和电流负反馈同时采用转速和电流负反馈 转速和电流负反馈系统稳态结构转速和电流负反馈系统稳态结构 Kp Ks 1/CeU*nUcUnIdEnUd0Un+- R - Rs Ui)1 ()1 ()1 (edsspede*nspKCIRKKKCRIKCUKKn 与转速闭环控制调速系统特性方程相比，多了一项由电流反馈引

25、起的转速降落。稳态特性稳态特性 Idbl0n0A转速负反馈特性转速负反馈特性B电流负反馈特性电流负反馈特性C转速电流负反馈特性转速电流负反馈特性采用转速电流调速系统静特性采用转速电流调速系统静特性Idn0OId当电流大到一定程度再出现电当电流大到一定程度再出现电流反馈流反馈电流截止负反馈电流截止负反馈(截流截流反馈）反馈）3. 电流截止负反馈电流截止负反馈只有转速负反馈只有转速负反馈两者都有两者都有只有电流负反馈只有电流负反馈IdblIdn0ndcrI0nnIdblId理想挖土机特性理想挖土机特性 （一）电流截止负反馈环节（一）电流截止负反馈环节 a）利用独立直流电源作比较电压）利用独立直流电

26、源作比较电压M+- UdId RsVDUi Ucom接放大器接放大器Mb) 利用稳压管产生比较电压利用稳压管产生比较电压 UcomM+- UdId RsVSTUi接放大器接放大器M2.5.2 带电流截止负反馈环节的带电流截止负反馈环节的直流调速系统直流调速系统 dscomidscomI RUU = I R -U当时，二极管导通,(二二)带电流截止负反馈比例控制闭环直流调带电流截止负反馈比例控制闭环直流调速系统的稳态结构框图和静特性速系统的稳态结构框图和静特性cUdI-+-+-dU+-1R-+-+nU*nU0R0R0R-+iU-+VDcomUsR电源电源TGM1. 稳态结构图及静特性方程稳态结构

27、图及静特性方程(1)稳态结构图稳态结构图电流截止负反馈环节的电流截止负反馈环节的I/O特性特性 0UiId Rs - UcomVRnU+-_nUdoUnpKsKUicUUn1eC-UcomIdRs定义：Idcr=Ucom/Rs 为截止电流 （2）静特性方程）静特性方程0 (0)(1)(1) ddcrdscompsdeeIII RUK KRnUInCKCKnA当即电流负反馈支路断开工作段 (0)()(1)(1)(1)()(1)(1) ddcrdscompspsdscomdeeepspsscomdIII RUK KURK K I RUnnICKCKCKK KRK KRnUUInCeKCeKA B当

28、即下垂段IdblIdcrn0IdOn0BA 2、 带电流截止负反馈闭环调速系统的带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性静特性 3. 静特性两个特点静特性两个特点 电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻个大电阻 Kp Ks Rs ，因而稳态速降极大，特，因而稳态速降极大，特性急剧下垂。性急剧下垂。)1 ()(ecom*nsp0KCUUKKn 比较电压比较电压 Ucom 与给定电压与给定电压 Un* 的作用一致，的作用一致，好象把理想空载转速提高到好象把理想空载转速提高到()(1)(1)pspsscomdK KRK KRnUUInCeKCeKsspcom

29、*nspdb)(RKKRUUKKIlscom*ndbRUUIl截止电流和堵转电流截止电流和堵转电流截止电流截止电流 : Idcr=Ucom/Rs堵转电流：堵转电流： 令令n=0得得一般 Kp Ks Rs R，4. 电流截止负反馈环节参数设计电流截止负反馈环节参数设计Idbl应小于电机允许的最大电流，一般取应小于电机允许的最大电流，一般取 Idbl IN=（1.52） IN从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流应大于电机的额行范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取定电流，一般取 Idcr （1.11.2）IN返回目录（三）（三） 带电流截止的无静差直流调速系统带电流截止的无静差直流调速系统 1. 系统组成及工作原理系统组成及工作原理图2-42 无静差直流调速系统 +-+- +-RP2nRP1U*nR0R0RbalUcVT VSUiTALIdR1C1UnUd-+TGM-2. 稳态结构与静特性稳态结构与静特性 当电动机电流低于其截止值时，系统的稳