机电传动第3讲

1、n转速控制的要求和调速指标转速控制的要求和调速指标n开环调速系统及其存在的问题开环调速系统及其存在的问题n闭环调速系统的组成及其静特性闭环调速系统的组成及其静特性n开环系统特性和闭环系统特性的关系开环系统特性和闭环系统特性的关系n反馈控制规律反馈控制规律n反馈控制闭环调速系统的稳态参数计算反馈控制闭环调速系统的稳态参数计算 n限流保护限流保护电流截止负反馈电流截止负反馈本本节节提提要要1.4 反馈控制闭环直流调速系反馈控制闭环直流调速系统稳态分析和设计统稳态分析和设计 1.4.1转速控制的要求和调速指标1. 控制要求控制要求n（1）调速）调速n（2）稳速）稳速n（3）快速性）快速性2. 调速指

2、标调速指标n静态调速指标（稳态指标）静态调速指标（稳态指标）n动态调速指标动态调速指标n调速范围（调速范围（D ）：）： 在额定负载条件下在额定负载条件下 （1-31） 对于少数负载很轻的机械，例如精密磨对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的转速计算床，也可用实际负载时的转速计算D。在。在设计调速系统时，通常视设计调速系统时，通常视nmax为电动机的为电动机的额定转速额定转速nN 。minmaxnnD 稳态指标稳态指标 n静差率静差率s ：0Nnns或或%1000Nnns（1-32） 式中式中 nN = n0 nN静差率是用来衡量调速系统在负载变化静差率是用来衡量调速系统在负

3、载变化时转速的稳定度的，和机械特性的硬度时转速的稳定度的，和机械特性的硬度有关。有关。0TeNTen0an0bab? nNa ? nNb nO图1-23 不同转速下的静差率3. 静差率与机械特性硬度的区别静差率与机械特性硬度的区别一般调压调速系一般调压调速系统在不同转速下统在不同转速下的机械特性是互的机械特性是互相平行的相平行的 。对于同样硬度的对于同样硬度的特性，理想空载特性，理想空载转速越低时，静转速越低时，静差率越大，转速差率越大，转速的相对稳定度也的相对稳定度也就越差。就越差。n例如：在例如：在1000r/min时降落时降落10r/min，只占，只占1%；在在100r/min时同样降落

4、时同样降落10r/min，就占，就占10%；如果在只有如果在只有10r/min时，再降落时，再降落10r/min，就占，就占100%，这时电动机已经停止转动，转速全部，这时电动机已经停止转动，转速全部降落完了。降落完了。n调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。必须同时提才有意义。n在调速过程中，若在调速过程中，若转速降落为转速降落为 nN相同，则转速相同，则转速越低时，静差率越大，如果低速时的静差率能满越低时，静差率越大，如果低速时的静差率能满足设计要求，则高速时的静差率就更能满足要求。足设计要求，则高速时的静差率就更能满足

5、要求。n调速系统调速系统的静差率指标应以最低速时（此时为电的静差率指标应以最低速时（此时为电动机最困难的时候）所能达到的数值为准。动机最困难的时候）所能达到的数值为准。4. 调速范围、静差率和额定速降调速范围、静差率和额定速降之间的关系之间的关系 设：电机额定转速设：电机额定转速nN为最高转速，转速降为最高转速，转速降落为落为 nN，由前面分析可知，由前面分析可知NminNmin0NnnnnnsminNminmaxnnnnD)1 (NNsnsnD（1-34） n对于同一个调速系统，对于同一个调速系统， nN 值一定，值一定，由式（由式（1-34）可见，如果对静差率要）可见，如果对静差率要求越严

6、，即求越严，即S 减小，则减小，则D 减小；减小； S 增增大，则大，则D 增大增大n例题例题1-1 某直流调速系统电动机额定转某直流调速系统电动机额定转速为，额定速降速为，额定速降 nN = 115r/min，当要，当要求静差率求静差率30%时，允许多大的调速范围？时，允许多大的调速范围？如果要求静差率如果要求静差率20%，则调速范围是多，则调速范围是多少？如果希望调速范围达到少？如果希望调速范围达到10，所能满，所能满足的静差率是多少？足的静差率是多少？解解 要求要求30%时，调速范围为时，调速范围为 若要求若要求20%，则调速范围只有，则调速范围只有若调速范围达到若调速范围达到10，则静

7、差率只能是，则静差率只能是3 . 5)3 . 01 (1153 . 01430)1 (NNsnsnD1 . 3)2 . 01 (1152 . 01430D%6 .44446. 011510143011510NNNnDnnDs1、转速、转速开环控制系统（开环控制系统（V-MV-M系统）系统）晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统） 1.4.2 开环调速系统及其存在的问题开环调速系统及其存在的问题2、V-MV-M系统系统转速转速开环控制过程开环控制过程n给定电压给定电压 Uc 控制触发装置控制触发装置 GT触发触发脉冲的相位脉冲的相位 即可改变晶闸管可控整即可改变晶闸管可控整流器流器VT的

8、整流电压的整流电压Ud 从而实现平滑从而实现平滑调速。调速。n在开环调速系统中，控制是单方向进行在开环调速系统中，控制是单方向进行的，输出转速并不影响控制电压，控制的，输出转速并不影响控制电压，控制电压直接由给定电压产生。电压直接由给定电压产生。当出现扰动时，如负载发生变化当出现扰动时，如负载发生变化 问题：没有人干预的情况下输出量不能按照输入问题：没有人干预的情况下输出量不能按照输入量所期望的状态去工作，即不能得到期望的转速。量所期望的状态去工作，即不能得到期望的转速。4、解决方法、解决方法n自控原理中学过，采用反馈控制的闭环调速系自控原理中学过，采用反馈控制的闭环调速系统是按被调量的偏差来

9、进行控制，只要出现偏统是按被调量的偏差来进行控制，只要出现偏差系统就会自动产生纠正偏差的作用，差系统就会自动产生纠正偏差的作用，反馈闭反馈闭环控制有时称为偏差控制。环控制有时称为偏差控制。n负载变化的转速降落即为转速偏差，显然，引负载变化的转速降落即为转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转入转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转速降落，因此可采用负反馈的闭环控制系统。速降落，因此可采用负反馈的闭环控制系统。1、系统组成、系统组成图1-24 采用转速负反馈的闭环调速系统+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+-+Un?Un U*nUcUPE+-MTGIdUnUdUcUn

10、ntg1.4.3 闭环调速系统的组成及其静特性闭环调速系统的组成及其静特性n UPE的组成 图中，图中，UPE是由电力电子器件组成的变换是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三组（或单相）交流电源，输器，其输入接三组（或单相）交流电源，输出为可控的直流电压，控制电压为出为可控的直流电压，控制电压为Uc 。UcUd0uACDCUd0Uc 目前，组成目前，组成UPE的电力电子器件有如的电力电子器件有如下几种选择方案：下几种选择方案：n对于中、小容量系统，多采用由对于中、小容量系统，多采用由IGBT或或P-MOSFET组成的组成的PWM变换器；变换器；n对于较大容量的系统，可采用其他电力对于较大容量

11、的系统，可采用其他电力电子开关器件，如电子开关器件，如GTO、IGCT等；等；n对于特大容量的系统，则常用晶闸管触对于特大容量的系统，则常用晶闸管触发与整流装置。发与整流装置。2、调节过程分析、调节过程分析n给定电压给定电压 U* *n不变不变当出现扰动时，如负载发生当出现扰动时，如负载发生变化变化 Id 测速发电机测速发电机 TG 输出与转速成正比的负反馈电输出与转速成正比的负反馈电压压Un 转速偏差电压转速偏差电压 Un 经过放大器经过放大器 A，产生电力电子变换器，产生电力电子变换器UPE的控的控制电压制电压Uc 电枢端电压电枢端电压Ud0 转速转速n n 接近期望值。接近期望值。n静特

12、性：闭环调速系统电动机转速与负静特性：闭环调速系统电动机转速与负载电流或转矩之间的稳态关系。可表示载电流或转矩之间的稳态关系。可表示为为 n=f(Id) 或或n=f(TL) 形式上类似开环机械特性，但本质上却形式上类似开环机械特性，但本质上却有很大不同，故定名为有很大不同，故定名为“静特性静特性”，以，以示区别。示区别。3、闭环调速系统的静特性、闭环调速系统的静特性为了突出主要矛盾，对系统先作如下的假定：为了突出主要矛盾，对系统先作如下的假定：（1）忽略各种非线性因素，假定系统中各环）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，或者只取其节的输入输出关系都是线性的，或者只取其

13、线性工作段；线性工作段；（2）忽略控制电源和电位器的内阻）忽略控制电源和电位器的内阻。4、静特性方程、静特性方程（1）根据闭环系统中各环节的稳态关系来推导静）根据闭环系统中各环节的稳态关系来推导静特性方程特性方程电压比较环节电压比较环节 n*nnUUU放大器放大器 npcUKU电力电子变换器电力电子变换器 cs0dUKU调速系统开环机械特性调速系统开环机械特性 ed0dCRIUn测速反馈环节测速反馈环节 nUn 从上述五个关系式中消去中间变量，整理后，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即得转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式式 （1-35）式

14、中式中 闭环系统的开环放大系数闭环系统的开环放大系数K为为 )1 ()1 ()/1 (ede*nspesped*nspKCRIKCUKKCKKCRIUKKnespCKKKKpKs 1/CeU*nUc?UnEnUd0Un+- IdR-UnKs（2）根据闭环系统的稳态结构图推导）根据闭环系统的稳态结构图推导静特性方程静特性方程图1-25 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图 图中各方块内的符号代表该环节的放大图中各方块内的符号代表该环节的放大系数。系数。 将给定量和扰动量看成两个独立的输入量，将给定量和扰动量看成两个独立的输入量，先按它们分别作用下的系统求出各自的输先按它们分别作用下的系统求出各自

15、的输出与输入关系式，出与输入关系式，b）只考虑给定作用时的）只考虑给定作用时的闭环系统闭环系统c）只考虑扰动作用时）只考虑扰动作用时的闭环系统的闭环系统)1(e*nspKCUKKn)1(edKCRInU*nKpKs 1/CeUc?Un n Ud0Un+-+KpKs 1/Ce-IdR nUd0+-E 由于已认为系统是线性的，可以把二由于已认为系统是线性的，可以把二者叠加起来，即得系统的静特性方程式者叠加起来，即得系统的静特性方程式（1-35）)1()1(ede*nspKCRIKCUKKn1.4.4 开环系统机械特性和闭环系统静特性开环系统机械特性和闭环系统静特性 的关系的关系 比较一下开环系统的

16、机械特性和闭环系统的静比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静特性，能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。如特性，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果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为 opop0ede*nsped0dnnCRICUKKCRIUn(1-36) 而闭环时的静特性可写成而闭环时的静特性可写成 llnnKCRIKCUKKncc0ede*nsp)1 ()1 (1-37) 不难得出以下的论断：不难得出以下的论断：（1）闭环系统静性可以比开环系统机械特）闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬得多。性硬得多。 在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别

17、为在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为 Knnl1opc(1-38) edopCRIn)1 (edcKCRInln 1、 系统特性比较系统特性比较（2）闭环系统的静差率比开环系统要）闭环系统的静差率比开环系统要小得多。小得多。 当当 n0op =n0cl 时时（1-39）lllnnsc0ccop0opopnnsKssl1opc（3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。大大提高调速范围。 如果电动机的最高转速都是如果电动机的最高转速都是nmax；而对最低速静；而对最低速静差率的要求相同，那么：差率的要求相同，那么： 开环时，开环时， 闭环时

18、，闭环时， 再考虑式（再考虑式（1-38），得），得 opc)1 (DKDl(1-40) )1 (opNopsnsnD)1 (cNcsnsnDll（4）要取得上述三项优势，闭环系统必须）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。设置放大器。 上述三项优点若要有效，都取决于一点上述三项优点若要有效，都取决于一点即即 K 要足够大，因此必须设置放大器。要足够大，因此必须设置放大器。 把以上四点概括起来，可得下述结论：把以上四点概括起来，可得下述结论： 闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬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得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的

19、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。n2、闭环系统能自动调节转速的实质、闭环系统能自动调节转速的实质n开环系统开环系统 Id n 例如：在图例如：在图1-26中工作点从中工作点从A A n闭环系统闭环系统 Id n Un Un n Ud0 Uc 例如：在图例如：在图1-26中工作点从中工作点从A Bn0OIdId1Id3Id2Id4ABCAD闭环静特性开环机械特性图1-26 闭环系统静特性和开环机械特性的关系Ud4Ud3Ud2Ud1 闭环系统能够减少稳态速降的实

20、质在于它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，即它能随着负载的变化的自动调节作用，即它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降。电阻压降。1.4.5反馈控制的三个基本规律：反馈控制的三个基本规律：1. 被调量有静差被调量有静差n只有只有 K = ，才能使，才能使 ncl = 0，而这是不可能的。，而这是不可能的。这样的调速系统叫做有静差调速系统这样的调速系统叫做有静差调速系统。n实际上，这种系统正是依靠被调量的偏差进行实际上，这种系统正是依靠被调量的偏差进行控制的。控制的。n问题的提出：如何才能做到系统无静差？问题的提出：如

21、何才能做到系统无静差？)(edcKICRInl 2、反馈控制系统的作用：抵抗扰动、反馈控制系统的作用：抵抗扰动, 服从给定服从给定n扰动扰动除给定信号外，作用在控除给定信号外，作用在控制系统各环节上的一切会引起输出制系统各环节上的一切会引起输出量变化的因素都叫做量变化的因素都叫做“扰动作用扰动作用”。n扰动作用与影响图1-27 闭环调速系统的给定作用和扰动作用 励磁变化励磁变化Id变化变化电源波动电源波动Kp变化变化电阻变化电阻变化检测误差检测误差KpKs 1/CeU*nUc?UnEnUd0Un+- R n 抗扰能力抗扰能力n反馈控制系统只能对被反馈环包围的前向通道上反馈控制系统只能对被反馈环

22、包围的前向通道上的扰动都有抑制功能。的扰动都有抑制功能。n例如：例如：Us Ud0 n Un Un n Ud0 Uc n反馈通道上的测速反馈系数受到某种影响而发生反馈通道上的测速反馈系数受到某种影响而发生变化，不能得到反馈控制系统的抑制，反而会增变化，不能得到反馈控制系统的抑制，反而会增大被调量的误差。大被调量的误差。n例如：例如： Un Un Uc Ud0 n n给定作用给定作用n反馈控制系统对给定作用的变化则唯命是反馈控制系统对给定作用的变化则唯命是从。从。n 结论： 反馈控制系统的规律是：一方面能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够有效地抑制一切被包在负反馈环

23、内前向通道上的扰动作用；另一方面，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。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精度系统的精度依赖于给定和反馈检测精度n给定精度给定精度给定决定系统输出，输出精给定决定系统输出，输出精度自然取决于给定精度。度自然取决于给定精度。 高精度的调速系统必须有更高精度的给定高精度的调速系统必须有更高精度的给定稳压电源。稳压电源。n检测精度检测精度反馈检测装置的误差也是反反馈检测装置的误差也是反馈控制系统无法克服的，因此馈控制系统无法克服的，因此检测精度决检测精度决定了系统定了系统输出精度。输出精度。1.4.6 限流保护限流保护电流截止负反馈电流截止负