机电传动控制课件第九章

第九章直流调速系统

9-2单闭环转速负反馈有静差直流调速系统

9-3其它反馈形式在调速系统中的应用9-4转速负反馈无静差直流调速系统9-1直流调速系统的基本概念9-5转速电流双闭环调速系统

9-6直流脉宽调速系统

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something调速系统的调速技术指标静态指标动态指标一、调速技术指标1.静差度S：

静差度表示出生产机械运行时转速稳定的程度。

速度稳定性指标

电动机的机械特性愈硬，则静差度愈小，转速的相对稳定性就愈高;

在一个调速系统中，如果在最低转速运行时能满足静差度的要求，则在其他转速时必能满足要求。9-1直流调速系统的基本概念（一）、静态指标2.调速范围D

在额定负载下，允许的最高转速和在保证生产机械对转速变化率要求的前提下所能达到的最低转速之比称为调速范围。车床龙门刨床钻床铣床轧钢机造纸机进给机械20～12020～402～1220～303～1510～205～300003.调速的平滑性

调速的平滑性，通常是用两个相邻调速级的转速差来衡量的。

调速无级调速有级调速

以改变直流电动机电枢外加电压调速为例，说明调速范围D与静差度S之间的关系：最高速度由系统中所使用电动机的额定转速决定；静差度S和调速范围D由生产机械的要求决定；当上述三个参数确定后，则要求静态速降是一个定值。(二)、动态技术指标1.最大超调量

超调量超调量太大，达不到生产工艺上的要求；超调量太小，会使过渡过程过于缓慢，不利于生产率的提高等范围：超调量2.过渡过程时间T过渡过程时间3.振荡次数N

在过渡过程时间内,被调量n在其稳定值上下摆动的次数。

如图所示是三种不同调速系统被调量从x1改变为x2时的变化情况。系统超调量过渡过程时间T振荡次数性能10长无不好2大长多不好3小短中好二、直流调速主要的调速方法

1、直流他励电动机供电原理图图9-1直流他励电动机供电原理图

为电源空载电压；为电动机电枢电压；E为电枢电动势；R为电枢回路总电阻，n转速，单位r/min；Φ为励磁磁通；Ke为电动机结构决定的电动势系数。2.直流他励电动机转速方程式中：3、直流他励电动机的调速方法

(1)电枢回路串电阻调速特点：损耗较大、有级调速，机械特性较软。(2)弱磁调速特点：只能弱磁，调速范围小(3)变电枢电压调速特点：机械特性上下平移、可平滑地调节转速n，但只能降压调速。是主要的调速方式。

工程上，常将调压与调磁相结合，可以扩大调速范围。

图9-2调压和调磁时的机械特性

二、调压调速的关键装置--可控直流电源常用的可控直流电源有以下三种：1、旋转变流机组2、静止可控整流器3、直流斩波器和脉宽调制变换器1、旋转变流机组----用交流电动机拖动直流发电机，以获得可调的直流电压（G-M系统）。

组成：由~M拖动=G→=G给=M供电→直流励磁发电机GE给=G和=M励磁。原理：调节→U改变→转速n变化。改变方向，n转向跟着改变。特点：设备多、体积大、费用高、效率低、安装维护不便、运行有噪声。2、静止可控整流器--利用静止的可控整流器(如晶闸管可控整流器)，获得可调的直流电压。（V-M系统）晶闸管整流器可以是单相、三相或多相；电路形式可以是半波、全波、半控、全控等类型；通过调节触发电路的移相电压，可改变整流电压Ud，实现平滑调速。

优点:整流装置效率高、体积小、成本低、无噪声。缺点:可逆难；过电压、过电流能力差；谐波电流大。组成：原理：3、直流斩波器和脉宽调制变换器——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。VT工作于开关状态。VT通时，U加到M；VT断时，U与M断开，M经VD续流，两端电压接近于零。平均电压可通过改变VT的导通和关断时间来调节，从而调节M的转速。优点:运行稳定、效率高、静动态性能好；缺点:容量不大原理：1、系统组成三、开环V-M系统的机械特性

2.调节原理调节→改变移相角α→改变→改变。3.开环系统机械特性晶闸管整流器可看成是一个线性的可控电压源特性很软，呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。电流连续时：电流断续时：其中：为转速降，越小，机械特性的硬度越大。取决于电枢回路电阻R及所加的负载大小。机械特性的近似处理方法：(1)在电流连续段：把特性曲线与纵轴的直线交点n0作为理想空载转速。

(2)在断续特性比较显著的情况下，可以改用另一段较陡的直线来逼近断续段特性。或直接用连续段特性的延长线来逼近断续段特性。一般可近似的只考虑连续段。

(2)在断续特性比较显著的情况下，可以改用另一段较陡的直线来逼近断续段特性。或直接用连续段特性的延长线来逼近断续段特性。一般可近似的只考虑连续段。9-2单闭环转速负反馈有静差直流调速系统一、开环存在的问题：某一车床的拖动电动机的额定转速，要求，由开环系统决定的要求S≤0.1，问开环V-M系统能否满足要求？如不满足要求，怎么办？问题的提出解：要求：D=?而满足S≤0.1的D=?满足D、S的分析：因为，所以要引入负反馈。?△n=二、系统的组成及静特性

(1)原理框图

1、系统的组成(a)给定环节——产生控制信号：由高精度直流稳压电源和用于改变控制信号的电位器组成。(b)比较与放大环节——信号的比较与放大；由P、I、PI运放器组成(2)各环节介绍(d)速度检测环节：测速机反馈线路求出(反馈系数);单位(c)触发器和整流装置环节（组合体）--功率放大GT：单结晶体管、锯齿波、正弦波触发器;整流装置：单相、三相、半控、全控.

(e)直流电动机环节直流他励电动机的两个独立的电路：一个是电枢回路，另一个是励磁回路。

动态关系：

稳态关系：

（2）对负载波动等扰动信号的调节——稳速过程：

n基本不受负载波动等扰动输入的影响（1）对给定信号的调节——调速过程：改变,则n改变

例如：2、系统的自动调节过程3、闭环系统的机械特性(1)闭环系统机械特性的定性分析

(2)闭环系统的机械特性的定量分析

①系统结构图

②系统中各环节的稳态输入输出关系如下：

电压比较环节

放大器

晶闸管整流器及触发装置

V-M系统开环机械特性

转速检测环节

③单闭环转速负反馈调速系统的稳态结构图

由系统稳态结构图得到系统的静特性方程为为闭环系统的开环放大系数为闭环系统的理想空载转速为闭环系统的稳态速降。式中：三、闭环系统的静特性与开环系统机械特性的比较

1、开环系统的机械特性

断开转速反馈回路（令，则K=0）则得开环机械特性为：2、闭环系统的静特性：(1)闭环静特性比开环机械特性硬得多。在同样的负载下，两者的稳态速降分别为：关系是

(2)闭环系统的静差率比开环系统的静差率小得多。闭环系统和开环系统的静差率分别为当

时

比较后得出结论：如果电机的最高速都是nnom，且对最低速的静差率要求相同，

(4)闭环系统必须设置放大器。(3)当要求的静差率一定时，闭环系统的调速范围可大大提高。

闭环时

所以

则开环时闭环系统可以获得比开环系统硬得多的静特性，且闭环系统的开环放大系数越大，静特性就越硬，在保证一定静差率要求下其调速范围越大，但必须增设转速检测与反馈环节和放大器。

结论例9-1龙门刨床工作台采用Z2-93型直流电动机，VAr/min、kWRa=0.05ΩKs=30晶闸管整流器的内阻Rrec=0.13Ω要求D=20，s≤5%问若采用开环V-M系统能否满足要求？若采用α=0.015V·min/r转速负反馈闭环系统，问放大器的放大系数为多大时才能满足要求？问题解（1）设系统满足D=20，检验系统是否满足s≤5%？

（2）那么同时满足D=20，s≤5%的可见只要放大器的放大系数大于或等于46，转速负反馈闭环系统就能满足要求。(在上述闭环条件下，如何判断系统能否正常工作？)

（3）采用负反馈，则开环放大系数K为：得：课后作业：四、反馈控制规律改变给定，转速n随之变化。即被调量总是紧紧跟随给定信号变化的。2、被调量紧紧跟随给定量变化3、闭环系统对反馈环内

主通道上的一切扰动作用都能有效抑制1、采用比例放大器的反馈控制系统是有静差的只有当K=∞时→Δncl=0。而比例控制的K≠∞→Δncl≠0。闭环系统的稳态速降为改变给定，转速n随之变化。即被调量总是紧紧跟随给定信号变化的。2、被调量紧紧跟随给定量变化改变给定，转速n随之变化。即被调量总是紧紧跟随给定信号变化的。2、被调量紧紧跟随给定量变化扰动：当给定不变时，把引起被调量转速发生变化的所有因素称为扰动。

扰动因素：交流电源电压波动、电机励磁电流的变化、放大器放大系数的飘移、温度变化引起的主电路电阻的变化、负载变化等等，如下图所示。结论：反馈环内且作用在控制系统主通道上的各种扰动，通过反馈控制作用可减小它们对转速的影响。4、反馈控制系统对给定电源和检测装置的扰动是无法抑制的

当给定电源发生不应有的波动时，转速会随之变化。因此高精度的调速系统需要高精度的稳压电源。

反馈控制系统无法抑制由反馈检测环节本身误差引起的被调量的偏差。为此，高精度的系统还必须有高精度的反馈检测元件作保证。五、系统的稳态参数计算

例9-2直流调速系统如下图所示，根据给定的技术数据对系统进行静态参数计算。已知数据如下：4.测速发电机：永磁式直流测速发电机，Pnom=23.1W、Unom=110/V、Inom=0.21/A、nnom=1900/r/min。1.电动机：额定数据为Pnom=10kW、Unom=220V、Inom=55A、nnom=1000r/min，电枢电阻Ra=0.5Ω。2.晶闸管装置：三相全控桥式整流电路，变压器Y/Y接法，二次线电压U2l=230V，触发整流环节的放大系数Ks=44。3.V-M系统：主回路总电阻R=1.0/Ω。5.生产机械：要求调速范围D=10，静差率s≤5%。

解：1.为满足D=10，s≤5%，额定负载时调速系统的稳态速降应为2.根据Δncl，确定系统的开环放大系数K测速反馈系数α包含测速发电机的电势转速比Cetg和电位器RP2的分压系数α2，即根据测速发电机的数据，

本系统直流稳压电源为15V，最大转速给定为12V时，对应电动机的额定转速，即=12V时，n=1000r/min，测速发电机与电动机直接硬轴联接。

3.计算测速反馈环节的参数当系统处于稳态时，近似认为

电位器RP2的选择方法如下：当测速发电机输出最高电压，且其电流约为额定值的20%时，测速发电机电枢压降对检测信号的线性度影响较小。此时RP2所消耗的功率为

为了使电位器不过热，实选功率应为消耗功率的一倍以上，故选RP2为10W、1.5kΩ的可调电位器。

4、计算放大器的电压放大系数

实取ＫP＝20。

如果取放大器输入电阻Ｒ0＝20/kΩ，则Ｒ１＝ＫPＲ０＝20×20/kΩ＝400/kΩ。

六、限流保护—电流截止负反馈起动或堵转时：通过自动限流环节，使正常运行时：限制电枢电流的环节自动取消。

3.措施的实现

(一)为使,可采用电流负反馈。

1.问题的提出2.解决措施全压起动：会产生很大的冲击电流，对于M和KP不利。生产机械的堵转，电流很大。②限流原理

①系统原理图：

③结构图

从静特性方程知：正常运行时，电流负反馈的存在将使系统的静差大大增加。

④静特性方程

存在的问题：(二)为在正常运行时自动取消电流负反馈限流环节，可采用电流截止负反馈。

①带电流截止负反馈的调速系统原理图

图中电流反馈信号取自小电阻Rs两端，IdRs正比于电枢电流，设Idcr为临界截止电流，Ucom=IdcrRs为比较电压。

当IdRs>Ucom（即Id>Idcr）时，二极管导通，电流调节器的输入偏差电压为，系统静特性较软。

当IdRs≤Ucom（即Id≤Idcr）时，二极管截止，电流负反馈被切断，此时系统就是转速闭环调速系统，其静特性很硬。

调节Ucom的大小，即可改变临界截止电流Idcr的大小。其限流原理为：②系统的静态结构图根据电流截止负反馈的特性和结构图可推出系统的静特性方程：当IdRs≤Ucom时，电流截止负反馈不起作用。③系统的静特性方程：对应于图9-1的n0′-A段当IdRs>Ucom时，即电流截止负反馈起作用。图9-1对应于图9-1的A-B段两段相比有如下特性：

(1)>>n0，因为Ucom与作用一致，因而提高了。-A段因电流负反馈被截止而不存在。

(2)Δn′>>Δn，因为电流负反馈起作用时，相当于在主电路中串入一个大电阻KpKsRs，因此稳态速降极大，特性急剧下垂。这样的两段式静特性通常称为“挖土机特性”。

当系统堵转时，n=0，则

一般KpKsRs>>R，所以

电动机运行于n0-A段，希望有足够宽的运行范围。一般取Idcr≥1.2Inom，即

式中λ为电动机过载系数，一般为1.5~2。由上二式可得

上述关系可作为设计电流截止负反馈环节参数的依据。电流截止环节的其他电路：利用稳压管VST产生比较电压的原理见图（a）；采用封锁运算放大器的原理见图（b）

ab第三节其它反馈形式在调速系统中的应用

一、电压负反馈调速系统

实现转速负反馈须有测速发电机。从

可知：如果忽略电枢压降，则电动机的转速n近似正比于电枢两端电压。可采用电压负反馈代替转速负反馈，维持转速n基本不变。由图可见，反馈检测元件是起分压作用的电位器RP2。电压反馈信号Uu=γUd，γ为电压反馈系数。为了分析方便，把电枢总电阻分成两部分，即R=Rn+Ra，Rn为晶闸管整流装置的内阻（含平波电抗器电阻），Ra为电枢电阻。由此可得其稳态结构图如下图所示：电压负反馈调速系统的静特性方程式为

式中K=γKpKs由方程知，电压负反馈把反馈环包围的整流装置内阻引起的稳态速降减小到1/（1+K）。扰动量IdRa不包围在反馈环内，由它引起的稳态速降得不到抑制。为此引入电流正反馈，以补偿电枢电阻引起的稳态速降。二、电压负反馈带电流补偿的调速系统

二、电压负反馈带电流补偿的调速系统

二、电压负反馈带电流补偿的调速系统

二、电压负反馈带电流补偿的调速系统

二、电压负反馈带电流补偿的调速系统

二、电压负反馈带电流补偿的调速系统

二、电压负反馈带电流补偿的调速系统

原理图第四节转速负反馈无静差直流调速系统一、无静差调速系统的控制规律

1.积分调节器及其控制规律

积分时间常数PI调节器的比例放大系数为，积分时间常数为2、比例积分调节器及其控制规律

3.有差系统和无差系统控制规律的比较

无差系统的控制规律

要使系统无差，则要采用积分控制。考虑到快速性，工程上通常采用PI调节器。有差系统的控制规律二、带PI调节器的无静差直流调速系统

1、系统的组成框图系统采用转速负反馈和电流截止负反馈，速度调节器（ASR）为PI调节器。

2、无静差的实现

稳态时，PI调节器输入偏差电压ΔUn=0。当负载由TL1增至TL2时，转速下降，Un下降使偏差电压不为零，PI调节器进入调节过程。整流装置的交流侧电流与直流侧电流成正比。当电流大于截止电流时，则稳压管被击穿导通，负反馈电压Ui使晶体管VT导通，而使电流降低下来。

3、电流检测电路

电流截止反馈信号Ui也可以由交流侧的电流互感器测得，再经桥式整流后输出的直流信号。

第五节转速、电流双闭环调速系统

电流截止负反馈只能在整个启动过程中限制最大电流，而不能维持最大电流，影响启动快速性（即启动时间ts较长）。

一、问题的提出二、解决问题的措施——实现理想的启动1、理想启动过程理想启动波形如下图示，整个启动过程中，启动电流一直保持最大允许值，此时电动机以最大转矩启动，转速以直线规律上升；启动结束后，电流从最大值下降为负载电流值且保持不变，转速维持给定转速不变。（2）稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。2、实现理想启动过程的方法采用转速电流双闭环负反馈调速系统。（1）启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；三、转速电流双闭环调速系统的组成及工作原理转速、电流双闭环直流调速系统原理图。（一）系统的组成ASR输出限幅值为U*im，它决定了主回路中的最大允许电流Idm。1、设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。2、ACR和电流检测-反馈回路构成了电流环，电流环为内环（副环）；ASR和转速检测-反馈环节构成了转速环，转速环为外环（又称主环）。ASR和ACR均为PI调节器，其输入输出设有限幅电路。ACR输出限幅值为Uctm，它限制了晶闸管整流器输出电压Udm的最大值。（二）系统的工作原理双闭环调速系统的稳态结构图。

1、以ACR为核心的电流环——作用是稳定电流稳态时，ΔUi=-U*i+Ui=

-U*i+βId=0，即Id=U*i/β。其中β为电流反馈系数。当U*i一定时，由于电流负反馈的作用，使输出电流保持在U*i/β数值上。当Id>U*i/β时，调节过程如下：

最终保持电流稳定。当电流下降时，也有类似的调节过程。

2.以ASR为核心的转速环——作用是稳定转速。稳态时，ΔUn=U*n-αn=0，即n=U*n/α。其中α为转速反馈系数。当U*n一定时，转速n将稳定在U*n/α数值上。当n<U*n/α时，其自动调节过程如下：最终保持转速稳定。当转速上升时，也有类似的调节过程。双闭环系统的静特性具有近似理想的“挖土机特性”（见图中实线）四、双闭环调速系统的静特性及稳态参数计算1、双闭环调速系统的静特性

启动时，突加阶跃U*n，ASR饱和，输出限幅值U*im且不变，转速环相当于开环。电流负反馈起恒流调节作用，转速线性上升，获得极好的下垂特性，如图中的AB段虚线。当转速达到给定值且略有超调时，ASR退饱和，转速负反馈起调节作用，使转速保持恒定，即n=U*n/α保持不变。见图中n0-A段虚线。2、双闭环调速系统的稳态工作点和稳态参数计算

当ASR和ACR都不饱和且系统处于稳态时，各变量间的关系为转速反馈系数

电流反馈系数

其中U*nm和

U*im是最大转速给定电压及转速调节器的输出限幅电压。（二）双闭环调速系统的起动特性启动特性如图所示。动态响应分为三个阶段。

1、启动过程的第一阶段（电流上升）原因：启动时，最大，ASR的输出很快达到限幅值。此时，作为电流环的给定电压，其输出电流迅速上升，当时，开始上升，由于ACR的调节作用，很快使。标志电流上升过程结束。状态：ASR达到饱和状态，不再起调节作用。因，Ui比Un增长快，ACR不饱和，起主要调节作用。特征关系：为电流闭环的整定依据关键位置：A：

时，n开始升速；时，快速启动。

B:

2、启动过程的第二阶段（恒流升速）

原因：随着转速上升，电流将从Idm回落。但由于ACR的无静差调节作用，使，即电流保持最大值Idm。转速线性上升，接近理想的启动过程。状态：ASR保持饱和，ACR保持线性调节状态。

特征关系：

，Uct线性上升。

关键位置：C:

状态：ASR退出饱和，速度环开始调节，n跟随变化；ACR保持在不饱和状态，Id紧密跟随变化3、启动过程的第三阶段（转速趋于稳定）

原因：当转速上升到时，。但此时电枢电流仍保持最大值，电动机转速继续上升，从而出现了转速超调现象。当转速n大于时，，ASR退出饱和。经ASR的调节，最终使n保持在n*的数值上。而ACR调节使dLdII=特征关系：稳态时，调节器输入/输出电压：

关键位置：D：n为峰值；E：

稳态。

可以看出：ASR在电动机启动过程的第一阶段由不饱和到饱和、第二阶段处于饱和状态、第三阶段从退饱和到线性调节状态；而ACR始终处于线性调节状态。

五、双闭环调速系统中两个调节器的作用（一）ACR的作用：1、起电流调节作用。（1）启动时，在ASR的饱和作用下，经ACR调节，使电枢电流保持允许的最大值Idm，加快过渡过程，实现快速起动。（2）通过设置ASR的饱和限幅值，依靠ACR的调节作用，可限制最大电枢电流，2、当电网波动时，通过ACR的调节，使电网电压的波动几乎不对转速产生影响。3、在电机过载甚至堵转时，一方面限制过大的电流，起到快速保护作用；另一方面，使转速迅速下降，实现了“挖土机”特性。（二）转速调节器的作用：1、起转速调节作用。（1）使转速n跟随给定电压变化。（2）稳态运行时，稳定转速。使转速保持在的数值上，无静差。2、在负载变化（或各环节产生扰动）而使转速出现偏差时，靠ASR的调节作用来消除转速偏差，保持转速恒定。3、ASR的输出限幅值决定了系统允许的最大电流，作用于ACR，以获得较快的动态响应。六、双环调速系统动态性能的改进——转速微分负反馈双环系统有转速超调，且抗扰性能也有限制。在ASR上引入转速微分负反馈，可抑制超调、降低动态速降，提高抗扰性能。电路上增加了电容Cdn和电阻Rdn，在转速负反馈的基础上叠加上一个转速微分负反馈。只要有转速超调和动态速降的趋势，微分负反馈就开始进行调节。第六节直流脉宽调速系统一、PWM-M直流调速系统的控制电路PWM变换器是调速系统的主电路，是对已有的PWM波形的电压信号进行功放，并不改变信号的PWM波性质。而PWM电压波形的产生、分配则是PWM变换器控制电路的功能。为此，由GTR构成的脉宽调速系统还必须具备相应的控制电路。上图为双闭环脉宽调速控制系统的原理框图。其中属于脉宽调速系统特有的环节有脉宽调制器UPW、调制波发生器GM、逻辑延时环节DLD和电力晶体管的基极驱动器GD、瞬时动作的限流保护FA（一）锯齿波脉宽调制器（UPW-GM）脉宽调制器是一个电压-脉冲变换装置，由ACR的输出电压Uc控制，将输入的直流控制信号转换成与之成比例的方波脉冲电压