运动控制系统（第二版）课件 2 单闭环直流调速系统

《运动控制系统》尚丽

电子信息工程学院1）掌握三种常用的直流电动机调速方法。2）掌握直流电动机的开环和闭环调速特性。3）了解转速负反馈、转速有静差和无静差调速的概念。4）掌握有静差和无静差单闭环直流调速系统的原理。5）掌握转速单闭环直流调速系统的稳态参数计算方法和静态特性。6）了解电流截止负反馈的概念。7）熟悉MATLAB软件，掌握MATLAB/Simulink仿真工具箱的使用方法。8）掌握转速单闭环直流调速系统的MATLAB仿真建模和分析方法。主要知识点与学习要求:第二章单闭环直流调速系统2.1相关概念

2.2有静差转速负反馈单闭环直流调速系统

2.3无静差转速负反馈单闭环直流调速系统2.4转速负反馈单闭环直流调速系统的MATLAB/Simulink仿真（有静差、无静差直流调速系统的仿真；有限流保护的有静差及无静差系统直流调速系统的仿真）

本章主要内容:2.1概述

2.1.1调速的概念

当负载确定时，通过改变电动机或供电电源参数的方法，使电动机械特性曲线得以改变，从而使电动机转速发生变化或保持不变。稳速（负载变化时，转速nd和na相等或接近)调速结果变速（负载一定时，转速由na变到nb或nc）2.1.2调速的方法机械特性方程：三种调速方法1.调节电枢电压U（调压调速）2.减弱励磁磁通3.改变电枢回路总电阻R（调阻调速）（调磁调速）在每一种调速方法中，只调整一个参数，其他参数维持其在固有特性额定点的数值不变。调压调速特点：机械特性是一组平行变化的曲线，即斜率为常数；转速降落不变；调速范围宽，机械特性硬，动态性能好。调阻调速特点：空载转速相同；R越大，转速降落越大，转速越低；调速范围较小，是有级调速，平滑性不高。调磁调速特点：磁通越弱，转速越大；额定转速为最低转速；最高转速受电机条件限制；调速范围小，一般和调压调速配合使用。2.1.3调速指标（1）调速范围D：（2）静差率s：：理想空载转速。调速范围和静差率指标并不是彼此孤立的，必须同时考虑才有意义。调速范围受低速特性的静差率制约。静差率s反映了电动机转速受负载变化的影响程度，它与机械特性有关。电动机的机械特性越硬（即转速降落越小），静差率越小，转速的稳定性就越好。理论上D越大越好；但弱磁调速时，最低转速即是额定转速；（3）调速范围和静差率的关系？例2-1某台他励直流电动机有关数据为PN=60kW,UN=220V,IN=305A,nN=1000r/min,电枢回路电阻Ra=0.04Ω，求下列各种情况下电动机的调速范围D。

(1)静差率s≤30%，电枢串电阻调速时；(2)

静差率s≤20%，降低电源电压调速时。（3）静差率s≤20%，电枢串电阻调速时。解

电动势系数Ce：理想空载转速n0：(1)静差率s=30%时，最小转速nmin1为

：则调速范围D1为：(2)静差率s≤20%，电枢串电阻调速时:最小转速nmin2为

：则调速范围D3为：(3)静差率s≤20%，降低电源电压调速时:额定转矩时的转速降落ΔnN：最低转速点所在机械特性的理想空载转速为：最小转速nmin3为

：例2-2一个直流电动机调速系统电动机的有关数据为：额定转速为nN=1430r/min，额定速降ΔnN=115r/min。求：（1）当静差率时，允许多大的调速范围？（2）如果要求静差率，则调速范围是多少？（3）如果希望调速范围达到，所能满足的静差率是多少？图2-2直流开环控制系统原理图

图2-3开环调速系统主电路的等效电路瞬时电压平衡方程:用触发脉冲的相位角a控制

是三相全控桥整流器的特点：m为交流电源一周内的整流电压脉波数。2.1.4开环直流调速系统及其特性电枢回路电感L较大时，电流连续。图2-4电流连续时波形电枢回路电感L较小时，电流断续。图2-5电流断续时波形2.1.4开环直流调速系统及其特性电流连续时系统机械特性:线性△n=IdR/CenIdILO图2-5电流连续时系统的机械特性（线性）常在主电路中串联较大平波电抗器或避免在轻载下运行，保证功率管电流连续。电流断续时系统机械特性:非线性,变流电路不存在换相。2.1.4开环直流调速系统及其特性2.2有静差转速负反馈单闭环直流调速系统开环特点：系统结构简单，成本低。在对静差率要求不高的场合，它也能实现一定范围内的无级调速。缺点：对静差率有一定的要求时，开环控制系统往往不能满足要求。开环调速系统中，输入电压信号（也称转速给定信号）记作，直流电动机是被控对象，直流电动机转速n为被调量。如和n之间通过测速环节联系在一起组成一个负反馈环节，则构成了转速单闭环调速系统。问题的提出单闭环调速系统的概念2.2.1单闭环直流调速系统的组成及其工作原理（1）主要环节：转速调节器ASR、三相集成脉冲触发器、三相全控桥（由全控电力电子器件构成）、动机主回路、测速环节等。（2）转速反馈量：（3）有静差概念：ASR为比例（P）放大器时:。

图2-6单闭环系统的组成调节原理根据自控原理中按偏差调节的闭环控制规律，RL增加，则n降低，反馈电压Un的值将减小，偏差ΔUn=U*n-Un将增大，控制电压Uct增大，全控桥输出直流电压Ud增大，则转速n将上升，最终又回到原来运行的转速上，维持转速稳定。2.2.2有静差单闭环直流调速系统的稳态特性（1）各典型输入输出环节为线性，即忽略非线性；（2）系统工作在电流连续段，即只取线性工作段；假设前提条件（3）忽略控制电源和电位器的内阻稳态关系：（1）电压比较环节ΔUn=U*n-Un

（2）比例放大器Uc=KpΔUn

（3）触发装置和全控器件Ud0=KsUc

（4）测速反馈环节Un=αn

（5）调速系统开环机械特性Kp为放大器的电压放大系数Ks为功率器件的电压放大系数稳态结构图图2-7有静差单闭环负反馈调速系统的稳态结构图静态特性为闭环系统的开环放大系数。为电动机环节的放大系数。Ce=E/n闭环调速系统的静特性表示闭环系统电机转速与负载电流（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”。开环系统机械特性与闭环系统静特性的关系

n0op为开环理想空载转速；Δnop为开环系统的静态速降。（1）开环机械特性（2）闭环静特性n0cl称为闭环理想空载转速；Δncl称为闭环稳态速降。（3）二者比较结果a)负载扰动相同时，闭环系统的机械特性比开环系统的机械特性硬。显然，K较大时，Δncl比Δnop小得多，即闭环系统的特性要硬得多。b)当理想空载转速n0相同时，闭环系统的静差率较小。在n0cl=n0op时，复习静差率和调速范围关系：静差率：开环时闭环时再考虑Δncl和Δnop的关系：(c)当静差率相同时，闭环系统的调速范围大大高于开环系统。(d)

闭环系统必须设置放大器，以确保放大倍数K足够大，以实现上述三项优点。闭环时开环时开环系统和闭环系统的调速范围的关系：若无放大装置或K不够大，则转速偏差很小，全控桥的控制电压Uc=KΔUn就非常小，电动机两端的电枢电压就非常低，使电动机不能工作。1）被调量有静差（比例放大器）只要调节器仅仅选用比例放大器，稳态速降就只能减小，不能消除。2）抵抗扰动，服从给定。

闭环控制系统能有效地抑制一切被负反馈环所包围的前向通道上的扰动作用，但对给定作用的变化则唯命是从，即服从给定。3）系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。有静差转速负反馈单闭环调速系统的基本特征常见的扰动源有以下几种：稳态参数计算（举例说明）例2-5

主电路采用晶闸管可控整流器供电的V-M系统。电动机的额定数据为10kW、220V、55A和1000r/min，电枢电阻Ra=0.5Ω；采用三相桥式可控整流电路，整流变压器为Y/Y连接，二次线电压U21=230V，电压放大系数Ks=44；系统电枢回路总电阻R=1.0Ω；测速发电机为永磁式，额定数据为23.1W、110V、0.21A和1900r/min；直流稳压电源电压为±15V。若生产机械要求调速范围D=10，静差率s≤5%，试计算系统的稳态参数(不考虑电动机的起动问题)。解

(1)为满足调速系统的稳态性能指标，计算额定负载的稳态转速降Δncl。

(2)计算闭环系统的开环放大倍数K。

电动势系数:开环系统的额定速降Δnop为:

则闭环系统的开环放大倍数K为：(3)计算转速负反馈环节的反馈系数α和电位器参数。

转速负反馈系数α包含测速发电机的电动势系数Cetg和其输出电位器Rp2的分压系数α2，即α=α2Cetg

又同时假设α2=0.2，则Un=α2Cetg×nN=0.2×0.0579×1000=11.58V

稳态时，ΔUn很小，U*n只要略大于Un即可。现在已知直流稳压电源为±15V，完全满足要求，所以α2取0.2是合理的。因此，转速负反馈系数设计为:电位器Rp2:

(4)计算放大器的放大系数Kp和电阻参数。

实际取Kp＝21。

运算放大器的参数选择:

取R0=40kΩ,则R1=KpR0=21×40=840kΩ。α=α2Cetg=0.2×0.0579=0.01158V·min/r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。闭环系统能降低稳态转速降(或静差率)的实质在于它的自动调节作用，即随着负载的变化相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路的电阻压降。2.2.3有静差单闭环直流调速系统的动态特性（1）可控电力电子器件的传递函数（2）直流电动机的传递函数（b）整流电压和电枢电流之间的结构框图（a）电力电子变换器的动态结构框图（c）电动机电动势和电流之间的动态结构框图系统的开环传递函数为：对(a)、（b）、（c）三个结构图一起考虑并进行简化，得到电动机的动态结构图。系统的闭环传递函数为：图2-8有静差单闭环负反馈调速系统的动态结构图

单闭环系统稳定判据赫尔维茨稳定判据：在系统参数Tm、Ts、Tl已定的情况下，为保证系统稳定，其开环放大系数不能太大，必须满足式(2-40)的条件。该公式的右边被称为闭环系统的临界放大系数Kcr，当K≥Kcr时，系统将不稳定。简言之，对于一个自动控制系统来说，稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证的。解：（1）由静态指标求闭环系统的开环放大倍数：比较计算结果，根据稳态性能指标计算的放大倍数

，而根据动态稳定条件计算的放大倍数显然，系统完全能在满足稳态性能指标的条件下稳定运行。2.2.4有限流保护的有静差转速负反馈单闭环直流调速系统问题的提出

加入限流保护环节——电流截止负反馈环节。主要为了解决两个常见问题：直流电机起动时电流过大、电机堵转。堵转概念：指转速为0转时，仍然输出扭矩的一种情况。简单地理解就是转子堵住不转动。堵转原因：人为的或者机械的。当电机有机械故障或者负载过大时都会产生堵转现象。如果堵转时间过长，电机就会被烧坏。限流保护环节——电流截止负反馈环节的稳态结构图Id：

电枢电流；RS：为电枢电阻（阻值较小）；Ucom：比较电压；Ui：电流反馈信号；临界截止电流Idcr定义：

IdRs=Ucom时，

Idcr=Ucom/Rs限流环节起作用时：

IdRs>Ucom比较环节的数学关系：Ui=IdRs-Ucom

有限流环节的有静差转速负反馈单闭环直流调速系统

（1）稳态结构图图2-10带电流截止负反馈环节的有静差转速负反馈单闭环直流调速系统（2）两段式静特性当电枢电流

时，电流截止负反馈环节被截止；反之，该环节起限流作用。静特性：闭环系统的开环增益：电流截止负反馈环节不起作用：电流截止负反馈环节起作用：两段式静特性：下垂特性或挖土机特性。（1）电流截止负反馈不起作用时相当于图中的CA段，显然是比较硬的；（2）电流负反馈起作用后，相当于图中的AB段。（3）DA段实际上是不起作用。D2.3无静差转速负反馈单闭环直流调速系统2.3.1系统组成有静差：转速调节器采用P控制器；转速接近但不等于给定转速。无静差：转速调节器采用I或者PI控制器；转速等于给定转速。有静差和无静差速系统的区别二者控制原理框图相同图2-11单闭环控制系统原理框图无静差系统稳态结构图图2-12无静差调速系统稳态结构图考虑PI调节器输出量的初始值不为零的情况，由带限幅作用的PI调节器构成的无静差调速系统原理图仍和有静差单闭环调速系统一样，只是转速调节器采用了带限幅作用的PI调节器。调速系统工作在稳态时，各个环节的稳态关系如下：电压比较器：PI调节器：触发装置和三相全控桥：测速反馈环节：电机电枢回路方程:稳态参数计算结论：调速系统的开环机械特性受PI调节器的输出Uct的影响较大；Uct要