第七章 直流传动控制系统,根据直流电机转速方程,一、直流调速方法,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。,（1）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 U U n ， n0 调速特性： 转速下降，机械特性曲线平行下移。,（2）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 R n ，n0不变； 调速特性： 转速下降，机械特性曲线变软。,（3）调磁调速,工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a ； 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。,调磁调速特性曲线,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（即电机额定转速）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。,二、 调速系统主要性能指标,调速系统的调速技术指标,静态指标,动态指标,1. 静态技术指标,1） 静差率S：,静差率表示出生产机械运行时转速稳定的程度。,速度稳定性指标,当负载变化时，生产机械转速的变化要能维持在一定范围之内，即要求静差率S小于一定数值。,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。,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 。,3）D 、n和S的关系,3）D 、n和S的关系,2. 动态技术指标,从一种稳定速度n1变化到另一种稳定速度n2运转所经过的一段过渡过程，称为动态过程。,1）最大超调量,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,范围：,2）上升时间tr,4）振荡次数 N,3）过渡过程时间ts,第一次上升至稳态值的时间,例 有一生产机械要求调速范围D=5，静差率5，电动机额定数据为10KW，220V，55A，1000r/min，电枢回路总电阻R=1，Ce =0.1925 V/r/min，问开环系统能否满足要求？,解：要满足D，s 要求，在额定负载时允许的稳态速降为：,开环系统中，速度降为：,开环系统的速度降大大的超过了允许的转速降落,开环系统中，有：,开环调速系统的性能和存在的问题,若调速系统是开环调速系统，调节控制电压就可以改变电动机的转速。如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速。 但是，许多需要调速的生产机械常常对静差率有一定的要求，且要求一定的调速范围。在这些情况下，开环调速系统往往不能满足要求。,为了改善调速系统，采用反馈控制的闭环调速系统来解决这个问题。,闭环调速系统,根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。 调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转速降落。,7.1 单闭环直流传动控制系统,按结构的不同：,单闭环直流调速系统,双闭环直流调速系统,可逆系统,7.1.1 单闭环有静差调速系统,按静态误差的不同：,无静差直流调速系统,有静差直流调速系统,任务：,调节速度； 扩大调速范围，减小静态误差。,分类：,7.1.1 单闭环有静差调速系统,1. 有静差转速负反馈调速系统：系统的给定值与反馈值不相等，U=Usn-Ufn 0, 采用比例P调节器。,1) 基本组成,1) 基本组成,调节原理,在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机 TG ，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Ufn ，与给定电压 Usn 相比较后，得到转速偏差电压 U ，经过放大器 A，产生触发装置的控制电压Uc ，用以控制电动机转速 n。,稳态分析条件,（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）忽略直流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：,电压比较环节,放大器,电力电子变换器,调速系统开环机械特性,测速反馈环节,稳态关系（电动机转速与负载电流（或转矩）间的稳态关系）,稳态关系（续）,以上各关系式中 放大器的电压放大系数； 晶闸管变流器的电压放大系数； 转速反馈系数，（Vmin/r）； 晶闸管变流器的空载输出电压； Ke=Ce（电动势常数与磁通的乘积）,Kp,KV,Ud0,Kfn,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式,静特性方程,式中 闭环系统的开环放大系数K为： 是各环节单独的放大系数的乘积。,稳态结构图,n,c,结论：,由于放大倍数不可能为无穷大，即静态速降不可能为0，因此，上述系统只能维持速度基本不变。这种维持被调量（转速）近于恒值不变，但又具有偏差的反馈控制系统通常称为有差调节系统（即有差调速系统）。,采用转速负反馈调速系统能克服扰动作用（如负载的变化、电动机励磁的变化、晶闸管交流电源电压的变化等）对电动机转速的影响。,提高系统的开环放大倍数K是减小静态转速降落、扩大调速范围的有效措施。系统的放大倍数越大，准确度就越高，静差度就越小，调速范围就越大。但是放大倍数也不能过分增大，否则系统容易产生不稳定现象。,开环系统机械特性和闭环系统静特性的比较,比较开环系统的机械特性和闭环系统的静特性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。,（1）闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬得多。 两者的转速降落差（1+K）倍,（2）如果比较同一n0的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多。 当 n0op =n0cl 时,（3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。 如果电动机的最高转速都是nmax；而对最低速静差率的要求相同，那么： 开环时， 闭环时，,（4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。,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。 该系统是靠被调量的偏差的变化实现自动调节，故称为有静差调速系统。,转速控制的要求和调速指标 闭环控制调速系统,组成,静特性 方程,稳态 结构 框图,与开环 比较,内容小结,s,D,n,7.1.2 无静差转速负反馈调速系统（采用比例积分PI调节器实现）,1）比例积分（PI）调节器,比例调节器,其输入输出之间的关系如下：,积分调节器,其输入输出之间的关系如下：,比例积分调节器,3种调节器I/O特性曲线,PI调节器的输出电压由比例和积分两部分相加而成。,2） 采用PI调节器的无静差调速系统,3） 动态调节过程,比例控制有静差调速系统突加负载过程,积分控制无静差调速系统突加负载过程,转速、电流双闭环直流调速系统,问题的提出 采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。,解决思路,为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。 按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。,7.2 双闭环直流调速系统,1. 双闭环调速系统的组成,启动时电动机电压 启动结束时电压,Ia, n, Ud,Ud,n,(Iam-Ia)R,IamR,Ia,Iam,t,理想的启动波形,系统原理图,M,ACR,ASR,UK,-Usi,+Ufi,-Ufn,Un,BR,+Ugn,Ui,Ud0,Ia,L,TA,为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如下图。 1) 静态结构图,Kn,Kfi,Kfn,Ki,Kv,7.2.2 转速、电流双闭环调速系统的静特性,2）静特性方程,由于Kn和Ki很大。,3）系统静特性,双闭环直流调速系统的静特性如图所示.,7.2.3.转速、电流双闭环调速系统的动特性,1） 起动过程,由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。,第I阶段电流上升的阶段（0 t1）,突加给定电压 U*n 后，Id 上升，当 Id 小于负载电流 IdL 时，电机还不能转动。 当 Id IdL 后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值 U*im，强迫电流 Id 迅速上升。,第I阶段（续）,第 I 阶段（续）,直到，Id = Idm ， Ui = U*im 电流调节器很快就压制 Id 了的增长，标志着这一阶段的结束。 在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。,第 II 阶段恒流升速阶段（t1 t2）,在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流U*im 给定下的电流调节系统，基本上保持电流 Id 恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。,第 II 阶段（续）,第 II 阶段（续）,与此同时，电机的反电动势E 也按线性增长，对电流调节系统来说，E 是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动， Ud0和 Uc 也必须基本上按线性增长，才能保持 Id 恒定。 当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说， Id 应略低于 Idm。,第 II 阶段（续）,恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。 为了保证电流环的主要调节作用，在起动过程中 ACR是不应饱和的，电力电子装置 UPE 的最大输出电压也须留有余地，这些都是设计时必须注意的。,第 阶段转速调节阶段（ t2 以后）,当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值U*im ，所以电机仍在加速，使转速超调。 转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态， U*i 和 Id 很快下降。但是，只要 Id 仍大于负载电流 IdL ，转速就继续上升。,第 阶段（续）,第 阶段（续）,直到Id = IdL时，转矩Te= TL ，则dn/dt = 0，转速n才到达峰值（t = t3时）。,第 阶段（续）,此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在一小段时间内（ t3 t4 ）， Id IdL ，直到稳定，如果调节器参数整定得不够好，也会有一些振荡过程。,1. 转速调节器的作用,（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。 （2）对负载变化起抗扰作用。 （3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。,转速和电流两个调节器的作用,2. 电流调节器的作用,（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压变化。 （2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。 （3）在转速动态过程中，保证