单闭环直流调速系统

第八章单闭环直流调速系统直流调速系统概述单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统实例分析8.1直流调速系统概述一、什么是调速电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需要根据工艺要求调节其转速。比如：在加工毛坯工件时，为了防止工件表面对生产刀具的磨损，因此加工时要求电机低速运行；而在对工件进行精加工时，为了要缩短加工时间，提高产品的成本效益，因此加工时要求电机高速运行。所以，我们就将调节电动机转速，以适应生产要求的过程就称之为调速；而用于完成这一功能的自动控制系统就被称为是调速系统。目前调速系统分交流和直流调速系统，由于直流调速系统的调速范围广，静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能。因此在相当长的时期内，高性能的调速系统几乎都采用了直流调速系统。但近年来，随着电子工业与技术的发展，高性的交流调速系统的应用范围逐扩大并大有取代直流调速系统发展趋势。但作为一个延用了近百年的调速系统，了解其基本的工作原理，并加深对自动控制原理的理解还是有必要的。二、调速控制系统的性能指标在前几章中我们学过，各种自动化生产机械或系统所提出的性能指标一般都可以分成稳态指标和动态指标。对于调速系统来说也不例外，只是它作为一个特定的系统，其稳态和动态指标有着具体而明确定义。稳态指标：主要是要求系统能在最高和最低转速内进行平滑调节，并且在不同转速下工作时能稳定运行，而在某一转速下稳定运行时，尽量少受负载变化及电源电压波动的影响。因此它的指标就是调速系统的调速范围和静差率。动态性能指标：主要是平稳性和抗干扰能力。调速范围生产机械在额定负载时要求电动机提供的最高转速nmax与最低转速nmin之比称为调速范围，用D表示。即：静差率（表征转速的稳定程度）调速系统在某一转速下稳定运行时，负载由理想空载增加到规定负载时，所对应的转速降落Δn与理想转速n0之比，用s表示。即：两者之间的关系是：他励直流电动机的转速公式：式中：U为他励电动的电枢电压I为电枢电流E为电枢电动势R为电枢回路的总电阻n为电机的转速

Φ为励磁磁通CE为由电机结构决定的电动势系数他励直流电机的调速方案（8-1）

由式（8-1）可以看出，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

Un，n0调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下移。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3调压调速特性曲线调阻调速工作条件：保持励磁=N；保持电压U=UN

；调节过程：增加电阻Ra

Rn，n0不变；调速特性：转速下降，机械特性曲线变软。（斜率较大，特性较软）nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3调阻调速特性曲线调磁调速工作条件：保持电压U=UN

；保持电阻R=Ra

；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。nn0OTeTL

N

1

2

3nNn1n2n3调压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（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。用晶闸管触发整流整流电路实现电枢电压可调，从而达到改变电机转速的目的。这就是所谓的电源—电动机调速系统（V—M）系统，它属于开环系统。而由已知条件并设系统电流连续，则其额定转速下的转速降为：例：某电源—电动机直流调速系统，已知电机的额定转速为n=1000r/min，额定电流IN=305A，主回路电阻R=0.18Ω，CeΦN=0.2，若要求电动机调速范围D=20，sn<5%，则该调速系统是否能满足要求？解：如果要满足D=20，Sn<5%的要求，则其在额定条件下的转速降为：由此例不难发现，象这样的电源——电动机所组成的开环调速系统，是没有能力完成其调速指标的。要把额定负载下的转速降从开环系统中的274.5降低到满足要求的2.63就必须采用负反馈，这也就构成了我们所谓的闭环直流调速系统——转速负反馈直流调速。而静差率为：

开环系统存在的问题

开环系统只适用用于对调速精度要求不高的场合，但许多需要无级调速的生产机械为了保证加工精度，常常对调速精度提出一定的要求，这时，开环调速已不能满足要求。解决思路：引入反馈控制思想（提出闭环的必要性）反馈的手段闭环系统的设计思路开环系统结构框图闭环系统结构框图8.2单闭环直流调速系统

（一）系统组成（二）闭环系统的静特性方程假定：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）忽略控制电源和电位器的内阻开环机械特性：开环机械特性曲线闭环静特性方程：转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下：

比较环节

放大器触发和整流装置

电机端电压方程测速反馈环节

电动机环节

从上述六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K为闭环系统的开环放大系数（增益）

闭环系统的稳态结构框图Ⅱ只考虑给定作用时的闭环系统只考虑扰动作用-IdR时的闭环系统U*nKpKs

1/CeUc∆UnnUd0Un+-+KpKs

1/Ce-IdRnUd0+-E利用叠加原理得注意

闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流（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”，以示区别。Id闭环静特性n开环机械特性0Id1Id3Id2Id4OABCA′DUd4Ud3Ud2Ud1闭环加载开环加载（三）开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系系统的开环机械特性为

而闭环时的静特性可写成

（1）闭环系统速降小,静特性硬

它们的关系是在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为（2）系统的静差率小,稳速精度高

开环和闭环系统的静差率分别为（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。则得（4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。

上述三项优点若要有效，都取决于一点，即K要足够大，因此必须设置放大器。如果电动机的最高转速都是，而对最低速静差率的要求相同，那么：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。

降低速降的实质是什么?转速单闭环调速系统结构图系统调节过程0闭环静特性开环机械特性0Id1Id3Id2Id4OABCA′DUd4Ud3Ud2Ud1n

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，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降。

闭环系统减小速降的物理意义在上例中，龙门刨床要求,D=20，s≤5%，已知Ks=30，=0.015V·min/r，Ce=0.2V·min/r,采用闭环系统,如何设计放大器以满足此要求？

例题思路:根据解在上例中已经求得Δnop=275r/min但为了满足调速要求，须有Δncl=2.63r/min根据可得即只要放大器的放大系数等于或大于46，闭环系统就能满足所需的稳态性指标。又根据（1）具有比例调节器的闭环系统是有静差有静差与无静差的概念因为闭环系统的稳态速降为

（四)单闭环调速系统基本性质（2）抵抗扰动,服从给定扰动—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量变化的因素都叫做“扰动作用”。只有K=，才能使ncl=0，无静差。而K≠,有静差调速系统。

扰动作用与影响闭环调速系统的给定作用和扰动作用

励磁变化Id变化电源波动Kp变化电阻变化检测误差KpKs

1/CeU*nUc∆UnEnUd0Un++--

R

UsUd0nUnUnUcUd0n

给定作用与众不同的是，在反馈环外的给定作用，图中的转速给定信号，它的细微变化都会使被调量随之变化，丝毫不受反馈作用的抑制。

因此，反馈控制系统对前向通道上的所有扰动都能起抑制作用。（3）系统的精度依赖于给定和反馈检测精度给定精度——由于给定决定系统输出，输出精度自然取决于给定精度。因此，高精度的调速系统必须有更高精度的给定稳压电源。检测精度——反馈检测装置的误差也是反馈控制系统无法克服的，因此检测精度决定了系统输出精度。检测装置好似我们的眼睛，测量的尺子

结论

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，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。电流截止负反馈问题的提出（一）：根据直流电动机电枢回路的平衡方程式可知，电枢电流Id为：当电机起动时，由于存在机械惯性，所以不可能立即转动起来，即n=0，则其反电动势E=0。这时起动电流为：它只与电枢电压Ud和电枢电阻Ra有关。由于电枢电阻很小，所以起动电流是很大的。为了避免起动时的电流冲击，在电压不可调的场合，可采用电枢串电阻起动，在电压可调的场合则采用降压起动——在调速系统中如何处理。另外，有些生产机械的电动机可能会遇到堵转情况。例如由于故障造成机械轴被卡住，或挖土机工作时遇到坚硬的石头等。在这此情况下，由于闭环系统的机械特性很硬，若没有限流环节的保护，电枢电流将远远超过允许值。可以通过一个电压比较环节，使电流负反馈环节只有在电流超过某个允许值(称为阈值)时才起作用，这就是电流截止负反馈。电流截止负反馈的作用电流截止负反馈环节的组成工作原理当Id较小,即IdRc≤Uo时，则二极管VD截止，电流截止负反馈不起作用。挖土机特性额定电流时堵转电流时的实际特性堵转电流时理想特性Idn当Id较大，即IdRc≥U0时，则二极管VD导通，电流截止负反馈起作用，ΔU减小，Ud下降，Id下降到允许最电流。带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统的框图Us（S）N（S）-+Kp+T(s),负载变化+电流载止-UfnUfi由于电流截止负反馈环节在正常工作状况下不起作用，所以系统框图上可以省去。在如图所示的调速系统中，已知负载变化为：求：负载变化所产生的转速降。若此时系统的给定量为：，此时系统的稳态输出nN。该系统是否能满足5%的静差率。Un（S）N（S）-+5+T(s),负载变化+G1G2G3解：由于负载变化量是扰动量，所以其扰动量的误差传递函数为：故系统拢动量的误差函数：当已知系统拢动量为：由终值定理可求得该系统在负载变化量T（s）作用下的稳态误差为：由于负载变化呈下降趋势，所以系统在负载作用下的工作转速下降了10r/min若此时系统的给定量：，则由系统闭环传递函数的概念，可得：故在给定作用下，系统的稳态输出转速可由终值定理求得：由静差率定义可得：由此可见该闭环系统是可以满足5%的静差率的稳态指标的。8.3单闭环直流调速系统实例分析KZD-Ⅱ型直流调速系统KZD-Ⅱ型直流调速系