03直流電機的調(diào)速3.ppt

1、第一節(jié) 概述,第四章 直流電動機調(diào)速系統(tǒng),優(yōu)點：直流電動機具有良好的起動、制動和調(diào)速特性，寬范圍內(nèi)無級調(diào)速 應(yīng)用場合：對電動機的調(diào)速性能要求較高的生產(chǎn)設(shè)備中,一、基本結(jié)構(gòu)： 定子：定子磁場由定子磁極產(chǎn)生。由產(chǎn)生磁場方式分為永磁式和他勵式。永磁式磁極由永磁材料制成，他勵式由沖壓硅鋼片疊壓而成，外繞線圈，通直流電產(chǎn)生磁場 轉(zhuǎn)子：又稱電樞，硅鋼片疊壓而成，通直流電時在磁場作用下產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩帶動負載旋轉(zhuǎn) 電刷與換向片：保持電磁轉(zhuǎn)矩恒定方向，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向不變。電刷與外加電源連接，換向片與電樞導(dǎo)體相連,(a) 轉(zhuǎn)子主體,(b) 電樞鋼片,C）直流電機的定子,二、永磁直流電機的工作原理,永磁直流電動機結(jié)構(gòu)圖

2、,通有直流電的電樞（轉(zhuǎn)子）在恒定磁場的作用下，受到電磁轉(zhuǎn)矩的驅(qū)使，帶動負載旋轉(zhuǎn)。 1、轉(zhuǎn)矩平衡方程式：,永磁電機中 、 是常數(shù)，又寫為 電磁轉(zhuǎn)矩、負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系：,動轉(zhuǎn)矩0，加速；動轉(zhuǎn)矩0，減速；動轉(zhuǎn)矩=0，恒轉(zhuǎn)速運行,動轉(zhuǎn)矩,2、直流伺服電動機的電壓平衡方程式,轉(zhuǎn)子在磁場中以轉(zhuǎn)速n切割磁力線時，電樞反電動勢E與轉(zhuǎn)速n之間存在如下關(guān)系,外加電壓為 ，直流電動機的電壓平衡方程式為,3、機械特性,表示的是轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系,第二節(jié) 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),一、調(diào)速定義 某一負載下，改變電機或電源參數(shù)來改變機械特性曲線，從而使電機轉(zhuǎn)速發(fā)生變化或保持不變 1、一定范圍內(nèi)“變速”，即電動機負載不變，轉(zhuǎn)速

3、在一定范圍內(nèi)變化 2、保持 “穩(wěn)速”。即保證電機的工作速度不受外界干擾的影響而下降，使速度接近或等于原來的轉(zhuǎn)速。,注意：調(diào)速與轉(zhuǎn)速自然變化的區(qū)別。 “轉(zhuǎn)速的自然變化”是指生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T 要相應(yīng)發(fā)生變化，電動機的轉(zhuǎn)速也將隨著發(fā)生變化。調(diào)速是通過人為手段改變電機參數(shù)而實現(xiàn)的轉(zhuǎn)速變化。,由機械特性可以看出，兩種方法可以調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速： （1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 Ud；,降壓調(diào)速： 降低電樞外加電壓的數(shù)值，使理想空載轉(zhuǎn)速n0下降，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下降。 得到的是一組平行變化的曲線。具 有調(diào)速范圍寬，機械特性硬，動態(tài) 性能好的優(yōu)點。連續(xù)改變Ud能夠 實現(xiàn)無級調(diào)速，是目前主要的調(diào)

4、速 方法之一,（2）改變電樞附加電阻 Ra。,2.電樞回路串電阻調(diào)速 電樞回路串入不同數(shù)值 附加電阻，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。外接電阻越大，電阻功耗越大，使機械特性斜率變大，負載轉(zhuǎn)速降變大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下降。 機械特性越軟，穩(wěn)定性越差，是有級調(diào)速,三、調(diào)速指標 （一）靜態(tài)調(diào)速指標 1、調(diào)速范圍 額定負載下，最高轉(zhuǎn)速 與最低轉(zhuǎn)速 之比稱為調(diào)速范圍，用D表示。 D= / 指額定負載時，電力拖動系統(tǒng)可能運行的最高轉(zhuǎn)速nmax與最低轉(zhuǎn)速nmin之比。其中nmax受直流電動機轉(zhuǎn)動部分機械強度與換向條件的限制， nmin受低轉(zhuǎn)速時相對穩(wěn)定性的限制。,不同的生產(chǎn)機械對調(diào)速范圍要求也不相同。例如： 車床：D= 20 120 ，

5、龍門刨床：D=10 40, 機床進給機構(gòu)：D=5 200；軌鋼機：D=3 120 ; 造紙機： D=3 20 等。對于一些經(jīng)常輕載運行的生產(chǎn)機械，例如精密機床等，可用實際負載時的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比計算調(diào)速范圍D。,2、調(diào)速的穩(wěn)定性 轉(zhuǎn)差率 nom-額定負載的轉(zhuǎn)矩 no-空載理想空載轉(zhuǎn)速,電動機的機械特性愈硬，則轉(zhuǎn)差率愈小，相對穩(wěn)定性愈高。 生產(chǎn)機械調(diào)速時，為保持一定的穩(wěn)定程度，要求靜差率S%小于某一允許值，不同的生產(chǎn)機械，其允許的靜差率是不同的。如：普通機床S30%; 起重類機械 S50%; ；精密機床 S1%;精度高的造紙機S0.1% 轉(zhuǎn)差率和機械特性的硬度有關(guān)系，但又有不同之處，兩條平

6、行的機械特性，硬度一樣，但轉(zhuǎn)差率不同。,二、動態(tài)調(diào)速指標,控制系統(tǒng)的時間響應(yīng)，從時間順序上，可以劃分為過渡過程和穩(wěn)態(tài)過程。過渡過程是指系統(tǒng)從初始狀態(tài)到接近最終狀態(tài)的響應(yīng)過程；穩(wěn)態(tài)過程是指時間趨于無窮時系統(tǒng)的輸出狀態(tài)。研究系統(tǒng)的時間響應(yīng)，必須對過渡過程和穩(wěn)態(tài)過程的特點和性能以及有關(guān)描述這兩個過程的指標進行探討。 通常以階躍響應(yīng)來衡量系統(tǒng)控制性能的優(yōu)劣和定義時域性能指標。系統(tǒng)的階躍響應(yīng)性能指標如下所述，,1、跟隨性能指標：在給定信號的作用下，系統(tǒng)輸出量的變化情況可用跟隨性能指標來描述。通常以輸出量的初始值為零，給定階躍信號變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程，這種情況下的動態(tài)響應(yīng)也稱階躍響應(yīng)。,2、

7、上升時間 ：指單位階躍響應(yīng)曲線c(t)，從穩(wěn)態(tài)值的10上升到90所需要的時間(也有指從零上升到穩(wěn)態(tài)值所需要的時間)； 3、 延遲時間td：指單位階躍響應(yīng)曲線c(t)上升到其穩(wěn)態(tài)值的50所需要的時間。,4、超調(diào)量 ；指在響應(yīng)過程中，超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量 與穩(wěn)態(tài)值之比即 反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，超調(diào)量越小，則相對穩(wěn)定性越好。,5、峰值時間tp：指單位階躍響應(yīng)曲線c(t)超過其穩(wěn)態(tài)值而達到第一個峰值所需要的時間。,6、調(diào)節(jié)時間ts：衡量整個調(diào)節(jié)過程的快慢。在單位階躍響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)值附近，取 5(有時也取 2)作為誤差帶，響應(yīng)曲線達到并不再超出該誤差帶的最小時間，稱為調(diào)節(jié)時間(或過渡過程時間)。調(diào)節(jié)時

8、間標志著過渡過程結(jié)束，系統(tǒng)的響應(yīng)進入穩(wěn)態(tài)過程。,7、穩(wěn)態(tài)誤差 ：當時間t趨于無窮時，系 統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的實際值(即穩(wěn)態(tài)值)與期望值之差，一般定義為穩(wěn)態(tài)誤差。即,上述性能指標中，延遲時間、上升時間和峰值時間均表示系統(tǒng)響應(yīng)初始段的快慢； 調(diào)節(jié)時間表示系統(tǒng)過渡過程持續(xù)的時間，是系統(tǒng)快速性的一個指標； 超調(diào)量反映系統(tǒng)響應(yīng)過程的平穩(wěn)性； 穩(wěn)態(tài)誤差則反映系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)輸入信號的最終(穩(wěn)態(tài))精度。,2 抗擾性能指標,一般是系統(tǒng)穩(wěn)定運行中，突加負載的階躍擾動F后的動態(tài)過程作為典型的抗擾過程，并定義抗擾指標：,1、動態(tài)降落Cmax% 系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，突加一定數(shù)值的擾動后引起轉(zhuǎn)速的最大降落Cmax%叫做動態(tài)降落，用輸出

9、量的原穩(wěn)態(tài)值C1的百分數(shù)表示。 系統(tǒng)達到新的穩(wěn)態(tài)降落C2 ， （C2-C1）為穩(wěn)態(tài)降落。一般動態(tài)降落大于穩(wěn)態(tài)降落。,2、恢復(fù)時間tf 從階躍擾動開始，到進入穩(wěn)態(tài)值的5%或2%的區(qū)域內(nèi)為止的時間,3、振蕩次數(shù) k 在恢復(fù)時間內(nèi)輸出量在穩(wěn)態(tài)值上下擺動的次數(shù)，代表系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗擾能力強弱,根據(jù)前面分析，調(diào)壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方法，而調(diào)節(jié)電樞電壓需要有專門向電動機供電的可控直流電源。,三、直流調(diào)速用可控直流電源的種類：,（1）旋轉(zhuǎn)變流機組。用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組， 以獲得可調(diào)的直流電壓。（2）靜止可控整流器。用靜止的可控整流器，如汞弧整流 器和晶閘管整流裝置，產(chǎn)生可調(diào)的 直流電壓。（

10、3）直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。用恒定直流電源或不 可控整流電源供電，利用直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生 可調(diào)的直流平均電壓。,第二節(jié) 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析,本節(jié)提要,開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 開環(huán)系統(tǒng)特性和閉環(huán)系統(tǒng)特性的關(guān)系 反饋控制規(guī)律 限流保護電流截止負反饋,0、開環(huán)控制系統(tǒng),工作原理：采用調(diào)壓調(diào)速的直流調(diào)速開環(huán)控制系統(tǒng)框圖。改變參考電壓的大小，改變控制角，從而改變晶閘管的整流輸出電壓 ，即電樞電壓，從而達到調(diào)速的目的。,調(diào)壓調(diào)速開環(huán)控制系統(tǒng)框圖,應(yīng)用場合：開環(huán)系統(tǒng)只適用用于對調(diào)速精度要求不 高的場合,開環(huán)系統(tǒng)的 缺點： 控制電壓與輸出轉(zhuǎn)速之間

11、只有順向作用而無反向聯(lián)系，即控制是單方向進行的，輸出轉(zhuǎn)速并不影響控制電壓，控制電壓直接由給定電壓產(chǎn)生。,龍門刨床： 刀具切入工件和退出工件時為避免刀具和工件碰壞，有調(diào)節(jié)速度的要求； 由于毛坯表面不平，加工時負載常有波動，為了保證加工精度和表面光潔度，不允許有較大的速率變化。,某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機，其額定數(shù)據(jù)如下：60kW，220V，305A，1000r/min，采用V-M系統(tǒng)，主電路總電阻R=0.18 ,電動機電動勢系數(shù)Ce=0.2Vmin/r。如果要求調(diào)速范圍 D = 20，靜差率s 5%， 采用開環(huán)調(diào)速能否滿足？ 若要滿足這個要求，系統(tǒng)的額定速降 最多能有多少？,實例：,解題

12、思路:,先求出速度降落,再根據(jù),求在最高轉(zhuǎn)速時的靜差率s,解 當電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的額定速降為 開環(huán)系統(tǒng)機械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時的靜差率為 這已大大超過了5%的要求，更不必談?wù){(diào)到最低速。 如果要求D = 20，s 5%,開環(huán)調(diào)速已不能滿足要求，原因所在：,二、開環(huán)系統(tǒng)存在的問題,開環(huán)系統(tǒng)只適用用于對調(diào)速精度要求不高的場合，但許多需要無級調(diào)速的生產(chǎn)機械為了保證加工精度，常常對調(diào)速精度提出一定的要求，這時，開環(huán)調(diào)速已不能滿足要求。 解決思路： 引入反饋控制思想（提出閉環(huán)的必要性） 反饋的手段,為了克服開環(huán)系統(tǒng)的缺點，必須采用帶有負反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。在閉環(huán)系統(tǒng)中，把系統(tǒng)的輸出量通過檢測裝置（傳感

13、器）引向系統(tǒng)的輸入端，與系統(tǒng)的輸入量進行比較，從而得到偏差信號。利用此偏差信號通過控制器（調(diào)節(jié)器）產(chǎn)生控制作用，自動糾正偏差。因此，閉環(huán)控制系統(tǒng)具有提高系統(tǒng)抗擾性，改善控制精度的性能，廣泛用于各類自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中。,開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在的問題 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)提出的必要性 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 反饋控制規(guī)律,本次課主要解決的問題,閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計思路,開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,（一） 系統(tǒng)組成,三、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性,（ 二）閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性方程,假定： 1）忽略各種非線性因素，假定系統(tǒng)中各環(huán) 節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性的，或者只 取其線性工作段。 2）忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻

14、,開環(huán)機械特性：,閉環(huán)靜特性方程：,轉(zhuǎn)速負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：,比較環(huán)節(jié),放大器,觸發(fā)和整流裝置,電機端電壓方程,測速反饋環(huán)節(jié),電動機環(huán)節(jié),從上述六個關(guān)系式中消去中間變量，整理后，即得轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式,靜特性方程,式中K為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)（增益）,閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖,只考慮給定作用 時的閉環(huán)系統(tǒng),只考慮擾動作用-IdR時的閉環(huán)系統(tǒng),利用疊加原理得,注意 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)速與負載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，它在形式上與開環(huán)機械特性相似，但本質(zhì)上卻有很大不同，故定名為“靜特性”，以示區(qū)別。,Id,閉環(huán)靜特性,n,開環(huán)機械

15、特性,四、開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系,系統(tǒng)的開環(huán)機械特性為,而閉環(huán)時的靜特性可寫成,（1）閉環(huán)系統(tǒng)速降小,靜特性硬,它們的關(guān)系是,在同樣的負載擾動下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為,（2）系統(tǒng)的靜差率小,穩(wěn)速精度高,開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為,（3）當要求的靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。,則得,（4）要取得上述三項優(yōu)勢，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。 上述三項優(yōu)點若要有效，都取決于一點，即 K 要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。,如果電動機的最高轉(zhuǎn)速都是 ，而對最低速靜差率的要求相同，那么：,結(jié)論： 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠

16、提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價是，須增設(shè)電壓放大器以及檢測與反饋裝置。,降低速降的實質(zhì)是什么?,轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程,0,開環(huán)機械特性,n,閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實質(zhì)在于它的自動調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負載的變化而相應(yīng)地改變電樞電壓，以補償電樞回路電阻壓降。,閉環(huán)系統(tǒng)減小速降的物理意義,在上例中，龍門刨床要求, D = 20，s 5%， 已知 Ks = 30， = 0.015Vmin/r， Ce = 0.2Vmin/r,采用閉環(huán)系統(tǒng),如何設(shè)計放大器以滿足此要求？,例題,思路:根據(jù),解 在上例中已經(jīng)求得 nop = 275 r/min 但為了滿足調(diào)速要求， 須有ncl =

17、2.63 r/min 根據(jù) 可得,即只要放大器的放大系數(shù)等于或大于46，閉環(huán)系統(tǒng)就能滿足所需的穩(wěn)態(tài)性指標。,又根據(jù),（1）具有比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)是有靜差,有靜差與無靜差的概念 因為閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為,五、單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)基本性質(zhì),（2）抵抗擾動, 服從給定,擾動除給定信號外，作用在控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)上的一切會引起輸出量變化的因素都叫做“擾動作用”。,只有 K = ，才能使 ncl = 0，無靜差。 而K ,有靜差調(diào)速系統(tǒng)。,擾動作用與影響,閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用,Us Ud0 n Un Un Uc Ud0 n,給定作用,與眾不同的是，在反饋環(huán)外的給定作用，圖中的轉(zhuǎn)速給定信號，它的細微變

18、化都會使被調(diào)量隨之變化，絲毫不受反饋作用的抑制。,因此，反饋控制系統(tǒng)對前向通道上的所有擾動都能起抑制作用。,（3）系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測精度,給定精度由于給定決定系統(tǒng)輸出，輸出精度自然取決于給定精度。 因此，高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須有更高精度的給定穩(wěn)壓電源。 檢測精度反饋檢測裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無法克服的，因此檢測精度決定了系統(tǒng)輸出精度。 檢測裝置好似我們的眼睛，測量的尺子,結(jié)論,反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是： 一方面能夠有效地抑制一切被包在負反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，對給定信號的任何變化都是唯命是從的。,開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在的問題 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)提出的必要性

19、 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 反饋控制規(guī)律,本節(jié)課主要解決的問題 你是否掌握,五 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的限流保護電流截止負反饋,問題的提出 起動的沖擊電流直流電動機全電壓起動時，如果沒有限流措施，會產(chǎn)生很大的沖擊電流，這不僅對電機換向不利，對過載能力低的電力電子器件來說，更是不能允許的。,閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定起動的沖擊電流采用轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓時，由于慣性，轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來，反饋電壓仍為零，相當于偏差電壓，差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的 1+K 倍。這時，由于放大器和變換器的慣性都很小，電樞電壓一下子就達到它的最高值，對電動機來說，相當于全壓起動，當然是不允許的。,堵轉(zhuǎn)電流有些

20、生產(chǎn)機械的電動機可能會遇到堵轉(zhuǎn)的情況。例如，由于故障，機械軸被卡住，或挖土機運行時碰到堅硬的石塊等等。由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬，若無限流環(huán)節(jié)，硬干下去，電流將遠遠超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護，一過載就跳閘，也會給正常工作帶來不便。,電樞串電阻起動 引入電流截止負反饋 加積分給定環(huán)節(jié),解決辦法,電流負反饋作用機理,為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動和堵轉(zhuǎn)時電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。 根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個物理量的負反饋。那么，引入電流負反饋，應(yīng)該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。,（1）電樞回路串檢測電阻。 （2）

21、電樞回路接直流互感器。 （3）交流電路接交流互感器。 （4）采用霍爾傳感器。,電流檢測與反饋電路,電流負反饋引入方法,僅采用電流負反饋，不要轉(zhuǎn)速負反饋的系統(tǒng)的靜特性如圖中B 線，特性很陡。顯然僅對起動有利，對穩(wěn)態(tài)運行不利。實際的系統(tǒng)既要采用轉(zhuǎn)速負反饋又要采用電流負反饋。,Idbl,n0,A轉(zhuǎn)速負反饋特性,B電流負反饋特性,調(diào)速系統(tǒng)靜特性,轉(zhuǎn)速和電流負反饋系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖,U*n,Uc,Un,Id,E,n,Ud0,Un,+,+,-,-,-,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖,Ui,靜特性方程,與轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)特性方程相比，上式多了一項由電流反饋引起的轉(zhuǎn)速降落。,穩(wěn)態(tài)特性,Idbl,0,n0,A轉(zhuǎn)速負反饋特性

22、,B電流負反饋特性,C轉(zhuǎn)速電流負反饋特性,采用轉(zhuǎn)速電流調(diào)速系統(tǒng)靜特性,Id,n0,電流截止負反饋,考慮到，限流作用只需在起動和堵轉(zhuǎn)時起作用，正常運行時應(yīng)讓電流自由地隨著負載增減。 如果采用某種方法，當電流大到一定程度時才接入電流負反饋以限制電流，而電流正常時僅有轉(zhuǎn)速負反饋起作用控制轉(zhuǎn)速。這種方法叫做電流截止負反饋，簡稱截流反饋。,利用獨立直流電源作比較電壓,M,+,+,-,-,Ud,Id,Rc,VD,Ui,Ucom,接放大器,利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓,Ubr,M,+,-,Ud,Id,Rc,VS,Ui,接放大器,電流截止負反饋環(huán)節(jié)實例,封鎖運算放大器的電流截止負反饋環(huán)節(jié),帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)

23、速系統(tǒng),電流反饋信號來自交流電流檢測裝置，與主電路電流Id成正比,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,O,Ui,Id Rc - Ucom,電流截止負反饋環(huán)節(jié) 的I/O特性,帶電流截止負反饋的 閉環(huán)直流調(diào)速穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖,n,U*n,Uc,Ui,Id,E,Ud0,Un,+,+,-,-,-,Ucom,Id Rs - Ucom,-,+,+,靜特性方程與特性曲線,由上圖可寫出該系統(tǒng)兩段靜特性的方程式。 當 Id Idcr 時，電流負反饋被截止，靜特性和只有轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性式相同，現(xiàn)重寫于下 當 Id Idcr時，引入了電流負反饋，靜特性變成,Idbl,Idcr,n0,Id,O,n0,A,B,帶電流截止負反饋單閉環(huán)

24、調(diào)速系統(tǒng)的靜特性,D,C,靜特性的兩個特點,（1）電流負反饋的作用相當于在主電路中串入一個大電阻 Kp Ks Rs ，因而穩(wěn)態(tài)速降極大，特性急劇下垂。 （2）比較電壓 Ucom 與給定電壓 Un* 的作用一致，好象把理想空載轉(zhuǎn)速提高到,這樣的兩段式靜特性常稱作下垂特性或挖土機特性。當挖土機遇到堅硬的石塊而過載時，電動機停下，電流也不過是堵轉(zhuǎn)電流，在靜特性方程式中，令 n = 0，得 一般 Kp Ks Rs R，因此,電流截止負反饋環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計,Idbl應(yīng)小于電機允許的最大電流，一般取 Idbl =（1.52） IN 從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上看，希望穩(wěn)態(tài)運行范圍足夠大，截止電流應(yīng)大于電機的額定電流

25、，一般取 Idcr （1.11.2）IN,第三節(jié) 反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的 動態(tài)分析及穩(wěn)定性分析,1、額定勵磁下直流他勵電動機的數(shù)學(xué)模型及動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 電樞回路傳函 電樞回路電壓平衡方程為,一 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型,進行拉氏變換得,電動機傳動系統(tǒng)傳函 電動機傳動系統(tǒng)運動方程式為,對上式兩端取拉氏變換得,Id(s),IL(s),E(s),n(s),Ud0(s),-,-,將上面兩環(huán)節(jié)輸入輸出量連接起來。并考慮,即可得到額定勵磁下他勵直流電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)圖,干擾量 的綜合點前移，化簡得,IL(s),n(s),Ud0(s),-,2、觸發(fā)器和晶閘管整流裝置數(shù)學(xué)模型及動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通后，在尚未關(guān)斷

26、之前，改變控制電壓Uct的值，但整流電壓的瞬時波形和 角并不能立即跟隨Uct的變化，通常把這個滯后時間稱作整流裝置的失控時間，用Ts來表示。,u,2,u,d,Uc,t,t,a1,0,Uc1,Uc2,a1,t,t,0,0,0,a2,a2,Ud01,Ud02,TS,O,O,O,O,晶閘管觸發(fā)與整流失控時間分析,晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時間,晶閘管觸發(fā)器和整流裝置輸入輸出關(guān)系為,兩端進行拉氏變換得,晶閘管觸發(fā)器和整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)圖為,Uct,Ud0,3、比例放大器傳函（輸出響應(yīng)可認為是瞬時變化的）,4、測速發(fā)電機傳函（輸出響應(yīng)可認為是瞬時變化的）,將上述四個環(huán)節(jié)按系統(tǒng)中的相互關(guān)系連接在一起，便得到

27、單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。,單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖,令 得閉環(huán)系統(tǒng)傳函為：,二 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定性分析,系統(tǒng)閉環(huán)傳函特征方程為,由勞斯判據(jù)，得系統(tǒng)的穩(wěn)定條件為,上式表明：在系統(tǒng)參數(shù)Tm、TL、Ts確定的前提下，從動態(tài)穩(wěn)定性考慮，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K必須滿足上式，K超過此值，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。按靜態(tài)調(diào)速指標確定的K值還必須按動態(tài)穩(wěn)定性進行驗算。當二者發(fā)生矛盾時，還要采取動態(tài)校正措施加以改造。,第四節(jié) 比例積分控制規(guī)律和無靜差調(diào)速系統(tǒng),前節(jié)主要討論，采用比例（P）放大器控制的直流調(diào)速系統(tǒng)，可使系統(tǒng)穩(wěn)定，并有一定的穩(wěn)定裕度，同時還能滿足一定的穩(wěn)態(tài)精度指標。但是，帶比例放大器的反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是

28、有靜差的調(diào)速系統(tǒng)。 本節(jié)將討論，采用積分（I）調(diào)節(jié)器或比例積分（PI）調(diào)節(jié)器代替比例放大器，構(gòu)成無靜差調(diào)速系統(tǒng)。,本節(jié)提要,問題的提出 積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律 比例積分控制規(guī)律 無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)及其穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算,問題的提出,如前，采用P放大器控制的有靜差的調(diào)速系統(tǒng)，Kp 越大，系統(tǒng)精度越高；但 Kp 過大，將降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，使系統(tǒng)動態(tài)不穩(wěn)定。 進一步分析靜差產(chǎn)生的原因，由于采用比例調(diào)節(jié)器， 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出為 Uc = Kp Un Uc 0，電動機運行，即Un 0 ； Uc = 0，電動機停止。,因此，在采用比例調(diào)節(jié)器控制的自動系統(tǒng)中，輸入偏差是維系系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)，必然要產(chǎn)生靜差，因此是有

29、靜差系統(tǒng)。 如果要消除系統(tǒng)誤差，必須尋找其他控制方法，比如：采用積分（Integration）調(diào)節(jié)器或比例積分（PI）調(diào)節(jié)器來代替比例放大器。,一 積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律,1. 積分調(diào)節(jié)器 如圖，由運算放大器可構(gòu)成一個積分電路。根據(jù)電路分析，其電路方程,+,+,C,Uex,Rbal,Uin,R0,+,A,圖1-43 積分調(diào)節(jié)器 a) 原理圖,i,i,方程兩邊取積分，得,(1-32),式中 積分時間常數(shù)。 當初始值為零時，在階躍輸入作用下，對式（1-32）進行積分運算，得積分調(diào)節(jié)器的輸出,(1-33),Uex,Uin,Uexm,t,Uin,Uex,O,b) 階躍輸入時的輸出特性,(),L/dB

30、,O,L(),-20dB,1/,O,-/2,c) Bode圖,積分調(diào)節(jié)器,2. 積分調(diào)節(jié)器的特性,3. 積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù),積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為,(1-34),4. 轉(zhuǎn)速的積分控制規(guī)律,如果采用積分調(diào)節(jié)器，則控制電壓Uc是轉(zhuǎn)速偏差電壓Un的積分，應(yīng)有 如果是Un 階躍函數(shù)，則 Uc 按線性規(guī)律增長，每一時刻 Uc 的大小和 Un 與橫軸所包圍的面積成正比，如下圖 a 所示。,積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動態(tài)過程 a) 階躍輸入 b) 一般輸入,輸入和輸出動態(tài)過程,圖b 繪出的 Un 是負載變化時的偏差電壓波形，按照Un與橫軸所包圍面積的正比關(guān)系，可得相應(yīng)的Uc 曲線，圖中Un 的最大值對應(yīng)于Uc

31、 的拐點。 若初值不是零，還應(yīng)加上初始電壓Uc0 ，則積分式變成,由上圖 b 可見，在動態(tài)過程中，當 Un 變化時，只要其極性不變，即只要仍是 Un* Un ，積分調(diào)節(jié)器的輸出 Uc 便一直增長；只有達到 Un* = Un ， Un = 0時，Uc 才停止上升；不到 Un 變負，Uc 不會下降。在這里，值得特別強調(diào)的是，當 Un = 0時，Uc并不是零，而是一個終值 Ucf ；如果 Un 不再變化，此終值便保持恒定不變，這是積分控制的特點。,積分器的三個重要特性,1）延緩性 積分調(diào)節(jié)器輸入階躍信號時，輸出按積分線性增長。 2）積累性 只要積分調(diào)節(jié)器輸入信號存在，不論信號大小如何變化，積分的積累

32、作用就持續(xù)下去，只不過輸出值上升速率不同而已。 3）記憶性 在積分過程中，如果輸入信號變?yōu)榱?，輸出電壓能保持在輸入信號改變前的瞬時值，該電壓值就是充電電容C兩端的電壓值，若要使輸出值下降，必須改變輸入信號的極性，其變化過程如圖所示。,分析結(jié)果 采用積分調(diào)節(jié)器，當轉(zhuǎn)速在穩(wěn)態(tài)時達到與給定轉(zhuǎn)速一致，系統(tǒng)仍有控制信號，保持系統(tǒng)穩(wěn)定運行，實現(xiàn)無靜差調(diào)速。,5. 比例與積分控制的比較,有靜差調(diào)速系統(tǒng) 當負載轉(zhuǎn)矩由TL1突增到TL2時，有靜差調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速n、偏差電壓 Un 和控制電壓 Uc 的變化過程示于下圖。,突加負載時 的動態(tài)過程,無靜差調(diào)速系統(tǒng),當負載突增時，積分控制的無靜差調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)過程曲線示于

33、下圖。在穩(wěn)態(tài)運行時，轉(zhuǎn)速偏差電壓 Un 必為零。如果 Un 不為零，則 Uc 繼續(xù)變化，就不是穩(wěn)態(tài)了。在突加負載引起動態(tài)速降時產(chǎn)生Un，達到新的穩(wěn)態(tài)時，Un 又恢復(fù)為零，但 Uc 已從 Uc1 上升到 Uc2 ，使電樞電壓由 Ud1 上升到 Ud2，以克服負載電流增加的壓降。 在這里，Uc 的改變并非僅僅依靠 Un 本身，而是依靠 Un 在一段時間內(nèi)的積累。,積分控制無靜差調(diào)速系統(tǒng) 突加負載時的動態(tài)過程,雖然現(xiàn)在Un = 0，只要歷史上有過 Un ，其積分就有一定數(shù)值，足以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)運行所需要的控制電壓 Uc。積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的根本區(qū)別就在于此。,將以上的分析歸納起來，可得下述論斷：

34、比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀；而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。,二 比例積分控制規(guī)律,上一小節(jié)從無靜差的角度突出地表明了積分控制優(yōu)于比例控制的地方，但是另一方面，在控制的快速性上，積分控制卻又不如比例控制。 如圖所示，在同樣的階躍輸入作用之下，比例調(diào)節(jié)器的輸出可以立即響應(yīng)，而積分調(diào)節(jié)器的輸出卻只能逐漸地變。,兩種調(diào)節(jié)器特性比較,a) I調(diào)節(jié)器,兩種調(diào)節(jié)器I/O特性曲線,那么，如果既要穩(wěn)態(tài)精度高，又要動態(tài)響應(yīng)快，該怎么辦呢？只要把比例和積分兩種控制結(jié)合起來就行了，這便是比例積分控制。,（一） PI調(diào)節(jié)器,在模擬電子控制技術(shù)中，可用運算放大器來實現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器，其線路如圖所示。,Uex,比例積分（PI）調(diào)節(jié)器,i0,i1,PI輸入輸出關(guān)系,按照運算放大器的輸入輸出關(guān)系，可得,PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù),當初始條件為零時，取上式兩側(cè)的拉氏變換，移項后，得PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。,PI調(diào)節(jié)器輸出時間特性,Uex,Uin,Uexm,t,Uin,Uex,O,KpiUin,O,t,O