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1、 Motion Control System南京理工大学自动化学院Nanjing University of Science & Technology Department of Automation第1篇 直流调速系统Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统运动控制系统运用最普遍：自动调速系统直流电动机是最古老的电动机也是控制性能最好的电动机第1篇 直流调速系统重要性及必要性Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统直流电动机的优点：具有极好的运行性能和控制特性 ，良好的起、制动性能，易于在广范围内平滑调速。应用：在轧钢机、矿井卷
2、扬机、挖掘机、海洋钻机、 金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控 电力拖动的领域中得到广范应用。长期以来直流调速 系统一直占据垄断地位。第1篇 直流调速系统引言Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统直流电机的工作原理和主要结构第1篇 直流调速系统1、直流电机的物理模型图解及基本结构Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统2、直流电机的工作原理：第1篇 直流调速系统Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统第1篇 直流调速系统Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速
3、系统将直流电动机的工作原理归结如下： 将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流流过。 电机内部有磁场存在。 载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力 f 的作用 f=Blia （左手定则） 所有导体产生的电磁力作用于转子，使转子以n(转/分)旋转。第1篇 直流调速系统Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统直流电动机的等效电路图M+_0dUdIRL+_EnLTeT第1篇 直流调速系统瞬时电压平衡方程式：Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统n0 nNTNTn n当 T 时-n 机械特性曲线图第1篇 直流调速系统机械特性：当U
4、d0不变时，转速随电磁转矩变化而变化的规律Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统 ：工作机械系统折算到电动机轴上的总转动惯量。 ：电动机的角速度：电动机提供的电磁转矩（动力转矩）：负载对运动力的反抗作用表现为负载转矩（阻力转矩）运动平衡方程：Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统系统加速系统减速系统恒速Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统 稳定运行的含义： （1）使系统以一定的速度匀速运转； （2）系统受到干扰转速稍有变化时，应保证干扰消 除后仍能以原来的转速运行。 要使系统稳定运行，必须使
5、电动机的电磁转矩和负载转矩大小相等，方向相反，相互平衡。即直流电动机稳定运行时的电压平衡方程：Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统机械特性：负载的机械特性（工作特性）：同一轴上负载转矩与转速之间的关系。电动机的机械特性：电动机的转速与电磁转矩的之间的关系。n0 nNTLTn n 斜率大，特性软 斜率小，特性硬Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统直流调速方法：根据直流电动机转速方程：n Ud0 Id R Ke式中 转速（r/min）； 电枢电压（V）； 电枢电流（A）； 电枢回路总电阻（）； 励磁磁通（Wb）； 由电机结构决
6、定的电动势常数； 电机在恒定磁通下的电动势转速比第1篇 直流调速系统CeMotion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统有三种方法可以调节电动机的转速：（1）调节电枢供电电压 Ud0 ；（2）减弱励磁磁通 ；（3）改变电枢回路电阻 R ；第1篇 直流调速系统Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统（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。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线第1篇 直流调速系
7、统Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统（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。OIILnn0 R aR 1R 2R 3nN n1 n2 n3调阻调速特性曲线第1篇 直流调速系统Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统（3）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
8、调压调速特性曲线第1篇 直流调速系统Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统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。第1篇 直流调速系统Motion Control System南京理工大学自动化学院Nanjing University of Science & Technology Department of Automati
9、on第1章速度闭环控制的调速系统Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统本本 章章 提提 要要v 速度闭环调速系统的组成及其静特性v 转速控制的要求和调速指标v无静差调速系统和比例、积分控制规律v 电压负反馈电流补偿控制的调速系统Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统1.1 速度闭环调速系统的组成及其静特性根据自动控制原理，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。1.1.
10、1 系统组成及其静特性Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统a)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 SF，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压 ，与给定电压 相比较后，得到转速偏差电压 ，经放大器FD放大后产生触发装置CF的控制电压 ，用以调节晶闸管的触发导通角，从而控制电动机的转速 。Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统KGAVT TRa)u 1u 2u VT u di dqw
11、tp2pwwwwt0tttu 2u gu du VT0b)c)d)e)00晶闸管原理Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统b) 稳态分析条件下面分析闭环调速系统的稳态特性，以确定它如何能够减少转速降落。为了突出主要矛盾，先作如下的假定：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；2）假定系统开环机械特性是连续的；2）忽略控制电源和电位器的内阻。Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统c) 稳态关系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
12、速反馈环节 Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统其中， 放大器电压放大倍数 触发器和晶闸管整流装置的电压放大倍数 测速反馈系数 理想空载整流电压的平均值 主回路总的等效电阻，包括整流装置内阻、电机电枢电阻和平波电抗器内阻Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统根据各环节的稳态关系式可以画出闭环系统的稳态结构图：KpKs 1/CeUgdUkUEnUd0Uf+- IdR-Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统d)静特性方程闭环系统电动机转速与负载电流的稳态关系，称为静特性。从前述五个关系式中消去中
13、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： 闭环系统的开环放大系数Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统式中，闭环系统的开环放大系数K 为：含义：相当于在测速反馈电位器输出端把反馈回路断开后，从放大器输入起直到测速反馈输出为止总的电压放大系数，是各环节单独的放大系数的乘积。电动机环节放大系数为：Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统注意：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。Moti
14、on Control System第1章 速度闭环控制的调速系统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。开环机械特性：在 恒定的情况下，电动机转速与负载电流的稳态关系。开环机械特性 闭环系统的静特性Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统1.1.1 反馈控制规律转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有以下三个基本特征，也就是反馈控制的基本规律，各种不另加其他调节器的基本反馈控制系统都服从于这些规律。 Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统1. 应用比例调节器的闭环系统是有静差的控
15、制系统从静特性分析中可以看出，由于采用了比例放大器，闭环系统的开环放大系数K 值越大，系统的稳态性能越好。然而，Kp =常数，稳态速差就只能减小，却不可能消除。只有 K = ，才能使 ncl = 0，而这是不可能的。因此，这样的调速系统叫做有静差调速系统。实际上，这种系统正是依靠被调量的偏差进行控制的。Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统反馈控制系统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。2.闭环系统绝对服从于给定输入Motion Control System第1章
16、速度闭环控制的调速系统图2 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/CeUgdUkUEnUd0Uf+ +-R 3. 闭环系统对于被包围在负反馈环内的一切主通道上的扰动作用都能有效地加以抑制Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统4. 对给定电源和反馈检测元件中的误差无力克服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。如果产生给定电压的电源发生波动，反馈控制系统无法鉴别是对给定电压的正常调节还是不应有的电压波动。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
