电力拖动运动控制系统 教学课件 ppt 作者 丁学文 第2章

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1、第二章 直流电动机调速系统,目录 2.0 概述 2.1 调速系统的性能指标 2.2 直流调速系统的组成及其数学模型 2.3 开环直流调速系统 2.4 转速单反馈闭环直流调速系统 2.5 闭环控制系统的工程设计方法 2.6 转速单反馈闭环直流调速系统的动态设计 2.7 转速、电流双闭环直流调速系统的原理和 静态设计 2.8 双闭环直流调速系统的动态设计 2.9 转速电流双闭环直流调速系统的抗扰特性 2.10 可逆直流调速系统,直流调速系统的特点和地位 直流电动机具有线性的静态和动态数学模型, 使得便于控制。 理论分析和工程设计方法成熟。 尽管面临高性能交流调速技术的挑战，仍然在电力拖动领域具有重

2、要的地位。 从控制系统设计的角度讲，直流调速系统是交流调速系统的基础。 因此应该首先掌握直流调速系统。,2.0 概述 1/2,2.0 概述 2/2,由稳态转速方程式 有三种转速控制方式： 控制电枢电压Ud调速-本章只讲述这种方式 Ud是直流电动机的一个控制参数，可连续实时调节。 Ud和n呈线性关系，通过控制Ud进行调速的系统是一个线性系统。 控制(减弱)励磁磁通调速 与励磁电流If成正比，也是直流电动机的一个控制参数，可连续实时调节。 和n不是线性关系，通过控制进行调速的系统不是一个线性系统。 通过控制励磁调速也称为弱磁调速或弱磁升速。 改变电枢回路电阻R调速 R是直流电动机的一个结构参数，一

3、般无法实时连续调节。,目录 2.0 概述 2.1 调速系统的性能指标 2.2 直流调速系统的组成及其数学模型 2.3 开环直流调速系统 2.4 转速单反馈闭环直流调速系统 2.5 闭环控制系统的工程设计方法 2.6 转速单反馈闭环直流调速系统的动态设计 2.7 转速、电流双闭环直流调速系统的原理和 静态设计 2.8 双闭环直流调速系统的动态设计 2.9 转速电流双闭环直流调速系统的抗扰特性 2.10 可逆直流调速系统,2.1 调速系统的性能指标 1/8,衡量调速系统的性能优劣,有稳态指标、动态指标和抗扰性指标. 2.1.1 稳态指标 静差率s 额定转速降DnN与理想空载转速的比值称为转差率。在

4、静态时即为静态转差率,简称静差率,亦用s表示。 习惯上我们把机械特性下倾的斜率大小称为机械特性的硬度。斜率越大，硬度越小，反之称为越硬。 静差率除与机械特性的硬度有关外，还与理想空载转速有关。 定义静差率的意义在于，在需要大范围调节转速时，在转速的低端用来衡量由于负载的稳态变化引起的转速波动量占额定理想空载转速的比值有多大。,2.1 调速系统的性能指标 2/8,2.1.1 稳态指标 2/4 调速范围D （调速深度） 指在能满足一定的调速性能指标的条件下，调速系统所能稳定运行的最高转速nmax和最低转速nmin的比值。 当只对调速系统的静态指标提出要求时，可将D定义为：保证静差率不大于smax时

5、，调速系统所能够稳定运行的最高转速nmax和最低转速nmin的比值。 对调速系统的性能指标有不同要求时（包括静态指标、动态指标、抗扰指标等），同一系统的调速范围也会有所不同。,2.1 调速系统的性能指标 3/8,2.1.1 稳态指标 3/4 稳态时D、s和DnN之间的关系 指在能满足一定的调速性能指标的条件下，调速系统所能稳定运行的最高转速nmax和最低转速nmin的比值。 若限定系统的最大静差率为smax，当DnN 一定时，smax总是发生在最低速时 由上式中解出nmin，并代入式（2-3）即得 上式表明调速范围D与容许的最大静差率smax近似成正比，与额定负载时的转速降DnN成反比。显然增

6、大调速范围的最直接有效的办法是减小DnN，即增大机械特性的硬度。,2.1 调速系统的性能指标 4/8,2.1.1 稳态指标 4/4 例2-1 某调速系统的额定转速nN=1000r/min，在额定负载时的额定转速降为DnN =84r/min。从额定转速向下采用降低电枢电压调速。要求 当生产工艺要求的静差率为ssmax=0.3r/min 时，试计算此系统的调速范围D。 smax不变，但额定速降DnN减小为40r/min时，D为多少？ 保持DnN =84r/min ，但生产工艺对静差率的要求提高为smax=0.1r/min时，重新计算D。,解 额定转速即为最高转速，即 nmax= nN=1000r/

7、min ,2.1.2 动态指标 1/3 调速系统在动态控制的过渡过程中所表现出来的性能指标。 动态性能可分为跟踪性能和抗扰性能。 跟踪性能 输出转速在跟随输入指令大范围变化时所表现出来的性能。 一般是针对阶跃指令来定义的。 上升时间tr第一次到达n的时间，它表征了调速系统快速调节以跟踪指令的能力。 超调量s 超越n的最大偏差值，一般用相对量表示,调节时间ts 转速在过渡过程中最后一次进入某一允许的误差带所经历的时间。 tr和s 往往是相互矛盾的，上升 时间过小，就使超调量增大。 ts是一个折衷，它表征了调速系 统跟踪控制的综合快速性。,2.1 调速系统的性能指标 5/8,图2-2 转速的阶跃跟

8、踪示意图 a 有超调时 b 无超调时,2.1 调速系统的性能指标 6/8,2.1.2 动态指标 2/3 抗扰性能 1/2 除了给定指令之外，其它能引起输出量发生偏移的因素都称为扰动。 对于调速系统而言，负载转矩的变化是最重要的扰动量。 一个控制系统在受到某种扰动量作用时，其输出量会偏离理想状态，然后会在系统的自动控制下重新返回或接近理想状态。抗扰性能用来衡量控制系统这种抵抗扰动作用的能力。 严格地说抗扰性能也分为稳态抗扰性能和动态抗扰性能。,2.1 调速系统的性能指标 7/8,2.1.2 动态指标 3/3 抗扰性能 2/2 动态最大速降Dnmax 最大速降时间tm 显然Dnmax越小，说明系统

9、的抗扰性能越好。 扰动恢复时间tv 从扰动作用开始到输出偏差最后一次进入某一约定的以或为基准的误差带以内所需要的时间。 扰动静差Dn 扰动无静差，扰动有静差。,图2-3 输出转速的抗扰动性能示意图,2.1 调速系统的性能指标 8/8,在不同的工程背景下，调速系统对于静态指标、跟踪性能和抗扰性能指标的要求是各不相同的。 而且它们往往它们是相互矛盾的。 应用这些性能指标对设计方案进行评价， 或者从这些指标要求出发进行系统设计。 对于位置控制系统，张力控制系统等，本节建立的性能指标体系，以及定义评价指标的基本原理都是仍然适用的。,目录 2.0 概述 2.1 调速系统的性能指标 2.2 直流调速系统的

10、组成及其数学模型 2.3 开环直流调速系统 2.4 转速单反馈闭环直流调速系统 2.5 闭环控制系统的工程设计方法 2.6 转速单反馈闭环直流调速系统的动态设计 2.7 转速、电流双闭环直流调速系统的原理和 静态设计 2.8 双闭环直流调速系统的动态设计 2.9 转速电流双闭环直流调速系统的抗扰特性 2.10 可逆直流调速系统,2.2 直流调速系统的组成 及其数学模型 1/22,2.2.1 系统组成 开环调速系统 “直流电动机”+“可控直流电源” 控制电压uc用来控制“可控直流电源”的输出直流电压ud，调节uc即可改变电动机转速n。 闭环调速系统。 开环调速系统往往不能满足生产机械的性能要求。

11、 最常用的反馈变量是转速n和电枢电流id,由反馈信号un、ui与速度给定电压un* 一起共同自动调节控制电压uc，使输出转速的性能满足要求。 本节分析得出“可控直流电源”和“直流电动机”的动态数学模型。,图2-4 直流调速系统的组成示意框图,2.2 直流调速系统的组成及其数学模型 2/22,2.2.2 可控直流电源 上世纪中期之前，可控直流电源主要是由一台交流电动机驱动一台直流发电机，通过改变直流发电机的励磁电流来控制直流发电机的输出电压。 从60年代开始晶闸管控制的相控整流电源逐渐取代了旋转变流机组。 随着全控型电力电子开关器件的进步，直流PWM变换电源发展很快。 在大功率及超大功率(兆瓦以

12、上)直流调速范围内，相控整流电源是不可替代的。 在要求快速响应的直流调速场合，PWM变换电源具有不可替代的优势。,2.2 直流调速系统的组成及其数学模型 3/22,A. 相控整流电源 1/10 由于没有运动部件，称为静止变流器； 响应时间在毫秒级，比变流机组快了23个数量级； 没有机械磨损和电磁火花，体积更小、寿命更长； 效率高、噪音小； 主要缺点是功率因数低，电源电流谐波大；特别是当容量较大时，已成为不可忽视的“电力公害”，需要进行无功补偿和谐波治理。,2.2 直流调速系统的组成及其数学模型 4/22,A. 相控整流电源 2/10 A1. 电路结构,图2-6 相控整流装置 主电路接线及运行象

13、限,(a) 全控型： id0,工作于第象限. (b) 半控(或有续流二极管)： id 0,ud 0,工作于第象限. (c) 可逆型： 可工作于4个象限。,2.2 直流调速系统的组成及其数学模型 5/22,A. 相控整流电源 3/10 A2. 控制特性 a ud ，有三种情况： 全控型整流电路、电流连续时 半控型整流电路、电流连续时， 电流断续工作状态时，由于电枢电压是一个反电势负载，使得输出电压平均值明显上升；且随着电流断续加重，电压上升更加明显。,其中，K是一个由电路结构决定的常数，例如三相全控桥式电路时有K=2.34,当GT采用锯齿波同步的移相触发电路时，有 上二式中Uc为控制电压幅值，U

14、syn为正弦同步电压的峰值，Ut为对称幅值锯齿波的有效峰值。,2.2 直流调速系统的组成及其数学模型 6/22,A. 相控整流电源 4/10 A2. 控制特性 uc a ，控制特性是指图2-5中控制电压uc对输出电压平均值Ud的关系。 当GT采用正弦波同步的移相触发电路时，有,2.2 直流调速系统的组成及其数学模型 7/22,A. 相控整流电源 5/10 A2. 控制特性 Uc Ud 控制特性就是指图2-5中控制电压uc对输出电压ud的关系。 式(2-8)代入式(2-6)得 式(2-9)代入式(2-6)得 将上式在Uc=0处展开为泰勒级数，且忽略非线性余项，只保留线性项，就得到和(2-10)相

15、同的结果。 综合以上两式 得电源放大系数,2.2 直流调速系统的组成及其数学模型 8/22,A. 相控整流电源 6/10 A3. V-M系统的机械特性 电流断续是不可避免的。 电流连续和断续区域的分界线近似是一个椭圆。 电流断续区的宽度与平波电抗的电感量L成反比。 只要选择一个足够大的L，使Idmin小于I0，系统在电动运行时就不会电流断续。 电流连续区机械特性是一族平行线（线性特性）。 电流断续区机械特性变软上翘（非线性特性）。,2.2 直流调速系统的组成及其数学模型 9/22,A. 相控整流电源 7/10 A4. 动态数学模型 动态模型一般都是建立在小信号分析的基础上。 失控时间ts与控制

16、电压uc的阶跃方向、阶跃幅值及阶跃发生的时刻有关。 因此ts存在着随机性和非线性。 (a) 稳态时 (b) uc小范围阶跃变化时 (c) uc大范围阶跃上升时 (d) uc大范围阶跃下降时,2.2 直流调速系统的组成及其数学模型 10/22,A. 相控整流电源 8/10 A4. 动态数学模型 以三相桥式全控整流电路为例，考虑到阶跃发生时刻的随机性，当uc小范围阶跃时，失控时间ts最小为Tsmin=0，最大为Tsmax=3.33ms，取其统计平均值，即得平均失控时间为 失控时间是一个纯延时，与式(2-10)结合，可得相控整流电源的传递函数为,表2-1 各种相控整流电路的失控时间（电源频率 f =50Hz）,2.2 直流调速系统的组成及其数学模型 11/22,A. 相控整流电源 9/10 A4. 动态数学模型 电流连续区动态特性是线性的。如图2-11(a)。 电流断续段特征：机械特性变软、上翘，如图2-9(b) 认为电枢回路总电阻R是Id的非线性函数，记为r(Id)