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1、电机运动控制系统,洪乃刚 编著,第1章 直流电动机调速系统,*1.1 直流电机原理和开环调速系统 1.2 有静差转速闭环控制直流调速系统 1.3 无静差转速闭环控制直流调速系统 *1.4 电压负反馈电流正反馈补偿控制的直流调速系统 1.5 转速电流双闭环控制直流调速系统 1.6 直流双闭环调速系统仿真,第1章 直流调速系统,1.1 直流电机原理和开环调速系统 1.1.1 直流电机原理 发电工作状态 转子由原动力带动旋转 换向器起整流作用。 电动工作状态 转子绕组外接直流电源 换向器起逆变作用。,1.1.2 直流电机模型和基本方程,直流电机模型 定子励磁磁势 定位直轴 转子绕组产生磁势 定位交轴
2、 定子励磁磁势 和转子磁势 互相独立，可以分别控制。,控制励磁电流 If 保持磁通不变时，就可以通过转子电枢电流 Id, 控制直流电机转速,模型中的电枢绕组是静止的（伪静止）,实际上电枢绕组随转子转动，,旋转作用表现为转子的反电动势E。,二 直流电动机基本方程,1. 电压方程,2. 电动机电磁转矩,3. 电动机运动方程,或,三 直流电机的传递函数,1. 电枢回路电流与电压间的传递函数,电枢回路等效电磁时间常数,2. 电枢电流与反电动势间的传递函数,电动机等效机电时间常数,电动机的动态结构图,直流电动机传递函数是一个二阶振荡环节,1.1.4 直流电动机调速方法,1. 调压调速,，改变电动机理想空
3、载转速,，调节转速的方法。,调压调速是通过改变电枢电压,2. 调磁调速（弱磁调速）,调磁调速是以改变磁极磁通,来调节转速的方法。,调磁调速一般只是从额定励磁向下调节，称为弱磁调速,3. 改变回路电阻,能使电机转速降,从而影响转速,变化，,，但是不节能,1.1.5 直流电动机转速开环调速系统,(a) 机组变流调速系统,(b) 电力电子变流器调速系统,1.1.6 电力电子变流器和传递函数,一 电力电子变流器,晶闸管整流器,直流斩波器,二 电力电子变流器传递函数,失控时间,电力电子变流器传递函数,1.1.7 调速系统的调速指标,一 稳态指标,1. 调速范围 D,2. 静差率 S,3. 调速范围与静差
4、率的关系,如果静差率的要求较高（S较小），则系统的调速范围就不能太大。如果要求调速范围宽，则允许的静差率就不能太小，,二 动态指标,跟随性能指标,上升时间,超调量,或,抗扰性能指标,动态降落,恢复时间,1. 2 有静差转速闭环控制直流调速系统,1.2.1 转速闭环控制直流调速系统组成,1.2.2 有静差转速闭环直流调速系统稳态分析,转速调节器ASR采用比例调节器（即放大器）,一 系统稳态结构图和静特性,转速偏差（比较器）,转速调节器ASR(放大器),变流器UPE,电动机电枢回路,转速反馈,转速闭环有静差调速系统的静特性方程,（1.19）,转速负反馈系统稳态结构图,闭环系统开环放大倍数,二 闭环
5、调速系统与开环调速系统静特性比较,1. 开环调速系统的静特性,开环系统的理想空载转速；,）,2. 转速闭环调速系统与转速开环调速系统的比较,(1) 闭环调速系统的转速降,比开环调速系统的转速降,小(1+K)倍。,（2）在系统最低转速,相同时,闭环调速系统的静差率,比开环调速系统的静差率,减小(1+K)倍。,（3） 闭环调速系统的调速范围,比开环调速系统的调速范围,大(1+K)倍。,闭环调速系统性能提高的原因是：系统根据转速的偏差自动调节了变流器输出电压。,调节器的放大倍数影响着闭环系统的转速降，放大倍数越大，负载变化引起的转速降越小，,提高放大倍数可以减小偏差，,但是不能消除偏差，并且放大倍数
6、过大还会引起系统的不稳定。,1.2.3 有静差调速系统的动态性能分析,一 跟随性能,二 抗扰性能,二 抗扰性能,调速系统主要扰动,1. 抗负载扰动,经过调节，负载增加引起的转速下降被克服，但是因为采用的是比例调节器转速不会恢复到扰动发生前的值，但是与开环系统相比，负载增加引起的转速降将大大减小。,2. 电源扰动,经过调节，电源电压下降引起的转速下降被减小。,3. 转速反馈系数变化的扰动和系数整定,（1） 转速反馈系数引起的扰动,某种原因使转速反馈系数发生了变化，这将使转速反馈值和转速偏差值都不是正常时的值，电机转速也必然不是原来的转速，这种变化是系统不能克服的,（2）转速反馈系数的整定,在整定
7、转速反馈系数时，首先断开转速反馈使系统开环工作，在电机达到额定状态时，调节电位器，令反馈电压,转速反馈系数整定后，电位器应锁紧，避免偶然原因再造成分压比变化,改变影响系统工作。,三 反馈控制系统的精度,实际系统尤其在模拟元件组成的控制系统中，用作给定信号的稳压电源和测速机输出电压信号都含有一定的纹波成分，这些纹波同样会引起转速变化影响系统的控制精度。为了减小这些纹波对转速的影响，一般在给定和反馈环节中加滤波器，滤掉给定和反馈信号中的高频脉动成分，从而提高系统的控制精度。采用高精度稳压电源或采用数字给定和数字测速也是提高系统精度的重要措施。,1.2.4 有静差调速系统的稳定性分析,转速反馈控制系
8、统的动态结构图,转速反馈调速系统的开环传递函数,系统的闭环传递函数,系统闭环传递函数的特征方程,代数判据（劳斯赫尔维茨判据）系统的稳定条件,三阶系统特征方程的标准形式,稳定条件,（1.32）,1.3 无静差转速闭环控制直流调速系统,1 3.1 积分调节器和比例积分调节器,输入输出特性,一. 积分（I）调节器,积分调节器在输入,时，能够保持输出值,。 积分调节器的输出保持作用使它可以实现无静差调速,二 比例-积分(PI)调节器,比例-积分调节器是比例调节器和积分调节器的结合,PI调节器的比例部分可加快系统的调节过程，积分部分可以最终消除稳态误差,1.3.2 无静差控制直流调速系统原理,无静差直流
9、调速系统稳态结构图,转速没有达到给定值时，,，,的增加而提高，使电机转速上升。 当转速达到给定值时，,，调节器积分作用停止，但调节器输出保持了偏差,存在期间（,）的积分值,使变流器UPE保持电动机的转速为给定转速，,实现转速的无静差调节。,随,1.3.3 无静差控制直流调速系统的静特性,在转速稳定时,，,无静差系统的稳态静特性是一族平行的水平直线,转速反馈系数,1.3.4 无静差调速系统的动态性能,由于调节器的积分作用，无论转速给定改变还是前向通道上发生扰动，经过系统调节，稳态的转速降都为0.,无静差调速系统有更好的跟随和抗扰性能。,1.3.5 转速闭环控制系统转速调节器设计,转速闭环控制调速
10、系统动态结构图,一阶模型与二阶模型的响应基本接近,直流电动机,化为单位反馈,忽略,后的结构图,二 转速调节器设计,1. 有静差调速系统,转速调 节器放 大倍数,ASR-比例调节器,为0型系统（系统没有积分环节),按调速指标对转速闭环系统转速降要求确定,开环放 大倍数,2. 无静差调速系统转速调节器设计,采用积分或比例积分调节器,选择,抵消分母上的极点,提高系统的快速性，,一个惯性环节，其闭环传递函数为：,系统简化后，含有一个积分环节和,采用PI调节器的结构图,令,系统校正后的结构图,简化成I型系统结构图,谐振频率,阻尼比,按“二阶最佳”设计,PI调节器放大倍数,积分时间常数,1.3.6 转速闭
11、环控制直流调速系统应用举例,运算放大器组成的模拟控制系统组成,晶闸管整流器,平波电抗器,直流电动机,转速调节器,电流截止负反馈,测速发电机,运算放大器组成调节器参数,二 电流截止负反馈环节,电流截止负反馈的原理,检测电动机电流，当电流超过一定值时，以电流信号抵消一部分转速给定信号，使变流器输出电压降下来，电机电流和转速也随之下降，从而避免过电流情况发生。,另一种方法是当检测到过电流时，钳制变流器控制信号,使变流器输出电压,下降，电机电流将随之下降，,为0，,带电流截止负反馈系统的特性也称挖土机特性,三 设计举例,例1.1 如图1.25的晶闸管整流器直流调速系统， 电动机参数为10KW, 220
12、V, 55A, 1000r/m,电枢回路总电阻,电枢转动惯量,。整流器放大倍数,用于转速给定的直流稳压电源为15V。生产机械要求的调速指标为：,静差率,。,电枢电阻,调速范围,调速系统额定负载时允许的转速降为：,开环时系统的转速降,显然如果系统转速开环工作,开环系统不能满足调速指标要求必须采用转速闭环控制系统。,一 转速调节器采用比例调节器 1. 比例调节器放大倍数,满足调速指标的系统开环放大倍数为,设额定转速时转速给定值为10V,额定负载和,时电机转速,对应,比例调节器 放大倍数（式1.42）,2. 校验系统稳定性,电磁时间常数,机电时间常数,整流器的平均失控时间（表1.3）,对系统开环放大
13、倍数的要求为（式1.32）,按稳态调速指标，系统开环放大倍数,稳定性不满足,二 转速调节器采用PI调节器,PI转速调节器参数,采用PI转速调节器，是无静差调速系统，肯定能满足静态指标， 调速范围和静差率要求,在PI调节器放大倍数Kn计算中考虑了被忽略的电动机电磁时间常数Tl 的影响,三 两种调节器系统的频率特性（Bode图） 和阶跃响应比较,MATLAB仿真例1.1，转速闭环控制系统的传递函数模型, s=tf(s); %定义拉普拉斯算子 w1=23.32; 比例调节器放大倍数 w2= 44/(1+0.00167*s); 整流器传递函数 w3= 1/0.1925/(1+0.075*s+0.075
14、*0.0137*s2); 电动机传递函数 w4= 0.01; 转速反馈系数 sys1= w1*w2 *w3*w4; sys1比例调节器转速开环传递函数,Transfer function: 53.3 - sys1传递函数 1.716e-006 s3 + 0.001153 s2 + 0.07667 s + 1, bode(sys1) 画比例调节器系统bode图（图1.28a） sys2=feedback(w1*w2*w3,w4) sys2转速闭环系统传递函数 Transfer function: 5330 - 比例调节器转速闭环系统传递函数 1.716e-006 s3 + 0.001153 s2
15、 + 0.07667 s + 54.3 step( sys2 ) % 画比例调节器系统闭环阶跃响应（图1.28b） w11=1.067* (1+0.075*s)/(0.075*s); 将原比例调节器w1改为PI调节器w11 sys3= w11*w2 *w3*w4 sys3 PI系统开环传递函数,Transfer function: 0.312 s + 4.16 - PI系统开环传递函数 1.287e-007 s4 + 8.646e-005 s3 + 0.00575 s2 + 0.075 s, sys4= feedback(w11*w2 *w3,w4) sys4PI调节器转速闭环系统传递函数 Transfer function: 18.29 s + 243.9 -
