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1、第一章 直流调速系统的基本原理与方法,1-2 单闭环转速负反馈有静差直流调速系统,1-3 其它反馈形式在调速系统中的应用,1-4 转速负反馈无静差直流调速系统,1-1 直流调速系统的基本概念,1-5 转速电流双闭环调速系统,1-6 三环调速系统,1-7 可逆调速系统,1-1 直流调速系统的基本概念,1.1.1直流调速主要的调速方法,一、直流他励电动机供电原理图,图1-1直流他励电动机供电原理图,工程上，常将调压与调磁相结合，可以扩大调速范围。,图1-2 调压和调磁时的机械特性,1.1.2 直流调速系统的基本结构,图1-3 直流调速系统的基本结构,直流调速系统由下列几部分组成： 1、系统主回路
2、由电源、变流器、直流电机等部件组成。改变直流电机电枢或励磁电压的方向可控制电机的正反转；而改变电枢电压或励磁电流的大小可实现电机的调速。 2、控制回路 调速系统的控制回路由控制指令装置、控制器、反馈信号检测装置等部件组成。 （1）控制指令装置产生速度给定信号。 （2）反馈信号检测装置实时检测调速系统的各种状态，如电压、电流、转矩或转速等。,1.1.3 直流调速系统主回路中的可控直流电源,常用的可控直流电源有以下三种：,1、旋转变流机组,2、静止可控整流器,3、直流斩波器和脉宽调制变换器,一、旋转变流机组-用交流电动机拖动直流发电机，以获得可调的直流电压（G-M系统）。,组成：,由M拖动=G=G
3、给=M供电直流励磁发电机GE给=G和=M励磁。,原理：,调节U改变转速n变化。改变方向，n转向跟着改变。,特点：,设备多、体积大、费用高、效率低、安装维护不便、运行有噪声。,二、静止可控整流器-利用静止的可控整流器(如晶闸管可控整流器)，获得可调的直流电压。（V-M系统）,晶闸管整流器可以是单相、三相或多相；电路形式可以是半波、全波、半控、全控等类型；,通过调节触发电路的移相电压，可改变整流电压Ud，实现平滑调速。,优点:整流装置效率高、体积小、成本低、无噪声。,缺点:可逆难；过电压、过电流能力差；谐波电流大。,组成：,原理：,三、直流斩波器和脉宽调制变换器用恒定直流电源或不可控整流电源供电，
4、利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压。,VT工作于开关状态。VT通时，U加到M；VT断时，U与M断开，M经VD续流，两端电压接近于零。平均电压可通过改变VT的导通和关断时间来调节，从而调节M的转速。,优点: 运行稳定、效率高、静动态性能好；,缺点: 容量不大,原理：,1.1.4、控制回路中的转速、电流、电压测量方法,一、速度检测 1、测速发电机 2、旋转编码器,二、电流检测 1、电流互感器 2、取样电阻测电流 3、霍尔电流传感器,三、电压检测,1.2 单闭环直流调速系统 1.2.1 开环V-M系统及其存在的问题 一、系统组成,三、开环系统机械特性,其中： 为转速降， 越小，机械特性
5、的硬度越大。 取决于电枢回路电阻R及所加的负载大小。,机械特性的近似处理方法：,(1)在电流连续段：把特性曲线与纵轴的直线交点n0作为理想空载转速。,(2)在断续特性比较显著的情况下，可以改用另一段较陡的直线来逼近断续段特性。或直接用连续段特性的延长线来逼近断续段特性。 一般可近似的只考虑连续段。,(2)在断续特性比较显著的情况下，可以改用另一段较陡的直线来逼近断续段特性。或直接用连续段特性的延长线来逼近断续段特性。 一般可近似的只考虑连续段。,1.2.2 单闭环转速负反馈有静差直流调速系统,一、开环存在的问题：,某一车床的拖动电动机的额定转速 ，要求 ，由开环系统决定的 要求S0.1，问开环
6、V-M系统能否满足要求？如不满足要求，怎么办？,问题的提出,二、系统的组成及静特性,(1)原理框图,1、系统的组成,(a)给定环节产生控制信号：由高精度直流 稳压电源和用于改变控制信号的电位器组成。,(b)比较与放大环节信号的比较与放大；由P、I、PI运放器组成,(2)各环节介绍,(d)速度检测环节 ：测速机反馈线路 求出(反馈系数) ; 单位,(e)直流电动机环节,直流他励电动机的两个独立的电路：一个是电枢回路，另一个是励磁回路。,动态关系：,稳态关系：,四、闭环系统的机械特性,(1)闭环系统机械特性的定性分析,(2) 闭环系统的机械特性的定量分析,系统结构图, 单闭环转速负反馈调速系统的稳
7、态结构图,五、闭环系统的静特性与开环系统机械特性的比较,1、开环系统的机械特性,2、闭环系统的静特性 ：,(1)闭环静特性比开环机械特性硬得多。在同样的负载下，两者的稳态速降分别为：,关系是,(2)闭环系统的静差率比开环系统的静差率小得多。闭环系统和开环系统的静差率分别为,比较后得出结论：,如果电机的最高速都是nnom，且对最低速的静差率要求相同，,(4)闭环系统必须设置放大器。,(3)当要求的静差率一定时，闭环系统的调速范围可大大提高。,闭环系统可以获得比开环系统硬得多的静特性，且闭环系统的开环放大系数越大，静特性就越硬，在保证一定静差率要求下其调速范围越大，但必须增设转速检测与反馈环节和放
8、大器。,结论,解（1）设系统满足D=20，检验系统是否满足s5%？,（2）那么同时满足D=20，s5%的,可见只要放大器的放大系数大于或等于46，转速 负反馈闭环系统就能满足要求。(在上述 闭环条件下，如何判断系统能否正常工作？),六、反馈控制规律,改变给定 ，转速n 随之变化。即被调量总是紧紧跟随给 定信号变化的。,2、被调量紧紧跟随给定量变化,3、闭环系统对反馈环内 主通道上的一切扰动作用都能有效抑制,扰动：当给定 不变时，把引起被调量转速发生变化的所有因素称为扰动。,扰动因素：交流电源电压波动、电机励磁电流的变化、放大器放大系数的飘移、温度变化引起的主电路电阻的变化、负载变化等等，如下图
9、所示。,结论：反馈环内且作用在控制系统主通道上的各种扰动，通过反馈控制作用可减小它们对转速的影响。,4、反馈控制系统对给定电源和检测装置的扰动是无法抑制的,当给定电源发生不应有的波动时，转速会随之变化。因此高精度的调速系统需要高精度的稳压电源。,反馈控制系统无法抑制由反馈检测环节本身误差引起的被调量的偏差。为此，高精度的系统还必须有高精度的反馈检测元件作保证。,七、系统的稳态参数计算,直流调速系统如下图所示，根据给定的技术数据对系统进行静态参数计算。已知数据如下：,解：1. 为满足D=10，s5%，额定负载时调速系统的稳态速降应为,2. 根据ncl，确定系统的开环放大系数K,式中,当系统处于稳
10、态时，近似认为 ，则,电位器RP2的选择方法如下：当测速发电机输出最高电压，且其电流约为额定值的20%时，测速发电机电枢压降对检测信号的线性度影响较小。,则,此时RP2所消耗的功率为,为了使电位器不过热，实选功率应为消耗功率的一倍以 上，故选RP2为10W、1.5k的可调电位器。,4、计算放大器的电压放大系数,实取P20。,如果取放大器输入电阻020/k， 则P2020/k400/k。,1.2.3、单闭环转速负反馈直流调速系统的限流保护,起动或堵转时：通过自动限流环节，使,限流原理,系统原理图 ：,结构图,(二)为在正常运行时自动取消电流负反馈限流环节，可采用电流截止负反馈。,带电流截止负反馈
11、的调速系统原理图,图中电流反馈信号取自小电阻Rs两端，IdRs正比于电枢电流，设Idcr为临界截止电流，Ucom =IdcrRs为比较电压。,当IdRsUcom（即IdIdcr）时，二极管导通，电流调节器的输入偏差电压 为 ，系统静特性较软。,当IdRsUcom（即IdIdcr）时，二极管截止，电流负反馈被切断，此时系统就是转速闭环调速系统，其静特性很硬。,调节Ucom的大小，即可改变临界截止电流Idcr的大小。,其限流原理为：,系统的静态结构图,根据电流截止负反馈的特性和结构图可推出系统的静特性 方程：当IdRsUcom时，电流截止负反馈不起作用。,系统的静特性方程：,对应于图1-17的n0
12、-A段,当IdRsUcom时，即电流截止负反馈起作用。,图1-17,对应于图1-17的A-B段,电流截止环节的其他电路：采用封锁运算放大器的原理见图,1.2.4、电压负反馈调速系统,实现转速负反馈须有测速发电机。从,可知：如果忽略电枢压降，则电动机的转速n近似正比于电 枢两端电压 。可采用电压负反馈代替转速负反馈，维持 转速n基本不变。,由图可见，反馈检测元件是起分压作用的电位器 RP2。电压反馈信号Uu=Ud，为电压反馈系数。,为了分析方便，把电枢总电阻分成两部分，即 R=Rn+Ra，Rn为晶闸管整流装置的内阻（含平 波电抗器电阻），Ra为电枢电阻。由此可得,其稳态结构图如下图所示：,电压负
13、反馈调速系统的静特性方程式为,式中K=KpKs,由方程知，电压负反馈把反馈环包围的整流装置内阻引起的稳态速降减小到1/（1+K）。扰动量IdRa不包围在反馈环内，由它引起的稳态速降得不到抑制。为此引入电流正反馈，以补偿电枢电阻引起的稳态速降。,1.2.5、转速负反馈无静差直流调速系统,一、积分调节器及其控制规律,积分时间常数,PI调节器的比例放大系数为 ，积分时间常数为,二、比例积分调节器及其控制规律,三、有差系统和无差系统控制规律的比较,无差系统的控制规律,四、带PI调节器的无静差直流调速系统,1、系统的组成框图,系统采用转速负反馈和电流截止负反馈，速度调节器（ASR）为PI调节器。,2、无
14、静差的实现,稳态时，PI调节器输入偏差电压Un=0。当负载由TL1增至TL2时，转速下降，Un下降使偏差电压 不为零，PI调节器进入调节过程。,整流装置的交流侧电流与直流侧电流成正比。当电流大于截止电流时，则稳压管被击穿导通，负反馈电压Ui使晶体管VT导通，而使电流降低下来。,3、电流检测电路,电流截止反馈信号Ui也可以由交流侧的电流互感器测得， 再经桥式整流后输出的直流信号。,1.3 转速、电流双闭环调速系统,电流截止负反馈只能在整个启动过程中限制最大电流，而不能维持最大电流，影响启动快速性（即启动时间ts较长）。,1.3.1、理想起动及其实现,1、理想启动过程,理想启动波形如下图示，整个启
15、动过程中，启动电流一直保持最大允许值，此时电动机以最大转矩启动，转速以直线规律上升；启动结束后，电流从最大值下降为负载电流值且保持不变，转速维持给定转速不变。,（2）稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。,2、实现理想启动过程的方法,采用转速电流双闭环负反馈调速系统。,（1）启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；,1.3.2、转速电流双闭环调速系统的组成及工作原理,转速、电流双闭环直流调速系统原理图。,1、系统的组成,ASR输出限幅值为U
16、*im，它决定了主回路中的最大 允许电流Idm。,1、设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。,2、ACR和电流检测-反馈回路构成了电流环，电流环为内环（副环）；ASR和转速检测-反馈环节构成了转速环，转速环为外环（又称主环）。,ASR和ACR均为PI调节器，其输入输出设有限幅电路。,ACR输出限幅值为Uctm，它限制了晶闸管整流器输出电压Udm的最大值。,2、系统的工作原理,双闭环调速系统的稳态结构图。,1）启动时，突加阶跃给定U*n，因机械惯性，转速很小，偏差电压Un很大，ASR饱和，输出限幅值U*im且不变，转速环相当于开环。电流负反馈环起恒流调节作用，转速线性上升。 2）当转速达到给定值且略有超调时，转速环的输入信号变极性，ASR退饱和，转速负反馈环起调节作用，使转速保持恒定，即n
