《自動(dòng)化控制原理與系統(tǒng)》第七章 直流調(diào)速系統(tǒng)

自動(dòng)化控制原理與系統(tǒng)1自動(dòng)控制的基本概念系統(tǒng)框圖第七章直流調(diào)速系統(tǒng)7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.3帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例7.1第七章直流調(diào)速系統(tǒng)7.1.1直流調(diào)速系統(tǒng)的基本概念

在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，電力拖動(dòng)系統(tǒng)是最重要的應(yīng)用系統(tǒng)之一，而電動(dòng)機(jī)又是電力拖動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，根據(jù)電動(dòng)機(jī)供電方式的不同，它可分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的啟、制動(dòng)性能，而且可以在較大范圍內(nèi)平滑的調(diào)速，因此，在軋鋼設(shè)備、礦井升降設(shè)備、挖掘鉆探設(shè)備、金屬切削設(shè)備、造紙?jiān)O(shè)備、電梯等需要高性能可控制電力拖動(dòng)的場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。但直流電動(dòng)機(jī)本身有著一些不可避免的缺陷，譬如存在換相問(wèn)題、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修較困難、成本較高等因素，制約了直流拖動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展。直流調(diào)速系統(tǒng)概述7.1第七章直流調(diào)速系統(tǒng)7.1.1直流調(diào)速系統(tǒng)的基本概念

直流調(diào)速系統(tǒng)是最基本的拖動(dòng)控制系統(tǒng)。式中，n為轉(zhuǎn)速，單位為r/min；U為電樞電壓，單位為V；I為電樞電流，單位為A；R為電樞回路總電阻，單位為Ω；Φ為勵(lì)磁磁通，單位為Wb；Ke為由電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)決定的機(jī)電系數(shù)。直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速方程式為由上式可知，調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法有三種：改變電樞供電電壓U改變勵(lì)磁磁通Φ改變電樞回路電阻R123直流調(diào)速系統(tǒng)概述（7－1）7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述7.1.2直流調(diào)速的三種方式第七章直流調(diào)速系統(tǒng)1改變電動(dòng)機(jī)電樞電壓的調(diào)速方式

由式（7－1）分析可知，當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性的硬度不變，其機(jī)械特性是一簇以U為參數(shù)的平行線(xiàn)。改變電動(dòng)機(jī)電樞電流，其機(jī)械特性基本上是平行上下移動(dòng)，轉(zhuǎn)速隨之改變，這種調(diào)速方式稱(chēng)為改變電樞電壓調(diào)速方式。其機(jī)械特性如圖7－1所示?？紤]到電動(dòng)機(jī)的絕緣性能，電樞電壓的變化只能在小于額定電壓的范圍內(nèi)適當(dāng)調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速上限為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速下限受低速時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定性的限制。7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述7.1.2直流調(diào)速的三種方式第七章直流調(diào)速系統(tǒng)圖7－1改變電樞電壓調(diào)速的機(jī)械特性

對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，此調(diào)速方式較好。改變電樞電壓調(diào)速(簡(jiǎn)稱(chēng)調(diào)壓調(diào)速)是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要調(diào)速方式。7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述7.1.2直流調(diào)速的三種方式第七章直流調(diào)速系統(tǒng)2改變勵(lì)磁電流調(diào)速方式

改變電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁回路的勵(lì)磁電壓大小，可改變勵(lì)磁電流大小，從而改變勵(lì)磁磁通大小而實(shí)現(xiàn)調(diào)速，此種調(diào)速方式稱(chēng)為改變勵(lì)磁電流調(diào)速方式。其機(jī)械特性如圖7－2所示。圖7－2改變勵(lì)磁電流調(diào)速的機(jī)械特性

這種調(diào)速方案屬于恒功率調(diào)速。調(diào)磁調(diào)速的調(diào)速范圍不大，一般只是配合調(diào)壓調(diào)速方式，在電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速之上作小范圍的升速。7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述7.1.2直流調(diào)速的三種方式第七章直流調(diào)速系統(tǒng)3電樞回路串電阻調(diào)速方式

在電動(dòng)機(jī)電樞回路串接附加電阻，改變串接電阻的阻值，也可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，此種調(diào)速方式稱(chēng)為電樞回路串電阻調(diào)速方式。其機(jī)械特性如圖7－3所示。圖7－3電樞回路串電阻調(diào)速的機(jī)械特性

這種調(diào)速方式只能進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，且有較大能量損耗，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性較軟，轉(zhuǎn)速受負(fù)載影響大，輕載和重載時(shí)轉(zhuǎn)速不同。另外，該調(diào)速方式中的調(diào)速電阻損耗大，經(jīng)濟(jì)性差，一般只應(yīng)用于少數(shù)性能要求不高的小功率場(chǎng)合。7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述7.1.3調(diào)壓調(diào)速的三種主要形式第七章直流調(diào)速系統(tǒng)

調(diào)壓調(diào)速在工程應(yīng)用上是調(diào)速系統(tǒng)的主要方式。該調(diào)速方式需要有專(zhuān)門(mén)的、連續(xù)可調(diào)的直流電源供電。根據(jù)系統(tǒng)供電形式的不同，調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)可分為以下三種：旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組系統(tǒng)、晶閘管可控整流系統(tǒng)、直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組系統(tǒng)1

以旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組作為可控電源的供電的直流調(diào)速系統(tǒng)稱(chēng)為發(fā)電機(jī)－電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要部件為直流發(fā)電機(jī)G，直流電動(dòng)機(jī)M，故簡(jiǎn)稱(chēng)G－M系統(tǒng)，國(guó)際上通稱(chēng)為Wand－Leonand系統(tǒng)。7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述7.1.3調(diào)壓調(diào)速的三種主要形式第七章直流調(diào)速系統(tǒng)如圖7－4所示為旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖。圖7－4旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的調(diào)速系統(tǒng)原理圖直流發(fā)電機(jī)G由原動(dòng)機(jī)M(交流異步電動(dòng)機(jī)或同步電動(dòng)機(jī))拖動(dòng)，ФG和ФM分別是發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁回路的磁通。系統(tǒng)由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)，改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路的磁通ФG即可改變發(fā)電機(jī)的輸出電壓UG也就改變了直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓Ud，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速的目的。7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述7.1.3調(diào)壓調(diào)速的三種主要形式第七章直流調(diào)速系統(tǒng)

如圖7－5所示為該系統(tǒng)的機(jī)械特性，從圖中可知其機(jī)械特性曲線(xiàn)為一簇相互平行的直線(xiàn)，特性較硬。圖7－5G-M系統(tǒng)的機(jī)械特性

G－M系統(tǒng)的特點(diǎn)是，以“旋轉(zhuǎn)”機(jī)組實(shí)現(xiàn)供電和“變流”，所以稱(chēng)之為旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。這種系統(tǒng)的缺陷是明顯的，設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、機(jī)組安裝需要基礎(chǔ)、運(yùn)行噪聲大、維護(hù)麻煩。7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述7.1.3調(diào)壓調(diào)速的三種主要形式第七章直流調(diào)速系統(tǒng)晶閘管脈沖相位控制系統(tǒng)（晶閘管－電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)）2

由晶閘管可控整流電路給直流電動(dòng)機(jī)供電的系統(tǒng)稱(chēng)為晶閘管－電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)V－M系統(tǒng)，又稱(chēng)靜止的Wand－Leonand系統(tǒng)，其原理框圖如圖7－6所示。這類(lèi)系統(tǒng)通過(guò)改變給定電壓Ugn來(lái)改變晶閘管整流裝置的觸發(fā)脈沖的相位，從而可改變晶閘管整流器的輸出電壓Ud的平均值，進(jìn)而達(dá)到改變直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述7.1.3調(diào)壓調(diào)速的三種主要形式第七章直流調(diào)速系統(tǒng)圖7－6晶閘管一電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

在晶閘管一電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中，主回路電流連續(xù)與否對(duì)晶閘管一電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)機(jī)械特性將產(chǎn)生很大的影響。其機(jī)械特性如圖7－7所示，在電流連續(xù)區(qū)，該特性曲線(xiàn)亦是一簇互相平行的直線(xiàn)，與G－M系統(tǒng)的機(jī)械特性相似。圖7－7U-M系統(tǒng)的機(jī)械特性7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述7.1.3調(diào)壓調(diào)速的三種主要形式第七章直流調(diào)速系統(tǒng)

晶閘管－電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（V－M系統(tǒng)）與上述發(fā)電機(jī)一電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（G－M）相比較，不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也有更大的優(yōu)勢(shì)，功率放大倍數(shù)可達(dá)104～105，控制功率小，有利于將微電子技術(shù)引入強(qiáng)電領(lǐng)域，與旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組和汞弧整流器相比，具有控制靈敏、響應(yīng)快、占地面積小、能耗低、效率高、噪聲小、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛應(yīng)用，更重要的是，V－M系統(tǒng)還是新興的PWM調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。但這種傳統(tǒng)的晶閘管－電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，限于晶閘管的性能，也有它的缺點(diǎn)。7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述7.1.3調(diào)壓調(diào)速的三種主要形式第七章直流調(diào)速系統(tǒng)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)3

直流脈寬式調(diào)速系統(tǒng)，核心是脈沖寬度調(diào)制器（PulseWidthModulation，縮寫(xiě)為PWM），它是通過(guò)改變脈沖寬度的控制方式對(duì)直流電源進(jìn)行調(diào)制，從而改變輸出電壓平均值的方法，是在V－M調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以脈寬調(diào)制式直流可調(diào)電源取代晶閘管相控整流電源后構(gòu)成的直流電動(dòng)機(jī)速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其原理結(jié)構(gòu)如圖7－8所示。7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述7.1.3調(diào)壓調(diào)速的三種主要形式第七章直流調(diào)速系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用了全控型電力電子器件作為功率開(kāi)關(guān)元件，并按脈寬調(diào)制方式對(duì)電動(dòng)機(jī)的電樞電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能優(yōu)越，是100KW以下直流電機(jī)調(diào)速的首選方案。其閉環(huán)控制方式、分析綜合方法均與晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)相同。圖7－8PWM直流脈寬調(diào)制式調(diào)速系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)示意圖7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述7.1.4直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)第七章直流調(diào)速系統(tǒng)

在工業(yè)、工程應(yīng)用領(lǐng)域，許多工藝要求都依賴(lài)于對(duì)速度的控制。這些工藝過(guò)程對(duì)速度控制方面的要求歸納起來(lái)有以下三個(gè)方面：①調(diào)速。②穩(wěn)速。③啟動(dòng)、制動(dòng)性能。7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述第七章直流調(diào)速系統(tǒng)

上述三個(gè)方面的要求可具體轉(zhuǎn)化為調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)(靜態(tài))性能指標(biāo)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)1

穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)也稱(chēng)靜態(tài)指標(biāo)，是指系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的性能指標(biāo)，具體指調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的調(diào)速范圍、靜差率，位置隨動(dòng)系統(tǒng)的定位精度和速度跟蹤精度，張力控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)張力誤差等等。下面分別予以介紹。7.1.4直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述第七章直流調(diào)速系統(tǒng)1)調(diào)速范圍D

電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)速范圍是指電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下，運(yùn)行的最高轉(zhuǎn)速nMAX與最低轉(zhuǎn)速nMIN之比，用D表示，即

對(duì)于單純的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速nMAX即為其額定轉(zhuǎn)速ned。D值越大，系統(tǒng)的調(diào)速范圍越寬。調(diào)速范圍又稱(chēng)做調(diào)速比。根據(jù)這個(gè)指標(biāo)，電力拖動(dòng)系統(tǒng)可分為：調(diào)速范圍小的系統(tǒng)，一般指D≤3；調(diào)速范圍中等的系統(tǒng)，一般指3≤D≤50；調(diào)速范圍寬的系統(tǒng)，一般指D≥50?，F(xiàn)代電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以做到D≥10000。（7－2）7.1.4直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述第七章直流調(diào)速系統(tǒng)2)靜差率s

當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定負(fù)載所引起的轉(zhuǎn)速降落△ned與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比，稱(chēng)做靜差率，用s表示，即或用百分?jǐn)?shù)表示為

由上式可知，靜差率是用來(lái)表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化程度的，它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的變化程度越小，穩(wěn)定度越高。7.1.4直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述第七章直流調(diào)速系統(tǒng)3)D、s、△ned三者之間的關(guān)系

在單純的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，nMAX就是指電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速ned，即nMAX＝ned。而調(diào)速系統(tǒng)的靜差率是指系統(tǒng)最低速時(shí)的靜差率，即又因?yàn)榇苏{(diào)速范圍的表達(dá)式得（7－5）（7－6）7.1.4直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述第七章直流調(diào)速系統(tǒng)

上式表示了調(diào)速范圍D、靜差率s以及額定轉(zhuǎn)速降ned之間應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足的關(guān)系。對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，ned可由電動(dòng)機(jī)的出廠(chǎng)數(shù)據(jù)給出，D和s由生產(chǎn)機(jī)械的要求確定，當(dāng)系統(tǒng)的特性硬度或△ned值一定時(shí)，如果對(duì)靜差率s的要求越小，則系統(tǒng)能夠達(dá)到的調(diào)速范圍D越小。當(dāng)對(duì)D、s都提出一定的要求時(shí)，為了滿(mǎn)足要求就必須使△ned小于某一值。一般來(lái)講，調(diào)速系統(tǒng)要解決的問(wèn)題就是如何減少轉(zhuǎn)速降落△ned的問(wèn)題。電力拖動(dòng)系統(tǒng)的另一項(xiàng)靜態(tài)指標(biāo)是調(diào)速平滑性，它用調(diào)速時(shí)可以得到的相鄰轉(zhuǎn)速之比來(lái)表示。無(wú)級(jí)調(diào)速時(shí)，該比值接近于1，即轉(zhuǎn)速可以連續(xù)平滑調(diào)節(jié)。7.1.4直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述第七章直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)2

電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)過(guò)程中的性能指標(biāo)稱(chēng)做動(dòng)態(tài)指標(biāo)。衡量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的指標(biāo)分為跟隨性能指標(biāo)和抗擾性能指標(biāo)兩類(lèi)。1)跟隨性能指標(biāo)

在給定信號(hào)(或稱(chēng)參考輸入信號(hào))R(t)的作用下，系統(tǒng)輸出量C(t)的變化情況可用跟隨性能指標(biāo)來(lái)描述。

在直流調(diào)速系統(tǒng)中，跟隨性能指標(biāo)主要有以下各項(xiàng)：①上升時(shí)間tr。②超調(diào)量σ。③調(diào)節(jié)時(shí)間ts。7.1.4直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)7.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述第七章直流調(diào)速系統(tǒng)2)抗擾性能指標(biāo)

一般以系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中突然加一個(gè)使輸出量降低的擾動(dòng)N以后的過(guò)渡過(guò)程作為典型的跟隨過(guò)程?？箶_性能指標(biāo)主要有下述兩項(xiàng)：①動(dòng)態(tài)降落ΔCmax%。②恢復(fù)時(shí)間tv。

動(dòng)態(tài)降落ΔCmax%越小，恢復(fù)時(shí)間tv越短，系統(tǒng)的抗干擾性能越好。一般來(lái)說(shuō)，調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)以抗擾性能為主，而隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)則以跟隨性能為主。7.1.4直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.2.1閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)常用調(diào)節(jié)器第七章直流調(diào)速系統(tǒng)

帶強(qiáng)負(fù)反饋的集成電路運(yùn)算放大器具有高穩(wěn)定度的電壓放大能力，它可以很方便地實(shí)現(xiàn)信號(hào)的疊加(綜合)、微分、積分等運(yùn)算，它有著很高的輸入阻抗和較低的輸出阻抗，容易實(shí)現(xiàn)線(xiàn)路的匹配。在模擬控制的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)申，多采用線(xiàn)性集成運(yùn)算放大器作為系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器。7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.2.1閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)常用調(diào)節(jié)器第七章直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)1運(yùn)算放大器作調(diào)節(jié)器使用時(shí)，多數(shù)接成反相放大器，如圖7－9所示。圖7－9運(yùn)算放大器構(gòu)成的調(diào)節(jié)器

其中Z0為輸入阻抗；Z1為反饋?zhàn)杩?；Zba1為同相輸入端的平衡阻抗，用以降低放大器失調(diào)電流的影響。由于運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)很大，不論輸人和反饋?zhàn)杩篂楹涡问?，放大器的反相輸入?圖7－9中A點(diǎn))的電位近似于零，稱(chēng)A點(diǎn)為虛地點(diǎn)。7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.2.1閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)常用調(diào)節(jié)器第七章直流調(diào)速系統(tǒng)于是有

又由于放大器的輸人電阻很大，經(jīng)過(guò)A點(diǎn)輸入放大器的電流也接近于零，因此所以調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)W(s)可寫(xiě)成

應(yīng)該注意的是，運(yùn)算放大器使用反相輸人時(shí)，輸入電壓Uin和輸出電壓Uex的極性是相反的，在實(shí)際線(xiàn)路的設(shè)計(jì)中應(yīng)予考慮。7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.2.1閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)常用調(diào)節(jié)器第七章直流調(diào)速系統(tǒng)

當(dāng)運(yùn)算放大器的反相輸入端有兩個(gè)輸入信號(hào)時(shí)，如圖7－10(a)所示，由于A點(diǎn)的∑I＝0，可得

此時(shí)，輸出量為當(dāng)Z01=Z02時(shí),

用結(jié)構(gòu)圖可以表示為圖7－10(b)和(c)?？梢?jiàn)，運(yùn)算放大器具有信號(hào)綜合的作用。7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.2.1閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)常用調(diào)節(jié)器第七章直流調(diào)速系統(tǒng)圖7－10綜合多個(gè)信號(hào)的調(diào)節(jié)器(a)原理圖(b)結(jié)構(gòu)圖Z01≠Z02(c)結(jié)構(gòu)圖Z01=Z027.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.2.1閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)常用調(diào)節(jié)器第七章直流調(diào)速系統(tǒng)常用的典型調(diào)節(jié)器2①比例(P)調(diào)節(jié)器比例調(diào)節(jié)器如圖7－12(a)所示。傳遞函數(shù)WP(s)為

圖7－11比例調(diào)節(jié)器(a)原理圖(b)階躍響應(yīng)

這是一個(gè)純比例調(diào)節(jié)器，輸出信號(hào)以一定比例復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)，如圖7－11(b)所示。7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.2.1閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)常用調(diào)節(jié)器第七章直流調(diào)速系統(tǒng)②積分(I)調(diào)節(jié)器圖7－12(a)所示為積分調(diào)節(jié)器原理圖傳遞函數(shù)WI(s)為

圖7－12積分調(diào)節(jié)器（a）原理圖（b）階躍響應(yīng)其中τ1＝C1R0為積分時(shí)間常數(shù)。積分調(diào)節(jié)器的輸出為，其階躍響應(yīng)為Uex=（t/τ1）·Uin，是一條隨時(shí)間線(xiàn)性增長(zhǎng)的直線(xiàn)，輸出響應(yīng)如圖7－12(b)所示。7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.2.1閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)常用調(diào)節(jié)器第七章直流調(diào)速系統(tǒng)③比例積分(PI)調(diào)節(jié)器比例積分調(diào)節(jié)器如圖7－13(a)所示。階躍響應(yīng)如圖7－13(b)所示。傳遞函數(shù)WPI（s）為

圖7－13比例積分調(diào)節(jié)器（a）原理圖(b)階躍響應(yīng)式中，τ1—PI調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)τ—PI調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)Kp一PI調(diào)節(jié)器比例部分放大系數(shù)比例積分器的輸出為7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.2.1閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)常用調(diào)節(jié)器第七章直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器輔助電路3

調(diào)節(jié)器在實(shí)際應(yīng)用中往往帶有輸出限幅電路，以滿(mǎn)足電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的某些要求，輸出限幅電路有外限幅和內(nèi)限幅兩類(lèi)。圖7－14是利用二極管鉗位的外限幅電路，或稱(chēng)輸出限幅電路。圖7－14二極管鉗位的外限幅電路和封鎖電路7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.2.1閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)常用調(diào)節(jié)器第七章直流調(diào)速系統(tǒng)

外限幅電路只保證對(duì)外輸出限幅，對(duì)集成電路本身的輸出電路(C點(diǎn)電壓)并沒(méi)有限制住，只是把多余的電壓降在電阻Rlim上而已。這樣，當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出達(dá)到限幅時(shí)，PI調(diào)節(jié)器電容C1上的電壓繼續(xù)上升，直到集成電路內(nèi)的輸出級(jí)晶體管飽和為止。一旦控制系統(tǒng)需要調(diào)節(jié)器的輸出電壓從限幅值降低下來(lái)，電容上的多余電壓還需要一段放電時(shí)間，這將影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。這是外限幅電路的缺點(diǎn)。7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.2.1閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)常用調(diào)節(jié)器第七章直流調(diào)速系統(tǒng)

要避免上述缺點(diǎn)可采用內(nèi)限幅電路，或稱(chēng)反饋限幅電路。最簡(jiǎn)單的內(nèi)限幅電路是利用兩個(gè)對(duì)接穩(wěn)壓管的電路，如圖7－15(a)所示。

圖7－15內(nèi)限幅電路（a）穩(wěn)壓管鉗位的內(nèi)限幅電路（b）二極管鉗位的內(nèi)限幅電路7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.2.1閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)常用調(diào)節(jié)器第七章直流調(diào)速系統(tǒng)

當(dāng)輸出電壓Uex要超過(guò)限幅值時(shí)，馬上擊穿該方向的穩(wěn)壓管，對(duì)運(yùn)算放大器產(chǎn)生強(qiáng)烈的反饋?zhàn)饔茫筓ex回到限幅值。穩(wěn)壓管限幅電路雖然簡(jiǎn)單，但要調(diào)整限幅值時(shí)必須更換穩(wěn)壓管，是其不足之處。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，可以采用如圖7－15(b)所示的二極管鉗位的內(nèi)限幅電路。②封鎖電路

帶有積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)器在實(shí)際應(yīng)用中，在零輸入條件下往往出現(xiàn)漂移，引起傳動(dòng)系統(tǒng)“爬行”。為了防止漂移輸出引起傳動(dòng)系統(tǒng)的誤動(dòng)作，常在積分反饋支路上并聯(lián)一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)開(kāi)關(guān)管VT。7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.2.1閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)常用調(diào)節(jié)器第七章直流調(diào)速系統(tǒng)③輸入濾波電路含輸入濾波電路的PI調(diào)節(jié)器如圖7－16(a)所示。

圖7－16含濾波輸入的PI調(diào)節(jié)器（a）原理圖（b）結(jié)構(gòu)圖7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.2.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)第七章直流調(diào)速系統(tǒng)

開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)一定范圍的無(wú)級(jí)調(diào)速，而且開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但在實(shí)際中許多要求無(wú)級(jí)調(diào)速的工作機(jī)械常要求較高的調(diào)速性能指標(biāo)。開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿(mǎn)足高性能工作機(jī)械對(duì)性能指標(biāo)的要求。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)不能滿(mǎn)足靜態(tài)指標(biāo)的原因是靜態(tài)速降太大，即負(fù)載變化時(shí)，轉(zhuǎn)速變化太大。根據(jù)反饋控制原理，要穩(wěn)定哪個(gè)參數(shù)，就引入哪個(gè)參數(shù)的負(fù)反饋，與恒值給定相比較，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，因此必須引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.2.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)第七章直流調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)組成及靜特性1反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)，其原理圖如圖7－17所示。圖7－17單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)原理圖7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.2.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)第七章直流調(diào)速系統(tǒng)

為了突出主要矛盾，在分析系統(tǒng)靜特性時(shí)，先作如下假定：①忽略各種非線(xiàn)性因素，假定各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線(xiàn)性的；②假定系統(tǒng)只工作在V－M系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)械特性的連續(xù)段；③忽略直流電源及電位器內(nèi)阻。這樣，圖7－17所示系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的關(guān)系如下：電壓比較環(huán)節(jié)放大器晶閘管觸發(fā)整流裝置V-M系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)械特性測(cè)速發(fā)電機(jī)7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.2.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)第七章直流調(diào)速系統(tǒng)由上述關(guān)系式，可得閉環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖7－18所示。圖7－18單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖由靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖可求得轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.2.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)第七章直流調(diào)速系統(tǒng)下面比較一下開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性。如果斷開(kāi)圖7－18所示系統(tǒng)的反饋回路，則相應(yīng)的開(kāi)環(huán)機(jī)械特性為而閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性可寫(xiě)成

通過(guò)對(duì)比得出，閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性的硬度大大提高；對(duì)于相同理想空載轉(zhuǎn)速，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多；閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。但是要取得上述優(yōu)點(diǎn)，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.2.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)第七章直流調(diào)速系統(tǒng)

調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)壓降是由電樞回路電阻壓降引起的，系統(tǒng)閉環(huán)后這個(gè)電阻并沒(méi)有減少，那么閉環(huán)系統(tǒng)靜特性變硬的實(shí)質(zhì)是什么呢?7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.2.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)第七章直流調(diào)速系統(tǒng)該轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有以下三個(gè)基本特征：具有比例調(diào)節(jié)器的反饋閉環(huán)系統(tǒng)是有靜差的；1反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗干擾性能，它對(duì)于被負(fù)反饋環(huán)包圍的前向通道上的一切擾動(dòng)作用都能有效地加以抑制；2反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)給定信號(hào)和檢測(cè)裝置中的擾動(dòng)無(wú)能為力。37.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.2.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)第七章直流調(diào)速系統(tǒng)單閉環(huán)有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性2

根據(jù)系統(tǒng)原理圖7－17和靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖7－18，可得出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖7－21所示。圖7－21單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

綜上分析，單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)，靜特性變硬，在一定靜差率要求下調(diào)速范圍變寬，而且系統(tǒng)具有良好的抗干擾性能。但該系統(tǒng)存在兩個(gè)問(wèn)題，一是系統(tǒng)的靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的矛盾，二是啟動(dòng)時(shí)沖擊電流太大。7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.2.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)第七章直流調(diào)速系統(tǒng)其他單閉環(huán)有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)3

我們知道，如果忽略電樞壓降，則直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速近似與電樞電壓成正比，所以，對(duì)調(diào)速要求不高的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以采用電壓負(fù)反饋的調(diào)速系統(tǒng)，其原理圖和靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖7－22(a)、(b)所示。

圖7－22電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)(a)原理圖(b)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.2.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)第七章直流調(diào)速系統(tǒng)

電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)速降比同等放大系數(shù)的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)要大一些，靜態(tài)性能要差一些。為了彌補(bǔ)電壓負(fù)反饋靜態(tài)速降相對(duì)較差的不足，在采用電壓負(fù)反饋的基礎(chǔ)上，再增加電流正反饋，其原理圖和靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖7－23(a)、(b)所示。圖7－23帶電流正反饋的電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)(a)原理圖(b)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.2.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)第七章直流調(diào)速系統(tǒng)由靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以看出，當(dāng)負(fù)載增大使靜態(tài)速降增加時(shí)，電流反饋信號(hào)也增大，通過(guò)正反饋?zhàn)饔檬拐麟妷篣d增加，從而補(bǔ)償了轉(zhuǎn)速的降落。如果參數(shù)選擇得合適，可以使靜差非常之小，甚至無(wú)差。這種控制稱(chēng)為“補(bǔ)償控制”，由于電流的大小反映了負(fù)載擾動(dòng)，又叫做負(fù)載擾動(dòng)量的補(bǔ)償控制。它只能補(bǔ)償負(fù)載擾動(dòng)，對(duì)于其他擾動(dòng)，它所起的作用可能是壞的。而負(fù)反饋控制對(duì)一切包在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動(dòng)都起抑制作用。另外，補(bǔ)償控制完全依賴(lài)于參數(shù)的配合，當(dāng)參數(shù)受溫度等因素的影響而發(fā)生變化時(shí)，補(bǔ)償作用就會(huì)受影響。因此全面地看，補(bǔ)償控制不如反饋控制好。7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.2.3無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)概述及積分控制規(guī)律第七章直流調(diào)速系統(tǒng)

積分調(diào)節(jié)器的輸出等于輸入量的累積，當(dāng)輸入量等于零時(shí)，輸出量維持為某一值，也就是說(shuō)積分調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)輸出不靠輸入量來(lái)維持。由于積分控制不僅靠偏差本身，還能靠偏差的累積，其積分為

穩(wěn)態(tài)時(shí)控制電壓可以不靠偏差來(lái)維持，因而積分控制的系統(tǒng)是無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)。但是積分控制的系統(tǒng)，在動(dòng)態(tài)時(shí)是有誤差的。7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.2.3無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)概述及積分控制規(guī)律第七章直流調(diào)速系統(tǒng)

積分調(diào)節(jié)器固然能使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)無(wú)靜差，但它的動(dòng)態(tài)響應(yīng)卻太慢了。與此相反，采用比例調(diào)節(jié)器雖然有靜差，動(dòng)態(tài)反應(yīng)卻較快。如果既要靜態(tài)準(zhǔn)，又要響應(yīng)快，可以將兩者結(jié)合起來(lái)，采用比例—積分調(diào)節(jié)器。采用PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)如圖7－24所示。圖7－24無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)原理圖7.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)7.2.3無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)概述及積分控制規(guī)律第七章直流調(diào)速系統(tǒng)

下面分析一下比例－積分調(diào)節(jié)器構(gòu)成的無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)的抗負(fù)載擾動(dòng)過(guò)程。圖7－25給出了無(wú)靜差系統(tǒng)的抗負(fù)載擾動(dòng)過(guò)程。圖7－25無(wú)靜差系統(tǒng)的抗擾動(dòng)過(guò)程最后要說(shuō)明兩點(diǎn)：①無(wú)靜差系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仍是有差的；②嚴(yán)格來(lái)說(shuō)“無(wú)靜差”只是理論上的。7.3帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)7.3.1電流截止負(fù)反饋的引入第七章直流調(diào)速系統(tǒng)

單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在的另一個(gè)問(wèn)題是啟動(dòng)電流過(guò)大，為了解決這個(gè)問(wèn)題，系統(tǒng)中必須有自動(dòng)限制電樞電流的環(huán)節(jié)。這樣的當(dāng)電流大到一定程度時(shí)才出現(xiàn)的電流負(fù)反饋稱(chēng)為電流截止負(fù)反饋。帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)如圖7－26所示。圖7－26帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)7.3帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)7.3.2帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性第七章直流調(diào)速系統(tǒng)電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的輸入輸出特性如圖7－27所示。圖7－27電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的輸入輸出特性

當(dāng)輸入信號(hào)Ui－Uvs為正時(shí)，輸人和輸出相等；當(dāng)Ui－Uvs為負(fù)值時(shí)，輸出Ui為零。這是一個(gè)由兩段線(xiàn)性環(huán)節(jié)組成的非線(xiàn)性環(huán)節(jié)。7.3帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)第七章直流調(diào)速系統(tǒng)7.3.2帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖7－28所示。圖7－28帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖由靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以推導(dǎo)出該系統(tǒng)的靜態(tài)特性方程式。當(dāng)Id≤Idcr時(shí)，電流負(fù)反饋截止，此時(shí)有7.3帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)第七章直流調(diào)速系統(tǒng)7.3.2帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性當(dāng)Id>Idcr時(shí)，電流負(fù)反饋起作用將上面兩式畫(huà)成靜態(tài)特性曲線(xiàn)，如圖7－29所示。圖7－29帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性電流負(fù)反饋被截止時(shí)相當(dāng)于圖中n0A段，它就是閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)本身的靜態(tài)特性，顯然是比較硬的。電流負(fù)反饋起作用相當(dāng)于AB段。7.3帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)第七章直流調(diào)速系統(tǒng)7.3.3帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程

由于系統(tǒng)中有電流限制環(huán)節(jié)，所以可以突加給定電壓?jiǎn)?dòng)，啟動(dòng)過(guò)程如圖7－30(a)所示。理想的啟動(dòng)過(guò)程波形如圖7－30(b)所示。圖7－30調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形(a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程(b)理想快速啟動(dòng)過(guò)程

綜上所述，帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，具有一定的調(diào)速范圍和穩(wěn)態(tài)精度，同時(shí)又能限制啟動(dòng)電流和堵轉(zhuǎn)工作，線(xiàn)路簡(jiǎn)單，調(diào)整方便，很有實(shí)用價(jià)值，但是系統(tǒng)的啟動(dòng)過(guò)程不理想。7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例第七章直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)反饋控制系統(tǒng)步驟：總體設(shè)計(jì)基本部件選擇靜態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)建立動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型分析穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能總體設(shè)計(jì)基本部件選擇靜態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例第七章直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)校正方法有許多種，在調(diào)速系統(tǒng)中常用串聯(lián)校正和反饋校正，它們可以很容易地利用由運(yùn)算放大器構(gòu)成的有源校正調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常采用經(jīng)典控制理論中的頻率特性法來(lái)設(shè)計(jì)校正環(huán)節(jié)，基本思路是：根據(jù)工作機(jī)械和工藝要求確定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能指標(biāo)；然后，根據(jù)性能指標(biāo)求得相應(yīng)的預(yù)期開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性；最后，比較預(yù)期開(kāi)環(huán)頻率特性和基本系統(tǒng)的頻率特性，從而確定校正環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。1237.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例第七章直流調(diào)速系統(tǒng)

以龍門(mén)刨床為例，其工作臺(tái)拖動(dòng)系統(tǒng)采用V－M直流調(diào)速系統(tǒng)。其中，直流電機(jī)的額定參數(shù)為60kW、220V、305A、I000r/min，電樞電阻Ra=0.066Ω，電機(jī)過(guò)載系數(shù)為λ=1.5。晶閘管變流裝置采用三相橋式電路，其放大系數(shù)為ks=Ud/Uct=30，V－M系統(tǒng)主回路總電阻為R＝0.18Ω，總電感為2.16mH。測(cè)速發(fā)電機(jī)為永磁式直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，額定參數(shù)為23.1W、110V、0.21A、1900r/min。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)總飛輪矩GD2=78N·m2，控制電路采用±15V電源。試設(shè)計(jì)閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)達(dá)到靜態(tài)指標(biāo)D=20，s≤5%，動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)γ=60o，并使系統(tǒng)可以在階躍給定信號(hào)下直接啟動(dòng)。7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例第七章直流調(diào)速系統(tǒng)第一步，靜態(tài)設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)所要求的靜態(tài)性能指標(biāo)為有差，系統(tǒng)在階躍給定信號(hào)下可直接啟動(dòng)，故先考慮采用比例調(diào)節(jié)器的帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電流負(fù)反饋不作用，因此設(shè)計(jì)時(shí)先不考慮電流截止環(huán)節(jié)，求滿(mǎn)足靜態(tài)性能指標(biāo)要求的調(diào)節(jié)器參數(shù)，再設(shè)計(jì)電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)。(1)根據(jù)性能指標(biāo)要求，求系統(tǒng)允許的速降。系統(tǒng)允許的速降為7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例第七章直流調(diào)速系統(tǒng)

(2)根據(jù)△nCL求開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)K。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)降△nop和閉環(huán)系統(tǒng)速降△ncl的關(guān)系為先求△nop，根據(jù)開(kāi)環(huán)機(jī)械特性而其中于是有7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例第七章直流調(diào)速系統(tǒng)所以因?yàn)椋瑸榱饲笳{(diào)節(jié)器放大系數(shù)Kp，須先求轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。(3)轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)參數(shù)計(jì)算。由圖7－26可知，轉(zhuǎn)速反饋電壓Un是經(jīng)過(guò)測(cè)速發(fā)電機(jī)TG和電位器RP2得到的，于是測(cè)速反饋系數(shù)為式中——測(cè)速反饋系數(shù)；——電位器電阻比值；——測(cè)速發(fā)電機(jī)傳遞系數(shù)，它是測(cè)速發(fā)電機(jī)額定電壓和額定轉(zhuǎn)速的比值，即KTG＝110/1900＝0.0579V·min/r7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例第七章直流調(diào)速系統(tǒng)

若取=0.2，則電機(jī)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速1000r/min時(shí)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速反饋電壓Un為

對(duì)于閉環(huán)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速給定電壓應(yīng)稍大于轉(zhuǎn)速反饋電壓Un。由于給定的控制電源為15V，若取，計(jì)算額定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)速反饋電壓為11.58V。因此，這樣的選擇系統(tǒng)可在額定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行，并可在額定轉(zhuǎn)速以下實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。此時(shí)，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)為an＝0.2×0.0579＝0.0116V·min/r所以，取KP=60。7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例第七章直流調(diào)速系統(tǒng)

(4)電流截止環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)。根據(jù)前面對(duì)電流截止負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)的分析，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UVS決定了臨界截止電流對(duì)應(yīng)的電流反饋電壓Udcr，而Udcr＝βiIdcr。取臨界截止電流Idcr＝1.2Inom。電流反饋系數(shù)βi=Ui/Id，調(diào)節(jié)電位器RP3，可以調(diào)節(jié)βi。由于控制電源電壓為±15V，電樞電流為最大值(即堵轉(zhuǎn)電流)時(shí)，電流反饋電壓Ui應(yīng)該小于電源電壓。假設(shè)調(diào)節(jié)電位器RP3，使Id=Idb1時(shí)，Ui＝10V，則電流反饋系數(shù)為βi=Ui/Idb1＝Ui/λInom＝10/1.5×305＝0.022V/A。于是穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值為UVS＝Idcr·βi＝1.2×305×0.022＝8V7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例第七章直流調(diào)速系統(tǒng)第二步，動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。(1)系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析。考慮負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖7－21所示，根據(jù)勞斯判據(jù)，可得閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的條件為式(7－15)，即而所設(shè)計(jì)系統(tǒng)中機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm、電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)T1、晶閘管變流裝置平均滯后時(shí)間TS分別為7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例第七章直流調(diào)速系統(tǒng)于是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件為

根據(jù)第一步靜態(tài)設(shè)計(jì)中的分析，要滿(mǎn)足D＝20，s<5%的靜態(tài)性能指標(biāo)，K必須大于103.6。顯然靜態(tài)設(shè)計(jì)中根據(jù)K>103.6設(shè)計(jì)比例調(diào)節(jié)器所構(gòu)成的系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，必須作動(dòng)態(tài)校正。

(2)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)校正。這里將采用開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性設(shè)計(jì)串聯(lián)校正調(diào)節(jié)器。由圖7－21可知，經(jīng)過(guò)靜態(tài)設(shè)計(jì)后滿(mǎn)足靜態(tài)性能指標(biāo)的負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例第七章直流調(diào)速系統(tǒng)圖7－21單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例第七章直流調(diào)速系統(tǒng)而于是閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為相應(yīng)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性如圖7－31中曲線(xiàn)①所示。其中三個(gè)轉(zhuǎn)折頻率分別為7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例第七章直流調(diào)速系統(tǒng)圖7－31閉環(huán)系統(tǒng)的串聯(lián)校正而20lgK=20lg103.6＝40.3dB，由圖7－31可以求出截止頻率，相角裕量為由此也可得出系統(tǒng)不穩(wěn)定的結(jié)論。7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例第七章直流調(diào)速系統(tǒng)

①被校正系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)福頻特性；②校正后系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性；③校正環(huán)節(jié)的對(duì)數(shù)福頻特性在負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)串聯(lián)校正常用PI(或滯后)、PD(或超前)、PID(或滯后－超前)之類(lèi)調(diào)節(jié)器。由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，但以犧牲快速性換取系統(tǒng)的穩(wěn)定性；用PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成超前校正可以提高穩(wěn)定裕量，并獲得足夠的快速性，但會(huì)影響穩(wěn)態(tài)精度；用PID調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)滯后－超前校正則兼有二者的優(yōu)點(diǎn)，可以全面提高系統(tǒng)性能，但調(diào)節(jié)器線(xiàn)路相對(duì)復(fù)雜，調(diào)試比較麻煩。7.4閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例第七章直流調(diào)速系統(tǒng)

一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性為主，對(duì)快速性要求不高，經(jīng)常采用PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成串聯(lián)滯后校正，其傳遞函數(shù)為

調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方法靈活多樣，有時(shí)需要反復(fù)試湊才能得到滿(mǎn)意的結(jié)果。針對(duì)本例