1、第三讲,1.4 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计,本节提要,转速控制的要求和调速指标 开环调速系统及其存在的问题 闭环调速系统的组成及其静特性 开环系统特性和闭环系统特性的关系 反馈控制规律 限流保护电流截止负反馈,1.4.1 转速控制的要求和调速指标,任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。归纳起来，对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面：,1. 控制要求,（1）调速在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地（有级）或 平滑地（无级）调节转速； （2）稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量； （3）加、减速频繁
2、起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。,2. 调速指标,调速范围：生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母 D 表示，即（1-31）,其中nmin 和nmax 一般都指电机额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的转速。,静差率：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落 nN ，与理想空载转速 n0 之比，称作静差率 s ，即,或用百分数表示,（1-32）,（1-33）,式中 nN = n0 - nN,图1-23 不同转速下的静差率,3. 静差率与
3、机械特性硬度的区别,然而静差率和机械特性硬度又是有区别的。一般调压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的 。对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。,例如：在1000r/min时降落10r/min，只占1%；在100r/min时同样降落10r/min，就占10%；如果在只有10r/min时，再降落10r/min，就占100%，这时电动机已经停止转动，转速全部降落完了。因此，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。,静差率与机械特性硬度的区别（续）,4. 调速范围、静差率和额定速
4、降之间的关系,设：电机额定转速nN为最高转速，转速降落为nN，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即,于是，最低转速为,而调速范围为,将上面的式代入 nmin，得,（1-34）,式（1-34）表示调压调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所应满足的关系。对于同一个调速系统， nN 值一定，由式（1-34）可见，如果对静差率要求越严，即要求 s 值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。,结论1：一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。,例题1-1 某直流调速系统电动机额定转速为，额定速降 nN = 115r/min，当要求静差率30%时，
5、允许多大的调速范围？如果要求静差率20%，则调速范围是多少？如果希望调速范围达到10，所能满足的静差率是多少？,解 要求30%时，调速范围为若要求20%，则调速范围只有若调速范围达到10，则静差率只能是,1.4.2 开环调速系统及其存在的问题,若可逆直流脉宽调速系统是开环调速系统，调节控制电压就可以改变电动机的转速。如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，可以找到一些用途。但是，许多需要调速的生产机械常常对静差率有一定的要求。在这些情况下，开环调速系统往往不能满足要求。,例题1-2 某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，其额定数据如下：60kW
6、、220V、305A、1000r/min，采用V-M系统，主电路总电阻，电动机电动势系数。如果要求调速范围 D = 20，静差率5%，采用开环调速能否满足？若要满足这个要求，系统的额定速降最多能有多少？,解 当电流连续时，V-M系统的额定速降为开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为这已大大超过了5%的要求，更不必谈调到最低速了。,如果要求D = 20，s 5%，则由式（1-29）可知由上例可以看出，开环调速系统的额定速降是275 r/min，而生产工艺的要求却只有2.63r/min，相差几乎百倍！由此可见，开环调速已不能满足要求，需采用反馈控制的闭环调速系统来解决这个问题。,1.4.3
7、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。,系统组成,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 TG ，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Un ，与给定电压 U*n 相比较后，得到转速偏差电压 Un ，经过放大器 A，产生电力电子变换器UPE的控制电压Uc ，用以控制电动机转速 n。,UPE的组成,图中，UPE是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三组（或
8、单相）交流电源，输出为可控的直流电压，控制电压为Uc 。,UPE的组成（续）,目前，组成UPE的电力电子器件有如下几种选择方案： 对于中、小容量系统，多采用由IGBT或P-MOSFET组成的PWM变换器； 对于较大容量的系统，可采用其他电力电子开关器件，如GTO、IGCT等； 对于特大容量的系统，则常用晶闸管触发与整流装置。,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，或者只取其线性工作段； （2）忽略控制电源和电位器的内阻。,转速负反馈直流调速系统中各环节的
9、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,测速反馈环节,稳态关系,稳态关系（续）,以上各关系式中 放大器的电压放大系数； 电力电子变换器的电压放大系数； 转速反馈系数，（Vmin/r）； UPE的理想空载输出电压； 电枢回路总电阻。,Kp,Ks,R,Ud0,从上述五个关系式中消去中间变量，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（1-35）,静特性方程,静特性方程（续）,式中 闭环系统的开环放大系数K为它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
10、为,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。,闭环系统的稳态结构框图,图1-25 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图,图中各方块内的符号代表该环节的放大系数。运用结构图运算法同样可以推出式（1-35）所表示的静特性方程式，方法如下：将给定量和扰动量看成两个独立的输入量，先按它们分别作用下的系统求出各自的输出与输入关系式,b）只考虑给定作用时的闭环系统,c）只考虑扰动作用时的闭环系统,由于已认为系统是线性的，可以把二者叠加起来，即得系统的静特性方程式（1-35）,1.4.
11、4 开环系统机械特性和闭环系统静特性 的关系,比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静特性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。如果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为,(1-36),而闭环时的静特性可写成,(1-37),比较式（1-36）和式（1-37）不难得出以下的论断：,（1）闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬得多。在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为和它们的关系是,(1-38),系统特性比较,系统特性比较（续）,（2）如果比较同一的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多。闭环系统和开环系统的静差率分别为和 当 n0op =n0cl 时，（1-39）,（3）当要求的静差率一
12、定时，闭环系统可以大大提高调速范围。如果电动机的最高转速都是nmax；而对最低速静差率的要求相同，那么：开环时， 闭环时， 再考虑式（1-38），得,(1-40),系统特性比较（续）,系统特性比较（续）,（4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。上述三项优点若要有效，都取决于一点，即 K 要足够大，因此必须设置放大器。,把以上四点概括起来，可得下述结论： 结论2：闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。,例题1-3 在例题1-2中，龙门刨床要求D = 20， s 5%，
13、已知 Ks = 30， = 0.015Vmin/r， Ce = 0.2Vmin/r，如何采用闭环系统满足此要求？,解 在上例中已经求得 nop = 275 r/min， 但为了满足调速要求，须有ncl = 2.63 r/min， 由式（1-38）可得,代入已知参数，则得即只要放大器的放大系数等于或大于46，闭环系统就能满足所需的稳态性能指标。,系统调节过程,开环系统 Id n 例如：在图1-26中工作点从A A 闭环系统 Id n Un Unn Ud0 Uc例如：在图1-26中工作点从A B,Id,闭环静特性,开环机械特性,图1-26 闭环系统静特性和开环机械特性的关系,由此看来，闭环系统能够
14、减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降。,1.4.5 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。,1. 被调量有静差,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。因为闭环系统的稳态速降为只有 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
15、是依靠被调量的偏差进行控制的。,2. 抵抗扰动, 服从给定,反馈控制系统具有良好的抗扰性能，它能有效地抑制一切被负反馈环所包围的前向通道上的扰动作用，但对给定作用的变化则唯命是从。扰动除给定信号外，作用在控制系统各环节上的一切会引起输出量变化的因素都叫做“扰动作用”。,调速系统的扰动源,负载变化的扰动（使Id变化）； 交流电源电压波动的扰动（使Ks变化）； 电动机励磁的变化的扰动（造成Ce 变化 ）； 放大器输出电压漂移的扰动（使Kp变化）； 温升引起主电路电阻增大的扰动（使R变化）； 检测误差的扰动（使变化） 。 在图1-27中，各种扰动作用都在稳态结构框图上表示出来了，所有这些因素最终都要
16、影响到转速。,扰动作用与影响,图1-27 闭环调速系统的给定作用和扰动作用,抗扰能力,反馈控制系统对被反馈环包围的前向通道上的扰动都有抑制功能。例如：Us Ud0 n Un Un n Ud0 Uc,抗扰能力（续）,但是，如果在反馈通道上的测速反馈系数受到某种影响而发生变化，它非但不能得到反馈控制系统的抑制，反而会增大被调量的误差。 例如： Un Un Uc Ud0 n因此，反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动。,给定作用,与众不同的是在反馈环外的给定作用，如图1-27中的转速给定信号，它的些微变化都会使被调量随之变化，丝毫不受反馈作用的抑制。,结论3：,反馈控制系统的规律是
17、：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。,3. 系统的精度依赖于给定和反馈检测精度,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出精度。,1.4.6 限流保护电流截止负反馈, 问题的提出： 起动的冲击电流直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电
18、流，这不仅对电机换向不利，对过载能力低的电力电子器件来说，更是不能允许的。 闭环调速系统突加给定起动的冲击电流采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压仍为零，相当于偏差电压，差不多是其稳态工作值的 1+K 倍。,问题的提出（续）,这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压一下子就达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，当然是不允许的。 堵转电流有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。例如，由于故障，机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继
19、电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。, 解决办法： 电枢串电阻起动； 引入电流截止负反馈； 加积分给定环节。本节主要讨论如何采用电流截止负反馈来限制起动电流。,电流负反馈作用机理,为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。那么，引入电流负反馈，应该能够保持电流基本不变，使它不超过允许值。,电流负反馈引入方法,仅采用电流负反馈，不要转速负反馈这种系统的静特性如图中B 线，特性很陡。显然仅对起动有利，对稳态运行不利。,Idbl,n0,A转速负反馈特性,B电
20、流负反馈特性,调速系统静特性,同时采用转速和电流负反馈,1. 电流检测与反馈 （1）电枢回路串检测电阻； （2）电枢回路接直流互感器； （3）交流电路接交流互感器； （4）采用霍尔传感器。,电流检测与反馈电路,2. 系统稳态结构如图,Ui,3. 静特性方程,（1-41）,与转速闭环控制调速系统特性方程相比，式（1-41）多了一项由电流反馈引起的转速降落。,4. 稳态特性,Idbl,0,n0,A转速负反馈特性,B电流负反馈特性,C转速电流负反馈特性,采用转速电流调速系统静特性,电流截止负反馈,考虑到，限流作用只需在起动和堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随着负载增减。如果采用某种方法，当电流
21、大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。这种方法叫做电流截止负反馈，简称截流反馈。,1. 电流截止负反馈环节,图1-29 电流截止负反馈环节,电流截止负反馈环节（续）,c) 封锁运算放大器的电流截止负反馈环节,2. 系统稳态结构,图1-30 电流截止负反馈环节的I/O特性,图1-31 带电流截止负反馈的闭环直流调速 稳态结构图,3. 静特性方程与特性曲线,由图1-31可写出该系统两段静特性的方程式。当 Id Idcr 时，电流负反馈被截止，静特性和只有转速负反馈调速系统的静特性式（1-35）相同，现重写于下（1-35）当 Id Idcr时，引入了电流
22、负反馈，静特性变成（1-41）,Idbl,Idcr,n0,A,B,图1-32 带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性,静特性两个特点,（1）电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻 Kp Ks Rs ，因而稳态速降极大，特性急剧下垂。（2）比较电压 Ucom 与给定电压 Un* 的作用一致，好象把理想空载转速提高到（1-42）,这样的两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性。当挖土机遇到坚硬的石块而过载时，电动机停下，电流也不过是堵转电流，在式（1-41）中，令 n = 0，得（1-43） 一般 Kp Ks Rs R，因此（1-44）,4. 电流截止负反馈环节参数设计,Idbl应小于电机允许的最大电流，一般取 Idbl =（1.52） IN从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取Idcr （1.11.2）IN,作业,P:50 1- 3 1- 6 补充题:试说明为什么PWM直流调速系统中的直流斩波电路具有与V-M系统可控整流电路相同的传递函数?它们又有什么区别?,
