單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

演示文稿單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)目前一頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)（優(yōu)選）單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)目前二頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)8.1直流調(diào)速系統(tǒng)概述目前三頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)一、什么是調(diào)速電動(dòng)機(jī)是用來拖動(dòng)某種生產(chǎn)機(jī)械的動(dòng)力設(shè)備，所以需要根據(jù)工藝要求調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速。比如：在加工毛坯工件時(shí)，為了防止工件表面對(duì)生產(chǎn)刀具的磨損，因此加工時(shí)要求電機(jī)低速運(yùn)行；而在對(duì)工件進(jìn)行精加工時(shí)，為了要縮短加工時(shí)間，提高產(chǎn)品的成本效益，因此加工時(shí)要求電機(jī)高速運(yùn)行。所以，我們就將調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)生產(chǎn)要求的過程就稱之為調(diào)速；而用于完成這一功能的自動(dòng)控制系統(tǒng)就被稱為是調(diào)速系統(tǒng)。目前調(diào)速系統(tǒng)分交流和直流調(diào)速系統(tǒng)，由于直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍廣，靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動(dòng)態(tài)性能。因此在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)，高性能的調(diào)速系統(tǒng)幾乎都采用了直流調(diào)速系統(tǒng)。但近年來，隨著電子工業(yè)與技術(shù)的發(fā)展，高性的交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用范圍逐擴(kuò)大并大有取代直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展趨勢。但作為一個(gè)延用了近百年的調(diào)速系統(tǒng)，了解其基本的工作原理，并加深對(duì)自動(dòng)控制原理的理解還是有必要的。目前四頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)二、調(diào)速控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)在前幾章中我們學(xué)過，各種自動(dòng)化生產(chǎn)機(jī)械或系統(tǒng)所提出的性能指標(biāo)一般都可以分成穩(wěn)態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)來說也不例外，只是它作為一個(gè)特定的系統(tǒng)，其穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)有著具體而明確定義。穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：主要是要求系統(tǒng)能在最高和最低轉(zhuǎn)速內(nèi)進(jìn)行平滑調(diào)節(jié)，并且在不同轉(zhuǎn)速下工作時(shí)能穩(wěn)定運(yùn)行，而在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，盡量少受負(fù)載變化及電源電壓波動(dòng)的影響。因此它的指標(biāo)就是調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍和靜差率。動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：主要是平穩(wěn)性和抗干擾能力。目前五頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)調(diào)速范圍生產(chǎn)機(jī)械在額定負(fù)載時(shí)要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速nmax與最低轉(zhuǎn)速nmin之比稱為調(diào)速范圍，用D表示。即：靜差率（表征轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度）調(diào)速系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到規(guī)定負(fù)載時(shí)，所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落Δn與理想轉(zhuǎn)速n0之比，用s表示。即：兩者之間的關(guān)系是：目前六頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：式中：U為他勵(lì)電動(dòng)的電樞電壓

I為電樞電流

E為電樞電動(dòng)勢

R為電樞回路的總電阻

n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速

Φ為勵(lì)磁磁通

CE為由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢系數(shù)他勵(lì)直流電機(jī)的調(diào)速方案（8-1）目前七頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)

由式（8-1）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U（2）減弱勵(lì)磁磁通（3）改變電樞回路電阻R目前八頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)調(diào)壓調(diào)速工作條件：保持勵(lì)磁

=N

；保持電阻R=Ra調(diào)節(jié)過程：改變電壓UN

Un，n0調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線目前九頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)調(diào)阻調(diào)速工作條件：保持勵(lì)磁

=N；保持電壓U=UN

；調(diào)節(jié)過程：增加電阻Ra

Rn，n0不變；調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。（斜率較大，特性較軟）nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線目前十頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)調(diào)磁調(diào)速工作條件：保持電壓U=UN

；保持電阻R=Ra

；調(diào)節(jié)過程：減小勵(lì)磁N

n，n0調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線變軟。nn0OTeTL

N

1

2

3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線目前十一頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)三種調(diào)速方法的性能與比較

對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。目前十二頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)用晶閘管觸發(fā)整流整流電路實(shí)現(xiàn)電樞電壓可調(diào)，從而達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。這就是所謂的電源—電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V—M）系統(tǒng)，它屬于開環(huán)系統(tǒng)。目前十三頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)而由已知條件并設(shè)系統(tǒng)電流連續(xù)，則其額定轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)速降為：例：某電源—電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)，已知電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為n=1000r/min，額定電流IN=305A，主回路電阻R=0.18Ω，CeΦN=0.2，若要求電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍D=20，sn<5%，則該調(diào)速系統(tǒng)是否能滿足要求？解：如果要滿足D=20，Sn<5%的要求，則其在額定條件下的轉(zhuǎn)速降為：目前十四頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)由此例不難發(fā)現(xiàn)，象這樣的電源——電動(dòng)機(jī)所組成的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，是沒有能力完成其調(diào)速指標(biāo)的。要把額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降從開環(huán)系統(tǒng)中的274.5降低到滿足要求的2.63就必須采用負(fù)反饋，這也就構(gòu)成了我們所謂的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)——轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速。而靜差率為：目前十五頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)

開環(huán)系統(tǒng)存在的問題

開環(huán)系統(tǒng)只適用用于對(duì)調(diào)速精度要求不高的場合，但許多需要無級(jí)調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械為了保證加工精度，常常對(duì)調(diào)速精度提出一定的要求，這時(shí)，開環(huán)調(diào)速已不能滿足要求。解決思路：引入反饋控制思想（提出閉環(huán)的必要性）反饋的手段目前十六頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖目前十七頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)8.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

（一）系統(tǒng)組成目前十八頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)（二）閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性方程假定：

1）忽略各種非線性因素，假定系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性的，或者只取其線性工作段。

2）忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻開環(huán)機(jī)械特性：開環(huán)機(jī)械特性曲線閉環(huán)靜特性方程：目前十九頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：

比較環(huán)節(jié)

放大器觸發(fā)和整流裝置

電機(jī)端電壓方程測速反饋環(huán)節(jié)

電動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)目前二十頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)

從上述六個(gè)關(guān)系式中消去中間變量，整理后，即得轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式

靜特性方程式中K為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)（增益）目前二十一頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)

閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖Ⅱ目前二十二頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)只考慮給定作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)只考慮擾動(dòng)作用-IdR時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)U*nKpKs

1/CeUc?UnnUd0Un+-+KpKs

1/Ce-IdRnUd0+-E利用疊加原理得目前二十三頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)注意

閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，它在形式上與開環(huán)機(jī)械特性相似，但本質(zhì)上卻有很大不同，故定名為“靜特性”，以示區(qū)別。目前二十四頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)Id閉環(huán)靜特性n開環(huán)機(jī)械特性0Id1Id3Id2Id4OABCA′DUd4Ud3Ud2Ud1閉環(huán)加載開環(huán)加載目前二十五頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)（三）開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性為

而閉環(huán)時(shí)的靜特性可寫成

（1）閉環(huán)系統(tǒng)速降小,靜特性硬

它們的關(guān)系是

在同樣的負(fù)載擾動(dòng)下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為目前二十六頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)（2）系統(tǒng)的靜差率小,穩(wěn)速精度高

開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為（3）當(dāng)要求的靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。則得（4）要取得上述三項(xiàng)優(yōu)勢，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。

上述三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)若要有效，都取決于一點(diǎn)，即K要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。如果電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是，而對(duì)最低速靜差率的要求相同，那么：目前二十七頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)結(jié)論：閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價(jià)是，須增設(shè)電壓放大器以及檢測與反饋裝置。

降低速降的實(shí)質(zhì)是什么?目前二十八頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖目前二十九頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程0閉環(huán)靜特性開環(huán)機(jī)械特性0Id1Id3Id2Id4OABCA′DUd4Ud3Ud2Ud1n目前三十頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)

閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實(shí)質(zhì)在于它的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變電樞電壓，以補(bǔ)償電樞回路電阻壓降。

閉環(huán)系統(tǒng)減小速降的物理意義目前三十一頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)在上例中，龍門刨床要求,D=20，s≤5%，已知Ks=30，=0.015V·min/r，Ce=0.2V·min/r,采用閉環(huán)系統(tǒng),如何設(shè)計(jì)放大器以滿足此要求？

例題思路:根據(jù)目前三十二頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)解在上例中已經(jīng)求得Δnop=275r/min

但為了滿足調(diào)速要求，須有Δncl=2.63r/min根據(jù)可得

即只要放大器的放大系數(shù)等于或大于46，閉環(huán)系統(tǒng)就能滿足所需的穩(wěn)態(tài)性指標(biāo)。又根據(jù)目前三十三頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)（1）具有比例調(diào)節(jié)器的閉環(huán)系統(tǒng)是有靜差有靜差與無靜差的概念因?yàn)殚]環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為

（四)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)基本性質(zhì)（2）抵抗擾動(dòng),服從給定擾動(dòng)—除給定信號(hào)外，作用在控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)上的一切會(huì)引起輸出量變化的因素都叫做“擾動(dòng)作用”。只有K=，才能使ncl=0，無靜差。而K≠,有靜差調(diào)速系統(tǒng)。目前三十四頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)

擾動(dòng)作用與影響閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動(dòng)作用

勵(lì)磁變化Id變化電源波動(dòng)Kp變化電阻變化檢測誤差KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++--

R

UsUd0nUnUnUcUd0n目前三十五頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)

給定作用

與眾不同的是，在反饋環(huán)外的給定作用，圖中的轉(zhuǎn)速給定信號(hào)，它的細(xì)微變化都會(huì)使被調(diào)量隨之變化，絲毫不受反饋?zhàn)饔玫囊种啤?/p>

因此，反饋控制系統(tǒng)對(duì)前向通道上的所有擾動(dòng)都能起抑制作用。目前三十六頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)（3）系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測精度給定精度——由于給定決定系統(tǒng)輸出，輸出精度自然取決于給定精度。因此，高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須有更高精度的給定穩(wěn)壓電源。檢測精度——反饋檢測裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無法克服的，因此檢測精度決定了系統(tǒng)輸出精度。檢測裝置好似我們的眼睛，測量的尺子目前三十七頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)

結(jié)論

反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是：一方面能夠有效地抑制一切被包在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動(dòng)作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，對(duì)給定信號(hào)的任何變化都是唯命是從的。目前三十八頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)電流截止負(fù)反饋問題的提出（一）：根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)電樞回路的平衡方程式可知，電樞電流Id為：當(dāng)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，由于存在機(jī)械慣性，所以不可能立即轉(zhuǎn)動(dòng)起來，即n=0，則其反電動(dòng)勢E=0。這時(shí)起動(dòng)電流為：它只與電樞電壓Ud和電樞電阻Ra有關(guān)。由于電樞電阻很小，所以起動(dòng)電流是很大的。為了避免起動(dòng)時(shí)的電流沖擊，在電壓不可調(diào)的場合，可采用電樞串電阻起動(dòng)，在電壓可調(diào)的場合則采用降壓起動(dòng)——在調(diào)速系統(tǒng)中如何處理。目前三十九頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)另外，有些生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)可能會(huì)遇到堵轉(zhuǎn)情況。例如由于故障造成機(jī)械軸被卡住，或挖土機(jī)工作時(shí)遇到堅(jiān)硬的石頭等。在這此情況下，由于閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性很硬，若沒有限流環(huán)節(jié)的保護(hù)，電樞電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。目前四十頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)可以通過一個(gè)電壓比較環(huán)節(jié)，使電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)只有在電流超過某個(gè)允許值(稱為閾值)時(shí)才起作用，這就是電流截止負(fù)反饋。電流截止負(fù)反饋的作用目前四十一頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的組成工作原理當(dāng)Id較小,即IdRc≤Uo時(shí)，則二極管VD截止，電流截止負(fù)反饋不起作用。挖土機(jī)特性額定電流時(shí)堵轉(zhuǎn)電流時(shí)的實(shí)際特性堵轉(zhuǎn)電流時(shí)理想特性Idn當(dāng)Id較大，即IdRc≥U0時(shí)，則二極管VD導(dǎo)通，電流截止負(fù)反饋起作用，ΔU減小，Ud下降，Id下降到允許最電流。目前四十二頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)目前四十三頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的框圖Us（S）N（S）-+Kp+T(s),負(fù)載變化+電流載止-UfnUfi由于電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)在正常工作狀況下不起作用，所以系統(tǒng)框圖上可以省去。目前四十四頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)在如圖所示的調(diào)速系統(tǒng)中，已知負(fù)載變化為：求：負(fù)載變化所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速降。若此時(shí)系統(tǒng)的給定量為：，此時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出nN。該系統(tǒng)是否能滿足5%的靜差率。Un（S）N（S）-+5+T(s),負(fù)載變化+G1G2G3目前四十五頁\總數(shù)五十四頁\編于二十點(diǎn)解：由于負(fù)載變化量是擾動(dòng)量，所以其擾動(dòng)量的誤差傳遞函數(shù)為：故系統(tǒng)攏動(dòng)量的誤差函數(shù)：當(dāng)已知系統(tǒng)攏動(dòng)量為