【教学课件】第1篇直流调速系统.ppt

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1、 Motion Control System南京理工大学自动化学院Nanjing University of Science&TechnologyDepartment of Automation第1篇 直流调速系统Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统运动控制系统运用最普遍：运动控制系统运用最普遍：自动调速系统自动调速系统直流电动机直流电动机是最古老的电动机是最古老的电动机 也是控制性能最好的电动机也是控制性能最好的电动机第1篇 直流调速系统重要性及必要性重要性及必要性Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统直流电动机的优点直流

2、电动机的优点：具有极好的运行性能和控制特性，：具有极好的运行性能和控制特性，良好的起、制动性能，易于在广范围内平滑调速。良好的起、制动性能，易于在广范围内平滑调速。应用应用：在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、：在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到广范应用。长期以来直流调速电力拖动的领域中得到广范应用。长期以来直流调速系统一直占据垄断地位。系统一直占据垄断地位。第1篇 直流调速系统引言引言Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统直流电机的工作原

3、理和主要结构直流电机的工作原理和主要结构第1篇 直流调速系统1 1、直流电机的物理模型图解及基本结构、直流电机的物理模型图解及基本结构Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统2 2、直流电机的工作原理：、直流电机的工作原理：第1篇 直流调速系统Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统第1篇 直流调速系统Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统 将直流电动机的工作原理归结如下：将直流电动机的工作原理归结如下：将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流流过

4、有电流流过。电机内部电机内部有磁场存在有磁场存在。载流的转子（即电枢）导体将受到载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力电磁力 f f 的作用的作用 f=f=BliBlia a （左手定则）左手定则）所有导体产生的电磁力作用于转子，使转子以所有导体产生的电磁力作用于转子，使转子以n(n(转转/分分)旋转。旋转。第1篇 直流调速系统Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统直流电动机的等效电路图直流电动机的等效电路图M+_ _0dUdIRL+_ _E En nLTeT第1篇 直流调速系统瞬时电压平衡方程式：瞬时电压平衡方程式：Motion Control System第

5、1章 速度闭环控制的调速系统n0nNTNTn n当当 T T 时时-n n 机械机械特性曲线图特性曲线图第1篇 直流调速系统机械特性：机械特性：当当Ud0不变时，转速随电磁转矩变化而变化的规律不变时，转速随电磁转矩变化而变化的规律Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统：工作机械系统折算到电动机轴上的总转动惯量。：工作机械系统折算到电动机轴上的总转动惯量。：电动机的角速度：电动机的角速度：电动机提供的电磁转矩（动力转矩）：电动机提供的电磁转矩（动力转矩）：负载对运动力的反抗作用表现为负载转矩：负载对运动力的反抗作用表现为负载转矩 （阻力转矩）（阻力转矩）运动平衡

6、方程：运动平衡方程：Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统系统加速系统加速系统减速系统减速系统恒速系统恒速Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统 稳定运行的含义稳定运行的含义：（1）使系统以一定的速度匀速运转；）使系统以一定的速度匀速运转；（2）系统受到干扰转速稍有变化时，应保证干扰消）系统受到干扰转速稍有变化时，应保证干扰消 除后仍能以原来的转速运行。除后仍能以原来的转速运行。要使系统稳定运行，必须使电动机的电磁转矩和负要使系统稳定运行，必须使电动机的电磁转矩和负载转矩大小相等，方向相反，相互平衡。即载转矩大小相等，方向相反

7、，相互平衡。即直直流电动机稳定运行时的电压平衡方程：流电动机稳定运行时的电压平衡方程：Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统机械特性：机械特性：负载的机械特性（工作特性）：负载的机械特性（工作特性）：同一轴上负载转矩与转速之间的关系。同一轴上负载转矩与转速之间的关系。电动机的机械特性：电动机的机械特性：电动机的转速与电磁转矩的之间的关系。电动机的转速与电磁转矩的之间的关系。n0nNTLTn n斜率大，特性软斜率大，特性软斜率小，特性硬斜率小，特性硬Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统直流调速方法：直流调速方法：根据直流电动机

8、转速方程：根据直流电动机转速方程：nUd0IdRKe式中式中 转速（转速（r/minr/min）；）；电枢电压（电枢电压（V V）；）；电枢电流（电枢电流（A A）；）；电枢回路总电阻（电枢回路总电阻（）；）；励磁磁通（励磁磁通（WbWb）；）；由电机结构决定的电动势常数；由电机结构决定的电动势常数；电机在恒定磁通下的电动势转速比电机在恒定磁通下的电动势转速比第1篇 直流调速系统CeMotion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统有三种方法可以调节电动机的转速：有三种方法可以调节电动机的转速：（1 1）调节电枢供电电压）调节电枢供电电压 Ud0；（2 2）减弱励磁磁通）

9、减弱励磁磁通 ；（3 3）改变电枢回路电阻）改变电枢回路电阻 R ；第1篇 直流调速系统Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统（1 1）调压调速）调压调速 工作条件：工作条件：保持励磁保持励磁 =N ；保持电阻保持电阻 R=Ra 调节过程：调节过程：改变电压改变电压 UN U U n ，n0 调速特性：调速特性：转速下降，机械特性曲线平行转速下降，机械特性曲线平行 下移。下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线调压调速特性曲线第1篇 直流调速系统Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统（2 2）

10、调阻调速）调阻调速工作条件：工作条件：保持励磁保持励磁 =N ；保持电压保持电压 U=UN ；调节过程：调节过程：增加电阻增加电阻 Ra R R n ，n0不变；不变；调速特性：调速特性：转速下降，机械特性曲线变软。转速下降，机械特性曲线变软。OIILnn0R aR 1R 2R 3nNn1n2n3调阻调速特性曲线调阻调速特性曲线第1篇 直流调速系统Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统（3 3）调磁调速）调磁调速工作条件：工作条件：保持电压保持电压 U=UN ；保持电阻保持电阻 R=Ra ；调节过程：调节过程：减小励磁减小励磁 N n ，n0 调速特性：调速特

11、性：转速上升，机械特性曲线变软。转速上升，机械特性曲线变软。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3调压调速特性曲线调压调速特性曲线第1篇 直流调速系统Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统三种调速方法的性能与比较：三种调速方法的性能与比较：对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节调节电枢供电电压的方式为最好电枢供电电压的方式为最好。改变。改变电阻只能有级调速电阻只能有级调速；减；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基

12、速（额定转速）以上作小范围的弱磁升合调压方案，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。速。因此，因此，自动控制的直流调速系统往往以自动控制的直流调速系统往往以调压调速调压调速为主。为主。第1篇 直流调速系统 Motion Control System南京理工大学自动化学院Nanjing University of Science&TechnologyDepartment of Automation第第1 1章速度闭环控制的调速系统章速度闭环控制的调速系统Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统本本 章章 提提 要要 速度闭环调速系统的组成及其静特性速度闭环调速

13、系统的组成及其静特性 转速控制的要求和调速指标转速控制的要求和调速指标无静差调速系统和比例、积分控制规律无静差调速系统和比例、积分控制规律 电压负反馈电流补偿控制的调速系统电压负反馈电流补偿控制的调速系统Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统1.1 1.1 速度闭环调速系统的组成及其静特性速度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。正偏差的作用。调速系统

14、的调速系统的转速降落转速降落正是正是由负载引起的转速偏差由负载引起的转速偏差，显然，引，显然，引入转速闭环将使调速系统应该能够入转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转速降落大大减少转速降落。1.1.1 1.1.1 系统组成及其静特性系统组成及其静特性Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统a)a)调节原理调节原理 在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同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

15、轴安装一台测速发电机 SF，从而引出与被调量转速，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压成正比的负反馈电压 ，与给定电压，与给定电压 相比较后，相比较后，得到转速偏差电压得到转速偏差电压 ，经放大器，经放大器FD放大后产生触发放大后产生触发装置装置CF的控制电压的控制电压 ，用以调节晶闸管的触发导通，用以调节晶闸管的触发导通角，从而控制电动机的转速角，从而控制电动机的转速 。Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统KGAVTTRa)u1u2uVTudidqwtp2pwwwwt0tttu2uguduVT0b)c)d)e)00晶闸管原理晶闸管原理Motion Con

16、trol System第1章 速度闭环控制的调速系统b)b)稳态分析条件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：转速降落。为了突出主要矛盾，先作如下的假定：1 1）忽略各种非线性因素，假定系统中各环节的输入输出关）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；系都是线性的；2 2）假定系统开环机械特性是连续的；）假定系统开环机械特性是连续的；2 2）忽略控制电源和电位器的内阻。）忽略控制电源和电位器的内阻。Motion Control System第1章 速

17、度闭环控制的调速系统 c)c)稳态关系稳态关系 转速负反馈直流调速系统中各环节的转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系稳态关系如下：如下：电压比较环节电压比较环节 放大器放大器 电力电子变换器电力电子变换器 调速系统开环机械特性调速系统开环机械特性 测速反馈环节测速反馈环节 Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统其中，其中，放大器电压放大倍数放大器电压放大倍数 触发器和晶闸管整流装置的电压放大倍数触发器和晶闸管整流装置的电压放大倍数 测速反馈系数测速反馈系数 理想空载整流电压的平均值理想空载整流电压的平均值 主回路总的等效电阻，主回路总的等效电阻，包括整流装

18、置内阻、电机电枢电阻包括整流装置内阻、电机电枢电阻 和平波电抗器内阻和平波电抗器内阻Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统根据各环节的稳态关系式可以根据各环节的稳态关系式可以画出闭环系统的稳态结构图：画出闭环系统的稳态结构图：KpKs 1/CeUgdUkUEnUd0Uf+-IdR-Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统d)d)静特性方程静特性方程闭环系统电动机转速与负载电流的稳态关系，称为闭环系统电动机转速与负载电流的稳态关系，称为静特性。静特性。从前述五个关系式中消去中间变量，整理后，即得转速负反从前述五个关系式中消去中间变

19、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：馈闭环直流调速系统的静特性方程式：闭环系统的开环放大系数闭环系统的开环放大系数Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统式中，式中，闭环系统的开环放大系数闭环系统的开环放大系数K K 为：为：含义：相当于在测速反馈电位器输出端把反馈回路断开后，含义：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，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。是各环节单独的放大系数的乘积。电动机环节放大系数为：电动机环节放大系数为：Moti

20、on Control System第1章 速度闭环控制的调速系统 注意：注意：注意：注意：闭环调速系统的闭环调速系统的静特性静特性表示闭环系统电动机转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，上与开环机械特性相似，但本质上却有很大不同，故定名为故定名为“静特性静特性”，以示区别。，以示区别。Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统闭环调速系统的闭环调速系统的静特性：静特性：表示闭环系统电动机转速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。与负

21、载电流（或转矩）间的稳态关系。开环机械特性开环机械特性：在：在 恒定的情况下，电动机转速与恒定的情况下，电动机转速与负载电流的稳态关系。负载电流的稳态关系。开环机械特性开环机械特性 闭环系统的静特性闭环系统的静特性Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统1.1.1 1.1.1 反馈控制规律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，转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有以下它具有以下三个基本特征三个基本特征，也就是反馈控制的基本，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规律，各种不另加其他调节器的基本反馈控制系

22、统都服从于这些规律。都服从于这些规律。Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统1.1.应用比例调节器的闭环系统是有静差的控制系统应用比例调节器的闭环系统是有静差的控制系统从静特性分析中可以看出，由于采用了比例放大器，闭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环系统的开环放大系数K K 值越大，系统的稳态性能越好。值越大，系统的稳态性能越好。然而，然而，K Kp p=常数，稳态速差就只能减小，却不可能消除。常数，稳态速差就只能减小，却不可能消除。只有只有 K=K=，才能使，才能使 n nclcl =0=0，而这是不可能的。因，而这是不可

23、能的。因此，这样的调速系统叫做有静差调速系统。实际上，这此，这样的调速系统叫做有静差调速系统。实际上，这种系统正是依靠被调量的偏差进行控制的。种系统正是依靠被调量的偏差进行控制的。Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统 反馈控制系统一方面能够有效地反馈控制系统一方面能够有效地抑制抑制一切被包在负一切被包在负反馈环内前向通道上的反馈环内前向通道上的扰动作用扰动作用；另一方面，则紧紧地；另一方面，则紧紧地跟随着给定作用跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。的。2.2.闭环系统绝对服从于给定输入闭环系统绝对服从于给定输

24、入Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统图图2 2 闭环调速系统的给定作用和扰动作用闭环调速系统的给定作用和扰动作用 励磁变化励磁变化Id变化变化电源波动电源波动Kp变化变化电阻变化电阻变化检测误差检测误差KpKs 1/CeUgdUkUEnUd0Uf+-R 3.3.闭环系统对于被包围在负反馈环内的一切主通闭环系统对于被包围在负反馈环内的一切主通 道上的扰动作用都能有效地加以抑制道上的扰动作用都能有效地加以抑制Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统4.4.对给定电源和反馈检测元件中的误差无力克服对给定电源和反馈检测元件中的误差无

25、力克服 给定精度给定精度由于给定决定系统输出，输出精度自然取决由于给定决定系统输出，输出精度自然取决 于给定精度。于给定精度。如如果果产产生生给给定定电电压压的的电电源源发发生生波波动动，反反馈馈控控制制系系统统无无法法鉴鉴别别是是对对给给定定电电压压的的正正常常调调节节还还是是不不应应有有的的电电压压波波动动。因因此此，高高精度的调速系统必须有更高精度的给定稳压电源。精度的调速系统必须有更高精度的给定稳压电源。检测精度检测精度反馈检测装置的误差也是反馈控制系统无法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。克服的，因此检测精度决定了系统输出精度。Motio

26、n Control System第1章 速度闭环控制的调速系统 调速调速在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地 （有级）或（有级）或 平滑地（无级）调节转速；平滑地（无级）调节转速；稳速稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种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，以确保产品干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品 质量；质量；加、减速加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，频繁起、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

27、。机械则要求起、制动尽量平稳。转速控制的要求转速控制的要求Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统1.1.2 1.1.2 限流保护限流保护电流截止负反馈电流截止负反馈 问题的提出问题的提出 起起动动时时的的冲冲击击电电流流直直流流电电动动机机全全电电压压起起动动时时，如如果果没没有有限限流流措措施施，会会产产生生很很大大的的冲冲击击电电流流，这这不不仅仅对对电电机机换换向向不不利利，对对过过载载能能力力低低的的电电力力电电子子器器件件来来说说，更更是是不不能允许。能允许。闭闭环环调调速速系系统统突突加加给给定定时时的的冲冲击击电电流流采采用用转转速速负负反反馈馈

28、的的闭闭环环调调速速系系统统突突然然加加上上给给定定电电压压时时，由由于于惯惯性性，转转速速不不可可能能立立即即建建立立起起来来，反反馈馈电电压压仍仍为为零零，相相当当于于偏偏差差电电压压 ，这这样样的的话话电电枢枢电电压压很很快快就就达达到到它它的的最大值，对电动机来说就相当于全压启动。最大值，对电动机来说就相当于全压启动。Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统 堵转电流堵转电流 有些生产机械的电动机可能会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被卡住，或挖土

29、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。环节，硬干下去，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。载就跳闸，也会给正常工作带来不便。解决办法解决办法1 1）电枢串电阻起动）电枢串电阻起动2 2）引入电流截止负反馈）引入电流截止负反馈Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统1)1)电流负反馈电流负反馈 为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵

30、转时电流过大的问题，系统中必须有大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节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，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，引入就应该引入那个物理量的负反馈。那么，引入电流负反电流负反馈馈，应该能够保持电流基本不变，使它不超过允许值。，应该能够保持电流基本不变，使它不超过允许值。Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统M+-UdIdRsUi接放大器接放大器a.a.电流检测与反馈电流检测与反馈 电枢回路串检测电阻。电枢回路串检测电阻。电流检测与反馈电路电流检测与

31、反馈电路Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统b.b.系统稳态结构框图系统稳态结构框图 转速和电流负反馈系统稳态结构框图转速和电流负反馈系统稳态结构框图 Kp Ks 1/CeUgdUkUIdEnUd0Ufn+-R-Rs UfiMotion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统c.c.静特性方程静特性方程（1-3）与转速闭环控制调速系统特性方程相比，式与转速闭环控制调速系统特性方程相比，式（1-31-3）多了一项由电流反馈引起的转速降落。）多了一项由电流反馈引起的转速降落。Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速

32、系统d.d.稳态特性稳态特性采用转速电流负反馈的调速系统静特性采用转速电流负反馈的调速系统静特性 Idbl0n0A转速负反馈特性转速负反馈特性B转速电流负反馈特性转速电流负反馈特性Idn0Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统2)2)电流截止负反馈电流截止负反馈 考虑到，限流作用只需在考虑到，限流作用只需在起动和堵转起动和堵转时起作时起作用，正常运行时应让电流自由地随着负载增减。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，当电流大到一定程度时才如果采用某种方法，当电流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接入电流负反馈以限

33、制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。这种方法叫做速负反馈起作用控制转速。这种方法叫做电流截止电流截止负反馈负反馈，简称截流反馈。，简称截流反馈。Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统a.a.电流截止负反馈环节电流截止负反馈环节 图图1-2 电流截止负反馈环节电流截止负反馈环节a）利用独立直流电源作比较电压）利用独立直流电源作比较电压M+-UdId RcVDUfi Ubj接放大器接放大器Mb)利用稳压管产生比较电压利用稳压管产生比较电压 UwM+-UdIdVS接放大器接放大器MUfi RcMotion Control System第1章 速度闭环控

34、制的调速系统OUiId Rs-Ubj图图1.3 1.3 电流截止负反电流截止负反馈环节的馈环节的I/OI/O特性特性 图图1.4 1.4 带电流截止负反馈的闭带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态结构框图环直流调速稳态结构框图nKpKs 1/CeUgdUkUfiIdEUd0Ufn+-RRc-Ubj-+b.b.系统稳态结构系统稳态结构Id Rs-UbjMotion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统c.c.静特性方程与特性曲线静特性方程与特性曲线 由图由图1-41-4可写出该系统两段静特性的方程式。可写出该系统两段静特性的方程式。当当 I Id d I Idjdj 时，电流负

35、反馈被截止，静特性和只时，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相同，现重写于有转速负反馈调速系统的静特性式相同，现重写于下：下：当当 I Id d I Idjdj时，引入了电流负反馈，静特性变成时，引入了电流负反馈，静特性变成Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统图图1-5 1-5 带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性 IduIdjn0IdOn0ABDCMotion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统 静特性两个特点静特性两个特点 （1 1）电流负反馈的作用相当于在主电路中串入）

36、电流负反馈的作用相当于在主电路中串入 一个大电阻一个大电阻 K Kp p K Ks s R Rc c ，因而稳态速降极大，因而稳态速降极大，特性急剧下垂。特性急剧下垂。（2 2）比较电压）比较电压 U Ubjbj 与给定电压与给定电压 U Ugdgd 的作用一致，的作用一致，好象把理想空载转速提高到好象把理想空载转速提高到Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统 这样的两段式静特性常称作这样的两段式静特性常称作下垂特性或挖土机下垂特性或挖土机特性特性。当挖土机遇到坚硬的石块而过载时，电。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，在上式中，

37、动机停下，电流也不过是堵转电流，在上式中，令令 n n=0=0，得，得一般一般 K Kp p K Ks s R Rc c R R，因此，因此Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统d.d.电流截止负反馈环节参数设计电流截止负反馈环节参数设计 I Idudu应小于电机允许的最大电流，一般取应小于电机允许的最大电流，一般取 I Idudu=（1.5 21.5 2）I IN N 从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范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，围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取一般取 I Idudu （

38、1.1 1.21.1 1.2）I IN NMotion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统补充补充1 1：拉氏变换：拉氏变换解：解：设回路电流为设回路电流为i(t)i(t)，由基尔霍夫电律可，由基尔霍夫电律可写出回路方程为：写出回路方程为：Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统定定义义：在在零零初初始始条条件件下下，线线性性定定常常系系统统输输出出量量的的拉拉氏氏变变换换 与与输输入入量量的的拉

39、拉氏氏变变换换 之之比比，称称为为系系统统的传递函数的传递函数 ，即，即补充补充2 2：传递函数：传递函数Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统传递函数的性质传递函数的性质1)1)传递函数是复变量传递函数是复变量S S的有理真分式函数，分子多项式的次数的有理真分式函数，分子多项式的次数2)2)m m 低于或等于分母多项的次数低于或等于分母多项的次数n n，所有系数均为实数；所有系数均为实数；2)2)传递函数只取决于系统和元件的结构，与输入信号无关；传递函数只取决于系统和元件的结构，与输入信号无关；3)3)传递函数与微分方程有相通性，可经简单置换而转换；传递函数

40、与微分方程有相通性，可经简单置换而转换；4)4)传递函数的拉氏反变换是系统的脉冲响应。传递函数的拉氏反变换是系统的脉冲响应。5)5)传递函数是在零初始条件下定义的，它只反应系统的零状传递函数是在零初始条件下定义的，它只反应系统的零状6)6)态特性；零初始条件含义要明确。态特性；零初始条件含义要明确。Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统RLCi(t)ur(t)uc(t)1)零初始条件下取拉氏变换：零初始条件下取拉氏变换：2）传递函数：）传递函数：Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统 速度闭环控制直流调速系统的动态分析速度闭环

41、控制直流调速系统的动态分析1 1）速度闭环直流调速系统的动态数学模型速度闭环直流调速系统的动态数学模型a)a)晶闸管出发电路及整流装置晶闸管出发电路及整流装置构成系统的主要环节是电力电子变换器和直流电构成系统的主要环节是电力电子变换器和直流电动机。不同电力电子变换器的传递函数，它们的动机。不同电力电子变换器的传递函数，它们的表达式是相同的，都是表达式是相同的，都是只是在不同场合下，参数只是在不同场合下，参数K Ks s和和T Ts s的数值不同而已。的数值不同而已。Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统例：例：晶闸管整流装置晶闸管整流装置 在进行调速系统的分析

42、和设计时，可以把晶闸管触发和整流在进行调速系统的分析和设计时，可以把晶闸管触发和整流装置当作系统中的一个环节来看待。装置当作系统中的一个环节来看待。（1 1）晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算）晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算晶闸管触发和整流装置的放大晶闸管触发和整流装置的放大系数可由工作范围内的特性率系数可由工作范围内的特性率决定，计算方法是决定，计算方法是晶闸管触发与整流装置的输入晶闸管触发与整流装置的输入-输出特性和的测定输出特性和的测定Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统（2)2)晶闸管触发和整流装置的传递函数晶闸管触发和整流装置的传递函数在动

43、态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成是一在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节，其个纯滞后环节，其滞后效应滞后效应是由是由晶闸管的失控时间晶闸管的失控时间引引起的。众所周知，晶闸管一旦导通后，控制电压的变起的。众所周知，晶闸管一旦导通后，控制电压的变化在该器件关断以前就不再起作用，直到下一相触发化在该器件关断以前就不再起作用，直到下一相触发脉冲来到时才能使输出整流电压发生变化，这就造成脉冲来到时才能使输出整流电压发生变化，这就造成整流电压滞后于控制电压的状况。整流电压滞后于控制电压的状况。Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统 最大失控时

44、间计算最大失控时间计算失控制时间是随机的，它的大小随发生变化的时刻失控制时间是随机的，它的大小随发生变化的时刻而改变，最大可能的失控时间就是两个相邻自然换而改变，最大可能的失控时间就是两个相邻自然换相点之间的时间，与交流电源频率和整流电路形式相点之间的时间，与交流电源频率和整流电路形式有关，由下式确定有关，由下式确定式中式中 f f -交流电流频率（交流电流频率（HzHz）；）；m-m-一周内整流电压的脉冲波数。一周内整流电压的脉冲波数。Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统 T Ts s 值的选取值的选取相对于整个系统的响应时间来说，相对于整个系统的响应时间

45、来说，T Ts s 是不大的，在一是不大的，在一般情况下，可取其统计平均值般情况下，可取其统计平均值 T Ts s =T Tsmax smax/2/2，并认为，并认为是常数。也有人主张按最严重的情况考虑，取是常数。也有人主张按最严重的情况考虑，取T Ts s=T Tsmaxsmax 。表。表1-11-1列出了不同整流电路的失控时间。列出了不同整流电路的失控时间。各种整流电路的失控时间（各种整流电路的失控时间（f f=50Hz=50Hz）见教材）见教材P11P11Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统 传递函数的求取传递函数的求取 用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸

46、管触发与整用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入流装置的输入-输出关系为：输出关系为：按拉氏变换的位移定理，晶闸管装置的传递函数为按拉氏变换的位移定理，晶闸管装置的传递函数为Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统为了简化，先将该指数函数按泰勒级数展开，为了简化，先将该指数函数按泰勒级数展开，则上式变成：则上式变成：考虑到考虑到 T Ts s 很小，可忽略高次项，则传递函数便近似很小，可忽略高次项，则传递函数便近似成成一阶惯性环节一阶惯性环节：Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统（4 4）晶闸管触发与整流装置动态

47、结构）晶闸管触发与整流装置动态结构Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)a)准确的准确的b）近似的近似的晶闸管触发与整流装置动态结构框图晶闸管触发与整流装置动态结构框图Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统b)b)直流电动机的传递函数直流电动机的传递函数Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统式中式中 为负载电流。为负载电流。T Tl l 电枢回路电磁时间常数电枢回路电磁时间常数(s)(s)，T Tm m电力拖动系统机电时间常数电力拖动系统机电时间常数(s)(s)，Motion Control System第1章 速度闭环

48、控制的调速系统在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间的传递函数得电压与电流间的传递函数:电流与电动势间的传递函数电流与电动势间的传递函数:Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统动态结构框图动态结构框图 Id(s)IdL(s)+-E(s)R Tmsb)电流电动势间的结构框图电流电动势间的结构框图E(s)Ud0(s)+-1/RTl s+1Id(s)a)电压电流间的结构框图电压电流间的结构框图+图图1-3-7 额定励磁下直流电动机动态结构框图额定励磁下直流电动机动态结构框图Motion Control System

49、第1章 速度闭环控制的调速系统n(s)1/CeUd0(s)IdL(s)EId(s)E+-1/R Tl s+1 R Tms图图1-3-8 整个直流电动机的动态结构框图整个直流电动机的动态结构框图Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统 由图由图1-3-81-3-8可以看出，直流电动机有两个输入量，可以看出，直流电动机有两个输入量，一个是施加在电枢上的一个是施加在电枢上的理想空载电压理想空载电压，另一个是，另一个是负载负载电流电流。前者是。前者是控制输入量控制输入量，后者是，后者是扰动输入量扰动输入量。如果。如果不需要在结构图中显现出电流，可将扰动量的综合点不需要在

50、结构图中显现出电流，可将扰动量的综合点移前，再进行等效变换，得下图移前，再进行等效变换，得下图a a。如果是理想空载，。如果是理想空载，则则 I IdLdL =0=0，结构框图即简化成下图，结构框图即简化成下图b b。Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统n(s)Ud0(s)+-1/Ce TmTl s2+Tms+1IdL(s)R(Tl s+1)n 动态结构图的变换和简化动态结构图的变换和简化a.IdL 0Motion Control System第1章 速度闭环控制的调速系统n(s)1/Ce TmTl s2+Tms+1Ud0(s)n 动态结构图的变换和简化（续