直流传动控制系统的分析(课件)

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1、直流传动控制系统的分析 直流传动系统具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的各种生产机械中得到了广泛的应用。从生产机械要求控制的物理量看，电气传动控制系统有调速系统、位置随动系统等，各种系统往往通过控制转速来实现的，直流调速控制系统的控制要求和静态指标静态指标与机械特性之间的关系静态指标参数之间的关系开环调速控制系统特点闭环调速控制系统特点开环与闭环调速控制系统特性之间关系调速控制系统的动态指标 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：2）稳速以一定的精度在所需转速上稳定 运行，在各

2、种干扰下不允许有过大的转速 波动，以确保产品质量；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；3）加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧 烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。n调速范围调速范围定义：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minmaxnnD 其中nmin 和nmax 一般都指电动机时的转速，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。n静差率静差率 定义：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

3、 s，即或用百分数表示式中 nN=n0-nN 0Nnns%1000Nnns静差率是与机械特性硬度有关相同硬度静差率bTeNTen0an0b nNa nNb nO不同转速下的静差率n例如例如：某电动机在理想空载转速 n0为 1000r/min时降落10r/min，只占1%；n0为 100r/min时同样降落10r/min，就占10%；如果n0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。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NminNmin0Nnnnnns于是，最低转速为

4、 snsnsnnNNNmin)1(而调速范围为 minNminmaxnnnnD将上面的式代入 nmin，得)1(snsnDNN 对于同一个调速系统，nN 值一定，由式可见，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。例题例题1-11-1 某直流调速系统电动机额定转速为nN=1430r/min，额定速降 nN=115r/min，当要求静差率s30%时，允许多大的调速范围？如果要求静差率s 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？解解 要求s 30%时，调速范围为3.5)3.01(1153.01430)1(NNsnsnD若要求s 2

5、0%，则调速范围只有1.3)2.01(1152.01430D若调速范围达到10，则静差率只能是%6.44446.011510143011510NNNnDnnDs若直流调速系统是开环调速系统，即系统的输出量不返送到输入端，系统组成如下图。+-AM+-UdId+-Un U*nUcUPE+-开环控制系统的特点是：控制装置与受控对象只有顺向作用而无反向联系；每个输入量对应一个输出量，；系统抗干扰能力差。因此，当系统对干扰影响要求不高，并且控制精度要求不高时，可采用开环控制系统。例题例题2 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，220V，305A，1000r/min，采 用

6、V-M 系 统，主 电 路 总 电 阻R=0.18，电动机电动势系数Ce=0.2V r /min。如果要求调速范围 D=20，静差率s 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。min/275min/2.018.0305rredNNCRIn%6.21216.02751000275NNNNnnns 如果要求D=20，s 5%，则由D，S与nN关系可知 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

7、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。min/r63.2min/r)05.01(2005.01000)1(NNsDsnn 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，。+-AMTG+-+-+-UtgUdIdn+-+UnUn U*nUcUPE+-转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下：电压比较环节 n*nnUUU放大器 npcUKU电力电子变换器 cs0dUKU调速系统开环机械特性 eddCR

8、IUn0测速反馈环节 nUn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（V）；电枢回路总电阻。KpKsRUd0 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()1()/1(*KCRIKCUKKCKKCRIUKKnede*nspespednsp 式中，闭环系统的开环放大系数K为espCKKK 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为nECe KpKs 1/CeU*

9、nUcUnEnUd0Un+-IdR-转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图若只考虑给定作用 时的闭环系统)1(*KCUKKnensp若只考虑扰动作用-IdR时的闭环系统)1(KCRIned nU*nKpKs 1/Ce UcUn Ud0Un+-+KpKs 1/Ce-IdR nUd0+-E 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()1(*KCRIKCUKKnedensp 断开反馈回路，则可得系统的开环机械特性为：opopedenspeddnnCRICUKKCRIUn0*0而闭环时的静特性可写成 clcledenspnnKCRIKCUKKn0*)1()1(在同样的负载

10、扰动下，两者的转速降落分别为 和它们的关系是 edopCRIn)1(KCRInledcKnn1opcl比较两方程式可得出以下的论断：（闭环系统和开环系统的静差率分别为 和 当 n0op=n0cl 时，cl0clclnnsop0opopnnsKss1opcl。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，从开环与闭环稳态速降关系式可得)1(opNopsnsnD)1(clNclsnsnDopclDKD)1(上述三项优点若要有效，都取决于一点，即 要足够大，因此必须设置放大器。例题例题3 3 在例题1-2中，龙门刨床要求 D=20，s 5%，已知 Ks=30，=

11、0.015Vmin/r，Ce=0.2Vmin/r，如何采用闭环系统满足此要求？解解 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由开环与闭环稳态速降关系式可得1clopnnK6.103163.2275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。462.0/015.0306.103/espCKKKn 系统调节过程开环系统 Id n 例如：在下图中工作点从A A 闭环系统 Id n Un Un n Ud0 Uc例如：在下图1中工作点从A B闭环系统静特性和开环机械特性的关系A闭环静特性开环机械特性Ud4Ud3Ud2Ud1BA 电气传动控制系统的动态指标是指系统在给定信号和扰动信号作用下，系统输出在动态响应中的各种指标对给定信号的 对扰动信号的 在给定信号或参考输入信号的作用下，系统输出量的变化情况可用跟随性能指标来描述。常用的阶跃响应跟随性能指标主要有5%（或2%）)(tCCC0 tOtrts 抗扰性能指标标志着控制系统抵抗扰动的能力。常用的抗扰性能指标有 maxC1C2C5%（或2%）CNNO ttmtvCb本节总结：控制要求调速稳速快速实现加，减速静态指标调速范围静差率minmaxnnD0Nnns)1(snsnDNN静态指标之间关系开环与并环性能关系