直流调速系统基本概念

如果将系统闭环与开环的理想空载转速调得一样，即，n0 f n0
n f
R Ce(1 K
) Ia
n
1 K
为 了 获 得 同 开 环 相 同 的理 想 空 载 转 速
闭环给定电压 Ugf Ug 1 K
注 意 ！ 单 闭 环 系 统 仅 有速 度 负 反 馈 ，
调速范围与静差度
U g U U g U f Uk Ud n
改变Ug的大小可改变电动机的转速，这种状态称为调速.
(3) 稳速（Ug不变、负载变化使Uf变化 )
当负载增加使n U f U U g U f Uk Ud n 当负载减小使n U f U U g U f Uk Ud n
1. 最大超调量
M
p

nmax n2
n2
100%
➢超调量太大，达不到生产工艺上的要求； ➢超调量太小，会使过渡过程过于缓慢，不 利于生产率的提高等
范围： M p 10% ~ 35%
超调量
2. 过渡过程时间T
从输入控制（或扰动）作用于系统 开始直到被调量 n 进入（0.05 ～0.02）n2 稳定值区间时为止（并且以后不再越出 这个范围）的一段时间，叫作过渡过程 时间。
转换元件：将测速
发电机的转速转换成 电压信号以便与给定 电压进行比较。
测速发电机：与直流电动机 M同轴相连，即两者的速度相 同，测速发电机用来测量电动 机的速度，称检测元件；
由系统的结构分析可知：
❖ 系统的调速方法是改变外加电压调速； ❖ 系统的反馈信号是被控制对象n本身; ❖ 反馈电压和给定电压的极性相反，即:
可逆系统
无静差直流调速系统 按静态误差的不同：
有静差直流调速系统
任务： ➢ 调节速度； ➢ 扩大调速范围，减小静态误差。
Fra Baidu bibliotek
1 单闭环直流调速系统 一、有静差调速系统 单纯由被调量负反馈组成的按比例控制的单闭环系统属有静差的自动调节系
统，简称有静差调速系统；
（一）转速负反馈调速系统 1. 基本组成
放大器：将外加电
过渡过程时间
3. 振荡次数 N
在过渡过程时间内,被调量n在其稳定值 上下摆动的次数，
如图所示是三种不同调速系统被调量从x1改变为x2时的变化情况。
系 超调
统
量
1
0
过渡过程 时间T
长
振荡次 数
无
性能 不好
2
大
长
多 不好
3
小
短
中
好
晶闸管－电动机直流传动控制系统
分类：
单闭环直流调速系统
按结构的不同： 双闭环直流调速系统
直流调速系统基本概念
直流调速系统主要性能指标
机电传动控制系统选择调速方案的依据：
生产机械对调速系统提出的调速技术指标
调速系统的调速技术指标 一、静态技术指标
静态指标 动态指标
1. 静差度S： 静差度表示出生产机械运行时转速稳定的程度。
速度稳定性指标
S n0 ne ne
ne n0 ne 静态速降
n0
n0
当负载变化时，生产机械转速的变化要能维持在一定范围之内，即要求静差
度S小于一定数值。
▪ 电动机的机械特性愈硬，则静差度愈小，转速的相对稳定性就愈高 ; ▪ 在一个调速系统中，如果在最低转速运行时能满足静差度的要求，则在其他
转速时必能满足要求。
2. 调速范围D 在额定负载下，允许的最高转速和在保证生产机械对转速变化率要求的前提 下所能达到的最低转速之比称为调速范围 。
积分控制
是指系统的输出量与输入量对时间的 积分成正比例的控制，简称I控制。
1. 积分( I )调节器
式中 KI——I 调节器的积分常数； ——I调节器的积分时间， =1/KI。
2. 积分控制的特点
可以消除输出量的稳态误差，能实现无静差控制， 这是积分控制的最大优点。
三、比例积分控制与比例积分调节器
四、比例积分微分控制与比例积分微分调节器
比例积分 微分控制
是把比例、积分、微分三种控制规律 结合起来。比例积分微分控制，通常简 称为PID控制。
1. 比例积分微分(PID)调节器
2. 比例积分微分控制的特点
1) 不但可以实现控制系统无静差， 而且具有比PI控制更快的动态响应 速度。
2) PID调节器是一种较为完善的调 节器，其参数主要有比例系数Kp、 积分时间TI和微分时间TD，三者必 须根据被控对象的特性正确配合， 才能充分发挥各自优点，满足控制 系统的要求。
Uf Kfn
(2) 静特性
Ud Cen Ia R Ud K2Uk Uk K p ( U g U f ) U f K f n
KG K pK2 ——从放大器输入端到可 控整流电路输出端的电压
放大倍数；
K Kf Ce
K pK2
——闭环系统的开环放大 倍数。
一、比例控制与比例调节器
比例控制
是指系统的输出量与输入量(即偏差 量)成比例的控制，简称P控制。
1. 比例( P )调节器
式中 Kp——P调节器的比例系数。 Uo——输出信号
ΔUi——输入信号
2. 比例控制的特点 作用及时、快速、控制作用强，而且Kp值越大，
系统的静特性越好、静差越小。
二、 积分控制与积分调节器
U U g U f
该系统又称转速负反馈调速系统。 2. 工作原理 (1) 稳态（ Ug、Uf 不变）
U U g U f 不变 Uk不变 不变 Ud不变 n 不变
当Ug、Uf不变时，电动机的转速不变，这种状态称为稳态。
(2) 调速（Uf不变，改变Ug的大小）
U g U Ug U f U k Ud n
压和反馈信号经转换后 的电压之差进行放大。
触发电路：将放大器放大后
的电压信号变为脉冲型号去控 制整流电路的输出大小。
整流电路：变交流 电压为直流电压， 输出电压大小由触 发电路输出脉冲信 号所决定，整流电 路的输出为直流电 动机电枢的外加电 压；
直流电动机：系 统的控制对象。
给定电位器： 调节Rg的位置可 改变给定电压Ug 的大小 。
➢由于放大倍数不可能为无穷大，即静态速降不可能为0，因此，上述系统只能 维持速度基本不变。这种维持被调量（转速）近于恒值不变，但又具有偏差的反 馈控制系统通常称为有差调节系统（即有差调速系统）。
➢采用转速负反馈调速系统能克服扰动作用（如负载的变化、电动机励磁的变化、 晶闸管交流电源电压的变化等）对电动机转速的影响。
式中: R Rx Ra 电枢回路的总电阻；
Rx 可控整流电源的等效内阻； Ra 电动机的电枢电阻。 可控硅和触发电路 设可控硅和触发电路的放大倍数为K2，则：Ud K2Uk 放大器电路 设放大器的放大倍数为KP，则：Uk KPU K p(Ug Ucf ) 反馈电路 速度反馈信号电压与转速n成正比，设放大系数为Kf，则：
D ne max ne min
3. 调速的平滑性 调速的平滑性，通常是用两个相邻调速级的转速差来衡量的。
调速
无级调速 有级调速
以改变直流电动机电枢外加电压调速为例，说明调速范围D与静差度S之间 的关系 ：
D ne max ne max ne max ne max S
ne min
f
则：
n KGU g Ia R Ce(1 K ) Ce(1 K
) nof
n f
开环系统）时，则整流器的输出 电压:
Ud K pK2U g KGU g Cen Ia R
由此可得开环系统的机械特性 方程:
n

KGU g Ce

R Ce
Ia

n0
n
开环系统的静特性
n02 ne
n02 1
ne
n02

ne (1 S )
最高速度由系统中所使用电动机的额定转速
决定；
静差度S和调速范围D由生产机械的要求决定；
当上述三个参数确定后，则要求静态速降是
一个定值。
超调量
二、动态技术指标 从一种稳定速度变化到另一种
稳定速度运转（启动、制动过程仅 是特例而已），由于有电磁惯性和 机械惯性，过程不能瞬时完成，而 需要一段时间，即要经过一段过渡 过程，或称动态过程。
如果系统没有转速负反馈（即
K2Uk Cen Ia R
K2K p( U g U f ) Cen Ia R
K2K pU g K2K pK f n Cen Ia R
n K2K pUg Ia R K2K pK f Ce
令：KG

K2K p ,K

K2K pK Ce
比例积分 控制
是把比例控制和积分控制作用结合起 来。比例积分控制简称为PI 控制。
1. 比例积分( PI )调节器
式中
——比例控制的输出； ——积分控制的输出； ——比例积分调节器的积分时间，TI=KP / KI。
2. 比例积分控制的特点 1) 系统动态响应速度快；系统基本上无静差。 2) 减小超调量，降低系统的动态响应速度。
闭环系统的静特性
(3)分析与结论
n KGU g Ce(1 K
Ia R ) Ce(1 K
) nof
n f
闭环系统的静特性
n

KGU g Ce

R Ce
Ia

n0
n
开环系统的静特性
理想空载转速 在给定电压一定时，有:
转速降
n0 f
KGU g n0 Ce(1 K ) 1 K
突 然 失 去 负 反 馈 产 生 严重 的 事 故
在最大运行转速和低速时最大允许静差度不变的情况下，
开环： D ne max S2
nN (1 S2 )
闭环 ：
Df

nmax S2
nNf (1 S2
)

ne max S2
nN
1 K
(1

S2
)

(1
K
)D
结论： ➢提高系统的开环放大倍数K是减小静态转速降落、扩大调速范围的有效措施。 系统的放大倍数越大，准确度就越高，静差度就越小，调速范围就越大。但是放 大倍数也不能过分增大，否则系统容易产生不稳定现象。
当负载发生变化使速度发生变化后，系统通过反馈能维持速度基本不变，这 种状态称为稳速。
3. 静特性分析 目的：找到减小静态速降、扩大调速范围，提高系统性能的途径。 静特性表示出电动机的转速与负载电流之间的大小关系。 (1) 各环节输入输出的关系
电动机电路 Ud Ken Ia R Cen Ia R