第二章 单闭环直流调速系统
合集下载
单闭环直流调速系统
单闭环直流调速系统是一种常见的控制系统，用于控制直流电机的转速。
以下是单闭环直流调速系统的基本组成和工作原理：
基本组成：
1. 直流电机：负责将电能转换为机械能。
2. 编码器或传感器：用于测量电机的实际转速。
3. 控制器：通常使用PID控制器，根据实际转速和设定转速之间的误差进行调节。
4. 功率放大器：将控制器输出的信号放大后送至电机，控制电机的转速。
工作原理：
1. 测量阶段：编码器或传感器测量电机的实际转速，并将这个信息反馈给控制器。
2. 比较阶段：控制器将实际转速与设定的目标转速进行比较，计算出误差值。
3. 控制阶段：根据误差值，控制器通过PID算法计算出控制信号，控制电机的转速。
4. 执行阶段：功率放大器根据控制信号控制电机的转速，使实际转速逐渐接近设定转速。
调速过程：
-如果实际转速低于设定转速，控制器会增加电机的供电，使电机加速。
-如果实际转速高于设定转速，控制器会减小电机的供电，使电机减速。
-控制器通过不断地调整电机的供电，使得实际转速稳定在设定的目标转速附近。
通过单闭环直流调速系统，可以实现对直流电机转速的精确控制，广泛应用于工业生产中的传动系统、自动化设备等领域。
第2章-单闭环直流调速系统
交直流调速系统
ud
u
a
u b
u
c
ud
Ud
ud
u
a
u
b
u
c
u
d U E
d
E
0
α
ωt
0
α
ωt
id
i
c
i
a
i
b
i
c
id
0
ωt
0
ωt
a）电流连续
b）电流断续
V图7 V-M系统电流波形
交直流调速系统
3.开环系统机械特性 开环系统机械特性
电流连续时： 电流连续时：
电流断续时： 电流断续时：
晶闸管整流 器可看成是 一个线性的 可控电压源
原 理 ： 调节I 调节 f→U改变 改变 →转速 变化。 转速n变化 转速 变化。 改变方向， 转 改变方向，n转 向跟着改变。 向跟着改变。
交直流调速系统
特 点 ：
设备多、体积大、 设备多、体积大、 费用高、效率低、 费用高、效率低、 安装维护不便、运 安装维护不便、 行有噪声。
2、静止可控整流器 利用静止的可控整流器 如晶闸管 、静止可控整流器--利用静止的可控整流器 利用静止的可控整流器(如晶闸管 可控整流器)，获得可调的直流电压。（ 。（V-M系统） 系统） 可控整流器 ，获得可调的直流电压。（ 系统
1、旋转变流机组 用交流电动机拖动直流发电 、旋转变流机组----用交流电动机拖动直流发电 以获得可调的直流电压（ 系统）。 机，以获得可调的直流电压（G-M系统）。 系统
+ 励 磁 电 源
~
GE M
~ + 放 大 装 置
n
G
(完整版)转速负反馈单闭环直流调速系统.
例2.2 对于例2.1所示的开环系统，采用转 速负反馈构成单闭环系统，且已知晶闸管
整流器与触发装置的电压放大系数 Ks = 30，
= 0.015V·min/r，为了满足给定的要求，
计算放大器的电压放大系数KP 。
IdR
U*n +
_
∆Unn
Uct Kp
Ud0 + _ E Kss
1/Ce
n
Un
解：在例2.1中已经求得
IdR
U*n +
_
∆Unn
Uct Kp
Ks
Ud0 + _ E
1/Ce
n
Un
n
开环机械特性
闭环静特性
B
C
A
A’
D
Ud4 Ud3 Ud2 Ud1
O
Id1
Id2
Id3
Id4
Id
图2.19 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。
运动控制系统
第2 章
直流调速系统
2.3 转速负反馈单闭环直流调速系统
2.3.1 单闭环调速系统的组成及静特性 2.3.2 单闭环调速系统的动态分析 2.3.3 无静差调速系统的积分控制规律 2.3.4 单闭环调速系统的限流保护
2.3.1 单闭环调速系统的组网 功率驱动装置 电动机
3. 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
n Ud0 IdR Ce
直流调速系统单闭环
单闭环直流调速系统 -- 有静差系统
结论： 1. 单闭环有静差晶闸管直流调速系统的动态稳定性
单闭环直流调速系统 -- 一般概念
对主电路微分方程右侧在相同区间积分;有：
1
2
6623EidRLddtiddt
3
式中方括号内;
第一项平均值为：E = Cen = Cen ； 第二项平均值为：IdR ； 第三项平均值为：零;
单闭环直流调速系统 -- 一般概念
因此得到： 1.17U2cosCenIdR n1.17U2cosIdR
(1K) (1K)
1K
单闭环直流调速系统 -- 有静差系统
闭环系统特征方程即为：
T m T T ss3 T m (T T s)s2 T m T ss 1 0 1 K 1 K 1 K
应用劳斯稳定判据可以得到系统的动态稳定条件：
KTm(TTs )Ts2 TTs
式中右侧即为系统临界放大系数 Kcr ;
nminnmin nN(1s)
单闭环直流调速系统 -- 有静差系统
单闭环直流调速系统 -- 有静差系统
在假设忽略各种非线性因素等条件下;系统中各环节 的稳态关系为：
➢ 电压比较器 UnUn *Un
➢ 放大器 UcKpUn
➢ 晶闸管触发整流装置 ➢ 调速系统开环机械特性
➢ 测速发电机
Ud0KsUc nUd0 IdR
Id(s)
1 R (1)
Ud0(s)E(s) Ts1
单闭环直流调速系统 -- 有静差系统
电动机轴上转矩与转速之间的关系符合电气传动系统
运动方程：
GD 2 dn
T e T L C m I d C m I dL 375 dt
GD 2 R 1 dn I d I dL 375 C m R dt
单闭环直流调速系统
第十七单元 晶闸管直流调速系统第二节 单闭环直流调速系统一、转速负反馈直流调速系统转速负反馈直流调速系统的原理如图l7-40所示。
转速负反馈直流调速系统由转速给定、转速调节器ASR 、触发器CF 、晶闸管变流器U 、测速发电机TG 等组成。
直流测速发电机输出电压与电动机转速成正比。
经分压器分压取出与转速n 成正比的转速反馈电压Ufn 。
转速给定电压Ugn 与Ufn 比较，其偏差电压ΔU=Ugn-Ufn 送转速调节器ASR 输入端。
ASR 输出电压作为触发器移相控制电压Uc ，从而控制晶闸管变流器输出电压Ud 。
本闭环调速系统只有一个转速反馈环，故称为单闭环调速系统。
1．转速负反馈调速系统工作原理及其静特性设系统在负载T L 时，电动机以给定转速n1稳定运行，此时电枢电流为Id1，对应转速反馈电压为Ufn1，晶闸管变流器输出电压为Udl 。
n n I C R R C U C R R I U n d e d e d e d d d ∆+=+-=+-=0)(φφφ 当电动机负载T L 增加时，电枢电流Id 也增加，电枢回路压降增加，电动机转速下降，则Ufn 也相应下降，而转速给定电压Ugn 不变，ΔU=Ugn-Ufn 增加。
转速调节器ASR 输出电压Uc 增加，使控制角α减小，晶闸管整流装置输出电压Ud 增加，于是电动机转速便相应自动回升，其调节过程可简述为：T L ↑→Id ↑→Id(R ∑+Rd)↑→n ↓→Ufn ↓→△U↑→Uc ↑→α↓→Ud ↑→n ↑。
图17-41所示为闭环系统静特性和开环机械特性的关系。
图中①②③④曲线是不同Ud之下的开环机械特性。
假设当负载电流为Id1时，电动机运行在曲线①机械特性的A点上。
当负载电流增加为Id2时，在开环系统中由于Ugn不变，晶闸管变流器输出电压Ud 也不会变，但由于电枢电流Id增加，电枢回路压降增加，电动机转速将由A点沿着曲线①机械特性下降至B’点，转速只能相应下降。
单闭环直流调速系统
Βιβλιοθήκη .2.2闭环系统的组成及静特性
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
图1-8 采用转速负反馈的直流调速系统
根据各环节的稳态关系可以画出闭环系统的稳 态结构图，如图1-9所示。
闭环系统的稳态结构框图
图1-9 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图
1.1.2
晶闸管-电动机系统开环机械特性
1．电流连续时开环机械特性
当电流连续时，V-M系统的机械特性方程式：
n 1 1 m (U d0 I d R) ( U m sin cos I d R) Ce Ce m
式中 Ce = KeN——电动机在额定磁通下的电动 势系数； α——从自然换相点算起的触发延迟角 (rad)； Um——α=0时的整流电压波形峰值(V)； m——交流电源一周内的整流电压脉波数。
而调速范围为： nmax nN D nmin nmin
将上式代入得
nN s （1-4） D nN (1 s ) 由式(1-4)可见，如果对静差率要求越严， 即要求s值越小，则系统能够允许的调速范围也 越小。 结论：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。
1．稳态性能指标
1) 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：
nmax D nmin
(1-2)
其中， nmax 和nmin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，也可用实际 负载时的最高和最低转速来代替，例如精密机床。
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
图1-8 采用转速负反馈的直流调速系统
根据各环节的稳态关系可以画出闭环系统的稳 态结构图，如图1-9所示。
闭环系统的稳态结构框图
图1-9 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图
1.1.2
晶闸管-电动机系统开环机械特性
1．电流连续时开环机械特性
当电流连续时，V-M系统的机械特性方程式：
n 1 1 m (U d0 I d R) ( U m sin cos I d R) Ce Ce m
式中 Ce = KeN——电动机在额定磁通下的电动 势系数； α——从自然换相点算起的触发延迟角 (rad)； Um——α=0时的整流电压波形峰值(V)； m——交流电源一周内的整流电压脉波数。
而调速范围为： nmax nN D nmin nmin
将上式代入得
nN s （1-4） D nN (1 s ) 由式(1-4)可见，如果对静差率要求越严， 即要求s值越小，则系统能够允许的调速范围也 越小。 结论：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。
1．稳态性能指标
1) 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：
nmax D nmin
(1-2)
其中， nmax 和nmin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，也可用实际 负载时的最高和最低转速来代替，例如精密机床。
单闭环直流调速系统介绍课件
智能化：引入 人工智能技术， 实现系统的自 适应控制和自 学习能力
网络化：通过 互联网和物联 网技术，实现 远程监控和故 障诊断
集成化：将多 个子系统集成 为一个整体， 提高系统的集 成度和可靠性
节能和环保的发展趋势
01
提高能源利用率：通过优化控制策略和算法，降低能耗，提高能源利用率
02
减少污染排放：采用环保材料和工艺，减少生产过程中的污染排放
单闭环直流调速 系统介绍课件
目录
01. 单闭环直流调速系统的基本 概念
02. 单闭环直流调速系统的控制 方式
03. 单闭环直流调速系统的应用 领域
04. 单闭环直流调速系统的发展 趋势
1
单闭环直流调速 系统的基本概念
直流调速系统的组成
01
整流器：将交流 电转换为直流电
02
滤波器：去除直 流电中的交流成
04
应用场合：适用于对转速要求不高，但对响应速度要求较高的场合
电流控制方式
STEP1
STEP2
STEP3
STEP4
电压控制方式： 通过控制电压 来调节电流， 实现调速
电流控制方式： 通过控制电流 来调节电压， 实现调速
速度控制方式： 通过控制速度 来调节电流， 实现调速
位置控制方式： 通过控制位置 来调节电流， 实现调速
网络化：实现远程监控 和控制，提高系统的可 维护性和可扩展性
谢谢
速度控制方式
1
电压控制方式：通过调节直流电源的输出电压来控制电机的转速
2
电流控制方式：通过调节直流电源的输出电流来控制电机的转速
3
转速控制方式：通过调节电机的转速来控制电机的转速
4
位置控制方式：通过调节电机的位置来控制电机的转速
chp.2.1闭环-转速单闭环直流调速系统
机械与材料学院
U d0 − Id R n= Ce
《 运 动 控 制 系 统 》 课 件
静特性方程: 静特性方程
从上述五个关系式中消去中间变量，整理后， 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: 负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式
n=
* K p K sU n − I d R
例2：在例题 中，龙门刨床要求 = 20，s ≤5%，已知 Ks = 30， ：在例题1中 龙门刨床要求D ， ， ， α = 0.015V·min/r， Ce = 0.2V·min/r，如何采用闭环系统满足 ， ， 此要求？ 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∆n 但为了满足调速要求，须有 cl = 2.63 r/min 得： ∆ n op K = − 1≥ 275 − 1 = 103 .6
1) 被调量偏差控制 2) 抵抗扰动 服从给定 抵抗扰动, 3) 系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度 1) 被调量有静差 只有P调节器的反馈控制系统， 只有 调节器的反馈控制系统，闭环系统的稳态速降为 调节器的反馈控制系统 RI d ∆ncl = Ce ( I + K ) 只有 K = ∞，才能使 ∆ncl = 0，而这是不可能的（K过大 ，而这是不可能的（ 过大 影响系统稳定性） 因此，这样的调速系统叫做有静差调 影响系统稳定性） 。因此，这样的调速系统叫做有静差调 速系统。实际上， 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。 制的。
机械与材料学院
首页 上页 下页 末页 结束
《 运 动 控 制 系 统 》 课 件
2) 抵抗扰动 服从给定 抵抗扰动, 服从给定: 给定和扰动作用: 给定和扰动作用
U d0 − Id R n= Ce
《 运 动 控 制 系 统 》 课 件
静特性方程: 静特性方程
从上述五个关系式中消去中间变量，整理后， 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: 负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式
n=
* K p K sU n − I d R
例2：在例题 中，龙门刨床要求 = 20，s ≤5%，已知 Ks = 30， ：在例题1中 龙门刨床要求D ， ， ， α = 0.015V·min/r， Ce = 0.2V·min/r，如何采用闭环系统满足 ， ， 此要求？ 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∆n 但为了满足调速要求，须有 cl = 2.63 r/min 得： ∆ n op K = − 1≥ 275 − 1 = 103 .6
1) 被调量偏差控制 2) 抵抗扰动 服从给定 抵抗扰动, 3) 系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度 1) 被调量有静差 只有P调节器的反馈控制系统， 只有 调节器的反馈控制系统，闭环系统的稳态速降为 调节器的反馈控制系统 RI d ∆ncl = Ce ( I + K ) 只有 K = ∞，才能使 ∆ncl = 0，而这是不可能的（K过大 ，而这是不可能的（ 过大 影响系统稳定性） 因此，这样的调速系统叫做有静差调 影响系统稳定性） 。因此，这样的调速系统叫做有静差调 速系统。实际上， 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。 制的。
机械与材料学院
首页 上页 下页 末页 结束
《 运 动 控 制 系 统 》 课 件
2) 抵抗扰动 服从给定 抵抗扰动, 服从给定: 给定和扰动作用: 给定和扰动作用
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
四、闭环调速与开环调速的比较
静特性方程：
n
K Ce
p
KsU
* n
1 K
Ce
R
1
K
Id
闭环转速降
nb
IdR
1 K Ce
机械特性方程： n Ud IdR
Ce
开环转速降
nk
IdR Ce
① 闭环静特性比开环机械特性硬得多。负载电流相等时
nb
nk
1 K
②
闭环系统的静差率要比开环小得多。理想空载转速相等时，
解：以电机从静止起动为例分析，给定电压增大时系统的调节过程如下：
由于反馈电压与给定电压同为负，成为正反馈，只要给定电压稍大 于零，经反馈电压叠加后，偏差电压会越来越大，电机转速急速升高，造 成飞车事故。
在转速单闭调速实验中表现为：给定从零增加一点，电机转速急速 升高，再减小给定，电机转速不减小，失控。
sb
sk
1 K
③ 闭环系统可比开环有更大的调速范围。静差率相等时， Db 1 K Dk
④ 闭环系统比开环系统的抗干扰性能好。
可见，增大开环放大倍数K对改善调速系统的稳态性能有利，即静 差率减小、硬度提高、调速范围增大；但是，开环放大系数K过大系统 会变得不稳定，即动态性能变差了。这就是控制系统的稳态和动态性 能之间的相互制约性。
§2 单闭环直流调速系统
学习目标： 1.理解开环调速的缺点及其改进方法。 2.掌握转速负反馈调速系统的组成，能画出其原理图。 3.掌握转速负反馈调速系统的工作原理，会分析其抗干扰特性。 4.通过与开环调速相比较，掌握闭环调速系统的优点。 5.理解单闭环系统的开环放大倍数对系统的稳态、动态性能的
影响。 6.能在实验室熟练完成单闭环调速系统的接线与调试，会测试
U↑→
Uct
↑→U
↑→
d
n↑
通过这一调节可抑制转速的下降，虽然不能做到完全阻止转速下
降，但同开环相比，转速的下降程度会大大降低，从而保持了转速的
相对稳定 。
同相可分析电网电压下降时，系统的抗干扰性。电网电压下降时， 整流装置输出电压Ud减小，电机转速下降，系统调节过程如下：
Ud↓→
n
Ud
Id Ce
Kp
R2 R1
为运算放大器放大系数。转速反馈电压： Uf n
为转速反馈系数
二、单闭环调速系统的抗干扰性分析
引入转速负反馈的目的在于提高调速系统的抗干扰性，保持转 速的相对稳定，那么，单闭环调速系统是怎样实现抗干扰作用的呢？ 以负载电流增大为例分析如下 ：
I
↑→
d
n
Ud
Id Ce
R↓→
U
↓→
n
•给定电压的极性：运算放大器具有反相 作用，其输出与给定电压极性相反，所以 给定采用负给定，以保证触发电压为正；
•反馈电压的极 性：为实现负反 馈，反馈电压的 极性为正。
二、单闭环调速系统的工作原理
同开环调速系统一样，转速闭环调速系统中电机的转速 大小受转速给定电压Un*控制，给定电压为零时，电机停止； 给定电压增大时，电机转速升高；给定电压减小时，电机转 速下降。
以升速控制为例，系统的调节原理分析如下：
Un* U Un* Un Uct Ud n
当然，转速上升，转速反馈电压会升高，但其升值小于 给定电压增值，电压差总体上是增大的，转速是上升的。
思考题：
1、为什么开环调速采用正给定电压，而单闭环要采用负给定电压？ 2、要实现转速负反馈控制，转速反馈电压的极性必需为正，若接线 时误将其极性接反了，会出现什么现象？
该式称为系统的静特性方程。
K Kp Ks
Ce
称为系统的开环放大系数。
静特性与机械特性的比较-1
1、机械特性调速系统对开环而言；静特性是对闭环系统而言的。两者 都表示电机转速与负载电流之间的关系，即n=f(Id)。
2、一条机械特性曲线对应于一个不变的电枢电压；而一条静特性曲线 对应于 一个不变的给定电压。
采用闭环控制。根据自动控制理论，要想使被控量保持稳 定，可将被控量反馈到系统的输入端，构成负反馈闭环控 制系统。将直流电动机的转速检测出来，反馈到系统的输 入端，可构成转速负反馈直流调速系统。
§2.1 单闭环调速系统的构成及工作原理
一、单闭环调速系统的构成 (五部分)
1给定电路 2转速调节器
3触发及功放电路 4整流桥与电机主回路 5转速检测与反馈电路
单闭环调速系统的静特性。
§2 单闭环直流调速系统
课题引入---开环调速系统的局限性分析及改进办法 开环调速系统优点：结构简单。
开环调速系统的局限性：
抗干扰能力差，当电机的负载或电网电压发生波动时， 电机的转速就会随之改变，即转速不够稳定，因此开环 调速只能应用于负载相对稳定、对调速系统性能要求不 高的场合。 改进办法：
3、如右图所示，设电机开始工 作于A点，当负载电流增大时， 开环和闭环系统工作的原理是不 同的： (1)开环系统，给定不变，电枢电 压就不变，电流增加，工作点将 沿最下面那条机械特性向下移动
(2)而对于闭环调速系统，给定不变，电流增加时，系统有维持转速不 下降的趋势，通过调节，电枢电压升高，工作点将移至B、C或D。 ABCD所在直线就是闭环系统的在该给定电压下的一条静特性曲线。
静特性与机械特性的比较-2
4、静特性的硬度要比机械特性硬得多。
这一点从特性方程也可看出：
开环机械特性：
n Ud Ce
R Ce
Id
斜率： k R Ce
闭环静特性： n
K
p
KsU
* n
Ce 1 K
Ce
R
1
K
Id
斜率：k R
Ce 1 K
可见闭环静特性斜率比开环机械特性小得多。
思考题：
1．怎样通过实验测试闭环系统的静特性曲线？ 2．开环机械特性与闭环系统的静特性有何相同之处和不同之处？
§2.2 单闭环调速系统的性能分析
一、单闭环调速系统的稳态结构图
•稳态结构图是反映系 统稳定工作时，各构 成单元的输入-输出关 系的结构图。
•稳态结构图是分析系 统性能、进行稳态计 算的基础。
整流装置输出：Ud KsUct
比较环节：UΒιβλιοθήκη U* nUn
运算放大器输出：Uct KpU
电机转速： n Ud IdR Ce
R↓→
U
↓→
n
U↑→
U
ct
↑→
U
↑→
d
n↑
三、单闭环调速系统的静特性
闭环调速稳定工作时，电机转速与负载电流之间的关系称为闭 环调速系统的静特性。
由稳态结构图可知
U
U
* n
Un
Uct KpU
Ud KsUct n Ud IdR
Ce
由上述四式不难得出
n
K
p
KsU
* n
Ce 1 K
Ce
R
1
K
Id