郝用兴主编-华中科技大学出版社-第二版-机电传动控制课件--第10章

直流调速控制系统机电传动控制第十章内容提要▲直流调速系统性能指标▲有静差调速系统▲无静差调速系统▲转速、电流双闭环调速系统▲直流脉宽调制调速装置▲直流调速系统的数字控制本章从模拟控制器入手，讲述了直流调速系统的基本概念和基本方法，在此基础上阐述了直流调速的数字控制。要求学生掌握直流调速系统的控制规律，学会用数字控制器实现系统调速的目的。10.1直流调速系统性能指标（1）调速范围调速范围是指系统在额定负载时电动机的最高转速与最低转速之比D，即minmaxnnD（2）静差率静差率是用额定负载时的转速降落△ne与理想空载转速n0之比来表示，即00nnnse（3）跟随性能图10-1所示为输入R（t）的动态跟随过程曲线。①上升时间tr②超调量Mp％③调节时间ts④振荡次数N（4）抗干扰性能图10-2所示为一个调速系统在突加负载时转速的动态响应曲线。①最大动态速度△nm图10-2突加负载后转速的扰动响应曲线②恢复时间tp10.2有静差调速系统10.2.1闭环调速系统的组成及其静特性图10-3所示，即为一种反馈控制的闭环直流调速系统图10-3带转速负反馈的闭环调速系统原理框图下面分析比例调节器闭环调速系统的稳态性能，以证明闭环调速系统的变化规律。为突出主要矛盾，首先假定如下：（1）忽略各种非线性因素，假定系统中各环节的输入－输出关系是线性的，或者取其线性工作段。（2）忽略控制电源和电位器的内阻。（3）图10－3中调节器为放大器，且放大系数为则调速系统中各环节的稳态关系如下：电压比较环节*nnnUUU*nnnUUU放大器cpnUKU电力电子变换器0dscUKU调速系统开环机械特性0ddeUIRnC测速反馈环节nUn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（V·min/r）；——电力电子变换器理想空载输出电压（V）（变换器内阻已并入电枢回路总电阻R中）pKsK0dU整理后**(1)(1)(1)psndpsndepseeeKKUIRKKUIRnCKKCCKCK其中称作闭环系统的开环放大系数。pseKKKC10.2.2闭环系统的优势下面通过开环系统的机械特性和闭环系统的静特性比较，来分析闭环系统的优势。上述系统的开环机械特性为*00=ddPSndopopeeeUIRKKURInnnCCC而闭环时的静特性可写成*0(1)(1)psndclcleeKKURInnnCKCK比较以上两个式子不难看出以下的论断(1)闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多。dopeRInC(1)dcleRInCK1opclnnK它们的关系是(2)闭环系统的静差率要比开环系统小得多。0clclclnsn0opopopnsn按理想空载转速相同的情况比较，则1opclssK(3)如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围如果电动机的最高转速都是；而对最低速静差率的要求相同，那么，由有Nn(1)NNnsDns开环时(1)NopopnsDns闭环时(1)NclclnsDns再考虑式（10-3），得(1)clopDKD上述三项优势的显现，需要K值足够大，即在闭环系统中设置放大器。如在上述的速度反馈闭环系统中引入转速反馈电压后，若要使转速偏差小，就必须把压得很低，所以必须设置放大器，才能获得足够的控制电压。在开环系统中，由于和是属于同一数量级的电压，可以把直接当作来控制，放大器便是多余的了。因此闭环系统能够减少稳态速降，能使转速随着负载的变化而相应改变电枢电压，以补偿电枢回路的电阻压降达到自动调节的目的。10.2.3闭环控制系统的特征转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统。它具有下列三个基本特征：（1）只用比例放大器的反馈系统，其被调量仍是有静差的(2)抵抗扰动，服从给定。（3）高精度的调速系统必须有更高精度的给定稳压电源。（4）反馈检测装置的误差也是反馈控制系统无法克服的。采用高精度光电编码盘的数字测速，可以大大提高调速系统的精度。10.2.4比例调节器突加负载的动态过程当负载转矩由突增到时，有静差调速系统的转速、偏差电压和控制电压的变化过程如图10-4所示。图10-4有静差调速系统突加负载的动态过程由动态过程可知，在比例调节器的调速系统中负载的突增会扰动电机的转速下降，即降低。根据偏差电压跟随转速增加。控制电压增加，从而使电机转速升高，达到一种新的稳态，整个过程只要电机运行就必须有控制电压。因而也必须有转速偏差电压，只要偏差电压发生变化，就会影响比例调节器的输出从而影响转速的变化。10.2.5电流截止负反馈图10-5（a）（b）分别为利用二极管的单向导电性和稳压二极管的击穿电压来实现电流反馈的引入与切除的图10-5电流截止负反馈（a）利用独立直流电源作比较电压（b)利用稳压管产生比较电压10.3.1积分调节器为了弄清楚比例积分的控制规律，我们首先分析一下积分控制的作用图10-6积分调节器（a)原理图（b)阶跃输入时的输出特性10.3无静差调速系统图10-6（a）绘出了用运算放大器构成的积分调节器（I调节器）的原理图，由图可知0111exininUidtUdtUdtCRC当的初始值为零时，在阶跃输入作用下，对式（10-6）进行积分运算，得积分调节器的输出时间特征，如图10-6（b）所示。inexUUt积分调节器的传递函数为()1()()exiinUsWsUss如果直流调速系统采用积分调节器，则01tcnUUdt如果是阶跃函数，则按线性规律增长，每一时刻的大小和与横轴所包围的面积成正比，如图10-7（a）所示。图10-7积分调节器的输入和输出动态过程（a)阶跃输入（b)负载变化时的动态过程图10-7（b）绘出的曲线是负载变化时的偏差电压波形。按照与横轴所包围面积的正比关系，可得相应的曲线，图中的最大值对应于的拐点。以上都是的初值为零的情况，若初值不是零，还应加上初始电压，则积分式变成001()()tcncUtUtdtU由图10-7（b）可见，在动态过程中，当变化时，只要其极性不变，即只要仍是，积分调节器的输出便一直增长；只有达到，时，才停止上升；不到变负，不会下降。在这里，值得特别强调的是，当时，并不是零，而是一个终值；如果不再变化，这个终值便保持恒定而不再变化，这是积分控制的特点。因为如此，积分控制可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速。当负载突增时，积分控制的无静差调速系统动态控制曲线如图10-8所示图10-8无静差调速系统突加负载过程在稳态运行时，转速偏差电压必为零。如果不为零，则继续变化，就不是稳态了。在突加负载引起动态降速时产生，达到新的稳态时，又恢复为零，但已从上升到，使电枢电压由上升到，以克服负载电流增加的压降。这里的改变并非仅仅依靠本身，而依靠在一段时间内的积累。将以上的分析归纳起来，可得下述论断：比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状，而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。虽然现在，只要历史上有过，其积分就有一定数值，足以产生稳态运行所需要的控制电压。积分控制规律和比例控制规律的根本区别就在于此。10.3.2比例积分调节器图10-9为比例积分调节器线路图。图10-9为比例积分调节器比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。10-10（a）为PI调节器输入为阶跃函数时的输出特性曲线。图10-10PI调节器输入与输出特性曲线（a）PI调节器输出特性曲线（b）PI调节器输出动态过程输入偏差电压的波形如图10-10（b）所示PI调节器既具有快速响应性能，又足以消除调速系统的静差。除此以外，比例积分调节器还是提高系统稳定性的校正装置。因此，它在调速系统和其他控制系统中获得了广泛的应用。10.3.3无静差直流调速系统图10-11是一个带电流截止负反馈的比例积分控制直流调速系统，可以实现无静差图10-11无静差直流调速系统示例在实际系统中，为了避免运算放大器长期工作产生零点漂移，常常在两端再并联一个几兆欧的电阻，以便把放大系数压低一些。这样就成为一个近似的PI调节器，或称“准PI调节器”，如图10-12所示。图10-12准PI调节器（b)理想的快速起动过程IdLntIdOIdm（a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统图10-3直流调速系统起动过程的电流和转速波形10.4转速、电流双闭环调速系统IdLntIdOIdmIdcr10.4.1转速电流双闭环直流调速系统的组成10.4转速、电流双闭环调速系统前一节讲述的是采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统。系统中的电流截止负反馈只能在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击。并不能很理想地控制电流的动态波形，其波形如图10-13（a）所示。启动电流突破后，受电流负反馈作用，电流只能再高一点。经过某一最大值后就降下来，电机的电磁转矩也随之减小，因而加速过程长。为了缩短起、制动过程的时间，提高生产率。最好在过渡过程中始终保持电流（转矩）为电机允许的最大值。使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，使转矩与负载相平衡，从而转入稳态运行。理想的波形图如图10-13（b）所示。为此，直流调速系统可以采用转速和电流两个调节器，并将二者之间实行嵌套（或称串级）连接如图10-14所示把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPETGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPEL-MTG+图10-14转速、电流双闭环直流调速系统结构为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如图10-15所示。图10-15双闭环直流调速系统电路原理图10.4.2双闭环调速系统的静特性和稳态参数计算图10-16是根据原理图10-15画出来的稳态结构图图10-16双闭环直流调速系统的稳态结构图实际应用的调速系统中，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和的，因此，分析静特性时，按转速调节器饱和与不饱和两种情况进行分析。（1）转速调节器不饱和转速调节器不饱和时，即两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都为零。因此稳态时*0nnUUnn*iidUUI则*0nUnn*idUI从而得到双闭环直流调速系统的特性，它是一条水平的特性，图10-17的AB段。即在时转速为恒值。图10-17双闭环直流调速系统的静特性转速调节器饱和由于ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响，这时双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时*imddmUII其中最大电流是由设计者选定的，取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。式（10-7）所描述的静特性对应于图10-17中的BC段，它是一条垂直的特性。这样的下垂特性只适合于的情况，因为如果，则，ASR将退出饱和状态。又由于0*dUedendLcsssCnIRCUIRUKKK转速反馈系数电流反馈系数和由设计者选定，受运算放大器允许输入电压和稳态电源的限制。*maxnmUn*imdmUI10.4.3双闭环直流调速系统的动态分析下面我们通过分析系统的大给定启动过程来理解控制系统的工作原理双闭环调速系统在大给定阶跃信号电压Un*作用下，电动机由静止开始启动时，整个启动过程可以分成三个阶段。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。具体启动过程的波形如图10-18所示。图10-18转速、电流双闭环调速系统的动态响应曲线第I阶段电流上升的阶段突加给定电压U*n后，Id上升，当Id小于负载电流IdL时，电机还不能转动。当Id≥IdL后