1、1 12 2電氣傳動控制系統課程內容總貌3 3內容提綱：1、穩態調速性能指標2、開環直流調速系統3、轉速反饋直流調速系統 3.1 比例控制 4 4內容提綱：1、穩態調速性能指標2、開環直流調速系統3、轉速反饋直流調速系統 3.1 比例控制 5 5 對于調速系統轉速控制的要求有以下三個方面：（1）調速調速在一定的最高轉速和最低轉速范圍內，分檔地或平滑地調節轉速；（2）穩速穩速以一定的精度在所需轉速上穩定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉速波動；（3）加、減速加、減速頻繁起、制動的設備要求加、減速盡量快，不宜經受劇烈速度變化的機械則要求起、制動盡量平穩。1. 1. 穩態調速指標穩態調速指標6穩態調

2、速指標（穩態調速指標（1 1）n 調速范圍： 生產機械要求電動機提供的最高轉速和最低轉速之比叫做調速范圍，用字母 D 表示，即 其中 nmin 和 nmax 一般都指電機額定負載時的轉速，一般以電動機額定轉速作為最高轉速。調速范圍實際計算公式：minmaxnnD minnnDN7n 靜差率：當系統在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應的轉速降落 nN ，與理想空載轉速 n0 之比，稱作靜差率 s ，即穩態調速指標（穩態調速指標（2 2）0Nnns或用百分數表示 式中 nN = n0 - nN (2-26)%1000Nnns(2-27)8 8(3)(3)靜差率與機械特性硬度的關系

3、靜差率與機械特性硬度的關系OTeNTen0an0bab nNa nNb nu 特性特性 a 和和 b 的的 硬度硬度相同相同u 特性特性 a 和和 b 的的 額定速降額定速降相同相同u 特性特性 a 和和 b 的的 靜差率靜差率不相同不相同9 9n 靜差率與機械硬度的關系（續）靜差率與機械硬度的關系（續）例如例如：在某一電樞電壓輸入下，空載1000r/min時降落10r/min，靜差率為1%；降低電樞電壓使空載為100r/min時，同樣降落10r/min，靜差率卻升為10%； 如果在只有10r/min時，再降落10r/min，就占100%，這時電動機已經停止轉動，轉速全部降落完了。 1010

4、對于同樣硬度的特性，理想空載轉速越低時，靜差率越大。調速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。 因此：調速系統的靜差率應以最低速的數值為準。即：(4)(4)靜差率的實際計算公式靜差率的實際計算公式min0NnnsNminmin0nnn11(4) 調速范圍、靜差率和額定速降的關系 設：電機額定轉速 nN ，轉速降落為 nN，則該系統的靜差率應該是最低速時的靜差率，即而調速范圍為 于是，最低轉速為 將上面的式代入 nmin，得 NminNmin0NnnnnnssnsnsnnNNNmin)1 (minNminmaxnnnnDNN(1)n sDns12(4) 調速范圍、靜差率和額

5、定速降關系 （續）NN(1)n sDns 對于同一個調速系統，nN 值是定值 要求 s 值越小時，系統能夠允許的調速范圍 D 也越小 一個調速系統的調速范圍，是指在最低速時還能滿足 所需靜差率的轉速可調范圍。(2-28)1313（5）穩態調速指標使用注意： 調速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。 調速系統的靜差率指標應以最低速時所能達到的數值為準。 調速系統的調速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉速可調范圍。1414例題例題1-1 某直流調速系統電動機額定轉速為某直流調速系統電動機額定轉速為14301430r/min，額定速降額定速降 n nN N = 115

6、r/min= 115r/min，當要求靜差率，當要求靜差率30%30%時，允許時，允許多大的調速范圍？如果要求靜差率多大的調速范圍？如果要求靜差率20%20%，則調速范圍是多，則調速范圍是多少？如果希望調速范圍達到少？如果希望調速范圍達到1010，所能滿足的靜差率是多，所能滿足的靜差率是多少？少？解解: 要求30%時，調速范圍為 若要求20%，則調速范圍只有 若調速范圍達到10，則靜差率只能是3 . 5)3 . 01 (1153 . 01430)1 (NNsnsnD1 . 3)2 . 01 (1152 . 01430D%6 .44446. 011510143011510NNNnDnnDs151

7、5內容提綱：1、穩態調速性能指標2、開環直流調速系統3、轉速反饋單閉環直流調速系統 3.1 比例控制16（1）開環直流調速系統結構 開環調速系統的原理圖17（2）開環直流調速系統機械特性n 開環調速系統中各環節的穩態關系如下：電力電子變換器直流電動機n 開環調速系統的機械特性為 csdUKU0ed0dCRIUnedecsed0dCRICUKCRIUn開環調速系統穩態結構圖18（3）開環直流調速系統靜差率 開環系統機械特性都有較大的負載引起的轉速降落，它制約了開環調速系統的靜差率 s。, scdeedeK URInCCRInC 圖2-17 開環直流調速系統的機械特性1919要求S不大于5%，開環

8、能滿足嗎2020例例1-2 : :某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機：某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機：Z2-93Z2-93型、型、60kw60kw、220V220V、305A305A、1000r1000rminmin，如果采用，如果采用V-MV-M系統，系統，已知主回路總電阻已知主回路總電阻R R0.180.18，電動機，電動機CeCe0.2V0.2Vmin/rmin/r。如果要求如果要求D D2020，s s5 5，則開環調速能否滿足？，則開環調速能否滿足？開環系統機械特性連續段在額定轉速時的靜差率為開環系統機械特性連續段在額定轉速時的靜差率為 這已大大超過了這已大大超過了5的要求！的要

9、求！min/275min/2 . 018. 0305edNNrrCRIn%6 .21216. 02751000275NNNNnnnsmin/63. 2min/)05. 01 (2005. 01000)1 (NNrrsDsnn解：解： 當電流連續時，當電流連續時，V-M系統的額定速降為系統的額定速降為 如果要滿足生產工藝如果要滿足生產工藝D20，s5的要求，的要求，nN應該是多少呢應該是多少呢? 2121 開環調速系統往往不能滿足調速范圍和靜差率的要求。 反饋控制的閉環系統是按被調量的偏差進行控制的系統，只要被調量出現偏差，它就會自動產生糾正偏差的作用。 因此，閉環調速系統可以獲得比開環調速系統

10、硬得多的穩態特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調速范圍。如何獲得滿足要求的靜差率？22221、穩態調速性能指標2、開環直流調速系統3、轉速反饋直流調速系統 3.1 比例控制 3.1.1 3.1.1 靜分析靜分析 3.1.2 3.1.2 動態分析動態分析內容提綱：23（1）閉環調速系統原理n根據自動控制原理，將系統的被調節量作為反饋量引入系統，與給定量進行比較，用比較后的偏差值對系統進行控制，可以有效地抑制甚至消除擾動造成的影響，而維持被調節量很少變化或不變，這就是反饋控制的基本作用。在負反饋基礎上的“檢測誤差，用以糾正誤差”這一原理組成的系統，其輸出量反饋的傳遞途徑構成一個閉合的環路

11、，因此被稱作閉環控制系統。調速系統的轉速降落正是由負載引起的轉速偏差，顯然，引入轉速閉環將使調速系統應該能夠大大減少轉速降落。在直流調速系統中，被調節量是轉速，所構成的是轉速反饋控制的直流調速系統。 2424Ud4Ud3Ud2Ud1IdId1Id3Id2Id4ABCAD閉環靜特性閉環靜特性開環機械特性圖1-26 閉環系統靜特性和開環機械特性的關系0n（1）閉環調速系統原理（續1）2525n 閉環調節過程閉環調節過程開環系統開環系統 Id n 例如：在圖例如：在圖1-261-26中工作點從中工作點從A A A A 閉環系統閉環系統 Id n Un Un n Ud0 Uc 例如：在圖例如：在圖1-

12、261-26中工作點從中工作點從A A B B（1）閉環調速系統原理（續2）26（2）比例控制調速系統結構 在反饋控制的閉環直流調速系統中，與電動機同軸安裝一臺測速發電機 TG ，從而引出與被調量轉速成正比的負反饋電壓 Un ，與給定電壓 U*n 相比較后，得到轉速偏差電壓 Un ，經過放大器 A，產生電力電子變換器 UPE 的控制電壓Uc ，用以控制電動機轉速 n。圖2-18 采用轉速負反饋的閉環調速系統+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+-+UnUn U*nUcUPE+-MTGIdUnUdUcUnntg27UPE 原理 UPE 是由電力電子器件組成的變換器，其輸入接三相（或單相）

13、交流電源，輸出為可控的直流電壓，控制電壓為 Uc 。 組成 UPE 的電力電子器件有如下幾種選擇方案：n 對于中小容量系統，多采用由 IGBT 或 P-MOSFET 組成的 PWM 變換器；n 對于較大容量的系統，可采用其他電力電子開關器件，如 GTO、IGCT 等；n 對于特大容量的系統，則常用晶閘管觸發與整流裝置。UcUd0uACDC（2）比例控制調速系統結構（續）28假設條件： 下面分析閉環調速系統的穩態特性，以確定它如何能夠減少轉速降落。為了突出主要矛盾，先作如下的假定：（1）忽略各種非線性因素，假定系統中各環節的輸入輸出關系都是線性的， 或者只取其線性工作段；（2）忽略控制電源和電位

14、器的內阻。（2）忽略控制電源和電位器的內阻。圖2-18 采用轉速負反饋的閉環調速系統+-AGT+-+-+-Utgn+-+Un U*nUcUPE+-MTGIdUnUd（3）比例控制調速系統靜特性分析29穩態系數：圖2-18 采用轉速負反饋的閉環調速系統+-AGT+-+-+-Utgn+-+Un U*nUcUPE+-MTGIdUnUd Kp 放大器的電壓放大系數Ks 電力電子變換器的電壓 放大系數；R 電樞回路總電阻。 轉速反饋系數，（Vmin/r）Ud0 UPE 的理想空載輸出 電壓；3030 電壓比較環節電壓比較環節 n*nnUUU放大器放大器 npcUKU電力電子變換器電力電子變換器 cs0d

15、UKU調速系統開環機械特性調速系統開環機械特性 ed0dCRIUn測速反饋環節測速反饋環節 nUn 每個環節的穩態分析：3131（4）比例控制調速系統方框圖3232a）只考慮給定作用時的閉環系統b）只考慮擾動作用時的閉環系統)1(e*nspKCUKKn)1(edKCRIn3333（5）比例控制調速系統靜特性方程3434開環機械特性：開環機械特性： opop0ede*nsped0dnnCRICUKKCRIUn閉環系統靜特性閉環系統靜特性 ：clcl0ede*nsp)1 ()1 (nnKCRIKCUKKn（6）開環與比例控制調速的比較3535閉環系統靜特性比開環系統機械特性硬得多 閉環系統的靜差率

16、比開環系統小得多（按理想空載轉速相同進行比較） Knn1opclKss1opcl（6）開環與比例控制調速的比較（續1）3636所要求的靜差率一定時，閉環系統可大大提高調速范圍（最高轉速相同）（最高轉速相同）要取得上述三項優勢，閉環系統必須設置放大器。 opclDKD)1 ( （6）開環與比例控制調速的比較（續2）3737 閉環調速系統可以獲得比開環調速系統硬得多的穩態特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調速范圍，為此所需付出的代價是，須增設電壓放大器以及檢測與反饋裝置。 （7）結論3838例題1-3 在例題1-2中，龍門刨床要求D = 20，s 5%，已知 Ks = 30， = 0.0

17、15Vmin/r，Ce = 0.2Vmin/r，如何采用閉環系統滿足此要求？解解 在上例中已經求得 nop = 275 r/min，但為了滿足調速要求，須有 ncl = 2.63 r/min，由6 .103163. 22751,1copopcllnnKKnn代入已知參數，則得 462 . 0/015. 0306 .103/espCKKK39391、穩態調速性能指標2、開環直流調速系統3、轉速反饋單閉環直流調速系統 3.1 比例控制 3.1.1 3.1.1 靜分析靜分析 3.1.2 動態分析內容提綱：40（1 1）動態模型的建立方法）動態模型的建立方法 建立系統動態數學模型的基本步驟如下：（1）

18、根據系統中各環節的物理規律，列出描 述該環節動態過程的微分方程；（2）求出各環節的傳遞函數；（3）組成系統的動態結構圖并求出系統的傳 遞函數。4141（2 2）比例調速系統結構）比例調速系統結構-圖2-18 采用轉速負反饋的閉環調速系統+-AGT+-+-+-Utgn+-+Un U*nUcUPE+-MTGIdUnUd放大環節放大環節電力電子變換器環節電力電子變換器環節電動機環節電動機環節測速環節測速環節4242電力電子器件的傳遞函數電力電子器件的傳遞函數 不同電力電子變換器的傳遞函數，它們不同電力電子變換器的傳遞函數，它們的表達式是相同的，都是的表達式是相同的，都是1)(ssssTKsW 只是在

19、不同場合下，參數只是在不同場合下，參數K Ks s和和T Ts s的數值的數值不同而已。不同而已。 4343+ 直流電動機的傳遞函數直流電動機的傳遞函數EtILRIUddddd0(1-46) 假定主電路電假定主電路電流連續，則動態流連續，則動態電壓方程為電壓方程為 電路方程電路方程4444 如果，忽略粘性磨擦及彈性轉矩，電如果，忽略粘性磨擦及彈性轉矩，電機軸上的動力學方程為機軸上的動力學方程為 (1-47) tnGDTTdd3752Le 額定勵磁下的感應電動勢和電磁轉矩分額定勵磁下的感應電動勢和電磁轉矩分別為別為 dmeICT nCEe(1-48) (1-49) 電機空載轉矩在電機空載轉矩在內

20、的負載轉矩，內的負載轉矩，N-m電力拖動系統折電力拖動系統折算到電機軸上的算到電機軸上的飛輪慣量，飛輪慣量，N-m24545 電樞回路電磁時間常數，電樞回路電磁時間常數，s s； 電力拖動系統機電時間常數，電力拖動系統機電時間常數，s s。RLTlme2m375CCRGDT 定義下列時間常數定義下列時間常數4646 代入式（代入式（1-46）和（）和（1-47）,并考慮式（并考慮式（1-48）和（和（1-49），整理后得），整理后得)dd(dd0dtITIREUltERTIIddmdLdmLdLCTI(1-50) (1-51) 式中式中 為負載電流。為負載電流。 n 微分方程微分方程4747

21、在零初始條件下，取等式兩側的拉氏在零初始條件下，取等式兩側的拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數變換，得電壓與電流間的傳遞函數 11)()()(0ddsTRsEsUsIl電流與電動勢間的傳遞函數電流與電動勢間的傳遞函數 sTRsIsIsEmdLd)()()(1-52) (1-53) n 傳遞函數傳遞函數4848n 動態結構圖 Id (s)IdL(s)+-E (s) R Tmsb. 式（153）的結構圖E(s)Ud0+-1/RTl s+1Id (s)a. 式（152）的結構圖圖1-34 額定勵磁下直流電動機動態結構圖4949n(s)c. 整個直流電動機的動態的結構圖 1/CeUd0IdL (s)

22、EId (s)+- 1/R Tl s+1 R Tms5050 由上圖由上圖c c可以看出，直流電動機有兩可以看出，直流電動機有兩個輸入量，一個是施加在電樞上的理想個輸入量，一個是施加在電樞上的理想空載電壓空載電壓，另一個是，另一個是負載電流負載電流。 理想理想空載電壓空載電壓-控制輸入量控制輸入量 負載電流負載電流-擾動輸入量擾動輸入量 如果不需要在結構圖中顯現出電流如果不需要在結構圖中顯現出電流，可將擾動量的綜合點移前，再進行等，可將擾動量的綜合點移前，再進行等效變換，得下圖效變換，得下圖a a。如果是理想空載，則。如果是理想空載，則 I IdLdL = 0= 0，結構圖即簡化成下圖，結構圖

23、即簡化成下圖b b。5151n(s)Ud0 (s)+-1/Ce TmTl s2+Tms+1IdL (s) R (Tl s+1)n 動態結構圖的變換和簡化動態結構圖的變換和簡化a. IdL 05252n(s)1/Ce TmTl s2+Tms+1Ud0 (s)n 動態結構圖的變換和簡化（續）動態結構圖的變換和簡化（續）b. IdL= 05353 直流閉環調速系統中的其他環節還有比例放直流閉環調速系統中的其他環節還有比例放大器和測速反饋環節，它們的響應都可以認為是大器和測速反饋環節，它們的響應都可以認為是瞬時的，因此它們的傳遞函數就是它們的放大系瞬時的，因此它們的傳遞函數就是它們的放大系數，即數，即

24、 放大器pnca)()()(KsUsUsW)()()(nfnsnsUsW測速反饋（1-55） （1-54） 3. 3. 控制與檢測環節的傳遞函數控制與檢測環節的傳遞函數54544. 4. 閉環調速系統的動態結構圖閉環調速系統的動態結構圖圖圖1-36 反饋控制閉環調速系統的動態結構圖反饋控制閉環調速系統的動態結構圖n(s)U*n (s)IdL (s) Uct (s)Un (s)+- KsTss+1KP1/Ce TmTl s2+Tms+1 +-R (Tl s+1)Ud0 (s)知道了各環節的傳遞函數后，把它知道了各環節的傳遞函數后，把它們按在系統中的相互關系組合起來，們按在系統中的相互關系組合起來

25、，就可以畫出閉環直流調速系統的動就可以畫出閉環直流調速系統的動態結構圖，如下圖所示。態結構圖，如下圖所示。將電力電子變換器按一階慣性環節處理將電力電子變換器按一階慣性環節處理后，帶比例放大器的閉環直流調速系統后，帶比例放大器的閉環直流調速系統可以看作是一個三階線性系統可以看作是一個三階線性系統55555. 5. 調速系統的開環傳遞函數調速系統的開環傳遞函數 由圖可見，反饋控制閉環直流調速系統由圖可見，反饋控制閉環直流調速系統的開環傳遞函數是的開環傳遞函數是 ) 1)(1()(m2mssTsTTsTKsWl式中 K = Kp Ks / Ce （1-56） 根據開環傳遞函數能看出什么結論？根據開環

26、傳遞函數能看出什么結論？ 56566. 6. 調速系統的閉環傳遞函數調速系統的閉環傳遞函數 設設I Idldl= =0 0，從給定輸入作用上看，閉環直，從給定輸入作用上看，閉環直流調速系統的閉環傳遞函數是流調速系統的閉環傳遞函數是 111)(1)1 () 1)(1(/) 1)(1(/1) 1)(1(/)(sm2sm3smespm2msespm2msespm2msespcsKTTsKTTTsKTTTKCKKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsWllllll（1-57） 57571.5.2 反饋控制閉環直流調速系統的穩定條件反饋控制閉環直流調速系統的穩定條件 由式（由式

27、（1-571-57）可知，反饋控制閉環直流調）可知，反饋控制閉環直流調速系統的特征方程為速系統的特征方程為 0111)(1sm2sm3smsKTTsKTTTsKTTTll（1-58） 它的一般表達式為它的一般表達式為 0322130asasasa5858 根據三階系統的勞斯根據三階系統的勞斯- -古爾維茨判據，系古爾維茨判據，系統穩定的充分必要條件是統穩定的充分必要條件是 0000030213210aaaaaaaa， 式（式（1-581-58）的各項系數顯然都是大于零的，）的各項系數顯然都是大于零的，因此穩定條件就只有因此穩定條件就只有 0111)(smsmsmKTTTKTTKTTTllssm

28、s)1 ()(TTKTTTTll或5959整理后得整理后得 2msss()llT TTTKTT（1-59） 式（式（1-591-59）右邊稱作系統的臨界放大系）右邊稱作系統的臨界放大系數數 K Kcrcr, , 當當 K K K Kcr cr 時，系統將不穩定。時，系統將不穩定。 對于一個自動控制系統來說，穩定性是對于一個自動控制系統來說，穩定性是它能否正常工作的首要條件，是必須保證的它能否正常工作的首要條件，是必須保證的。 Kcr60601、穩態調速性能指標2、開環直流調速系統3、轉速反饋單閉環直流調速系統 3.1 比例控制 3.2 反饋的效用內容提綱：6161反饋控制的效用 只用比例放大器的反饋控制系統，其被調只用比例放大器的反饋控制系統，其被調量是有靜差的。量是有靜差的。)1 (KCRInedcl，才能使K0cln只有6262 一方面能夠有效地抑