运动控制系统3

2.3转速反馈控制的直流调速系统)1(NNsnsnD调速范围和静差率之间的关系式生产要求：尽量提高调速范围，并降低静差率采用反馈控制技术，构成转速闭环的控制系统。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能够大大减少转速降落，从而降低静差率，扩大调速范围。图2-18采用转速负反馈的闭环调速系统原理框图+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un∆UnUn*UcUPE+-MTGIdUnUdtg调节原理UPE的组成图中，UPE是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三组（或单相）交流电源，输出为可控的直流电压，控制电压为Uc。UcUd0u~ACDC在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机TG，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Un，与给定电压U*n相比较后，得到转速偏差电压Un，经过放大器A，产生电力电子变换器UPE的控制电压Uc，用以控制电动机转速n。UPE的组成（续）目前，组成UPE的电力电子器件有如下几种选择方案：•对于中、小容量系统，多采用由IGBT或P-MOSFET组成的PWM变换器；•对于较大容量的系统，可采用其他电力电子开关器件，如GTO、IGCT等；•对于特大容量的系统，则常用晶闸管触发与整流装置。稳态分析条件下面分析闭环调速系统的稳态特性，以确定它如何能够减少转速降落。为了突出主要矛盾，先作如下的假定：（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都是线性的，或者只取其线性工作段；（2）忽略控制电源和电位器的内阻。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ed0dCRIUn测速反馈环节nUn稳态关系以上各关系式中—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，（V·min/r）；—UPE的理想空载输出电压；—电枢回路总电阻。KpKsRUd0KpKs1/CeUn*Uc∆UnEnUd0Un++-IdR-UnKs图2-19转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图静特性方程)1()1()/1(ede*nspesped*nspKCRIKCUKKCKKCRIUKKn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：式中，闭环系统的开环放大系数K为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。espCKKK（2-32）静特性方程（续）电动机环节放大系数为nECe注意：闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）间的稳态关系，它在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大不同，故定名为“静特性”，以示区别。KpKs1/CeUn*Uc∆UnEnUd0Un++-IdR-闭环系统的稳态结构框图图中各方块内的符号代表该环节的放大系数。运用结构图运算法同样可以推出式（2-32）所表示的静特性方程式，方法如下：将给定量和扰动量看成两个独立的输入量，先按它们分别作用下的系统求出各自的输出与输入关系式.a）只考虑给定作用时的闭环系统b）只考虑扰动作用时的闭环系统)1(e*nspKCUKKn)1(edKCRInU*nKpKs1/CeUc∆UnnUd0Un+-+KpKs1/Ce-IdRnUd0+-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（2-32）)1()1(ede*nspKCRIKCUKKn2.3.2比例控制的直流调速系统1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opop0ede*nsped0dnnCRICUKKCRIUn(2-46)而闭环时的静特性可写成llnnKCRIKCUKKncc0ede*nsp)1()1((2-47)比较式（2-46）和式（2-47）不难得出以下的论断：（1）闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬得多。在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为和它们的关系是Knnl1opc(2-48)edopCRIn)1(edcKCRInl系统特性比较（2）如果比较同一开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多。闭环系统和开环系统的静差率分别为和当n0op=n0cl时，（2-49）lllnnsc0ccop0opopnnsKssl1opc系统特性比较（续）（3）当要求的静差率一定时，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nmax；而对最低速静差率的要求相同，那么：开环时，闭环时，再考虑式（2-49），得opc)1(DKDl(2-50))1(opNopsnsnD)1(cNcsnsnDll系统特性比较（续）系统特性比较（续）（4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。上述三项优点若要有效，都取决于一点，即K要足够大，因此必须设置放大器。把以上四点概括起来，可得下述结论：闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。例题2-3在例题2-2中，龙门刨床要求D=20，s5%，已知Ks=30，=0.015V·min/r，Ce=0.2V·min/r，如何采用闭环系统满足此要求？解在上例中已经求得Δnop=275r/min，但为了满足调速要求，须有Δncl=2.63r/min，由式（2-48）可得6.103163.22751coplnnK代入已知参数，则得462.0/015.0306.103/espCKKK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。系统调节过程nOIdId1Id3Id2Id4ABCA’D闭环静特性开环机械特性图2-24闭环系统静特性和开环机械特性的关系Ud4Ud3Ud2Ud1系统调节过程开环系统Idn例如：在图2-24中工作点从AA’闭环系统IdnUnUnUcUd0n例如：在图2-24中工作点从AB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。2反馈控制规律转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有以下三个基本特征，也就是反馈控制的基本规律，各种不另加其他调节器的基本反馈控制系统都服从于这些规律。1、被调量有静差K越大，稳定性能好,D大S小，但△ncl02、抵抗扰动与服从给定反馈能减小扰动影响3、系统的精度依赖于给定和反馈检测精度需高精度给定稳压电源、高精度测速发电机1.被调量有静差从静特性分析中可以看出，由于采用了比例放大器，闭环系统的开环放大系数K值越大，系统的稳态性能越好。然而，Kp=常数，稳态速差就只能减小，却不可能消除。因为闭环系统的稳态速降为只有K=，才能使ncl=0，而这是不可能的。因此，这样的调速系统叫做有静差调速系统。实际上，这种系统正是依靠被调量的偏差进行控制的。)(edcKICRInl2.抵抗扰动,服从给定反馈控制系统具有良好的抗扰性能，它能有效地抑制一切被负反馈环所包围的前向通道上的扰动作用，但对给定作用的变化则唯命是从。扰动——除给定信号外，作用在控制系统各环节上的一切会引起输出量变化的因素都叫做“扰动作用”。调速系统的扰动源–负载变化的扰动（使Id变化）；–交流电源电压波动的扰动（使Ks变化）；–电动机励磁的变化的扰动（造成Ce变化）；–放大器输出电压漂移的扰动（使Kp变化）；–温升引起主电路电阻增大的扰动（使R变化）；–检测误差的扰动（使变化）。在图2-25中，各种扰动作用都在稳态结构框图上表示出来了，所有这些因素最终都要影响到转速。扰动作用与影响图2-25闭环调速系统的给定作用和扰动作用励磁变化Id变化电源波动Kp变化电阻变化检测误差KpKs1/CeU*nUc∆UnEnUd0Un++--R！只有前向通道上的扰动能通过负反馈抑制抗扰能力反馈控制系统对被反馈环包围的前向通道上的扰动都有抑制功能。例如：UcUd0nUnUnUcUd0n•抗扰能力但是，如果在反馈通道上的测速反馈系数受到某种影响而发生变化，它非但不能得到反馈控制系统的抑制，反而会增大被调量的误差。例如：UnUnUcUd0n因此，反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动。给定作用与众不同的是在反馈环外的给定作用，如图2-25中的转速给定信号，它的些微变化都会使被调量随之变化，丝毫不受反馈作用的抑制。结论2：反馈控制系统的规律是：一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。3.系统的精度依赖于给定和反馈检测精度•给定精度——由于给定决定系统输出，输出精度自然取决于给定精度。如果产生给定电压的电源发生波动，反馈控制系统无法鉴别是对给定电压的正常调节还是不应有的电压波动。因此，高精度的调速系统必须有更高精度的给定稳压电源。•检测精度——反馈检测装置的误差也是反馈控制系统无法克服的，因此检测精度决定了系统输出精度。单闭环系统稳态参数计算例：用线性集成电路运算放大器作为电压放大器的转速负反馈闭环直流调速系统如下图所示主电路是晶闸管可控整流器供电的V-M系统。已知数据如下：•电动机：额定数据为10kW，220V，55A，1000r/min，电枢电阻Ra=0.5Ω；•晶闸管触发整流装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器Y/Y联结，二次线电压U2l=230V，电压放大系数Ks=44；•V-M系统电枢回路总电阻：R=1.0Ω；•若生产机械要求调速范围D=10，静差率5%，且试计算调速系统的稳态参数（暂不考虑电动机的起动问题）。*12,ndNNUvIInn时，解（1）为满足调速系统的稳态性能指标，额定负载时的稳态速降应为5.26r/min)05.01(1005.01000)1(NcsDsnnl（2）求闭环系统应有的开环放大系数，先计算电动机的电动势系数：NNaeN220550.51000=0.1925V?min/UIRCnr而开环系统额定速降为所以闭环系统的开环放大系数应为285.7r/min1925.00.155eNopCRIn3.5313.54126.57.2851coplnnK（3）计算转速反馈环节的反馈系数和参数*120.012min/1000nnNNUUVrnn（4）计算运算放大器的放大系数和参数根据调速指标要求，前已求出，闭环系统的开环放大系数应为K≥53.3，则运算放大器的放大系数Kp应为实取21。pse53.320.140.012440.1925KKKC补充例题：有一V—M调速系统，电动机参数：Pnom＝2KW，Unom＝220V，Inom=10A,nnom=1200r／min，Ra＝2，整流装置内阻Rrec＝1，触发整流环节的放大系数Ks＝30，要求调速范围D＝20，静差率s＝10％。试求：①计算开环系统的稳态速降和调速要求所允许的稳态速降。②采用转速负反馈组成闭环系统,试画出系统的稳态结构图。③调整该系统，使u*n＝20V时转速n=1000r／min，此时转速反馈系数应为多少?(un≈u*n)④计算所需的放大器放大系数。2.5限流保护——电流截止负反馈问题的提出：起动的冲击电流——直流电动机全电压起动时，如果没有限