關于運動控制系統第1頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六本節提要轉速控制的要求和調速指標開環調速系統及其存在的問題閉環調速系統的組成及其靜特性開環系統特性和閉環系統特性的關系反饋控制規律限流保護——電流截止負反饋第2頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六1.4.1轉速控制的要求和調速指標

任何一臺需要控制轉速的設備，其生產工藝對調速性能都有一定的要求。

歸納起來，對于調速系統的轉速控制要求有以下三個方面：第3頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六1.控制要求（1）調速——在一定的最高轉速和最低轉速范圍內，分擋地（有級）或平滑地（無級）調節轉速；（2）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，以確保產品質量；（3）加、減速——頻繁起、制動的設備要求加、減速盡量快，以提高生產率；不宜經受劇烈速度變化的機械則要求起，制動盡量平穩。第4頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六2.調速指標調速范圍：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（1-31）

其中nmin

和nmax

一般都指電機額定負載時的轉速，對于少數負載很輕的機械，例如精密磨床，也可用實際負載時的轉速。第5頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六

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

，即或用百分數表示

（1-32）

（1-33）

式中nN=n0-nN

第6頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六0TeNTen0an0bab?

nNa

?

nNb

nO圖1-23不同轉速下的靜差率3.靜差率與機械特性硬度的區別

然而靜差率和機械特性硬度又是有區別的。一般調壓調速系統在不同轉速下的機械特性是互相平行的。對于同樣硬度的特性，理想空載轉速越低時，靜差率越大，轉速的相對穩定度也就越差。第7頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六例如：在1000r/min時降落10r/min，只占1%；在100r/min時同樣降落10r/min，就占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。

因此，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。靜差率與機械特性硬度的區別（續）第8頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六4.調速范圍、靜差率和額定速降之間的關系

設：電機額定轉速nN為最高轉速，轉速降落為nN，則按照上面分析的結果，該系統的靜差率應該是最低速時的靜差率，即于是，最低轉速為

第9頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六而調速范圍為

將上面的式代入nmin，得

（1-34）

第10頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六

式（1-34）表示調壓調速系統的調速范圍、靜差率和額定速降之間所應滿足的關系。對于同一個調速系統，nN

值一定，由式（1-34）可見，如果對靜差率要求越嚴，即要求s值越小時，系統能夠允許的調速范圍也越小。

第11頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六結論1：

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。第12頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六例題1-1某直流調速系統電動機額定轉速為，額定速降nN

=115r/min，當要求靜差率30%時，允許多大的調速范圍？如果要求靜差率20%，則調速范圍是多少？如果希望調速范圍達到10，所能滿足的靜差率是多少？第13頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六解要求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，則靜差率只能是第14頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六1.4.2開環調速系統及其存在的問題

若可逆直流脈寬調速系統是開環調速系統，調節控制電壓就可以改變電動機的轉速。如果負載的生產工藝對運行時的靜差率要求不高，這樣的開環調速系統都能實現一定范圍內的無級調速，可以找到一些用途。但是，許多需要調速的生產機械常常對靜差率有一定的要求。在這些情況下，開環調速系統往往不能滿足要求。

第15頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六例題1-2

某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機，其額定數據如下：60kW、220V、305A、1000r/min，采用V-M系統，主電路總電阻，電動機電動勢系數。如果要求調速范圍D=20，靜差率5%，采用開環調速能否滿足？若要滿足這個要求，系統的額定速降最多能有多少？第16頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六解當電流連續時，V-M系統的額定速降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5%的要求，更不必談調到最低速了。第17頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六

如果要求D=20，s

≤

5%，則由式（1-29）可知由上例可以看出，開環調速系統的額定速降是275r/min，而生產工藝的要求卻只有2.63r/min，相差幾乎百倍！由此可見，開環調速已不能滿足要求，需采用反饋控制的閉環調速系統來解決這個問題。第18頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六1.4.3閉環調速系統的組成及其靜特性

根據自動控制原理，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。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。

第19頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六

系統組成圖1-24

采用轉速負反饋的閉環調速系統+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un?UnU*nUcUPE+-MTGIdUnUdUcUnntg第20頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六

調節原理

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。第21頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六UPE的組成

圖中，UPE是由電力電子器件組成的變換器，其輸入接三組（或單相）交流電源，輸出為可控的直流電壓，控制電壓為Uc

。UcUd0u~ACDCUd0Uc第22頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六

UPE的組成（續）

目前，組成UPE的電力電子器件有如下幾種選擇方案：對于中、小容量系統，多采用由IGBT或P-MOSFET組成的PWM變換器；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；對于特大容量的系統，則常用晶閘管觸發與整流裝置。第23頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六

穩態分析條件

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器的內阻。第24頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六轉速負反饋直流調速系統中各環節的穩態關系如下：

電壓比較環節

放大器

電力電子變換器

調速系統開環機械特性

測速反饋環節

穩態關系第25頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六

穩態關系（續）以上各關系式中

—放大器的電壓放大系數；

—電力電子變換器的電壓放大系數；

—轉速反饋系數，（V·min/r）；

—UPE的理想空載輸出電壓；

—電樞回路總電阻。KpKsRUd0第26頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六

從上述五個關系式中消去中間變量，整理后，即得轉速負反饋閉環直流調速系統的靜特性方程式（1-35）

靜特性方程第27頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六

靜特性方程（續）

式中閉環系統的開環放大系數K為

它相當于在測速反饋電位器輸出端把反饋回路斷開后，從放大器輸入起直到測速反饋輸出為止總的電壓放大系數，是各環節單獨的放大系數的乘積。電動機環節放大系數為第28頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六注意：

閉環調速系統的靜特性表示閉環系統電動機轉速與負載電流（或轉矩）間的穩態關系，它在形式上與開環機械特性相似，但本質上卻有很大不同，故定名為“靜特性”，以示區別。第29頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++-IdR-UnKs

閉環系統的穩態結構框圖圖1-25轉速負反饋閉環直流調速系統穩態結構圖第30頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六

圖中各方塊內的符號代表該環節的放大系數。運用結構圖運算法同樣可以推出式（1-35）所表示的靜特性方程式，方法如下：將給定量和擾動量看成兩個獨立的輸入量，先按它們分別作用下的系統求出各自的輸出與輸入關系式第31頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六b）只考慮給定作用時的閉環系統c）只考慮擾動作用時的閉環系統U*nKpKs

1/CeUc?UnnUd0Un+-+KpKs

1/Ce-IdRnUd0+-E第32頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六

由于已認為系統是線性的，可以把二者疊加起來，即得系統的靜特性方程式（1-35）第33頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六1.4.4開環系統機械特性和閉環系統靜特性

的關系

比較一下開環系統的機械特性和閉環系統的靜特性，就能清楚地看出反饋閉環控制的優越性。如果斷開反饋回路，則上述系統的開環機械特性為

(1-36)

而閉環時的靜特性可寫成

(1-37)

第34頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六比較式（1-36）和式（1-37）不難得出以下的論斷：（1）閉環系統靜性可以比開環系統機械特性硬得多。在同樣的負載擾動下，兩者的轉速降落分別為和它們的關系是

(1-38)

系統特性比較第35頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六

系統特性比較（續）（2）如果比較同一的開環和閉環系統，則閉環系統的靜差率要小得多。

閉環系統和開環系統的靜差率分別為

和當n0op=n0cl

時，（1-39）第36頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六（3）當要求的靜差率一定時，閉環系統可以大大提高調速范圍。如果電動機的最高轉速都是nmax；而對最低速靜差率的要求相同，那么：開環時， 閉環時， 再考慮式（1-38），得

(1-40)

系統特性比較（續）第37頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六

系統特性比較（續）（4）要取得上述三項優勢，閉環系統必須設置放大器。

上述三項優點若要有效，都取決于一點，即K要足夠大，因此必須設置放大器。第38頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六

把以上四點概括起來，可得下述結論：結論2：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。

第39頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六例題1-3

在例題1-2中，龍門刨床要求

D=20，s<5%，已知Ks=30，=0.015V·min/r，

Ce=0.2V·min/r，如何采用閉環系統滿足此要求？

第40頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六解在上例中已經求得

Δnop=275r/min，但為了滿足調速要求，須有

Δncl=2.63r/min，由式（1-38）可得第41頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六代入已知參數，則得即只要放大器的放大系數等于或大于46，閉環系統就能滿足所需的穩態性能指標。第42頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六

系統調節過程開環系統

Id

n例如：在圖1-26中工作點從AA’閉環系統

Id

nUnUn

nUd0Uc例如：在圖1-26中工作點從AB第43頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六n0OIdId1Id3Id2Id4ABCA’D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Ud4Ud3Ud2Ud1第44頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六

由此看來，閉環系統能夠減少穩態速降的實質在于它的自動調節作用，在于它能隨著負載的變化而相應地改變電樞電壓，以補償電樞回路電阻壓降。第45頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六1.4.5反饋控制規律

轉速反饋閉環調速系統是一種基本的反饋控制系統，它具有以下三個基本特征，也就是反饋控制的基本規律，各種不另加其他調節器的基本反饋控制系統都服從于這些規律。

第46頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六1.被調量有靜差

從靜特性分析中可以看出，由于采用了比例放大器，閉環系統的開環放大系數K值越大，系統的穩態性能越好。然而，Kp=常數，穩態速差就只能減小，卻不可能消除。因為閉環系統的穩態速降為

只有K=，才能使ncl

=0，而這是不可能的。因此，這樣的調速系統叫做有靜差調速系統。實際上，這種系統正是依靠被調量的偏差進行控制的。第47頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六2.抵抗擾動,服從給定

反饋控制系統具有良好的抗擾性能，它能有效地抑制一切被負反饋環所包圍的前向通道上的擾動作用，但對給定作用的變化則唯命是從。擾動——除給定信號外，作用在控制系統各環節上的一切會引起輸出量變化的因素都叫做“擾動作用”。

第48頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六

調速系統的擾動源負載變化的擾動（使Id變化）；交流電源電壓波動的擾動（使Ks變化）；電動機勵磁的變化的擾動（造成Ce變化

）；放大器輸出電壓漂移的擾動（使Kp變化）；溫升引起主電路電阻增大的擾動（使R變化）；檢測誤差的擾動（使變化）。

在圖1-27中，各種擾動作用都在穩態結構框圖上表示出來了，所有這些因素最終都要影響到轉速。第49頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六

擾動作用與影響圖1-27閉環調速系統的給定作用和擾動作用

勵磁變化Id變化電源波動Kp變化電阻變化檢測誤差KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++--

R

第50頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六

抗擾能力反饋控制系統對被反饋環包圍的前向通道上的擾動都有抑制功能。例如：UsUd0nUnUn

nUd0Uc第51頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六

抗擾能力（續）但是，如果在反饋通道上的測速反饋系數受到某種影響而發生變化，它非但不能得到反饋控制系統的抑制，反而會增大被調量的誤差。例如：UnUn

Uc

Ud0n

因此，反饋控制系統所能抑制的只是被反饋環包圍的前向通道上的擾動。第52頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六

給定作用

與眾不同的是在反饋環外的給定作用，如圖1-27中的轉速給定信號，它的些微變化都會使被調量隨之變化，絲毫不受反饋作用的抑制。

第53頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六

結論3：

反饋控制系統的規律是：一方面能夠有效地抑制一切被包在負反饋環內前向通道上的擾動作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，對給定信號的任何變化都是唯命是從的。第54頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六3.系統的精度依賴于給定和反饋檢測精度給定精度——由于給定決定系統輸出，輸出精度自然取決于給定精度。如果產生給定電壓的電源發生波動，反饋控制系統無法鑒別是對給定電壓的正常調節還是不應有的電壓波動。因此，高精度的調速系統必須有更高精度的給定穩壓電源。檢測精度——反饋檢測裝置的誤差也是反饋控制系統無法克服的，因此檢測精度決定了系統輸出精度。第55頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六1.4.6限流保護——電流截止負反饋

問題的提出：起動的沖擊電流——直流電動機全電壓起動時，如果沒有限流措施，會產生很大的沖擊電流，這不僅對電機換向不利，對過載能力低的電力電子器件來說，更是不能允許的。閉環調速系統突加給定起動的沖擊電流——采用轉速負反饋的閉環調速系統突然加上給定電壓時，由于慣性，轉速不可能立即建立起來，反饋電壓仍為零，相當于偏差電壓，差不多是其穩態工作值的1+K倍。

第56頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六

問題的提出（續）

這時，由于放大器和變換器的慣性都很小，電樞電壓一下子就達到它的最高值，對電動機來說，相當于全壓起動，當然是不允許的。堵轉電流——有些生產機械的電動機可能會遇到堵轉的情況。例如，由于故障，機械軸被卡住，或挖土機運行時碰到堅硬的石塊等等。由于閉環系統的靜特性很硬，若無限流環節，硬干下去，電流將遠遠超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護，一過載就跳閘，也會給正常工作帶來不便。第57頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六解決辦法：電樞串電阻起動；引入電流截止負反饋；加積分給定環節。本節主要討論如何采用電流截止負反饋來限制起動電流。第58頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六

電流負反饋作用機理

為了解決反饋閉環調速系統的起動和堵轉時電流過大的問題，系統中必須有自動限制電樞電流的環節。根據反饋控制原理，要維持哪一個物理量基本不變，就應該引入那個物理量的負反饋。那么，引入電流負反饋，應該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。第59頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六

電流負反饋引入方法僅采用電流負反饋，不要轉速負反饋這種系統的靜特性如圖中B

線，特性很陡。顯然僅對起動有利，對穩態運行不利。Idbln0IdOn'0A—轉速負反饋特性B—電流負反饋特性

調速系統靜特性第60頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六M+-UdIdRsUi接放大器M

同時采用轉速和電流負反饋1.電流檢測與反饋（1）電樞回路串檢測電阻；（2）電樞回路接直流互感器；（3）交流電路接交流互感器；（4）采用霍爾傳感器。

電流檢測與反饋電路第61頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六

轉速和電流負反饋系統穩態結構KpKs

1/CeU*nUc?UnIdEnUd0Un++--

R

-2.系統穩態結構如圖

Rs

Ui第62頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六3.靜特性方程（1-41）

與轉速閉環控制調速系統特性方程相比，式（1-41）多了一項由電流反饋引起的轉速降落。第63頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六4.穩態特性Idbl0n0A—轉速負反饋特性B—電流負反饋特性C—轉速電流負反饋特性采用轉速電流調速系統靜特性Idn'0O第64頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六

電流截止負反饋

考慮到，限流作用只需在起動和堵轉時起作用，正常運行時應讓電流自由地隨著負載增減。如果采用某種方法，當電流大到一定程度時才接入電流負反饋以限制電流，而電流正常時僅有轉速負反饋起作用控制轉速。這種方法叫做電流截止負反饋，簡稱截流反饋。第65頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六1.電流截止負反饋環節

圖1-29電流截止負反饋環節a）利用獨立直流電源作比較電壓M++--UdId

RsVDUi

Ucom接放大器Mb)利用穩壓管產生比較電壓

UbrM+-UdId

RsVSTUi接放大器M第66頁，共74頁，2023年，2月20日，星期六電流截止負反饋環節（續）c)封鎖運算放大器的電流截止負反饋環節

Ub