运动控制系统(3).pptx
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1、第三讲第三讲1.4 反馈控制闭环直流调速系统反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计的稳态分析和设计本节提要本节提要v转速控制的要求和调速指标转速控制的要求和调速指标v开环调速系统及其存在的问题开环调速系统及其存在的问题v闭环调速系统的组成及其静特性闭环调速系统的组成及其静特性v开环系统特性和闭环系统特性的关系开环系统特性和闭环系统特性的关系v反馈控制规律反馈控制规律v限流保护限流保护电流截止负反馈电流截止负反馈1.4.1 1.4.1 转速控制的要求和调速指标转速控制的要求和调速指标 任何一台需要控制转速的设备,其生任何一台需要控制转速的设备,其生产工艺对调速性能都有一定的要求。产工艺对调速性
2、能都有一定的要求。归纳起来,对于调速系统的转速控制要归纳起来,对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面:求有以下三个方面:1.控制要求控制要求(1)调速)调速在一定的最高转速和最低转速范在一定的最高转速和最低转速范围内,分挡地(有级)或围内,分挡地(有级)或 平滑地(无级)调平滑地(无级)调节转速;节转速;(2)稳速)稳速以一定的精度在所需转速上稳定以一定的精度在所需转速上稳定运行,在各种干扰下不允许有过大的转速波动,运行,在各种干扰下不允许有过大的转速波动,以确保产品质量;以确保产品质量;(3)加、减速)加、减速频繁起、制动的设备要求加、频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快,以提高生产率;不
3、宜经受剧烈速减速尽量快,以提高生产率;不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起,制动尽量平稳。度变化的机械则要求起,制动尽量平稳。2.调速指标调速指标v调速范围:调速范围:生生产产机机械械要要求求电电动动机机提提供供的的最最高高转转速速和和最最低转速之比叫做调速范围,用字母低转速之比叫做调速范围,用字母 D 表示,即表示,即(1-31)其其中中nmin 和和nmax 一一般般都都指指电电机机额额定定负负载载时时的的转转速速,对对于于少少数数负负载载很很轻轻的的机机械械,例例如如精精密密磨磨床床,也可用实际负载时的转速。也可用实际负载时的转速。v静静差差率率:当当系系统统在在某某一一转转速速下下运运行
4、行时时,负负载载由由理理想想空空载载增增加加到到额额定定值值时时所所对对应应的的转转速速降降落落 nN,与与理理想空载转速想空载转速 n0 之比,称作静差率之比,称作静差率 s,即,即或用百分数表示或用百分数表示(1-32)(1-33)式中式中 nN=n0-nN 0TeNTen0an0bab nNa nNb nO图图1-23 不同转速下的静差率不同转速下的静差率3.静差率与机械特性硬度的区别静差率与机械特性硬度的区别 然而静差率和然而静差率和机械特性硬度又是机械特性硬度又是有区别的。一般调有区别的。一般调压调速系统在不同压调速系统在不同转速下的机械特性转速下的机械特性是互相平行的是互相平行的。
5、对。对于同样硬度的特性,于同样硬度的特性,理想空载转速越低理想空载转速越低时,静差率越大,时,静差率越大,转速的相对稳定度转速的相对稳定度也就越差。也就越差。例如:在例如:在1000r/min时降落时降落10r/min,只占,只占1%;在;在100r/min时同样降落时同样降落10r/min,就占,就占10%;如果在只有如果在只有10r/min时,再降落时,再降落10r/min,就占,就占100%,这时电动机已经停止转动,转速全部降落完了。这时电动机已经停止转动,转速全部降落完了。因此,调速范围和静差率这两项指标并不是因此,调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的,必须同时提才有意义。调速系
6、统的彼此孤立的,必须同时提才有意义。调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。静差率与机械特性硬度的区别(续)静差率与机械特性硬度的区别(续)4.调速范围、静差率和额定速降之间的关系调速范围、静差率和额定速降之间的关系 设:电机额定转速设:电机额定转速nN为最高转速,转速降落为为最高转速,转速降落为 nN,则按照上面分析的结果,该系统的静差率应该则按照上面分析的结果,该系统的静差率应该是最低速时的静差率,即是最低速时的静差率,即于是,最低转速为于是,最低转速为 而调速范围为而调速范围为 将上面的式代入将上面的式代入 nmin,得,得(1-34
7、)式式(1-34)表表示示调调压压调调速速系系统统的的调调速速范范围围、静静差差率率和和额额定定速速降降之之间间所所应应满满足足的的关关系系。对对于于同同一一个个调调速速系系统统,nN 值值一一定定,由由式式(1-34)可可见见,如如果果对对静静差差率率要要求求越越严严,即即要要求求 s 值值越越小小时时,系系统统能能够够允允许许的的调速范围也越小。调速范围也越小。vv结论1:一个调速系统的调速范围,是指在最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低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。围。v例例题题1-1 某某直直流流调调速速系系统统电电动动机机额额定定转转速速为
8、为,额额定定速速降降 nN=115r/min,当当要要求求静静差差率率30%时时,允允许许多多大大的的调调速速范范围围?如如果果要要求求静静差差率率20%,则则调调速速范范围围是是多多少少?如如果果希希望望调调速速范范围围达达到到10,所所能能满满足的静差率是多少?足的静差率是多少?解解 要求要求30%时,调速范围为时,调速范围为 若要求若要求20%,则调速范围只有,则调速范围只有若调速范围达到若调速范围达到10,则静差率只能是,则静差率只能是1.4.2 开环调速系统及其存在的问题开环调速系统及其存在的问题 若可逆直流脉宽调速系统是开环调速若可逆直流脉宽调速系统是开环调速系统,调节控制电压就可
9、以改变电动机的系统,调节控制电压就可以改变电动机的转速。如果负载的生产工艺对运行时的静转速。如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高,这样的开环调速系统都能差率要求不高,这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速,可以找到一实现一定范围内的无级调速,可以找到一些用途。些用途。但是,许多需要调速的生产机械常常但是,许多需要调速的生产机械常常对静差率有一定的要求。在这些情况下,对静差率有一定的要求。在这些情况下,开环调速系统往往不能满足要求开环调速系统往往不能满足要求。v例例题题1-2 某某龙龙门门刨刨床床工工作作台台拖拖动动采采用用直直流流电电动动机机,其其额额定定数数据据如如下下:60k
10、W、220V、305A、1000r/min,采采用用V-M系系统统,主主电电路路总总电电阻阻,电电动动机机电电动动势势系系数数。如如果果要要求求调调速速范范围围 D=20,静静差差率率5%,采采用用开开环环调调速速能能否否满满足足?若若要要满满足足这这个个要要求求,系系统统的的额定速降最多能有多少?额定速降最多能有多少?解解 当电流连续时,当电流连续时,V-MV-M系统的额定速降为系统的额定速降为开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为 这这已已大大大大超超过过了了5%5%的的要要求求,更更不不必必谈谈调调到到最最低速了。低速了。如果要求如果要求
11、D=20,s 5%,则由式(,则由式(1-29)可知)可知 由由上上例例可可以以看看出出,开开环环调调速速系系统统的的额额定定速速降降是是275 r/min,而而生生产产工工艺艺的的要要求求却却只只有有2.63r/min,相相差差几几乎乎百百倍!倍!由由此此可可见见,开开环环调调速速已已不不能能满满足足要要求求,需需采采用用反反馈馈控控制制的闭环调速系统来解决这个问题。的闭环调速系统来解决这个问题。1.4.3 闭环调速系统的组成及其静特性闭环调速系统的组成及其静特性 根据自动控制原理,反馈控制的闭环根据自动控制原理,反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统,系统是按被调量的偏差进行控制
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