直流调速系统的闭环控制方案

1.直流调速系统的原理

由电动机的基础知识可知，直流电动机的转速公式为

式中 n——电动机的转速（r/min）；

U——电动机端电压（V）；

I_a——电动机电枢电流（A）；

ΣR——电枢回路总电阻（Ω）；

Φ——电动机的励磁磁通（Wb）；

C_e——电动机的电动势常数；

n₀——电动机的理想空载转速（r/min）；

Δn——电动机的转速降（r/min）。

由式（1-3）可以看出，直流电动机的调速方法主要有以下三种：

（1）改变电枢回路的总电阻 其原理是在直流电动机的电枢回路中串接附加电阻R，如图1-26a所示，这样电枢回路的总电阻ΣR=R_a+R，通过接触器的触头控制串接附加电阻R的接入或短接，使得电枢电流在电枢回路总电阻上的压降改变，即改变了转速降Δn=I_aΣR/C_eΦ，从而得到不同的运转速度。由于在电枢回路中串入电阻使转速降增大，所以串入的电阻越大，电动机的转速就越低。其调速特性如图1-26b所示。

图1-26 改变电枢回路的总电阻调速电路及调速特性

这种调速方法的主要优点是线路简单，系统设计、安装、调整方便，投资少；缺点是机械特性软、耗能多、调速范围窄、调速不平滑。这种调速方法只能应用在简单的生产机械上。

（2）减弱电动机的励磁磁通 通过改变直流电动机励磁绕组的励磁电压，可以改变励磁电流，从而改变磁通Φ。由于电动机磁通在额定状态时，其铁心已接近饱和，增磁的余地很小，所以改变磁通调速的方法主要是减弱磁通来升速。由式（1-3）可知，磁通Φ减弱，理想空载转速n₀和转速降Δn均增加，转速升高，电动机的机械特性变软。其调速特性如图1-27所示。此外减弱磁通后，将使电动机输出的电磁转矩M减小；这种若负载转矩M_L不变，必将导致电动机的电枢电流增加、电动机的机械特性变软，使电动机发热严重。调速方法的调速范围不大，因而一般也只在额定转速以上时才采用。

图1-27 改变励磁磁通的调速特性

（3）调节电枢供电电压 由式（1-3）可知，改变电动机端电压U的大小，可以改变理想空载转速n₀的大小，而转速降Δn是不变的，即改变电动机的供电电压，机械特性基本是平行地上下移动，机械特性的硬度不变。所以这种调速方法具有调速平滑、调速范围大、机械特性硬等优点。目前主要有两种类型的调压控制系统：晶闸管—电动机调速系统和斩波器—电动机（直流脉冲宽度调制PWM）调速系统，广泛应用的是晶闸管直流调速系统。

由静止的晶闸管变流装置UR提供可调的直流电压U_d给直流电动机M，构成了晶闸管直流调速系统。通过改变U_gd电压来改变晶闸管触发延迟角α的大小，从而改变整流电压U_d的大小，达到调节直流电动机转速的目的。

由晶闸管构成的直流调速系统的机械特性，如图1-28所示。

2.直流调速系统的组成

在手动控制基础上发展起来的自动控制系统，按照系统有无反馈环节，可分为开环控制系统和闭环控制系统；按照系统是否存在稳态偏差可分为有静差调速系统和无静差调速系统。对于不同的控制系统，其结构组成及元器件各不相同。(www.xing528.com)

（1）开环控制系统与闭环控制系统

1）开环控制系统：若系统的输出量不反送到输入端参与控制，即输出量n和输入量U_gd之间在电路上没有任何直接的联系，这样的系统称为开环控制系统。晶闸管供电的直流开环控制系统，如图1-29所示。在输入端给定一个电压U_gd，输出端电动机就对应有一个转速n，欲改变转速n，就必须人为地改变输入端给定电压U_gd的大小。

图1-28 改变电枢电压调速特性

图1-29 直流开环控制系统

它的调节过程如下：当给定电压U_gd增大时，通过触发器AT使晶闸管的触发延迟角α减小，晶闸管整流电压U_d增加，由于电动机励磁磁通是恒定的，所以电动机的转速n将增加。

开环控制系统的结构简单、成本低、不存在稳定性问题。为了保证控制精度，系统需要采用高精度的元器件，另外对干扰造成的误差，系统无能为力。所以开环控制系统应用在内部参数和外部负载等干扰因素不大的情况下，如一般的组合机床的控制。

2）闭环控制系统：若系统的输出量被反送到输入端参与控制，即输出量n与输入量U_gd之间通过反馈环节联系在一起形成闭合回路的系统，称为闭环控制系统，又称为反馈控制系统，如图1-30所示。

图1-30 直流闭环控制系统

它的调节过程如下：测速发电机TG与电动机M装在同一机械轴上，测速发电机TG随电动机旋转产生转速负反馈电压U_fn，此电压正比于电动机的转速n。U_fn引回到输入端与给定电压U_gd相比较，其差值ΔU（ΔU=U_gd-U_fn）经放大器放大后，得到输出电压U_k（即为晶闸管变流器的控制电压），用它去调节整流器的输出电压U_d，进而控制电动机转速n的高低。

当电动机的转速n由于某种原因（如负载增加）而降低时，U_fn将降低，偏差电压ΔU升高，控制电压U_k增加，则整流器输出电压U_d将增加，从而使电动机转速回升。该调节过程为：负载↑→I_a↑→n↓→ΔU↑→U_d↑→n↑。可见，当U_gd不变而电动机的转速由于某种原因而产生波动时，通过转速负反馈，可以自动调节电动机的转速而维持稳定。这样就抑制了干扰量对输出量n的影响，而且还大大地提高了系统机械特性的硬度。但是闭环控制容易产生振荡（如系统的放大倍数过大时），因此，对闭环控制系统来说，稳定性是一个需要充分重视的问题。

依靠负反馈信号的作用，达到阻止被控制量变化的目的，称这种控制方法为反馈控制。采用闭环控制后，系统能对控制装置及被控对象参数变化引起的干扰不敏感，不必采用高精度的元器件，但反馈元器件的精度应尽可能高。当系统出现干扰时，反馈元器件可以减弱其影响，它是电力拖动自动控制系统的基础。

由于晶闸管供电的直流调速系统的开环机械特性不硬，特别是电流断续时，机械特性更软，所以，一般多采用闭环控制方案。

（2）有静差调速系统和无静差调速系统

1）有静差调速系统：这种调速系统在稳态时，反馈量与给定量不等，存在着偏差ΔU（ΔU=U_gd-U_fn≠0），即电动机的实际转速和想要调节的理想转速之间不等。

有静差调速系统是通过偏差ΔU的变化来进行调节的。系统的反馈量只能减小偏差ΔU的变化，而不能消除偏差，即ΔU始终不能为零。若偏差ΔU=0，比例放大器的输出电压U_k=0，晶闸管整流器的输出电压U_d=0，电动机将停止转动，系统无法正常工作。可见，有静差调速系统是以ΔU≠0为工作前提的。若想消除偏差，使ΔU=0，以提高稳态精度，单纯按比例放大器来进行控制是办不到的。要想提高稳态精度，必须从控制规律上寻求新的出路。

2）无静差调速系统：无静差调速系统在静态时，反馈量完全等于给定量，即偏差电压ΔU=0时系统仍能工作，通过PI、PID调节器来实现。图1-31所示为无静差闭环调速系统。由图可见，这个系统的被调量是转速，PI调节器起到调节转速不变的作用，因此称为速度调节器。当电动机起动时，转速为零，故U_fn=0，偏差电压ΔU=U_gd。速度调节器的输出电压很快达到最大值，这个电压使整流器输出的电压达到最大值，电动机在这个电压下起动，转速迅速上升到给定的转速n，此时U_fn＞U_gd。由于电容的积分作用，此时调节器的输出仍然保持在限幅值。如果电动机的转速＞n，则ΔU＜0，速度调节器将反向积分使电枢电压降低，直到转速降到n，电动机就保持在给定的转速下运行。同理，也可以分析电动机在正常运行负载有变化时的自动调节过程。当负载增加时，电动机转速下降，反馈电压U_fn减小，ΔU增大，PI调节器的调节作用，一部分为比例输出，偏差电压越大，整流器的输出电压越大，电动机转速回升越快，比例输出是没有惯性的；另一部分为积分的调节作用，偏差电压的积分使整流器电压增加，也使转速回升。实际上调节器是比例和积分作用同时发生。在调节初期和中期，比例调节起主要作用，它首先阻止转速继续降落；在调节后期，转速降落减小，比例作用不明显，而积分调节上升到主导地位，最后靠积分作用消除偏差，这就是无差调节过程。所以称这种系统为无静态（稳态）误差调速系统，简称无静差调速系统。

图1-31 无静差闭环调速系统

积分控制可以消除偏差，具有滞后作用，主要缺点是容易引起超调或产生不稳定的振荡。若采用微分控制，它是一种超前控制，控制信号与偏差的变化率成正比，即在偏差还未变得太大之前，可以迅速将它校正，这就增大了系统的快速响应性。通常将比例、积分、微分三种控制作用组合在一起的控制称为比例积分微分控制简称PID控制。