1、11.1机电传动控制系统的组成和分类 11.1.1 机电传动控制系统的组成,第十一章 直流传动控制系统,转速降nN,调速范围 D,静差度(稳定度)(转速变化率)S,nmin是在保证生产机械对s的要求 前题下所能达到的最低速度即S2S生,放 大 器,放 大 器,11.1.2 自动控制系统的分类 转速负反馈 电压负反馈 电势负反馈 电流正反馈,11.2 .1自动调速系统主要性能指标,机电传动控制系统选择调速方案的依据：,生产机械对调速系统提出的调速技术指标,调速系统的调速技术指标,静态指标,动态指标,一、静态技术指标,1. 静差度S：,静差度表示生产机械运行时转速稳定的程度。,速度稳定性指标,当负
2、载变化时，生产机械转速的变化要能维持在一定范围之内，即要求静差度S小于一定数值。,电动机的机械特性愈硬，则静差度愈小，转速的相对稳定性就愈高 ;在一个调速系统中，如果在最低转速运行时能满足静差度的要求，则在其他转速时必能满足要求。,2. 调速范围D,在额定负载下，允许的最高转速和在保证生产机械对转速变化率要求的前提下所能达到的最低转速之比称为调速范围 。,3. 调速的平滑性,调速的平滑性，通常是用两个相邻调速级的转速差来衡量的。,调速,无级调速,有级调速,二、动态技术指标,从一种稳定速度变化到另一种稳定速度运转（启动、制动过程仅是特例而已），由于有电磁惯性和机械惯性，过程不能瞬时完成，而需要一
3、段时间，即要经过一段过渡过程，或称动态过程。,1. 最大超调量,超调量,超调量太大，达不到生产工艺上的要求； 超调量太小，会使过渡过程过于缓慢，不利于生产率的提高等,范围：,超调量,2. 过渡过程时间T,从输入控制（或扰动）作用于系统开始直到被调量 n 进入（0.05 0.02）n2稳定值区间时为止（并且以后不再越出这个范围）的一段时间，叫作过渡过程时间。,过渡过程时间,3. 振荡次数 N,在过渡过程时间内,被调量n在其稳定值上下摆动的次数。,如图所示是三种不同调速系统被调量从x1改变为x2时的变化情况。,11.3 晶闸管电动机直流传动控制系统,按结构的不同：,单闭环直流调速系统,双闭环直流调
4、速系统,可逆系统,11.3.1 单闭环直流调速系统,一、有静差调速系统,单纯由被调量负反馈组成的按比例控制的单闭环系统属有静差的自动调节系统，简称有静差调速系统；,（一）转速负反馈调速系统,1. 基本组成,按静态误差的不同：,无静差直流调速系统,有静差直流调速系统,任务：,调节速度；扩大调速范围，减小静态误差。,分类：,11.2.2 机电传动控制系统方案的确定原则(自学),测速发电机：与直流电动机M同轴相连，即两者的速度相同，测速发电机用来测量电动机的速度，称检测元件；,转换元件：将测速发电机的转速转换成电压信号以便与给定电压进行比较。,给定电位器：调节Rg的位置可改变给定电压Ug的大小 。,
5、放大器：将外加电压和反馈信号经转换后的电压之差进行放大。,触发电路：将放大器放大后的电压信号变为脉冲型号去控制整流电路的输出大小。,整流电路：变交流电压为直流电压，输出电压大小由触发电路输出脉冲信号所决定，整流电路的输出为直流电动机电枢的外加电压；,直流电动机：系统的控制对象。,由系统的结构分析可知：,系统的调速方法是改变外加电压调速；,系统的反馈信号是被控制对象n本身;,反馈电压和给定电压的极性相反，即:,该系统又称转速负反馈调速系统。,2. 工作原理,当Ug、Uf不变时，电动机的转速不变，这种状态称为稳态。,(2) 调速（Uf不变，改变Ug的大小）,改变Ug的大小可改变电动机的转速，这种状
6、态称为调速.,(1) 稳态（ Ug、Uf 不变）,(3) 稳速（Ug不变、负载变化使Uf变化 ),当负载发生变化使速度发生变化后，系统通过反馈能维持速度基本不变，这种状态称为稳速。,3. 静特性分析,目的：找到减小静态速降、扩大调速范围，提高系统性能的途径。,静特性表示出电动机的转速与负载电流之间的大小关系。,(1) 各环节输入输出的关系,电动机电路,式中:,电枢回路的总电阻；,可控整流电源的等效内阻；,电动机的电枢电阻。,可控硅和触发电路,设可控硅和触发电路的放大倍数为Ks ，则：,放大器电路,设放大器的放大倍数为KP ，则：,反馈电路,速度反馈信号电压与转速n 成正比，设放大系数为Kf，则
7、：,(2) 静特性,从放大器输入端到可控整流电路输出端的电压放大倍数；,闭环系统的开环放大倍数。,如果系统没有转速负反馈（即开环系统）时，则整流器的输出电压:,由此可得开环系统的机械特性方程:,(3)分析与结论,理想空载转速,在给定电压一定时，有:,转速降,调速范围与静差度,在最大运行转速和低速时最大允许静差度不变的情况下，,开环：,闭环 ：,结论：,由于放大倍数不可能为无穷大，即静态速降不可能为0，因此，上述系统只能维持速度基本不变。这种维持被调量（转速）近于恒值不变，但又具有偏差的反馈控制系统通常称为有差调节系统（即有差调速系统）。,采用转速负反馈调速系统能克服扰动作用（如负载的变化、电动
8、机励磁的变化、晶闸管交流电源电压的变化等）对电动机转速的影响。,提高系统的开环放大倍数K是减小静态转速降落、扩大调速范围的有效措施。系统的放大倍数越大，准确度就越高，静差度就越小，调速范围就越大。但是放大倍数也不能过分增大，否则系统容易产生不稳定现象。,（二）其他反馈在自动调速系统中的应用,1. 电压负反馈系统,由公式,可知：,电动机的转速随电枢端电压的大小而变。电枢电压的大小，可以近似地反映电动机转速的高低。电压负反馈系统就是把电动机电枢电压作为反馈量，以调整转速。,(1) 电压负反馈与转速负反馈调速系统的区别,反馈信号不同，前者为被控制量的间接量电压，后者为被控制量本身；,检测元件不同，前
9、者为电位器，后者为测速发电机。,(2) 工作原理,稳速和调速的工作过程与转速负反馈相同。,在给定电压Ug一定时，其调整过程如下：,电压负反馈系统的特点:,线路简单,稳定速度的效果并不大,电动机端电压即使由于负反馈的作用而维持不变，但是负载增加时，电动机电枢内阻所引起的内阻压降仍然要增大，电动机速度还是要降低。或者说电压负反馈，顶多只能补偿可控整流电的等效内阻所引起的速度降落。,则 Ud=U-UAK,(1) 系统特点,RP为电压反馈检测元件，并接在电动机电枢两端，其上的电压大小直接反映电动机电枢两端电压的大小，故称电压反馈；,R为电流正反馈检测元件，串接在电动机电枢回路中，其上的电压大小直接反映
10、电动机电枢电流的大小，故称电流反馈。,系统的总反馈电压,因为反馈电压UV的极性与给定电压的极性相反，故称电压负反馈，反馈电压UI的极性与给定电压的极性相同，故称电流正反馈。,要使系统稳定运行，系统总的反馈特性必须呈现出负反馈的性质。,2. 电流正反馈与电压负反馈的综合反馈系统,(2)工作原理,稳速和调速的工作过程与转速负反馈相同。,在给定电压Ug一定时，其调整过程如下：,(3) 静特性,从电动机电枢回路电势平衡关系知,上式如果满足下列条件,系统具有转速反馈的特性。,3. 电流截止负反馈系统,(1) 电流截止负反馈的作用,过载保护。,电流正反馈可以改善电动机运行特性，而电流负反馈会使 随着负载电
11、流的增加而减少，使电动机的速度迅速降低。,如果电动机的速度在负载过分增大时也不会降下来，这就会使电枢过流而烧坏。本来采用过流保护继电器也可以保护这种严重过载，但是过流保护继电器，要触头断开，电动机断电方能保护，而采用电流负反馈作用为保护手段，则不必切断电动机的电路，只是使它的速度暂降下来，一旦过负载去掉后，它的速度又会自动升起来，这样有利于生产。,(2) 基本思想方法,IO=1.35IaN,Iao=(22.5)Ian,当负载正常，电枢电流在一定范围内（如小于1.35倍的额定电流），电流截止负反馈不起作用；,当负载增加使电枢电流超过一定数值（如额定电流的1.35倍）时，电流负反馈开始起作用，减小
12、电动机电枢外加电压，使转速下降；,当负载继续增加使电枢电流超过一定值（大于额定电流的22.5倍）时，电流负反馈足够强，它足以将给定信号的绝大部分抵消掉，使电动机速度降到零，电动机停止运转，从而起到保护作用。,因为只有当电流大到一定程度反馈才起作用，故称电流截止负反馈。这种特性因它常被用于挖土机上，故又称“挖土机特性”。,当电流小于转折点的电流时，反馈电压UIUb ,二极管V截止，电流反馈不起作用；,当电流大于转折点的电流时，反馈电压UIUb ,二极管V导通，电流反馈UI与Ub 比较后反馈 到输入端一起控制电动机，使其转速下降；,当电流等于堵转点的电流时，电流反馈UI与Ub 比较后反馈 到输入端
13、的电压能够抵消给定电压的大小时电动机的转速为零，电流不再增加；,如果电流下降到小于堵转点的电流，转速则上升；,（3）工作原理,二、无静差转速负反馈调速系统,1. 比例积分（PI）调节器,比例调节器,其输入输出之间的关系如下：,积分调节器,其输入输出之间的关系如下：,比例积分调节器,PI调节器的输出由两部分组成，第一部分是比例部分，第二部分是积分部分。在零初始状态和阶跃输入下，输出电压的时间特性如图所示。,2. 采用PI调节器的无静差调速系统放大器采用具有比例积分调节器的调速系统为无静差调速系统。,静态时U=UgUf，调节作用停止，由于积分作用，调节器的输出电压Uk保持在某一数值上，即Ud固定，
14、以维持电动机在给定转速下运转。由于静态时呈现出无穷大的放大倍数，系统可以消除静态误差，故称无静差调速系统。,偏差n 越大，Ud1 也越大，它的调节作用也就越强，电动机转速回升也就越快。,比例部分调节作用,积分部分的调节作用,Ud2 的增长率与偏差电压U（或偏差n ）成正比。开始时n 很小， Ud2 增加很慢，当n最大时，Ud2 的增加得最快，在调节过程中的后期n 逐渐减少了， Ud2 的增加也逐渐减慢了，一直到电动机转速回升到n1， n = 0 时，Ud2 就不再增加了，且在以后就一直保持这个数值不变,负载变化时比例积分调节器对系统的调节作用,无静差调速系统在调节过程结束以后，转速偏差n =
15、0（PI 调节器的输入电压U 也等于零），这只是在静态（稳定工作状态）上无差，而动态（如当负载变化时，系统从一个稳态变到另一个稳态的过渡过程）上却是有差的。这个调速系统在理论上讲是无静差调速系统，但是由于调节放大器不是理想的，且放大倍数也不是无限大，测速发电机也还存在误差，因此实际上这样的系统仍然是有一点静差的。,特点：,11.3.2 双闭环直流调速系统,一、转速负反馈调速系统的特点,采用PI调节器组成速度调节器ST的单闭环调速系统，既能得到转速的无静差调节，又能获得较快的动态响应。,启动过程中，随着转速的升高，转速负反馈的作用越来越大，使启动转矩越来越小，启动过程变慢，因此转速负反馈调速系统
16、不能满足快速启动、停止和反向的要求。,用加大过渡过程中的电流即加大动态转矩来实现快速启动、停止和反向的要求，但电流不能超过晶闸管和电动机的允许值。为此，应采取一种方法，使电动机在启动过程中，动态转矩保持不变，即电动机电枢电流不变，且为电动机电枢允许的最大电流，当启动结束后，使电流回到额定值。,二、双闭环调速系统,1）系统采用两个调节器（一般采用PI调节器）分别对速度和电流两个参量进行调节。对速度进行调节的调节器称为速度调节器ST；对电流进行调节的调节器称为电流调节器LT。,2）来自速度给定电位器的信号Ugn与速度反馈信号Ufn比较的偏差送到速度调节器ST的输入端。速度调节器的输出作为电流调节器
17、LT的给定信号，与电流反馈信号比较的偏差送到电流调节器LT的输入端，电流调节器的输出送到触发器以控制可控整流器，整流器为电动机提供直流电压,3）从闭环反馈的结构上看，电流调节环在里面，是内环；转速调节环在外面，为外环，二者进行串级联接。在控制系统中，常把这种系统称为双闭环系统。,双闭环系统的启动特性,从静特性上看:维持电动机转速不变是由速度调节器ST 来实现的。在电流调节器LT上，使用的是电流负反馈，它有使静特性变软的趋势，,动态分析:,第阶段是电流上升阶段,第阶段是恒流升速阶段,第阶段是转速调节阶段,转速、电流双闭环调速系统的主要优点是：系统的调整性能好，有很硬的静特性，基本上无静差；动态响
18、应快，启动时间短；系统的抗干扰能力强；两个调节器可分别设计，调整方便（先调电流环，再调速度环）。所以，它在自动调速系统中得到了广泛的应用,11.3 可逆直流调速系统,一、利用接触器进行切换的可逆线路,二、利用晶闸管切换的可逆线路,三、采用两套晶闸管整流电路的可逆线路,11.4脉宽调速,4当它们以较高的频率（一般为2000Hz）交替导通时，电枢两端的电压波形如图所示。,1三相交流电源经整流滤波变成电压恒定的直流电压；,21VT4VT为四只晶体三极管，其中，处于对角线上的一对三极管的基极，因接受同一控制信号而同时导通或截止；,3若1VT和4VT导通，则电动机电枢上加正向电压；2VT和3VT导通，电
19、动机电枢上加反向电压。,基本原理,由于机械惯性的作用，决定电动机转向和转速的仅为此电压的平均值。,设矩形波的周期为T ，正向脉冲宽度为t1，并设,为占空比。,则电枢电压的平均值,人为地改变占空比，可以达到调速的目的。连续地改变脉冲宽度，即可实现直流电动机的无级调速。,通过改变电机电枢两端的脉冲宽度，以改变电枢电压平均值，达到调速目的。 晶体管脉宽调速的优点 主电路所需功率元件少 、线路简单 低速性好、调速范围宽(D大) 动态响应快,晶体管脉宽调速系统的主要特点:,晶体管脉宽调速系统组成,1.主电路（功率开关放大器）,2.控制电路 1)速度调节器ASR和电流调节器ACR 2)三角波发生器,3)电
20、压脉冲变换器,4)脉冲分配及功率放大,晶体管脉宽调速系统分析,1.静态Ugn=0,ASR,ACR输岀为零，n=0 2.启动Ugn0,UN0 ASR处于开环,ACR积分IaIam加速启动,当UN0 , ASR退出饱和进行速度控制。 3.稳态运转UN=UgN-UfN=0 4.稳态运转时突加负载时的调节过程 UN=UgN-UfN0 ACR输岀增加BU(脉冲占空比)Udn直到UN=UgN-UfN=0，在新的电流下稳定运行。 5.制动UgN=0 ,UN=UgN-UfN0 ASR处于正限幅值,ACR输岀负的限幅值，电机制动nn=0同静态 6.降速,1.用微机取代ASR、ACR两个 电子调节器的系统,11.
21、5 微型计算机控制的直流传动控制系统,2.保留ASR、ACR两个电子调节器的系统,基本内容 1.扩大调速范围 D的基本方法在调速系统中，电动机所能达到的调速范围D=nmax/nmin，其nmax是电动机在额定负载下所允许的最高转速，而nmin是在保证生产机械对转速变化率S(即静差度S2)的要求这一前提下所能达到的nmin最低转速，也就是说，调速系统的S2要小于或等于生产机械要求的S生(S2S生)，才能谈及调速范围。根据D=(nmaxS2)/(nN(1-S2)式,可知，在 nmax与S一定时，设法减少转速降nN就可扩大调速范围D，闭环控制系统(亦称反馈控制系统)能起到这个作用。,小 结,2.机电
22、传动控制系统调速方案的选择生产机械对调速系统所提出的技术指标包括静态的和动态的。静态技术指标主要有静差度S,调速范围D和调速的平滑性等：动态技术指标主要有最大超调量Mp,过渡过程时间 T和振荡次数等。值得特别注意的是，生产机械在调速过程中一般有恒转矩型和恒功率型两类负载特性，而电动机的调速也有恒转矩性质和恒功率性质两类，一般负载为恒转矩的生产机械应尽可能选用恒转矩性质的调速(调压调速)方式，负载为恒功率型的生产机械应尽可能选用恒功率性质的调速(调磁调速)方式，否则，电动机将得不到最充分的利用或将严重过载。,3单闭环有静差调速系统 性质：在相同的负载电流下，闭环系统的静态转速降仅为开环系统转速降
23、的 l( 1+K)倍。从而大大提高了机械特性的硬度，使系统的静差度大为减小。 在给定电压一定时，闭环系统理想空载转速仅为开环时的 l( l+K)。为了使闭环系统获得与开环系统相同的理想空载转速，闭环时的绘定电压须比开环时的提高( 1+K)倍，在相同的最高转速和相同的低速最大允许静差度的条件下，闭环系统的调速范围为开环系统的( 1+K)倍。所以提高开环放大倍数是减小闭环系统静差度、扩大调速范围的有效措施。,4.单闭环无静差调速系统单闭环无静差调速系统中采用比例积分( PI)调节器，比例部分迅速反映调节作用，动态响应快，积分部分最终消除静态偏差，因此，较好地解决了系统静态与动态的矛盾得了广泛的应用
24、。对于反馈检测元件和给定电源误差的消除，闭环系统是无能为力的，故高精度的自动调速系统必须有高精度的检测元件和给定电源作保证。单闭环调速系统本身解决不了系统工作时冲击电流大的问题，所以，还要加电流截止负反馈环节来限制过大的电流。,5.双闭环调速系统就静态特性而言，电流负反馈内环对于转速环来说只相当于一个扰动作用，当转速调节器不饱和时，电流负反馈的扰动作用完全被转速调节器的积分作用所抵消，所以，双闭环系统仍是一个无静差调速系统，且在转速调节器饱和、转速环失去作用、仅剩下电流环起作用时，系统相当于恒流调节系统，静特性呈现出很陡的下垂段保护特性。就动态特性而言，在给定信号大范围增加的启动过程中，转速调
25、节器饱和，系统相当于恒值电流调节系统，可基本实现理想启动过程。如果扰动作用在电流环以内，如电网电压的波动，则电流内环能及时加以调节；如果扰动作用在电流环之外，如负载波动，则靠转速环进行调节，此时电流环相当于电流的随动系统，电流反馈加快了跟随作用。,6可逆直流调速系统 可逆直流调速系统。采用逻辑控制无环流可逆电路，两组变流器反并联连接实现电动机正反转时，两组变流器交替工作。电动机正转时， I组整流；由正转到反转的制动过程中， II组逆变。电动机反转时， II组整流，由反转到正转的制动过程中， I组逆变。,7晶体管直流脉宽调速系统直流脉宽调速系统，通过改变施加在电动机电枢两端的脉冲电压的宽度，以改
26、变电枢电压平均值的大小，从而实现对电动机调速。晶体管直流脉宽调速系统与晶闸管直流调速系统相比，前者具有许多优点。如主电路所需功率元件少、控制线路简单、低速性能好、调速范围宽、动态响应快等。所以，近年来在中、小容量的调速系统中，它正在逐步取代晶闸管直流调速系统。,基本要求1.了解机电传动自动调速系统的组成； 2.了解生产机械对调速系统提出的调速技术指标要求；3.深知调速系统的调速性质与生产机械的负载特性匹配的重要性；4.掌握自动调速系统中各个基本环节、各种反馈环节的作用与特点；5.掌握各种常用的自动调速系统的调速原理、特点及适用场所：6.能根据生产机械的特点和要求来正确选择机电传动控制系统，能在生产实际中处理控制系统运行时所出现的一般问题。,重点开环调速系统与闭环调速系统的区别。公式D=(nmaxS2)/(nN(1-S2)式与Df=(1+k)D中各个物理量之间的辩证关系，扩大调速范围的正确有效方法几种常用反馈(转速负反馈、电压负反馈与电流正反馈、电流截止负反馈)系统的工作原理，特点与作用：有静差调速系统与无静差调速系统的本质区别；单闭环调速系统与双闭环调速系统在性能上的区别(转速环、电流环的主要作用)；晶体管脉宽调速系统的组成基本工作原理与主要特点。,
