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1、第十一章 直流传动控制系统,1.了解机电传动自动调速系统的组成，生产机械对调速系统提出的调速技术指标要求以及调速系统的调速性质2.掌握自动调速系统中各个基本环节，各种反馈环节的作用及特点3.实验：单闭环晶闸管直流调速系统实验,本章学习要求,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 机电传动控制系统：电机、电器、电子部件组合而成，通过一定的控制去实现对生产机械的驱动任务,控制器（发电机）,控制对象（电动机）,输入量,（励磁）,输出量,（转速）,图11.1 开环控制系统方框图,下图为直流发电机直流电动机（GM系统）,此系统不存在被控量对控制量 的影响和联系，所以称
2、为开环控制系统,11.1.2自动控制系统的分类按采用不同的反馈方式，可分为转速负反馈、电势负反馈、电压负反馈及电流正反馈控制系统。按自动调节系统的复杂程序，可分为单环自动调节系统和多环自动调节系统按系统稳态时被调量与给定量有无差别，可分为有静差调节系统和无静差调节系统。,按给定量变化的规律，可分为定值调节系统、程序控制系统和随动系统5）按调节动作与时间的关系，可分为断续控制系统和连续控制系统6）按系统中所包含的元件特性，可分为线性控制系统和非线性控制系统。,11.2 机电传动控制系统调速方案的选择调速方法一般有机械的，电气的、液压的、气动的几种。1、机械方法调速 驱动用电动机一般运行在固有机械
3、特性的一个转速上，速度的调节是通过变速齿轮箱或几套变速皮带轮或其他变速机构来实现的。2、电气方法调速3、机械与电气调速方法,11.2.2生产机械对自动调速系统技术指标的要求1、静态技术指标主要有静差度、调速范围、调速的平滑性1）静差度：当负载变化时，生产机械转速的变化能维持在一定范围之内。常用静差度来表示生产机机运行时转速稳定的程序，即要求静差度S应小于一定数值。,注：机械特性越硬则静差度越小，转速的相对稳定性越高。在最低转速满足要求则在其他转速毕能满足要求2）调速范围生产机械所要求的转速调节的最大范围称为调速范围，,上式,3）调速的平滑性通常是指两个相邻调速级的转速差在一定调速范围内，可以得
4、到稳定运行转速级数越多，则调速的平滑性越高，级数无穷大时则为无级调速2、动态指标1）最大超调量（Mp 一般为1035）,2）过渡过程时间T从输入控制作用于系统开始直到被调量n进入（0.050.2）n2稳定值区间时为止的一段时间，叫作过渡过程时间3)振荡次数在过渡过程时间内，被调量n在其稳定值上下摆动次数。,11.2.3机电传动控制系统方案的确定原则1、对于不要求电气调速的生产机械采用一般鼠笼式电动机即可，控制方案采用继电器接触器系统2.对于要求电气调速的的生产机械应根据调速的动静技术指标业选择拖动方案3.根据生产机械的负载性质来选择电动机的调速方式1）生产机械的负载特性恒转矩型和恒功率型,恒转
5、矩型和恒功率型,2）电动机调速过程中的负载能力 A）恒转矩调速，当直流电动改变电枢电压调速时，其输出转矩不变，等于额定转矩而输出功率随转速增加成正比增加 B）恒功率调速。改变磁通调速，输出功率不变，等于额定功率,3）电动机的调速性质与生产机械的负载特性的配合A）负载为恒转矩型的生产机械，应尽量选择恒转矩型调速方式，TN=TLB)负载为恒功率型的生产机械，应尽量选择恒功率型调速方式，PN=PL,11.3晶闸管电动机直流传动控制系统 晶闸管电动机直流传动控制系统常用的有：单闭环直流调速系统 双闭环直流调速系统 可逆系统11.3.1 单闭环直流调速系统 单闭环直流调速系统常分为 有静差调节系统 无静
6、差调节系统。,单闭环调速系统框图,1、有静差调节系统：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。,左图为晶闸管直流电动机有静差调速系统原理图,Ug给定电压Uf速度反馈信号U Ug UfUk触发器 的输入控制电压Ud整流器的整流电压，可由控制角来改变。,1、放大器为比例放大器2、直流电动机 M 由晶闸管可控整流器经过平波电抗器 L 供电整流电压Ud由控制角来改变,1）偏差信号：,为比例放大器的输入,2）速度信号与转速成正比：,3）触发器的输入控制电压,放大器的输出电压放大倍数,转速反馈系数,4)空载时，可控整流器的输出电压,触发器和整流器作为整体的等效放大倍数 Ks,
7、5）忽略晶闸管上的压降，对于电动机的电枢回路,电枢总回路电阻,（11.10）,（11.11）,由此可得带转速负反馈的晶闸管电动机有静差调速系统的机械特性方程,从放大器的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系数,（11.12）,根据11.9看出若系统是开环的，没有转速负反馈，则整流器的输出电压为,由此得到开环系统的机械特性方程为,（11.13）,闭环时,开环时,所以单闭环有静差调速系统具有以下性质;1)在给定电压一定时，,闭环系统的理想空载转速降低到开环的 1/（1K），为了使闭环系统获得与开环系统相同的理想空载转速，闭环时的给定电压须比开环时的提高（1K）倍,（11.1
8、4）,2 如果将系统的闭环与开环的理想空载转速调得一样，即，则,在同样的负载下，闭环系统的转速降仅为开环系统的 1/（1K）,从而提高了系统的机械特性硬度，使系统的静差度减少,（11.15）,（3）由式11.4可知，在最大运行速度nmax和低速时最大允许静差度S2不变得情况下，开环系统和闭环系统的调速范围分别是开环闭环,（11.16）,闭环系统的调速范围为开环系统的（1K）倍,提高系统的开环放大系数K是减小静态转速降落，扩大调速范围的有效的措施但放大倍数不能过分增大，否则系统容易产生不稳定现象。,系统转速自动调节过程1、给定电压ug一定，假定电动机空载运行（Ia约为零），空载转速为n0，测速发
9、电机的相应的电压UBR，经分压后得 反馈电压Uf则 作为比例放大器的输入，2，比例放大器的输出Uk加入触发器的触发电路，可控整流装置输出电压Ud供给电动机，产生空载转速n0,3、负载增加，Ia增大，由于 作用，使电动机转速下降（nn0），从而测速发电机的电压UBR下降，导致Uf下降，进而 增大，放大器输出电压增大，使减小，整流电压Ud增大，电动机转速又回到近似n0,他励电动机的机械特性,电动机的转速回升不到n0，即无法补偿In在电枢回路总电阻上的电压降落，图中放大器一般采用直流运放。在放大器的输出与输入接入不同的阻抗网络的负反馈，可实现信号的组合运算，常用有比例、积分、微分等调节器，,注 意,
10、转速负反馈作用：是抑制转速变化的直接有效方法，它是自动调速系统中最基本的反馈形式，但检测元件测速发电机的安装和维修不方便，可以克服扰动作用（负载变化，电动机励磁变化，晶闸管交流电源电压的变化等）对电机转速的影响。,二，其它一些反馈在自动调速系统中的应用（1）电压负反馈系统,电位计RP是检测电动机端电压大小的检测元件,他励直流电动机的转速：,电动机的转速随着电枢端电压的大小而变，电枢电压的大小可近似的反映电机转速的高低,电压负反馈系统就是把电动机的电枢电压作为反馈量，以调整转速，电位计RP是检测电动机端电压大小的检测元件，Uf与电动机的端电压U成正比,电压负反馈系统调整过程如下：,电压负反馈的系
11、统的特点：线路简单，但稳定效果不大:因为电动机的端电压即使由于电压负反馈的作用维持不变，但负载增加时，电动机电枢内阻 Ra 所引起的内阻压降仍然要增大，电动机的速度还要降低电压负反馈顶多只能补偿可控整流电源的等效内阻所引起的速度降落。,(2)电流正反馈与电压负反馈的综合反馈系统高电阻电桥 为了补偿电枢电阻压降IaRa，一般在电压负反馈的基础上再增加一个电流正反馈环节,电流正反馈：就是把反映电动机电枢电流大小的量IaR取出。与电压负反馈一起加到放大器的输入端当负载电流增加时，放大器的信号也增加，使晶闸管的整流输出电压Ud增加，以次来补偿电枢电阻压降为了保证“调整”效果，电流正反馈的强度与电压负反
12、馈的强度应按一定比例组成,1、Uao电压负反馈信号2、Ubo电流负反馈信号3、Uab综合反馈信号UabUaoUbo,UabUaoUbo,电压负反馈信号Uao 随电枢端电压U而变，若令,电压反馈系数,1、Uao 电压负反馈信号,2、Ubo 电流负反馈信号,Ubo 随 Ia 而变，代表 在电阻上 R3引起的压降即电流正反馈信号,电动机的电枢回路电势平衡关系：,将Ia的表达式代入 Uab 中可得,上式若满足：,得到电桥平衡条件：,则有：,.（11.17）,.（11.18）,满足式 电桥平衡条件，则从a,b两点取出的反馈信号形成的反馈，将转化为电动机反电势的反馈，因为，反电势与转速成正比，,所以Uab
13、可以表示为,.（11.19）,所以这种反馈也可称为转速反馈,（3）电流截止负反馈系统,电流负反馈缺点：使U随负载的增加而减小，这样会使电动机的速度迅速降低，此反馈可人为地造成“堵转”，防止电枢电流过大而烧坏电动机。,电流截止负反馈作用：,图11.13 电流截止负反馈作为调速系统限流保护,电流负反馈信号由串联在电路中的电阻R上取出（电阻R上压降IaR与电流Ia成正比）,1）当电流较小时，IaR Ub,二极管导通IaR 与比较电压Ub比较后送到放大器，其极性与Ug相反,图11.14 电流截止负反馈速度特性,1）速度n0，电流为 Iao称为堵转电流一般Iao(22.5)IaN2）电流负反馈开始起作用
14、的电流称为转折点电流，一般为IaN的3.5倍比较电压越大则，电流截止负反馈的转折点电流越大,“挖土机”特性,2、无静差调速系统无静差调速系统的特点是：静态时的反馈量总等于给定量所以系统中必须有无差元件：其作用是系统出现偏差时动作以消除偏差，当偏差为零时停止动作。PI调节器就是一个典型的无差元件。,图 11.26 比例积分（PI）调节器,输入信号,PI调节器由两部分构成：1）比例部分 2）积分部分,时间特性,1）当突然输入信号Ui 时，开始瞬间电容C1相当于短路，反馈回路中只有电阻R1，此时相当于比例调节器，系统快速对速度进行调节2）而后电容C1被充电开始积分，U0线性增长，直到稳态,比例积分调
15、节器的优点：,1、由于有比例调节功能，才有较好的动态响应特性，有了良好的快速性，弥补了积分调节的延缓作用2、积分调节的作用，只要输入有微小的信号，积分就进行，直至输出到达了限幅值为止。,图11.25 具有比例积分调节的无静差调速系统,在上图系统中：1、只要偏差UUgUf不为零，则系统就会起调节作用2、当U等于零，则调节作用停止，调节器的输出电压由于积分的作用，保持在某一数值，以维持电动机在给定的转速下运转，系统可消除误差,2）采用PI调节器的无静差调速系统,a 图表示电机负载突然增加，此时电机转速下降U01、比例部分首先调节显著，其输出电压为（R1/R0)U,使控制角减小，Ud增加，此电压使电动机的转速迅速回升，且n越大，Ud也越大，调节作用越强,11.27 负载变化时PI调节器对系统 的调节作用,2、积分部分的调节作用积分输出电压等于偏差电压U的积分，Ud2与偏差电压的积分成正比开始时n很小，Ud2增加很慢，n最大时，Ud2增加最大；n逐渐减少，Ud2增加减慢,总结,1、曲线3把比例与积分作用结合起来考虑2、在调节过程的开始和中间阶段，比例调节起主要作用，首先阻止n的继续增大，而后使转速迅速回升，3、在调节过程的末期，n很小了，比例调节的作用不明显了，积分作用回到主要地位,11.4 晶体管电动机直流脉宽调速系统,作 业,11.2 11.5 11.14 11.15,
