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1、第11章 直流传动控制系统,了解机电传动自动调速系统的组成;掌握生产机械对调速系统提出的调速技术指标要求;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;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;能在生产实际中处理控制系统的一般问题.,11.1机电传动控制系统的组成和分类,1.机电传动控制系统的组成机电传动控制系统是由电机、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.(1)开环控制系统:只有控制量(输入量)对被控制量(输出量)的单向控制作用，而不存在被控制量对控制量的影响和联系，这样的控制系统称为开环控制系统。,(2)闭环控制系统,当系统受到外界的扰
2、动(如负载的波动)，使被调量与给定值发生偏差时，由测量环节(测速发电机)测量的被调量(电动机的转速)和给定值进行比较，得出偏差，再经过放大环节将偏差信号放大去控制执行环节，达到抵消扰动减少偏差的目的。其特点是输入量与输出量之间既有正向的控制作用，又有反向的反馈控制作用，形成一个闭环，故又称闭环控制系统或反馈控制系统。,2.自动控制系统的分类上述的开环控制系统和闭环控制系统是从组成原理上分的。常见的还有下列的分类方法：,(1)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；(2)按自动调节系统的复杂程度，可分为单环自动调节系统和多环自动调节系统；(3)按系统稳
3、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；(4)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。,例:闭环自动控制系统方框图,11.2机电传动控制系统调速方案的选择,1.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(1)调速范围D,联立解上两式得:,电动机调速特性如下图,静差度S取S2的值.,-额定负载时的转速降.,(2)静差度S,式中.no-理想空载转速;,2)动态技术指标(1)最大超调量:为10%-35%.,(2
4、)过渡过程时间T,(3)振荡次数,2.机电传动控制系统方案的确定原则,1)不要求电气调速的:(1)空载,轻载起动的,选鼠笼式异步电动机;(2)重载起动的,选线绕式异步电动机;(3)大容量的选同步电动机;其中,简单的采用继电器-接触器 控制;复杂的采用PLC控制.,2)要求电气调速的,根据调速指标确定拖动方案:(1)D=2-3.有级调速,选多速电动机;(2)D小于10,无级调速,选滑差电动机;(3)D大于10,无级调速,采用SCR-M自动调速系统.3)电动机的调速特性与生产机械负载特性匹配.,例:某直流调速系统,其高速,低速特性如图示,=1450r/min,=145r/min,=10r/min,
5、问系统达到的调速范围有多大?系统允许的静差度是多少?,解:,=1440/135=10.67,=10/145=6.9%,或,=1450(0.069)/10(1-0.069)=10.67,11.3 晶闸管-电动机直流传动控制系统一.单闭环直流调速系统1.有静差调速系统,1).转速负反馈自动调速系统-系统原理方框图,转速负反馈自动调速系统,(1)系统组成直流电动机;晶闸管触发电路和主电路;放大器(比例调节器);给定环节给定电压Ug;反馈环节-反馈电压Uf=;,放大器,比较环节(2)静特性方程式比较环节,闭环系统的开环放大倍数为,令前向通道放大倍数为,电动机电枢回路,整流环节输出电压,静特性方程式,联
6、立求解上页几式得闭环系统静特性方程式,比较式(11.5)和式(11.6),得到两个重要的结论:,由电动机电枢电路方程式可得开环系统静特性方程式,例1:某直流闭环调速系统的速度调节范围是1500-150r/min,静差度为0.05,问系统允许的速降是多少?如果开环系统的静态速降是80r/min,求闭环系统的开环放大倍数.,解;由 得,思考题:1500r/min是额定转速还是理想空载转速?,例2:某直流闭环调速系统的速度调节范围是D=1:10,额定转速为1000r/min,开环转速速降是100r/min,如果要求系统的静差度由15%降至5%,则闭环系统的开环放大倍数.如何变化?,解:开环时额定转速
7、下的静差度为,=1000(0.05)/10(1-0.05)=5.26,=1000(0.15)/10(1-0.15)=17.65,=100/5.26=18,=100/17.65=4.67,不满足5%的指标要求,要采用闭环系统.,2)电压负反馈自动调速系统,转速负反馈是抑制转速变化的最直接而有效的方法，它是自动调速系统最基本的反馈形式。但转速负反馈需要有反映转速的测速发电机，它的安装和维修都不太方便，因此，在调速系统中还采用其他的反馈形式。(1)电压负反馈系统：具有电压负反馈环节的调速系统如下图所示.电动机的转速随电枢端电压的大小而变。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。电压
8、负反馈系统的特点是线路简单，可是它稳定速度的效果并不大，因为，负载增加时，电动机电枢内阻引起的内阻压降得不到补偿.一般线路中采用电压负反馈，主要不是用它来稳速，而是用它来防止过压、改善动态特性、加快过渡过程。,(2)具有电压负反馈环节的调速系统,注意反馈电压与给定电压的极性,3)电流正反馈与电压负反馈的综合反馈系统,(1)电流正反馈的作用:为了补偿电枢电阻压降,一般在电压负反馈的基础上再增加一个电流正反馈环节.它是把反映电动机电枢电流大小的量取出，与电压负反馈一起加到放大器输入端。由于是正反馈，当负载电流增加时，放大器输入信号也增加，使晶闸管整流输出电压增加，以此来补偿电动机电枢电阻所产生的压
9、降。由于这种反馈方式的转速降落比仅有电压负反馈时小了许多，因而扩大了调速范围，如果比例选择恰当，综合反馈将具有电势内反馈,即相似于转速反馈的性质。,电流正反馈与电压负反馈的综合反馈系统方框图,4)电流截止负反馈系统是一种在过渡过程中起作用的反馈,称为软反馈.,(1)电流截止负反馈的作用 在转速负反馈系统中,电动机起动瞬间,转子没有动,没有反馈电压,只有给定电压起作用.一方面,电动机将快速起动;另一方面,过大的起动电流对电动机不利.为了限制电动机起动过程时的过大电流,引入电流截止负反馈.(2)电流截止负反馈的特性近似挖掘机特性.如图示.,带电流截止负反馈环节的自动调速系统方框图,(3)截止电流的
10、整定截止电流Io=(1-1.1)IaN堵转电流Iao=(2-2.5)IaN(4)电流截止负反馈的组成讯号源IaR;反馈源Ub;方向整流器V.,5)有静差调速系统举例X2010A型龙门铣床工作台进给传动晶闸管直流调速系统,(1)概述:龙门铣床的主运动为铣刀的旋转运动，进给运动为工作台的往复运动，进给运动属于恒转矩负载.进给运动有工作台的前后移动，左、右主轴箱沿立柱上下移动，垂直主轴箱沿横梁左右移动(均共用一个电动机，用选择开关控制电磁离合器来进行选择)，传动电机为直流电动机，采用晶闸管整流供电，无级调节直流电动机的电枢电压进行调速.工作台和主轴箱的快速移动，仍用进给电动机传动.(2)调速指标:调
11、速范围D=50,静差度S15%.(3)进给运动传动系统方框图,进给运动传动系统方框图,(4)SCR-M主回路,由于进给电动机正反向工作不频繁，容量也不大(4kW,1000r/min,200V)，因此采用单相半控桥式整流线路，电动机的正、反转由接触器FKM、RKM控制，主回路整流元件均设有阻容保护元件，电动机的制动采用能耗制动，制动时接触器KM动作，将电阻R并接在电枢两端。电流继电器2KA作过电流保护，在50A左右动作。电动机是一个反电势负载，具有一定的电感，当主回路中没有另加滤波电抗器时，主回路电流总是断续的,特别是在轻负载情况下，晶闸管整流电压要升高，电动机的转速比有滤波电抗器情况下的转速要
12、高.续流二极管3VD在低速、大负载情况下，有续流作用，以保证晶闸管整流器的正常工作。主电路电气原理图如下.,SCR-M主电路图,(5)晶闸管触发电路采用同步波为锯齿波的晶体管移相触发电路,(6)放大器采用单级晶体管电压放大器,在放大器的输入端加有各种反馈信号：a、采用深度速度负反馈，是为了提高电动机机械特性的硬度，满足调速范围的要求。b、电压微分(软)负反馈环节，由18C、23R组成，进给工作时，继电器4K得电，其常闭触头断开，18C起作用，该环节起软反馈作用，以增强系统的稳定性。c、电流微分负反馈环节，由19C、24R组成，同样是为了增强系统的稳定性。d、电流截止负反馈环节，由稳压管5VZ和
13、滤波电感L组成。从主电路中的1RF上取出的电压正比于主回路负载电流,在负载电流(平均值)较大时，从1RF上取出的电压大于5VZ的击穿电压，限流回路开放，使5VT截止，Uco增大，增大，晶闸管输出减小，从而限制主回路电流，以保护晶闸管和电动机。,放大器电路图,2.无静差调速系统,1)比例积分调节器(PI调节器)采用PI调节器能获得较高的静态精度能具有较快的动态响应.,电路图,时间特性,2)具有比例积分调节的无静差调速系统方框图,放大器的反馈电路不是R,而是R,C,当电动机负载增加(a)转速下降(b)比例部分从一开始起调节作用,使整流电压增加(c)之1曲线,积分部分在以后起作用,并保持数值不变,见
14、(c)之2曲线.PI调节器的综合作用如(c)中曲线3所示.,调节作用,二.双闭环直流调速系统,1.转速、电流双闭环调速系统的组成有些生产机械经常处于正反转工作状态(如龙门刨床、可逆轧钢机等)，为了提高生产率，要求尽量缩短起动、制动和反转过渡过程的时间，这就要求在起动过程中，把电动机的电流当作被调节量，使之维持为电动机允许的最大值Iam并保持不变。这就要求有一个电流调节器来完成这个任务。具有速度调节器ASR和电流调节器ACR的双闭环调速系统就是在这种要求下产生的.,理想的起动过程曲线,2转速、电流双闭环调速系统的静态与动态分析,1)静态分析,从静特性上看，维持电动机转速不变是由速度调节器ASR来
15、实现的。在电流调节器ACR上，使用的是电流负反馈，它有使静特性变软的趋势，但转速负反馈环是外环，内环电流负反馈对于转速环来说相当于一个扰动作用，只要转速调节器ASR的放大倍数足够大，而且没有饱和，则电流负反馈的扰动作用就受到抑制。整个系统的本质由外环速度调节器来决定，它仍然是一个无静差的调速系统。也就是说，当转速调节器不饱和时，电流负反馈使静特性可能产生的速降完全被转速调节器的积分作用所抵消了，一旦ASR饱和，当负载电流过大，系统实现保护作用使转速下降很大时，转速环即失去作用，只剩下电流环起作用，这时系统表现为恒流调节系统，静特性便会呈现出很陡的下垂段特性。,在突加给定电压Ugn的起动过程中，
16、转速调节器输出电压Ugi,电流调节器输出电压Uk,可控整流器输出电压Ud,电动机电枢电流Ia和转速n的动态响应波形如右图。整个过渡过程可以分成三个阶段，在图中分别标以,和.双闭环调速系统，在起动过程的大部分时间内，ASR处于饱和限幅状态，转速环相当于开路,系统表现为恒电流调节，,2)动态分析,三.可逆直流调速系统,1.接触器切换,2.晶闸管切换,适用于中小型电机,3.采用两套晶闸管变流器的可逆线路线路分为有环流和无环流(逻辑无环流,错位无环流)两种.,11.4 晶体管-电动机直流脉宽调速系统,1.基本工作原理对角线上的一对大功率晶体管的基极,接受同一控制信号同时导通或截止.电动机的转向和转速取
17、决于电压平均值Uav.设矩形波的周期为T,正向脉宽为t1,定义占空比,则:,2、主要特点,晶体管直流脉宽调速系统与晶闸管直流调速系统比较具有下列特点：(1)主电路所需的功率元件少。实现同样的功能，一般晶体管的数 量仅为晶闸管的1/31/6。(2)控制线路简单。晶体管的控制比晶闸管的容易，不存在相序问题，不需要烦琐的同步移相触发控制电路。(3)晶体管脉宽调制(PWM)放大器的开关频率高,前者的动态响应速度和稳速精度等性能指标都比后者好。电动机的附加损耗都小。(4)晶体管脉宽调制放大器的电压放大系数不随输出电压的改变而变化，而晶闸管整流器的电压放大系数在输出电压低时变小。这样前者的低速性能要比后者
18、好得多，它可使电动机在很低的速度下稳定运转，其调速范围很宽.,3.晶体管脉宽调速系统组成方框图,1)主电路(功率开关放大器),晶体管脉宽调速系统主电路的结构形式有多种，按输出极性有单极性输出和双极性输出之分，而双极性输出的主电路又分H型和T型两类，H型脉宽放大器又可分为单极式和双极式两种，右图所示为双极性双极式脉宽放大器.,2)控制电路,(1)速度调节器和电流调节器:ASR和ACR都采用比例积分调节器.(2)三角波发生器:可以获得一个对称的三角波电压.(3)电压-脉冲变换器:产生正,负脉宽相等的矩形波电压.(4)脉冲分配器及轴功率放大,电路图见右图.(5)其他控制电路,4.晶体管脉宽调速系统的
19、分析,1)静态 系统处于静态时电动机停转,，速度调节器ASR、电流调节器ACR的输出均为零，电压-脉冲变换器BU在三角波的作用下，输出正、负等宽的方波电压U4,经脉冲分配器和功放电路产生的Ub1,4和Ub2,3;加在桥式功率开关管VT14的基极，使桥式功率晶体管轮流导通或截止，此时，电动机电枢两端的平均电压等于零，电动机停止不动。必须说明的是，此时，电动机电枢两端的平均电压及平均电流虽然为零，但电动机电枢的瞬时电压及电流并不为零，在ASR及ACR的作用下，系统实际上处于动态平衡状态。,晶体管脉宽调速系统的分析,2)起动:以正转起动为例,速度给定信号Ugn送入后,速度调节器的输入端之后，速度调节
20、器的输出Ugi便一直处于最大限幅值，相当于速度调节器处于开环状态。因为速度调节器的输出就是电流调节器的给定，在速度调节器输出电压限幅值的作用下，使得电枢两端的平均电压迅速上升，电动机迅速启动.电动机电枢平均电流亦迅速增加。由于电流调节器的作用，电动机就在这最大给定电流下加速.3)制动:当电动机处于某种速度的稳态运行时，若突然使速度给定降为零，速度调节器的输出将立即处于正的限幅值，速度调节器的输出使电流调节器的输出立即处于负的限幅值，电动机即进行制动，直到速度降为零。以后的过程同静态。,11.5 基于单片机控制的直流调速系统,1.MCD-型微机控制直流调速系统,2.MC-型微机控制直流调速系统的
21、特点,1)采用了美国Inter公司推出的16位单片机8089小系统，完成数字触发器的功能，使硬件电路软件化，克服了硬件电路存在的时漂和温漂，提高了系统的调节稳定性和工作可靠性；还利用8089小系统实现转速实时显示和故障类型的数显功能，智能数显功能强，数字准确，便于直观诊断，便于工人操作与维修。2)保留了传统的速度、电流双闭环调节功能。速度调节器采用PID控制，电流调节器采用PI控制，两个调节器均采用进口的低漂移运算放大器，系统调节快，动态性能好，调速范围宽。3)采用了瑞士公司生产的电流传感器LEM模块，它体积小，且线性度与失真度好，提高了反馈信号的质量，增强了调节准确性。4)系统具有过流、欠压、零励磁、缺相、相序错误指示等功能，保护功能全，可靠性高.,3.MC-型微机控制直流调速系统 接线图(输出容量0-30kW),
