直流傳動控制系統(tǒng).課件

1、 第十一章 直流傳動控制系統(tǒng)1直流傳動控制系統(tǒng)直流傳動控制系統(tǒng)以直流電動機為動力。直流電動機雖不像交流電動機那樣結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、維修容易、價格便宜等，但具有良好的調(diào)速性能，可在很寬的范圍平滑調(diào)速。本章將介紹機電傳動控制系統(tǒng)的一般問題（如組成、分類、方案選擇等）和直流調(diào)速系統(tǒng)。教學目標:了解常用自動調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理、特點及適用場合211.1 機電傳動系統(tǒng)的組成及分類開環(huán)直流發(fā)電機直流電動機（G-M）系統(tǒng)中，發(fā)電機勵磁繞組中的勵磁電流是輸入量，直流電動機的轉(zhuǎn)速是輸出量?？刂戚斎肓浚涂煽刂戚敵隽康拇笮?。單向控制。3閉環(huán)為了設法在負載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時，盡可能使電動機的轉(zhuǎn)速不變，為此，在電動機的軸

2、上安裝一臺測速發(fā)電機BR，它的輸出電動勢E與電動機的轉(zhuǎn)速n成正比，若把E與給定電壓Ug比較，就可以得到差值U=Ug-E。當電動機負載轉(zhuǎn)矩增加引起轉(zhuǎn)速下降時，E減小，而Ug不變，則U增大使發(fā)電機的勵磁電流增加，發(fā)電機電動勢EG增加，從而使電動機的轉(zhuǎn)速上升。反之，當電動機負載轉(zhuǎn)矩減小引起轉(zhuǎn)速上升時，E增加使U減小，則EG減小，從而使電動機的轉(zhuǎn)速下降。這種控制方法叫做反饋控制。輸入量和輸出量之間既有正向的控制作用，又有反向的控制作用，形成一個閉環(huán)，稱之為閉環(huán)控制系統(tǒng)或反饋控制系統(tǒng)。4控制系統(tǒng)分類 按反饋方式分：轉(zhuǎn)速負反饋控制系統(tǒng)、電動勢負反饋控制系統(tǒng)、電壓負反饋控制系統(tǒng)及電流正反饋控制系統(tǒng)； 按復雜

3、程度分：單環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)和多環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)； 按穩(wěn)態(tài)誤差分：有靜差調(diào)節(jié)系統(tǒng)和無靜差調(diào)節(jié)系統(tǒng)； 按給定量的變化分：定值調(diào)節(jié)、程序調(diào)節(jié)和隨動控制； 按調(diào)節(jié)動作和時間的關(guān)系：斷續(xù)控制和連續(xù)控制； 按元件特性分：線性控制系統(tǒng)和非線性控制系統(tǒng)。5在生產(chǎn)的各個部門，有大量的生產(chǎn)機械要求在不同的場合、用不同的速度進行工作，以提高生產(chǎn)率和保證產(chǎn)品的質(zhì)量。比如機床、起重運輸設備、造紙機、紡織機等。如何根據(jù)不同生產(chǎn)機械對調(diào)速的要求來選擇機電傳動控制系統(tǒng)的調(diào)速方案，是本節(jié)所要介紹的內(nèi)容。11.2 機電傳動控制系統(tǒng)調(diào)速方案的選擇6調(diào)速方法通常有機械的、電氣的、液壓的、氣動的幾種。在用純機械方法調(diào)速的設備中，驅(qū)動用的電

4、動機一般運行在固有機械特性的一個轉(zhuǎn)速上，速度的調(diào)節(jié)是通過變速齒輪箱或幾套變速帶輪或其他變速機構(gòu)來實現(xiàn)的。在用純電氣方法調(diào)速的設備中，電動機能運行在固有機械特性或人為機械特性上，在一定負載的情況下，電動機可獲得多種轉(zhuǎn)速。這時機械變速機構(gòu)十分簡單，只要一套變速齒輪或帶輪。在電氣與機械配合調(diào)速的設備中，可用電動機來得到多種轉(zhuǎn)速，同時，又可用機械變速機構(gòu)的換擋來進行變速。電氣調(diào)速的優(yōu)點：簡化機械變速機構(gòu)，提高傳動效率，操作簡單，易于獲得無極調(diào)速，便于實現(xiàn)遠距離控制和自動控制。當然僅用電氣方法調(diào)速時，電氣系統(tǒng)復雜些，投資要大些。11.2.1 機械與電氣調(diào)速方法711.2.2 生產(chǎn)機械對自動調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)指

5、標要求1.靜差度當負載變化時，生產(chǎn)機械轉(zhuǎn)速的變化維持在一定范圍之內(nèi)，常用靜差度來表示生產(chǎn)機械運行時轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的程度，即要求靜差度愈小。靜差度S為，電動機由理想空載到額定負載時的轉(zhuǎn)速降與理想空載轉(zhuǎn)速的比值。2.調(diào)速范圍生產(chǎn)機械所要求的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的最大范圍亦稱為調(diào)速范圍。（速度最大值比速度最小值）3.調(diào)速的平滑性在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，可以得到的穩(wěn)定運行轉(zhuǎn)速級數(shù)越多，調(diào)速的平滑性就越高；若級數(shù)趨于無窮大，則表示轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)，稱為無極調(diào)速。8調(diào)速性能動態(tài)技術(shù)指標4.最大超調(diào)量超調(diào)量太大，達不到生產(chǎn)工藝上的要求，但太小，則會使過渡過程過于緩慢，不利于生產(chǎn)率的提高等，一般為10%35%。第4章已經(jīng)討論了如何縮短

6、開環(huán)控制系統(tǒng)過渡過程的時間問題，實際上除此之外，還要求最大超調(diào)量、振蕩次數(shù)等。以右圖為例，系統(tǒng)從n1改變到n2時的過渡過程。9調(diào)速性能動態(tài)技術(shù)指標5.過渡過程時間T 從輸入控制（或擾動）作用于系統(tǒng)開始直到被調(diào)量n進入（0.05 0.02）穩(wěn)定值區(qū)間時為止（并且以后不再越出這個范圍）的一段時間，叫作過渡過程時間。10調(diào)速性能動態(tài)技術(shù)指標6.振蕩次數(shù) N在過渡過程時間內(nèi),被調(diào)量n在其穩(wěn)定值上下擺動的次數(shù)。上述三個指標是衡量一個自動調(diào)速系統(tǒng)過渡過程品質(zhì)好壞的主要指標。11動態(tài)指標評價系統(tǒng)超調(diào)量過渡過程時間T振蕩次數(shù) N性能10長無不好2大中多不好3小短中好121311.2 晶閘管電動機直流傳動控制系

7、統(tǒng)按結(jié)構(gòu)的不同：單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可逆系統(tǒng)11.2.1 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 一、有靜差調(diào)速系統(tǒng) 單純由被調(diào)量負反饋組成的按比例控制的單閉環(huán)系統(tǒng)屬有靜差的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，簡稱有靜差調(diào)速系統(tǒng)； （一）轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng) 1. 基本組成 按靜態(tài)誤差的不同：無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)任務： 調(diào)節(jié)速度； 擴大調(diào)速范圍，減小靜態(tài)誤差。分類：14測速發(fā)電機：與直流電動機M同軸相連，即兩者的速度相同，測速發(fā)電機用來測量電動機的速度，稱檢測元件；轉(zhuǎn)換元件：將測速發(fā)電機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓信號以便與給定電壓進行比較。給定電位器：調(diào)節(jié)Rg的位置可改變給定電壓Ug的大小 。比例放大器：將外加電壓

8、和反饋信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后的電壓之差進行放大。 觸發(fā)電路：將放大器放大后的電壓信號變?yōu)槊}沖型號去控制整流電路的輸出大小。整流電路：變交流電壓為直流電壓，輸出電壓大小由觸發(fā)電路輸出脈沖信號所決定，整流電路的輸出為直流電動機電樞的外加電壓；直流電動機：系統(tǒng)的控制對象。15 由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析可知： 系統(tǒng)的調(diào)速方法是改變外加電壓調(diào)速； 系統(tǒng)的反饋信號是被控制對象n本身; 反饋電壓和給定電壓的極性相反，即:該系統(tǒng)又稱轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)。 2. 工作原理 當Ug、Uf不變時，電動機的轉(zhuǎn)速不變，這種狀態(tài)稱為穩(wěn)態(tài)。 (2) 調(diào)速（Uf不變，改變Ug的大?。?改變Ug的大小可改變電動機的轉(zhuǎn)速，這種狀態(tài)稱為調(diào)速. (1)

9、 穩(wěn)態(tài)（ Ug、Uf 不變） (3) 穩(wěn)速（Ug不變、負載變化使Uf變化 ) 當負載發(fā)生變化使速度發(fā)生變化后，系統(tǒng)通過反饋能維持速度基本不變，這種狀態(tài)稱為穩(wěn)速。16 3. 靜特性分析 目的：找到減小靜態(tài)速降、擴大調(diào)速范圍，提高系統(tǒng)性能的途徑。 靜特性表示出電動機的轉(zhuǎn)速與負載電流之間的大小關(guān)系。 (1) 各環(huán)節(jié)輸入輸出的關(guān)系 電動機電路 式中: 電樞回路的總電阻； 可控整流電源的等效內(nèi)阻； 電動機的電樞電阻。 可控硅和觸發(fā)電路 設可控硅和觸發(fā)電路的放大倍數(shù)為K2 ，則： 放大器電路 設放大器的放大倍數(shù)為KP ，則： 反饋電路 速度反饋信號電壓與轉(zhuǎn)速n 成正比，設放大系數(shù)為Kf，則： 17 (2)

10、 靜特性 從放大器輸入端到可控整流電路輸出端的電壓放大倍數(shù)；閉環(huán)系統(tǒng)的放大倍數(shù)。 如果系統(tǒng)沒有轉(zhuǎn)速負反饋（即開環(huán)系統(tǒng)）時，則整流器的輸出電壓: 由此可得開環(huán)系統(tǒng)的機械特性方程:18 (3)分析與結(jié)論 理想空載轉(zhuǎn)速 在給定電壓一定時，有: 轉(zhuǎn)速降 如果將系統(tǒng)閉環(huán)與開環(huán)的理想空載轉(zhuǎn)速調(diào)得一樣，即， 調(diào)速范圍與靜差度 在最大運行轉(zhuǎn)速和低速時最大允許靜差度不變的情況下， 開環(huán)： 閉環(huán) ： 19結(jié)論：由于放大倍數(shù)不可能為無窮大，即靜態(tài)速降不可能為0，因此，上述系統(tǒng)只能維持速度基本不變。這種維持被調(diào)量（轉(zhuǎn)速）近于恒值不變，但又具有偏差的反饋控制系統(tǒng)通常稱為有差調(diào)節(jié)系統(tǒng)（即有差調(diào)速系統(tǒng)）。采用轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速

11、系統(tǒng)能克服擾動作用（如負載的變化、電動機勵磁的變化、晶閘管交流電源電壓的變化等）對電動機轉(zhuǎn)速的影響。 提高系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)K是減小靜態(tài)轉(zhuǎn)速降落、擴大調(diào)速范圍的有效措施。系統(tǒng)的放大倍數(shù)越大，準確度就越高，靜差度就越小，調(diào)速范圍就越大。但是放大倍數(shù)也不能過分增大，否則系統(tǒng)容易產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。 20（二）其他反饋在自動調(diào)速系統(tǒng)中的應用 1. 電壓負反饋系統(tǒng) 由公式 可知： 電動機的轉(zhuǎn)速隨電樞端電壓的大小而變。電樞電壓的大小，可以近似地反映電動機轉(zhuǎn)速的高低。電壓負反饋系統(tǒng)就是把電動機電樞電壓作為反饋量，以調(diào)整轉(zhuǎn)速。 (1) 電壓負反饋與轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)的區(qū)別 反饋信號不同，前者為被控制量的間接量電

12、壓，后者為被控制量本身； 檢測元件不同，前者為電位器，后者為測速發(fā)電機。21 (2) 工作原理 穩(wěn)速和調(diào)速的工作過程與轉(zhuǎn)速負反饋相同。 在給定電壓Ug一定時，其調(diào)整過程如下：電壓負反饋系統(tǒng)的特點: 線路簡單 穩(wěn)定速度的效果并不大 電動機端電壓即使由于負反饋的作用而維持不變，但是負載增加時，電動機電樞內(nèi)阻所引起的內(nèi)阻壓降仍然要增大，電動機速度還是要降低?；蛘哒f電壓負反饋，頂多只能補償可控整流電的等效內(nèi)阻所引起的速度降落。則 Ud=U-UAK22 2. 電流正反饋與電壓負反饋的綜合反饋系統(tǒng) (1) 系統(tǒng)特點 RP為電壓反饋檢測元件，并接在電動機電樞兩端，其上的電壓大小直接反映電動機電樞兩端電壓的大

13、小，故稱電壓反饋； R為電流正反饋檢測元件，串接在電動機電樞回路中，其上的電壓大小直接反映電動機電樞電流的大小，故稱電流反饋。 系統(tǒng)的總反饋電壓 因為反饋電壓UV的極性與給定電壓的極性相反，故稱電壓負反饋，反饋電壓UI的極性與給定電壓的極性相同，故稱電流正反饋。要使系統(tǒng)穩(wěn)定運行，系統(tǒng)總的反饋特性必須呈現(xiàn)出負反饋的性質(zhì)。 23 (2)工作原理 穩(wěn)速和調(diào)速的工作過程與轉(zhuǎn)速負反饋相同。 在給定電壓Ug一定時，其調(diào)整過程如下： (3) 靜特性 24 從電動機電樞回路電勢平衡關(guān)系知 上式如果滿足下列條件系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)速反饋的特性。 25 3. 電流截止負反饋系統(tǒng) (1) 電流截止負反饋的作用 過載保護。 電

14、流正反饋可以改善電動機運行特性，而電流負反饋會使 隨著負載電流的增加而減少，使電動機的速度迅速降低。 如果電動機的速度在負載過分增大時也不會降下來，這就會使電樞過流而燒壞。本來采用過流保護繼電器也可以保護這種嚴重過載，但是過流保護繼電器，要觸頭斷開，電動機斷電方能保護，而采用電流負反饋作用為保護手段，則不必切斷電動機的電路，只是使它的速度暫降下來，一旦過負載去掉后，它的速度又會自動升起來，這樣有利于生產(chǎn)。 (2) 基本思想方法26IO=1.35IaNIao=(23)Ian 當負載正常，電樞電流在一定范圍內(nèi)（如小于1.35倍的額定電流），電流截止負反饋不起作用； 當負載增加使電樞電流超過一定數(shù)值

15、（如額定電流的1.35倍）時，電流負反饋開始起作用，減小電動機電樞外加電壓，使轉(zhuǎn)速下降； 當負載繼續(xù)增加使電樞電流超過一定值（大于額定電流的23倍）時，電流負反饋足夠強，它足以將給定信號的絕大部分抵消掉，使電動機速度降到零，電動機停止運轉(zhuǎn)，從而起到保護作用。 因為只有當電流大到一定程度反饋才起作用，故稱電流截止負反饋。這種特性因它常被用于挖土機上，故又稱“挖土機特性”。27 （3）工作原理 當電流小于轉(zhuǎn)折點的電流時，反饋電壓UIUb ,二極管V導通，電流反饋UI與Ub 比較后反饋 到輸入端一起控制電動機，使其轉(zhuǎn)速下降； 當電流等于堵轉(zhuǎn)點的電流時，電流反饋UI與Ub 比較后反饋 到輸入端的電壓能

16、夠抵消，給定電壓的大小，時電動機的轉(zhuǎn)速為零，電流不再增加； 如果電流下降到小于堵轉(zhuǎn)點的電流，轉(zhuǎn)速則上升； 28 二、無靜差轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng) 1. 比例積分（PI）調(diào)節(jié)器比例器調(diào)節(jié)器其輸入輸出之間的關(guān)系如下： 積分調(diào)節(jié)器其輸入輸出之間的關(guān)系如下：29比例積分調(diào)節(jié)器 PI調(diào)節(jié)器的輸出由兩部分組成，第一部分是比例部分，第二部分是積分部分。在零初始狀態(tài)和階躍輸入下，輸出電壓的時間特性如圖所示。 當突加輸入信號Ui時，開始瞬間電容C1相當于短路，反饋回路中只有電阻R1，此時相當于比例調(diào)節(jié)器，它可以毫無延遲地起調(diào)節(jié)作用，故調(diào)節(jié)速度快； 隨著電容C1被充電而開始積分，U0線性增長，直到穩(wěn)態(tài)。 在穩(wěn)態(tài)時，

17、C1相當于開路，放大器呈現(xiàn)出極大的開環(huán)放大倍數(shù)。302. 采用PI調(diào)節(jié)器的無靜差調(diào)速系統(tǒng) 放大器采用具有比例積分調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)為無靜差調(diào)速系統(tǒng)。 靜態(tài)時U=UgUf，調(diào)節(jié)作用停止，由于積分作用，調(diào)節(jié)器的輸出電壓Uk保持在某一數(shù)值上，即Ud固定，以維持電動機在給定轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)。由于靜態(tài)時呈現(xiàn)出無窮大的放大倍數(shù)，系統(tǒng)可以消除靜態(tài)誤差，故稱無靜差調(diào)速系統(tǒng)。3111.2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)一、轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)的特點 采用PI調(diào)節(jié)器組成速度調(diào)節(jié)器ST的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，既能得到轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)節(jié)，又能獲得較快的動態(tài)響應。 啟動過程中，隨著轉(zhuǎn)速的升高，轉(zhuǎn)速負反饋的作用越來越大，使啟動轉(zhuǎn)矩越來越小，啟動過

18、程變慢，因此轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)不能滿足快速啟動、停止和反向的要求。 用加大過渡過程中的電流即加大動態(tài)轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)快速啟動、停止和反向的要求，但電流不能超過晶閘管和電動機的允許值。為此，應采取一種方法，使電動機在啟動過程中，動態(tài)轉(zhuǎn)矩保持不變，即電動機電樞電流不變，且為電動機電樞允許的最大電流，當啟動結(jié)束后，使電流回到額定值。 32二、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 1）系統(tǒng)采用兩個調(diào)節(jié)器（一般采用PI調(diào)節(jié)器）分別對速度和電流兩個參量進行調(diào)節(jié)。 對速度進行調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)器稱為速度調(diào)節(jié)器ST； 對電流進行調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)器稱為電流調(diào)節(jié)器LT。33 2）來自速度給定電位器的信號Ugn與速度反饋信號Ufn比較的偏差送到速度調(diào)節(jié)器ST的輸入端。速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器LT的給定信號，與電流反饋信號比較的偏差送到電流調(diào)節(jié)器LT的輸入端，電流調(diào)節(jié)器的輸出送到觸發(fā)器以控制可控整流器，整流器為電動機提供直流電壓 3）從閉環(huán)反饋的結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，是內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，為外環(huán)，二者進行串級聯(lián)接。在控制系統(tǒng)中，常把這種系統(tǒng)稱為雙閉環(huán)系統(tǒng)。34雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)分析 1、電流上升階段2、恒流升速階段3、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段353611.3 可逆直流調(diào)速系統(tǒng) 一