機(jī)電傳動(dòng)控制第十一章直流傳動(dòng)控制系統(tǒng)課件

1、機(jī)電傳動(dòng)控制第十一章直流傳動(dòng)控制系統(tǒng)課件機(jī)電傳動(dòng)控制第十一章直流傳動(dòng)控制系統(tǒng)課件 2. 調(diào)速范圍D 在額定負(fù)載下，允許的最高轉(zhuǎn)速和在保證生產(chǎn)機(jī)械對(duì)轉(zhuǎn)速變化率要求的前提下所能達(dá)到的最低轉(zhuǎn)速之比稱為調(diào)速范圍 。車床龍門刨床鉆床銑床軋鋼機(jī)造紙機(jī)進(jìn)給機(jī)械20120204021220303151020530000 3. 調(diào)速的平滑性 調(diào)速的平滑性，通常是用兩個(gè)相鄰調(diào)速級(jí)的轉(zhuǎn)速差來衡量的。 調(diào)速無級(jí)調(diào)速有級(jí)調(diào)速 以改變直流電動(dòng)機(jī)電樞外加電壓調(diào)速為例，說明調(diào)速范圍D與靜差度S之間的關(guān)系 ： 2. 調(diào)速范圍D 在額定負(fù)最高速度由系統(tǒng)中所使用電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速?zèng)Q定；靜差度S和調(diào)速范圍D由生產(chǎn)機(jī)械的要求決定；當(dāng)上述

2、三個(gè)參數(shù)確定后，則要求靜態(tài)速降是一個(gè)定值。 二、動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo) 從一種穩(wěn)定速度變化到另一種穩(wěn)定速度運(yùn)轉(zhuǎn)（啟動(dòng)、制動(dòng)過程僅是特例而已），由于有電磁慣性和機(jī)械慣性，過程不能瞬時(shí)完成，而需要一段時(shí)間，即要經(jīng)過一段過渡過程，或稱動(dòng)態(tài)過程。 1. 最大超調(diào)量 超調(diào)量超調(diào)量太大，達(dá)不到生產(chǎn)工藝上的要求；超調(diào)量太小，會(huì)使過渡過程過于緩慢，不利于生產(chǎn)率的提高等 范圍：最高速度由系統(tǒng)中所使用電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速?zèng)Q定；二、動(dòng)態(tài)技術(shù)指標(biāo)超調(diào)量 2. 過渡過程時(shí)間T 從輸入控制（或擾動(dòng)）作用于系統(tǒng)開始直到被調(diào)量 n 進(jìn)入（0.05 0.02）n2穩(wěn)定值區(qū)間時(shí)為止（并且以后不再越出這個(gè)范圍）的一段時(shí)間，叫作過渡過程時(shí)間。 過

3、渡過程時(shí)間 3. 振蕩次數(shù) N 在過渡過程時(shí)間內(nèi),被調(diào)量n在其穩(wěn)定值上下擺動(dòng)的次數(shù)。 如圖所示是三種不同調(diào)速系統(tǒng)被調(diào)量從x1改變?yōu)閤2時(shí)的變化情況。系統(tǒng)超調(diào)量過渡過程時(shí)間T振蕩次數(shù)性能10長(zhǎng)無不好2大長(zhǎng)多不好3小短中好超調(diào)量 2. 過渡過程時(shí)間T 11.2 晶閘管電動(dòng)機(jī)直流傳動(dòng)控制系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)的不同：?jiǎn)伍]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(fù)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(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱有靜差調(diào)速系統(tǒng)； （一）轉(zhuǎn)速負(fù)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(wù)： 調(diào)節(jié)速

4、度； 擴(kuò)大調(diào)速范圍，減小靜態(tài)誤差。分類：11.2 晶閘管電動(dòng)機(jī)直流傳動(dòng)控制系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)的不同：?jiǎn)伍]環(huán) 測(cè)速發(fā)電機(jī)：與直流電動(dòng)機(jī)M同軸相連，即兩者的速度相同，測(cè)速發(fā)電機(jī)用來測(cè)量電動(dòng)機(jī)的速度，稱檢測(cè)元件； 轉(zhuǎn)換元件：將測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)以便與給定電壓進(jìn)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 。 放大器：將外加電壓和反饋信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換后的電壓之差進(jìn)行放大。 觸發(fā)電路：將放大器放大后的電壓信號(hào)變?yōu)槊}沖型號(hào)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(hào)所決定，整流電路的輸出為直流電動(dòng)機(jī)電樞的外加電壓； 直流電動(dòng)機(jī)：系統(tǒng)的控制對(duì)象。

5、 測(cè)速發(fā)電機(jī)：與直流電動(dòng)機(jī)M同軸相連，即兩者的速度相同 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(hào)是被控制對(duì)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(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)。 2. 工作原理 當(dāng)Ug、Uf不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)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的大小） 改變Ug的大小可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種狀態(tài)稱為調(diào)速. (1) 穩(wěn)態(tài)（ Ug、Uf 不變） (3) 穩(wěn)速（Ug不變、負(fù)載變化使Uf變化 ) 當(dāng)負(fù)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。 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

6、外加電壓調(diào) 3. 靜特性分析 目的：找到減小靜態(tài)速降、擴(kuò)大調(diào)速范圍，提高系統(tǒng)性能的途徑。 靜特性表示出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與負(fù)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的電樞電阻。 可控硅和觸發(fā)電路 設(shè)可控硅和觸發(fā)電路的放大倍數(shù)為K2 ，則： 放大器電路 設(shè)放大器的放大倍數(shù)為KP ，則： 反饋電路 速度反饋信號(hào)電壓與轉(zhuǎn)速n 成正比，設(shè)放大系數(shù)為Kf，則： 3. 靜特性分析 目的：找 (2) 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(fù)反饋（即開環(huán)系統(tǒng)）時(shí)，則整流器的

7、輸出電壓: 由此可得開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性方程: (2) 靜特性 從放大器輸入端到可控整流 (3)分析與結(jié)論 理想空載轉(zhuǎn)速 在給定電壓一定時(shí)，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(yùn)行轉(zhuǎn)速和低速時(shí)最大允許靜差度不變的情況下， 開環(huán)： 閉環(huán) ： (3)分析與結(jié)論 理想空載轉(zhuǎn)速 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(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)能克服擾動(dòng)作用（如負(fù)載的變化、電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁的變化、晶閘管交流電源

8、電壓的變化等）對(duì)電動(dòng)機(jī)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(kuò)大調(diào)速范圍的有效措施。系統(tǒng)的放大倍數(shù)越大，準(zhǔn)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。 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（二）其他反饋在自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 1. 電壓負(fù)反饋系統(tǒng) 由公式 可知： 電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的高低。電壓負(fù)反饋系統(tǒng)就是把電動(dòng)機(jī)電樞電壓作為反饋量，以調(diào)整轉(zhuǎn)速。 (1) 電壓負(fù)反饋與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的區(qū)別 反饋信號(hào)不同，前者為被控制量的間接量電壓，后者為

9、被控制量本身； 檢測(cè)元件不同，前者為電位器，后者為測(cè)速發(fā)電機(jī)。（二）其他反饋在自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 1. 電 (2) 工作原理 穩(wěn)速和調(diào)速的工作過程與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋相同。 在給定電壓Ug一定時(shí)，其調(diào)整過程如下：電壓負(fù)反饋系統(tǒng)的特點(diǎn): 線路簡(jiǎn)單 穩(wěn)定速度的效果并不大 電動(dòng)機(jī)端電壓即使由于負(fù)反饋的作用而維持不變，但是負(fù)載增加時(shí)，電動(dòng)機(jī)電樞內(nèi)阻所引起的內(nèi)阻壓降仍然要增大，電動(dòng)機(jī)速度還是要降低?；蛘哒f電壓負(fù)反饋，頂多只能補(bǔ)償可控整流電的等效內(nèi)阻所引起的速度降落。則 Ud=U-UAK (2) 工作原理 穩(wěn)速和調(diào)速的工作過程 2. 電流正反饋與電壓負(fù)反饋的綜合反饋系統(tǒng) (1) 系統(tǒng)特點(diǎn) RP為電壓反饋檢測(cè)元件

10、，并接在電動(dòng)機(jī)電樞兩端，其上的電壓大小直接反映電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓的大小，故稱電壓反饋； R為電流正反饋檢測(cè)元件，串接在電動(dòng)機(jī)電樞回路中，其上的電壓大小直接反映電動(dòng)機(jī)電樞電流的大小，故稱電流反饋。 系統(tǒng)的總反饋電壓 因?yàn)榉答侂妷篣V的極性與給定電壓的極性相反，故稱電壓負(fù)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(yùn)行，系統(tǒng)總的反饋特性必須呈現(xiàn)出負(fù)反饋的性質(zhì)。 2. 電流正反饋與電壓負(fù)反饋的綜合反饋系統(tǒng) (2)工作原理 穩(wěn)速和調(diào)速的工作過程與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋相同。 在給定電壓Ug一定時(shí)，其調(diào)整過程如下： (3) 靜特性 (2)工作原理 穩(wěn)速和調(diào)速的工作過程與 從電動(dòng)機(jī)電樞回

11、路電勢(shì)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。 從電動(dòng)機(jī)電樞回路電勢(shì)平衡關(guān)系知 上式 3. 電流截止負(fù)反饋系統(tǒng) (1) 電流截止負(fù)反饋的作用 過載保護(hù)。 電流正反饋可以改善電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性，而電流負(fù)反饋會(huì)使 隨著負(fù)載電流的增加而減少，使電動(dòng)機(jī)的速度迅速降低。 如果電動(dòng)機(jī)的速度在負(fù)載過分增大時(shí)也不會(huì)降下來，這就會(huì)使電樞過流而燒壞。本來采用過流保護(hù)繼電器也可以保護(hù)這種嚴(yán)重過載，但是過流保護(hù)繼電器，要觸頭斷開，電動(dòng)機(jī)斷電方能保護(hù)，而采用電流負(fù)反饋?zhàn)饔脼楸Ｗo(hù)手段，則不必切斷電動(dòng)機(jī)的電路，只是使它的速度暫降下來，一旦過負(fù)載去掉后，它的速度又會(huì)自動(dòng)升起來，這樣有利于生產(chǎn)。 (2) 基本思想方

12、法 3. 電流截止負(fù)反饋系統(tǒng) (IO=1.35IaNIao=(23)Ian 當(dāng)負(fù)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(fù)反饋不起作用； 當(dāng)負(fù)載增加使電樞電流超過一定數(shù)值（如額定電流的1.35倍）時(shí)，電流負(fù)反饋開始起作用，減小電動(dòng)機(jī)電樞外加電壓，使轉(zhuǎn)速下降； 當(dāng)負(fù)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(shí)，電流負(fù)反饋?zhàn)銐驈?qiáng)，它足以將給定信號(hào)的絕大部分抵消掉，使電動(dòng)機(jī)速度降到零，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，從而起到保護(hù)作用。 因?yàn)橹挥挟?dāng)電流大到一定程度反饋才起作用，故稱電流截止負(fù)反饋。這種特性因它常被用于挖土機(jī)上，故又稱“挖土機(jī)特性”。IO=1.35IaNIao=(

13、23)Ian （3）工作原理 當(dāng)電流小于轉(zhuǎn)折點(diǎn)的電流時(shí)，反饋電壓UIUb ,二極管V導(dǎo)通，電流反饋UI與Ub 比較后反饋 到輸入端一起控制電動(dòng)機(jī)，使其轉(zhuǎn)速下降； 當(dāng)電流等于堵轉(zhuǎn)點(diǎn)的電流時(shí)，電流反饋UI與Ub 比較后反饋 到輸入端的電壓能夠抵消，給定電壓的大小，時(shí)電動(dòng)機(jī)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(diǎn)的電流，轉(zhuǎn)速則上升； （3）工作原理 當(dāng)電流小于轉(zhuǎn)折點(diǎn)的電流時(shí)，反饋電壓U 二、無靜差轉(zhuǎn)速負(fù)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： 二、無靜差轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng) 1. 比例積分（PI）比例積分調(diào)節(jié)器

14、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(shí)間特性如圖所示。比例積分調(diào)節(jié)器 當(dāng)突加輸入信號(hào)Ui時(shí)，開始瞬間電容C1相當(dāng)于短路，反饋回路中只有電阻R1，此時(shí)相當(dāng)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(zhǎng)，直到穩(wěn)態(tài)。 在穩(wěn)態(tài)時(shí)， C1相當(dāng)于開路，放大器呈現(xiàn)出極大的開環(huán)放大倍數(shù)。 當(dāng)突加輸入信號(hào)Ui時(shí)，開始瞬間電容C1相當(dāng)于2. 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(shí)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

15、壓Uk保持在某一數(shù)值上，即Ud固定，以維持電動(dòng)機(jī)在給定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)。由于靜態(tài)時(shí)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)。2. 采用PI調(diào)節(jié)器的無靜差調(diào)速系統(tǒng) 靜態(tài)時(shí)U=UgU11.2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)一、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn) 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(dòng)態(tài)響應(yīng)。 啟動(dòng)過程中，隨著轉(zhuǎn)速的升高，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的作用越來越大，使啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩越來越小，啟動(dòng)過程變慢，因此轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)不能滿足快速啟動(dòng)、停止和反向的要求。11.2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)一、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)一、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn) 用加

16、大過渡過程中的電流即加大動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、停止和反向的要求，但電流不能超過晶閘管和電動(dòng)機(jī)的允許值。為此，應(yīng)采取一種方法，使電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過程中，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩保持不變，即電動(dòng)機(jī)電樞電流不變，且為電動(dòng)機(jī)電樞允許的最大電流，當(dāng)啟動(dòng)結(jié)束后，使電流回到額定值。 一、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn) 用加大過渡過程二、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 1）系統(tǒng)采用兩個(gè)調(diào)節(jié)器（一般采用PI調(diào)節(jié)器）分別對(duì)速度和電流兩個(gè)參量進(jìn)行調(diào)節(jié)。 對(duì)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)器稱為速度調(diào)節(jié)器ST； 對(duì)電流進(jìn)行調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)器稱為電流調(diào)節(jié)器LT。二、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 1）系統(tǒng)采用兩個(gè)調(diào)節(jié)器（一般采 2）來自速度給定電位器的信號(hào)Ugn與速度反饋信號(hào)Ufn比較的偏差送

17、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(hào)，與電流反饋信號(hào)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(dòng)機(jī)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(jìn)行串級(jí)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)。 2）來自速度給定電位器的信號(hào)Ugn與速度反饋信號(hào)Uf11.3 可逆直流調(diào)速系統(tǒng) 一、利用接觸器進(jìn)行切換的可逆線路11.3 可逆直流調(diào)速系統(tǒng) 一、利用接觸器進(jìn)行切換的可逆二、利用晶閘管切換的可逆線路二、利用晶閘管切換的可逆線路三、采用兩套晶閘管整流電路的可逆線路三、采用兩套晶閘管整流電路的可逆線路四、脈寬調(diào)速 4當(dāng)它們以較高的頻率（一般為2000Hz）交替導(dǎo)通時(shí)，電樞兩端的電壓波形如圖所示。 1三相交流電源經(jīng)整流濾波變成電壓恒定的直流電壓； 21VS4VS為四只可控硅，其中，處于對(duì)角線上的一對(duì)三極管的基極，因