11.1機電傳動控制系統(tǒng)的組成和分類

直流傳動控制系統(tǒng)最簡單——繼電器-接觸器控制系統(tǒng)（斷續(xù)控制系統(tǒng)）本章——自動調(diào)速系統(tǒng)（連續(xù)控制系統(tǒng)）11.1.1機電傳動控制系統(tǒng)的組成

組成：由電機、電器、電子部件組合而成。注：輸入量—控制量，輸出量—被控制量。l

開環(huán)控制系統(tǒng)（單向控制）如圖11.1所示的G-M系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)往往不能滿足高要求的生產(chǎn)機械的需要。

1.

主要參數(shù)

1)

轉(zhuǎn)速降(與無關(guān))2)

調(diào)速范圍（前提：生產(chǎn)機械對轉(zhuǎn)速變化率的要求）

3)

靜差度（或穩(wěn)定度、轉(zhuǎn)速變化率）n0-空載轉(zhuǎn)速；nN-額定轉(zhuǎn)速Rfa-勵磁回路電阻Rda-電樞回路電阻K-機械相關(guān)常數(shù)TN-電磁轉(zhuǎn)矩4)

關(guān)系：（）

①由電機銘牌而定，，D由生產(chǎn)機械要求而定。②一定，不同的靜差度S就有不同的調(diào)速范圍D，故在說明系統(tǒng)達到D時，同時說明所允許的最小靜差度S。③一定，，機械特性硬度。(改變電樞電壓調(diào)速)高速低速（S2-低速時靜差度）2.提高機械特性硬度的方法——使電動機轉(zhuǎn)速不變。

（負載↑，n↓）發(fā)電機電動機測速發(fā)電機電位器Simulink仿真

1)

在電動機軸上安裝一臺測速發(fā)電機BR，輸出電勢。

2)

偏差電壓（給定電壓）

負反饋控制

3)放大器作用:△U小變化→Ug大變化→維持n不變。l

閉環(huán)控制系統(tǒng)（正向控制和反向反饋控制）如上述自動調(diào)速系統(tǒng)。

1.方框圖：2.常用系統(tǒng)：

電機放大器、磁放大器和晶閘管調(diào)速系統(tǒng)。Simulink仿真11.1.2自動控制系統(tǒng)的分類按反饋方式——轉(zhuǎn)速負反饋、電勢負反饋、電壓負反饋、電流正反饋控制系統(tǒng)；按復(fù)雜程度——單環(huán)、多環(huán)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)；按被調(diào)量與給定量的差別——有靜差、無靜差調(diào)節(jié)系統(tǒng)；按給定量變化規(guī)律——定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)、隨動系統(tǒng)；按調(diào)節(jié)動作與時間的關(guān)系——斷續(xù)、連續(xù)控制系統(tǒng)；按元件特性——線性、非線性控制系統(tǒng)。11.2調(diào)速方案的選擇11.2.1機械與電氣調(diào)速方法1.

電氣調(diào)速的優(yōu)缺點

1)

簡化機械變速機構(gòu)；

2)

提高傳動效率，操作簡單；

3)

無級調(diào)速；

4)

便于遠距離控制和自動控制；

5)

應(yīng)用廣泛；

6)

電氣系統(tǒng)復(fù)雜，投資大些。（缺點）2.

電氣與機械配合調(diào)速

1)

電氣方面——得到多種轉(zhuǎn)速；

2)

機械方面——用機械變速機構(gòu)的換擋進行變速。純機械式純電氣式機械＋電氣式11.2.2生產(chǎn)機械對自動調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)指標的要求（調(diào)速方案的選擇）

1.

靜態(tài)技術(shù)指標

1)

靜差度——生產(chǎn)機械運行時轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的程度。

S

應(yīng)小于一定數(shù)值。

l

機械特性越硬，，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性。

l

時，滿足S

要求；其它轉(zhuǎn)速時一定滿足S

要求。

靜差度調(diào)速范圍調(diào)速的平滑性普通設(shè)備普通車床龍門刨床冷軋機熱軋機造紙機S≤50%S≤30%S≤5%S≤2%0.2%~0.5%S≤0.1%

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。

l

聯(lián)合調(diào)速時，D（生產(chǎn)機械）＝De（電氣）Dm（機械）。

3)

調(diào)速的平滑性——用兩個相鄰調(diào)速級的轉(zhuǎn)速差來衡量。

l

D一定，穩(wěn)定運行轉(zhuǎn)速級數(shù)↑，調(diào)速的平滑性↑；級數(shù)→∞，稱無級調(diào)速。

l

不同的生產(chǎn)機械，可采用有級或無級調(diào)速。車床龍門刨床鉆床銑床軋鋼機造紙機進給機械20～12020～402～1220～303～1510～205～30000

2.

動態(tài)技術(shù)指標由于電磁、機械慣性，調(diào)速過程經(jīng)過一段過渡過程，即動態(tài)過程。

1)

最大超調(diào)量

l

一般為(10～35)%。

l

，不滿足工藝要求；，過渡過程緩慢。超調(diào)量過渡時間★最大超調(diào)量★過渡時間★振蕩次數(shù)SIMULINK仿真2)

過渡過程時間

T——從輸入控制（或擾動）作用于系統(tǒng)開始到被調(diào)量進入穩(wěn)定值區(qū)間時為止的一段時間。超調(diào)量過渡時間3)

振蕩次數(shù)——在過渡過程時間T內(nèi)，在其穩(wěn)定值上下擺動次數(shù)（圖中所示為1次）。

l

系統(tǒng)1：T較大

l

系統(tǒng)2：振蕩次數(shù)較多

l

系統(tǒng)3：較理想如：龍門刨床——允許一次振蕩；造紙機——不允許有振蕩的過渡過程。系統(tǒng)超調(diào)量過渡過程時間T振蕩次數(shù)性能10長無不好2大長多不好3小短中好11.2.3根據(jù)生產(chǎn)機械的負載性質(zhì)來選擇電動機的調(diào)速方式

l

在調(diào)速過程中，電動機負載能力（即輸出）在不同下是不同的。

l

為保證在D

內(nèi)電動機得到最充分利用，則選擇調(diào)速方案時，必須使電動機的負載能力與生產(chǎn)機械的負載性質(zhì)相匹配。1.

生產(chǎn)機械的負載特性

1)

恒轉(zhuǎn)矩型——=常數(shù)，如：起重機、機床進給運動。

2)

恒功率型——=常數(shù)，如：車床主軸運動。注：粗加工精加工2.

電動機的負載能力（調(diào)速時）

1)

直流電機

——調(diào)壓調(diào)速（恒T型）、調(diào)磁調(diào)速（恒P型）

2)

交流電機

——變極調(diào)速、變頻調(diào)速

l

變極（p）調(diào)速——雙速異步電動機，定子繞組

Y改成YY（恒T型），改成YY（恒P

型）。

l

變頻（f）調(diào)速——固有特性以上（恒P型，很少），以下（恒T型，常用）。直流電機調(diào)速變極調(diào)速變頻調(diào)速西門子ATV38系列節(jié)能型變頻調(diào)速器參數(shù)3.

配合性質(zhì)電動機在調(diào)速過程中，輸出的T

和P

能否達到最大，取決于生產(chǎn)機械和的大小及其變化規(guī)律。1)

生產(chǎn)機械＝常數(shù)，調(diào)速方式選用恒T

型，且電動機。2)

生產(chǎn)機械＝常數(shù)，調(diào)速方式選用恒P型，且電動機。

故電動機在D

內(nèi)任何下運行，均保持，使電動機得到最充分利用。11.3

幾種常見的直流傳動控制系統(tǒng)（簡介）晶閘管-電動機直流傳動控制系統(tǒng)晶體管-電動機直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)微型計算機控制的直流傳動系統(tǒng)11.3.1晶閘管-電動機直流傳動控制系統(tǒng)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)三閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)

1.

單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)（n

單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)——速度調(diào)節(jié)器ASR

）L+--+ugUf△UUkαKPIaUdM+--++-TGUTGKs放大器觸發(fā)器晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖電路仿真速度設(shè)定電位器測速發(fā)電機電動機晶閘管3.靜特性分析

(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。

可控整流器

設(shè)可控整流器的放大倍數(shù)為Ks，則：放大器電路

設(shè)放大器的放大倍數(shù)為KP，則：

反饋電路

速度反饋信號電壓與轉(zhuǎn)速n成正比，設(shè)放大系數(shù)為

，則：Ke－電機結(jié)構(gòu)常數(shù)；Φ－磁通；Ia－電樞電流；(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:閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性開環(huán)系統(tǒng)的靜特性(3)分析與結(jié)論

理想空載轉(zhuǎn)速在給定電壓一定時,

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)：

閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性開環(huán)系統(tǒng)的靜特性反饋信號不得突然消失硬度提高調(diào)速比增大結(jié)論：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)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。K增大→轉(zhuǎn)速降減小、硬度增大→調(diào)速比增大→靜差度減小但K太大會引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。（二）其他反饋在自動調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)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。Simulink仿真(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。一般線路中采用電壓負反饋，主要不是用它來穩(wěn)速，而是用它來防止過壓、改善動態(tài)特性、加快過渡過程。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)。(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

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。

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。電機過載→電樞過流→燒壞。電流負反饋→速度下降→保護電機(2)基本思想方法IO=1.35IaNIao=(2~3)Ian

當(dāng)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(dāng)負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，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(dāng)負載繼續(xù)增加使電樞電流超過一定值（大于額定電流的2~3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(dāng)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”。

（3）工作原理

當(dāng)電流小于轉(zhuǎn)折點的電流時，反饋電壓UI<Ub,二極管V截止，電流反饋不起作用；

當(dāng)電流大于轉(zhuǎn)折點的電流時，反饋電壓UI>Ub,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機，使其轉(zhuǎn)速下降；

當(dāng)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；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：電路仿真比例積分調(diào)節(jié)器

當(dāng)突加輸入信號Ui時，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，直到穩(wěn)態(tài)。在穩(wěn)態(tài)時，C1相當(dāng)于開路，放大器呈現(xiàn)出極大的開環(huán)放大倍。2.采用PI調(diào)節(jié)器的無靜差調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)時U=Ug－Uf，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)。

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)。Simulink仿真1Simulink仿真2電路仿真有靜差/無靜差兩種調(diào)速系統(tǒng)突加負載的動態(tài)過程

在無靜差調(diào)速系統(tǒng)中，雖然后來

Un=0，只要歷史上有過

Un

，其積分就有一定數(shù)值，足以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)運行所需要的控制電壓Uc。積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的根本區(qū)別就在于此。歸納總結(jié)：比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀；積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含輸入偏差量的全部歷史。11.2.2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

PI單閉環(huán)調(diào)速：無靜差、動態(tài)響應(yīng)快。啟動時：啟動過程仍不夠快。解決方法：加大過渡過程中的電流(加大動態(tài)轉(zhuǎn)矩)。實施：啟動過程中，電動機電樞電流不變且為最大允許電流；啟動結(jié)束后，使電流回到額定值。需求：快速啟停/反向。理想啟動電流理想啟動時間實際啟動電流實際啟動時間二、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在起動過程的主要階段，只有電流負反饋，沒有轉(zhuǎn)速負反饋。達到穩(wěn)態(tài)后，只要轉(zhuǎn)速負反饋，不讓電流負反饋發(fā)揮主要作用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

—電流反饋系數(shù)Ud0Ks

1/CeU*nUcIdEnUn++-ASR+U*i-IdRR

ACR-UiUPE

穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2）速度設(shè)定信號Ugn與速度反饋信號Ufn之差送到ASR的輸入端；

ASR的輸出作為ACR的給定信號，與電流反饋信號之差送到

ACR的輸入端；

ACR的輸出控制可控整流器，為電動機提供直流電壓。3）電流調(diào)節(jié)是內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)為外環(huán)，串級聯(lián)接。故稱為雙閉環(huán)系統(tǒng)。1）兩個調(diào)節(jié)器（多為PI調(diào)節(jié)器）分別調(diào)節(jié)速度和電流；4.

可逆直流調(diào)速系統(tǒng)

1)

電樞反接的可逆線路

2)

勵磁反接的可逆線路（用得較少）環(huán)流——不流過負載而只流過兩組晶閘管電路的電流。利：維持電流連續(xù)，加快切換速度；弊：加重SCR負擔(dān)/短路調(diào)速方式：

l

有環(huán)流調(diào)速（可控有環(huán)流）