11.1機電傳動控制系統的組成和分類

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

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

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

1.

主要參數

1)

轉速降(與無關)2)

調速范圍（前提：生產機械對轉速變化率的要求）

3)

靜差度（或穩定度、轉速變化率）n0-空載轉速；nN-額定轉速Rfa-勵磁回路電阻Rda-電樞回路電阻K-機械相關常數TN-電磁轉矩4)

關系：（）

①由電機銘牌而定，，D由生產機械要求而定。②一定，不同的靜差度S就有不同的調速范圍D，故在說明系統達到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——使電動機轉速不變。

（負載↑，n↓）發電機電動機測速發電機電位器Simulink仿真

1)

在電動機軸上安裝一臺測速發電機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

閉環控制系統（正向控制和反向反饋控制）如上述自動調速系統。

1.方框圖：2.常用系統：

電機放大器、磁放大器和晶閘管調速系統。Simulink仿真11.1.2自動控制系統的分類按反饋方式——轉速負反饋、電勢負反饋、電壓負反饋、電流正反饋控制系統；按復雜程度——單環、多環自動調節系統；按被調量與給定量的差別——有靜差、無靜差調節系統；按給定量變化規律——定值調節系統、程序控制系統、隨動系統；按調節動作與時間的關系——斷續、連續控制系統；按元件特性——線性、非線性控制系統。11.2調速方案的選擇11.2.1機械與電氣調速方法1.

電氣調速的優缺點

1)

簡化機械變速機構；

2)

提高傳動效率，操作簡單；

3)

無級調速；

4)

便于遠距離控制和自動控制；

5)

應用廣泛；

6)

電氣系統復雜，投資大些。（缺點）2.

電氣與機械配合調速

1)

電氣方面——得到多種轉速；

2)

機械方面——用機械變速機構的換擋進行變速。純機械式純電氣式機械＋電氣式11.2.2生產機械對自動調速系統技術指標的要求（調速方案的選擇）

1.

靜態技術指標

1)

靜差度——生產機械運行時轉速穩定的程度。

S

應小于一定數值。

l

機械特性越硬，，轉速穩定性。

l

時，滿足S

要求；其它轉速時一定滿足S

要求。

靜差度調速范圍調速的平滑性普通設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)

調速范圍——生產機械所要求的轉速調節的最大范圍。

l

聯合調速時，D（生產機械）＝De（電氣）Dm（機械）。

3)

調速的平滑性——用兩個相鄰調速級的轉速差來衡量。

l

D一定，穩定運行轉速級數↑，調速的平滑性↑；級數→∞，稱無級調速。

l

不同的生產機械，可采用有級或無級調速。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.

動態技術指標由于電磁、機械慣性，調速過程經過一段過渡過程，即動態過程。

1)

最大超調量

l

一般為(10～35)%。

l

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

過渡過程時間

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

振蕩次數——在過渡過程時間T內，在其穩定值上下擺動次數（圖中所示為1次）。

l

系統1：T較大

l

系統2：振蕩次數較多

l

系統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。系統超調量過渡過程時間T振蕩次數性能10長無不好2大長多不好3小短中好11.2.3根據生產機械的負載性質來選擇電動機的調速方式

l

在調速過程中，電動機負載能力（即輸出）在不同下是不同的。

l

為保證在D

內電動機得到最充分利用，則選擇調速方案時，必須使電動機的負載能力與生產機械的負載性質相匹配。1.

生產機械的負載特性

1)

恒轉矩型——=常數，如：起重機、機床進給運動。

2)

恒功率型——=常數，如：車床主軸運動。注：粗加工精加工2.

電動機的負載能力（調速時）

1)

直流電機

——調壓調速（恒T型）、調磁調速（恒P型）

2)

交流電機

——變極調速、變頻調速

l

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

配合性質電動機在調速過程中，輸出的T

和P

能否達到最大，取決于生產機械和的大小及其變化規律。1)

生產機械＝常數，調速方式選用恒T

型，且電動機。2)

生產機械＝常數，調速方式選用恒P型，且電動機。

故電動機在D

內任何下運行，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（簡介）晶閘管-電動機直流傳動控制系統晶體管-電動機直流脈寬調速系統微型計算機控制的直流傳動系統11.3.1晶閘管-電動機直流傳動控制系統單閉環直流調速系統雙閉環直流調速系統三閉環直流調速系統可逆直流調速系統

1.

單閉環直流調速系統（n

單閉環調速系統——速度調節器ASR

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

(1)各環節輸入輸出的關系

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阻；

電動機的電樞電阻。

可控整流器

設可控整流器的放大倍數為Ks，則：放大器電路

設放大器的放大倍數為KP，則：

反饋電路

速度反饋信號電壓與轉速n成正比，設放大系數為

，則：Ke－電機結構常數；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；——閉環系統的放大倍數。如果系統沒有轉速負反饋（即開環系統）時，則整流器的輸出電壓:

由此可得開環系統的機械特性方程:閉環系統的靜特性開環系統的靜特性(3)分析與結論

理想空載轉速在給定電壓一定時,

轉速降

如果將系統閉環與開環的理想空載轉速調得一樣，即，

調速范圍與靜差度

在最大運行轉速和低速時最大允許靜差度不變的情況下，開環：

閉環：

閉環系統的靜特性開環系統的靜特性反饋信號不得突然消失硬度提高調速比增大結論：維持被調量（轉速）近于恒值不變，但又具有偏差的反饋控制系統稱為有差調節系統（即有差調速系統）。采用轉速負反饋調速系統能克服擾動作用（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）對電動機轉速的影響。K增大→轉速降減小、硬度增大→調速比增大→靜差度減小但K太大會引起系統不穩定。（二）其他反饋在自動調速系統中的應用1.電壓負反饋系統

由公式可知：

電動機的轉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速的高低。電壓負反饋系統就是把電動機電樞電壓作為反饋量，以調整轉速。(1)電壓負反饋與轉速負反饋調速系統的區別

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，后者為測速發電機。Simulink仿真(2)工作原理

穩速和調速的工作過程與轉速負反饋相同。

在給定電壓Ug一定時，其調整過程如下：電壓負反饋系統的特點:

線路簡單

穩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，電動機電樞內阻所引起的內阻壓降仍然要增大，電動機速度還是要降低。一般線路中采用電壓負反饋，主要不是用它來穩速，而是用它來防止過壓、改善動態特性、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(1)系統特點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。要使系統穩定運行，系統總的反饋特性必須呈現出負反饋的性質。(2)工作原理

穩速和調速的工作過程與轉速負反饋相同。

在給定電壓Ug一定時，其調整過程如下：(3)靜特性

從電動機電樞回路電勢平衡關系知

上式如果滿足下列條件系統具有轉速反饋的特性。

3.電流截止負反饋系統(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

當負載正常，電樞電流在一定范圍內（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，使轉速下降；

當負載繼續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，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”。

（3）工作原理

當電流小于轉折點的電流時，反饋電壓UI<Ub,二極管V截止，電流反饋不起作用；

當電流大于轉折點的電流時，反饋電壓UI>Ub,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，使其轉速下降；

當電流等于堵轉點的電流時，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，時電動機的轉速為零，電流不再增加；

如果電流下降到小于堵轉點的電流，轉速則上升；二、無靜差轉速負反饋調速系統1.比例積分（PI）調節器比例器調節器其輸入輸出之間的關系如下：

積分調節器其輸入輸出之間的關系如下：電路仿真比例積分調節器

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，此時相當于比例調節器，它可以毫無延遲地起調節作用，故調節速度快；隨著電容C1被充電而開始積分，U0線性增長，直到穩態。在穩態時，C1相當于開路，放大器呈現出極大的開環放大倍。2.采用PI調節器的無靜差調速系統靜態時U=Ug－Uf，調節作用停止，由于積分作用，調節器的輸出電壓Uk保持在某一數值上，即Ud固定，以維持電動機在給定轉速下運轉。由于靜態時呈現出無窮大的放大倍數，系統可以消除靜態誤差，故稱無靜差調速系統。

放大器采用具有比例積分調節器的調速系統為無靜差調速系統。Simulink仿真1Simulink仿真2電路仿真有靜差/無靜差兩種調速系統突加負載的動態過程

在無靜差調速系統中，雖然后來

Un=0，只要歷史上有過

Un

，其積分就有一定數值，足以產生穩態運行所需要的控制電壓Uc。積分控制規律和比例控制規律的根本區別就在于此。歸納總結：比例調節器的輸出只取決于輸入偏差量的現狀；積分調節器的輸出則包含輸入偏差量的全部歷史。11.2.2雙閉環直流調速系統一、轉速負反饋調速系統的特點

PI單閉環調速：無靜差、動態響應快。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(加大動態轉矩)。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、雙閉環調速系統在起動過程的主要階段，只有電流負反饋，沒有轉速負反饋。達到穩態后，只要轉速負反饋，不讓電流負反饋發揮主要作用雙閉環直流調速系統的穩態結構框圖

—轉速反饋系數

—電流反饋系數Ud0Ks

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

ACR-UiUPE

穩態結構框圖2）速度設定信號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）電流調節是內環；轉速調節為外環，串級聯接。故稱為雙閉環系統。1）兩個調節器（多為PI調節器）分別調節速度和電流；4.

可逆直流調速系統

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，加快切換速度；弊：加重SCR負擔/短路調速方式：

l

有環流調速（可控有環流）