直流传动控制系统

1、1. 了解机电传动自动调速系统的组成，生了解机电传动自动调速系统的组成，生产机械对调速系统提出的调速技术指标产机械对调速系统提出的调速技术指标要求以及调速系统的调速性质要求以及调速系统的调速性质2. 掌握自动调速系统中各个基本环节，各掌握自动调速系统中各个基本环节，各种反馈环节的作用及特点种反馈环节的作用及特点3. 实验：单闭环晶闸管直流调速系统实验实验：单闭环晶闸管直流调速系统实验11.1.1 机电传动控制系统的组成机电传动控制系统的组成 机电传动控制系统：机电传动控制系统： 电机、电器、电子部件组合电机、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而成，通过一定的控制去

2、实现对生产机械的驱动任务控制器控制器（发电机）发电机）控制对象控制对象（电动机）（电动机）输入量（励磁）输出量（转速）图图11.1 开环控制系统方框图开环控制系统方框图下图为直流发电机下图为直流发电机直流电动机（直流电动机（gm系统）系统）此系统不存在被控量对控制量此系统不存在被控量对控制量 的影响和联系，所以称的影响和联系，所以称为开环控制系统为开环控制系统11.1.2自动控制系统的分类自动控制系统的分类按采用不同的反馈方式，可分为按采用不同的反馈方式，可分为转速负反馈转速负反馈、电电势负反馈势负反馈、电压负反馈及电流正反馈电压负反馈及电流正反馈控制系统。控制系统。按自动调节系统的复杂程序，

3、可分为单环自动调按自动调节系统的复杂程序，可分为单环自动调节系统和多环自动调节系统节系统和多环自动调节系统按系统稳态时被调量与给定量有无差别，可分为按系统稳态时被调量与给定量有无差别，可分为有静差调节系统有静差调节系统和和无静差调节系统无静差调节系统。 按给定量变化的规律，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，）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，）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。可

4、分为线性控制系统和非线性控制系统。调速方法一般有机械的，电气的、液压的、调速方法一般有机械的，电气的、液压的、气动的几种。气动的几种。1、机械方法调速、机械方法调速 驱动用电动机一般运行在固有机械特性的驱动用电动机一般运行在固有机械特性的一个转速上，速度的调节是通过变速齿轮一个转速上，速度的调节是通过变速齿轮箱或几套变速皮带轮或其他变速机构来实箱或几套变速皮带轮或其他变速机构来实现的。现的。2、电气方法调速、电气方法调速3、机械与电气调速方法、机械与电气调速方法主要有静差度、调速范围、调速的平滑性主要有静差度、调速范围、调速的平滑性1）静差度：当负载变化时，生产机械转速的）静差度：当负载变化时

5、，生产机械转速的变化能维持在一定范围之内。常用静差度变化能维持在一定范围之内。常用静差度来表示生产机机运行时转速稳定的程序，来表示生产机机运行时转速稳定的程序，即要求静差度即要求静差度s应小于一定数值。应小于一定数值。注：注：v机械特性越硬则静差度越小，转速的相对稳定性越高。机械特性越硬则静差度越小，转速的相对稳定性越高。v在最低转速满足要求则在其他转速毕能满足要求在最低转速满足要求则在其他转速毕能满足要求2）调速范围）调速范围生产机械所要求的转速调节的最大范围称为调速范围，生产机械所要求的转速调节的最大范围称为调速范围，上式上式3）调速的平滑性）调速的平滑性通常是指两个相邻调速级的转速差通常

6、是指两个相邻调速级的转速差在一定调速范围内，可以得到稳定运行转速在一定调速范围内，可以得到稳定运行转速级数越多，则调速的平滑性越高，级数无级数越多，则调速的平滑性越高，级数无穷大时则为无级调速穷大时则为无级调速1）最大超调量）最大超调量（mp 一般为一般为1035）2）过渡过程时间）过渡过程时间t从输入控制作用于系统开始直到被调量从输入控制作用于系统开始直到被调量n进入进入（0.050.2）n2稳定值区间时为止的一段时稳定值区间时为止的一段时间，叫作过渡过程时间间，叫作过渡过程时间3) 振荡次数振荡次数在过渡过程时间内，被调量在过渡过程时间内，被调量n在其稳定值上下在其稳定值上下摆动次数。摆动

7、次数。1、对于不要求电气调速的生产机械、对于不要求电气调速的生产机械采用一般鼠笼式电动机即可，控制方案采用采用一般鼠笼式电动机即可，控制方案采用继电器接触器系统继电器接触器系统2. 对于要求电气调速的的生产机械对于要求电气调速的的生产机械应根据调速的动静技术指标业选择拖动方案应根据调速的动静技术指标业选择拖动方案3. 根据生产机械的负载性质来选择电动机的根据生产机械的负载性质来选择电动机的调速方式调速方式1）生产机械的负载特性）生产机械的负载特性恒转矩型和恒功率型恒转矩型和恒功率型恒转矩型和恒功率型恒转矩型和恒功率型2）电动机调速过程中的负载能力）电动机调速过程中的负载能力 a）恒转矩调速，当

8、直流电动改变电枢电压）恒转矩调速，当直流电动改变电枢电压调速时，其输出转矩不变，等于额定转矩调速时，其输出转矩不变，等于额定转矩而输出功率随转速增加成正比增加而输出功率随转速增加成正比增加 b）恒功率调速。改变磁通调速，输出功率）恒功率调速。改变磁通调速，输出功率不变，等于额定功率不变，等于额定功率3）电动机的调速性质与生产机械的负载）电动机的调速性质与生产机械的负载特性的配合特性的配合a）负载为恒转矩型的生产机械，应尽量选）负载为恒转矩型的生产机械，应尽量选择恒转矩型调速方式，择恒转矩型调速方式，tn=tlb)负载为恒功率型的生产机械，应尽量选择负载为恒功率型的生产机械，应尽量选择恒功率型调

9、速方式，恒功率型调速方式，pn=pl 晶闸管电动机直流传动控制系统常用的有：晶闸管电动机直流传动控制系统常用的有：v 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统v 双闭环直流调速系统双闭环直流调速系统v 可逆系统可逆系统 单闭环直流调速系统常分为单闭环直流调速系统常分为 有静差调节系统有静差调节系统 无静差调节系统。无静差调节系统。单闭环调速系统框图单闭环调速系统框图ug给定电压给定电压uf速度反馈信速度反馈信号号u ug ufuk触发器触发器 的的输入控制电压输入控制电压ud整流器的整整流器的整流电压，可由控制流电压，可由控制角角来改变。来改变。1、放大器为比例放大器、放大器为比例放大器2、直流电

10、动机、直流电动机 m 由晶闸管可控整流器经过平波由晶闸管可控整流器经过平波电抗器电抗器 l 供电整流电压供电整流电压ud由控制角由控制角来改变来改变fguuu1）偏差信号：）偏差信号：为比例放大器的输入为比例放大器的输入2）速度信号与转速成正比：）速度信号与转速成正比：nuf3）触发器的输入控制电压）触发器的输入控制电压)(fgpkuuku放大器的输出电压放大倍数放大器的输出电压放大倍数转速反馈系数4)空载时，可控整流器的输出电压空载时，可控整流器的输出电压)(nukkukugpsfsd触发器和整流器作为整体触发器和整流器作为整体的等效放大倍数的等效放大倍数 ks5）忽略晶闸管上的压降，对于电

11、动机的电枢回路）忽略晶闸管上的压降，对于电动机的电枢回路rincrinkuaeaed电枢总回路电阻电枢总回路电阻（11.10）（11.11）由此可得带转速负反馈的晶闸管电动机有由此可得带转速负反馈的晶闸管电动机有静差调速系统的机械特性方程静差调速系统的机械特性方程ffaeegnnikcrkcukn00)1 ()1 (spkkk 0从放大器的输入端到可控整流从放大器的输入端到可控整流电路输出端的电压放大倍数电路输出端的电压放大倍数spekkck闭环系统的开环放大系数闭环系统的开环放大系数（11.12）根据根据11.9看出若系统是开环的，没有转速负反看出若系统是开环的，没有转速负反馈，则整流器的输

12、出电压为馈，则整流器的输出电压为rincukukkuaeggspd0由此得到开环系统的机械特性方程为由此得到开环系统的机械特性方程为nnicrcuknaeeg00egcukn00（11.13）闭环时闭环时ffaeegnnikcrkcukn00)1 ()1 (开环时开环时nnicrcuknaeeg00所以单闭环有静差调速系统具有以下性质所以单闭环有静差调速系统具有以下性质; 1) 在给定电压一定时，在给定电压一定时，00011)1 (nkkcuknegf闭环系统的理想空载转速降低到开环的闭环系统的理想空载转速降低到开环的 1/（1k），为了使闭环系统获得与开环），为了使闭环系统获得与开环系统相同

13、的理想空载转速，闭环时的给定系统相同的理想空载转速，闭环时的给定电压须比开环时的提高（电压须比开环时的提高（1k）倍）倍（11.14）2 如果将系统的闭环与开环的理想空载转速如果将系统的闭环与开环的理想空载转速调得一样，即调得一样，即 ，则，则00nnfnkikcrnaef11)1 (在同样的负载下，闭环系统的转速在同样的负载下，闭环系统的转速降仅为开环系统的降仅为开环系统的 1/（1k）,（11.15）（3）由式）由式11.4可知，在最大运行速度可知，在最大运行速度nmax和和低速时最大允许静差度低速时最大允许静差度s2不变得情况下，不变得情况下，开环系统和闭环系统的调速范围分别是开环系统和

14、闭环系统的调速范围分别是开环开环闭环闭环)1 (22maxsnsndndkssnsnsndknnffn)1 ()1 ()1 (212max22max（11.16）闭环系统的调速范围为开环系统的闭环系统的调速范围为开环系统的（1k ）倍）倍1、给定电压、给定电压ug一定，假定电动机空载运一定，假定电动机空载运行（行（ia约为零），空载转速为约为零），空载转速为n0，测速，测速发电机的相应的电压发电机的相应的电压ubr，经分压后得，经分压后得 反馈电压反馈电压uf则则 作为比例放大器的输入，作为比例放大器的输入，2，比例放大器的输出，比例放大器的输出uk加入触发器的触加入触发器的触发电路，可控整流

15、装置输出电压发电路，可控整流装置输出电压ud供供给电动机，产生空载转速给电动机，产生空载转速n03、负载增加，、负载增加，ia增大，由于增大，由于 作用，作用，使电动机转速下降（使电动机转速下降（nn0），从而测），从而测速发电机的电压速发电机的电压ubr下降，导致下降，导致uf下降，下降，进而进而 增大，放大器输出电增大，放大器输出电压增大，使压增大，使减小，整流电压减小，整流电压ud增大，增大，电动机转速又回到近似电动机转速又回到近似n0ateaaiktnkerieu他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性电动机的转速回升不到电动机的转速回升不到n0，即无法补，即无法补偿偿in在电枢回路总

16、电阻上的电压降落，在电枢回路总电阻上的电压降落，图中放大器一般采用直流运放。在放图中放大器一般采用直流运放。在放大器的输出与输入接入不同的阻抗网大器的输出与输入接入不同的阻抗网络的负反馈，可实现信号的组合运算，络的负反馈，可实现信号的组合运算，常用有比例、积分、微分等调节器，常用有比例、积分、微分等调节器，转速负反馈作用：转速负反馈作用： 是抑制转速变化的直接有效方法，它是抑制转速变化的直接有效方法，它是自动调速系统中最基本的反馈形式，是自动调速系统中最基本的反馈形式，但检测元件测速发电机的安装和维修不但检测元件测速发电机的安装和维修不方便，方便， 可以克服扰动作用（负载变化，电动可以克服扰动

17、作用（负载变化，电动机励磁变化，晶闸管交流电源电压的变机励磁变化，晶闸管交流电源电压的变化等）对电机转速的影响。化等）对电机转速的影响。（1）电压负反馈系统）电压负反馈系统 电位计电位计rp是检测是检测电动机端电压大电动机端电压大小的检测元件小的检测元件aeaeikrkun他励直流电动机的转速：他励直流电动机的转速：电动机的转速随着电枢端电压的大小而变，电动机的转速随着电枢端电压的大小而变，电枢电压的大小可近似的反映电机转速的电枢电压的大小可近似的反映电机转速的高低高低电压负反馈系统就是把电动机的电压负反馈系统就是把电动机的电枢电压电枢电压作为反馈量，以调整转速，电位计作为反馈量，以调整转速，

18、电位计rp是检是检测电动机端电压大小的检测元件，测电动机端电压大小的检测元件，uf与电与电动机的端电压动机的端电压u成正比成正比l线路简单，线路简单，: 因为电动机的端因为电动机的端电压即使由于电压负反馈的作用维持不变，但电压即使由于电压负反馈的作用维持不变，但负载增加时，电动机电枢内阻负载增加时，电动机电枢内阻 ra 所引起的内阻所引起的内阻压降仍然要增大，电动机的速度还要降低压降仍然要增大，电动机的速度还要降低l电压负反馈顶多只能补偿可控整流电源的等效电压负反馈顶多只能补偿可控整流电源的等效内阻所引起的速度降落。内阻所引起的速度降落。 为了补偿电枢电阻压降为了补偿电枢电阻压降iara，一般

19、在电压负，一般在电压负反馈的基础上再增加一个电流正反馈环节反馈的基础上再增加一个电流正反馈环节电流正反馈：就是把反映电动机电枢电流电流正反馈：就是把反映电动机电枢电流大小的量大小的量iar取出。与电压负反馈一起加到取出。与电压负反馈一起加到放大器的输入端放大器的输入端当负载电流增加时，放大器的信号也增加，当负载电流增加时，放大器的信号也增加，使晶闸管的整流输出电压使晶闸管的整流输出电压ud增加，以次来增加，以次来补偿电枢电阻压降补偿电枢电阻压降为了保证为了保证“调整调整”效果，电流正反馈的强效果，电流正反馈的强度与电压负反馈的强度度与电压负反馈的强度应按一定比例组成应按一定比例组成1、uao电

20、压负反馈信号电压负反馈信号2、 ubo电流负反馈信号电流负反馈信号3、uab综合反馈信号综合反馈信号uabuaoubouabuaoubo电压负反馈信号电压负反馈信号uao 随电枢端电压随电枢端电压u而变，若令而变，若令212rrr电压反馈系数电压反馈系数电压负反馈信号电压负反馈信号ubo 随随 ia 而变，代表而变，代表 在电阻上在电阻上 r3引起的压降引起的压降即电流正反馈信号即电流正反馈信号3riuaboai32123rirrurriuuuuaaboaoab)()()(33rreuirrieuaaaa电动机的电枢回路电势平衡关系：电动机的电枢回路电势平衡关系：将将ia的表达式代入的表达式代

21、入 uab 中可得中可得333321233212rrrerrurrrurrrreurruruaaaab上式若满足：上式若满足：aarrrrrrrrurrrur33212332120即得到电桥平衡条件：得到电桥平衡条件：arrrr312errruaba33则有：则有：.（11.17）.（11.18）满足式满足式 电桥平衡条件，则从电桥平衡条件，则从a, b两点取出的两点取出的反馈信号形成的反馈，将转化为电动机反电势反馈信号形成的反馈，将转化为电动机反电势的反馈，因为，反电势与转速成正比，的反馈，因为，反电势与转速成正比，ncee所以所以uab可以表示为可以表示为ncrrruabea33.（11.

22、19）所以这种反馈也可称为所以这种反馈也可称为转速反馈转速反馈正常情况下，将其作用正常情况下，将其作用“截止截止”过流时，起保护电动机的作用过流时，起保护电动机的作用作用作用使使u随负载的增加而减小，这样会使电动机随负载的增加而减小，这样会使电动机的速度迅速降低，此反馈可人为地造成的速度迅速降低，此反馈可人为地造成“堵堵转转”，防止电枢电流过大而烧坏电动机。，防止电枢电流过大而烧坏电动机。图图11.13 电流截止负反馈作为调速系统限流保护电流截止负反馈作为调速系统限流保护电流负反馈信号由串联在电路中的电阻电流负反馈信号由串联在电路中的电阻r上取上取出（电阻出（电阻r上压降上压降iar与电流与电

23、流ia成正比）成正比）1）当电流较小时，）当电流较小时， iar ub,二极管二极管导通导通iar 与比较电压与比较电压ub比较后送到放大器，其极性与比较后送到放大器，其极性与ug相反相反图图11.14 电流截止负反馈速度特性电流截止负反馈速度特性1）速度）速度n0，电流，电流为为 iao称为称为堵转电流堵转电流一般一般iao (22.5) ian2）电流负反馈开始）电流负反馈开始起作用的电流称为起作用的电流称为转折点电流，转折点电流，一般一般为为ian的的3.5倍倍比较电压越大则，电流比较电压越大则，电流截止负反馈的转折点电截止负反馈的转折点电流越大流越大“挖土机挖土机”特性特性 所以系统中

24、必须有所以系统中必须有图图 11.26 比例积分（比例积分（pi）调节器）调节器输入信号输入信号pi调节器由两部分构成：调节器由两部分构成： 1）比例部分）比例部分 2）积分部分）积分部分时间特性时间特性1） 当突然输入信号当突然输入信号ui 时，时，开始瞬间电容开始瞬间电容c1相当于相当于短路短路，反馈回路中只有，反馈回路中只有电阻电阻r1，此时相当于比，此时相当于比例调节器，系统快速对例调节器，系统快速对速度进行调节速度进行调节2）而后电容）而后电容c1被充电开被充电开始积分，始积分，u0线性增长，线性增长，直到稳态直到稳态1、由于有比例调节功能，才有、由于有比例调节功能，才有较好的动较好的动态响应态响应特性，有了良好的特性，有了良好的快速性快速性，弥补了，弥补了积分调节的延缓作用积分调节的延缓作用2、积分调节的作用，只要输入有微小的、积分调节的作用，只要输入有微小的信号，积分就进行，直至输出到达了限幅信号，积分就进行，直至输出到达了限幅值为止。值为止。图图11.25 具有比例具有比例积分调节积分调节的无静差的无静差调速系统