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第5章 电力拖动调速系统 5.1 机床的速度调节 2 转速负反馈自动调速系统 3电压负反馈和电流正反馈调速系统 5.2 直流电动机双闭环调速系统 5.5 直流电机可逆调速系统 5.6 直流电动机的脉宽调制调速系统 5.7 直流调速的应用,5.1 机床的速度调节 5.1.1 现代机床调速系统 5.1.2 现代机床控制技术 5.1.3 直流调速简介 5.1.4 直流调速的发展趋势,调速系统是现代机床电气控制系统的重要组成部分。 机床拖动系统主要有直流拖动系统与交流拖动系统两大类，采用直流电动机的称之为直流拖动系统。,本章要求在了解自动调速系统的组成和调速性能指标的基础上，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；掌握常用的自动调速系统的原理、特点与适用场所，正确选择和使用直流调速控制系统。,5.1.1 现代机床调速系统,机床调速系统的分类 按照调速装置的主体，分为机械调速与电气调速； 按照速度是否连续可调，分为有级调速与无级调速； 按照电机驱动电源的类型，分为直流调速与交流调速等等。,机械有级调速系统 在机械有级调速系统中，电动机一般采用不调速的笼型异步电动机，通过改变齿轮箱的变速比来实现速度调节。负载转矩是通过机械传动机构传到电动机轴上，电动机轴上转矩只是负载转矩的传动比的数倍，因此可以选择转矩较小的交流电动机。 该调速方式使机械系统变得复杂，影响了机床的加工精度。 在普通的车床、钻床、铣床等加工精度要求不高的场合，一般采用此类调速系统。,电气机械有级调速系统 用多速鼠笼式异步电动机代替不能调速的鼠笼式异步电动机，以便简化机械传动机构。 多速电动机一般采用双速电动机，少数机床采用三速、四速电动机。 中小型镗床的主拖动系统多采用双速异步电动机。,交直流无级调速系统 通过改变电枢电压（或激磁电流）直接改变电动机转速，从而实现机床工作机构转速的无级调节的拖动系统。 该调速系统满足机床的主运动和进给运动均有调速要求的场合，具有调速范围宽、实现平滑调速、调速精度高、控制灵活等优点，还可能取消或大大简化电动机与机械运动部件之间的齿轮变速箱，简化了机械传动机构，因而广泛应用于机床的主拖动和进给拖动系统中。,5.1.2 现代机床控制技术,控制系统的分类 按照有无反馈测量装置，控制系统可以分为开环控制系统和闭环控制系统。 按照闭环控制系统中控制器结构，可以分为串联的反馈控制系统、串并联反馈控制系统以及复合控制系统等。 按照信号处理技术，可以分为模拟控制系统和数字控制系统。,开环控制系统是没有输出反馈的一类控制系统。开环控制系统的主要优点是简单、经济、容易维修以及价格便宜。主要缺点是精度低，对环境变化和干扰十分敏感。 闭环控制系统亦称为反馈控制系统，采用反馈原理将系统输出的全部或部分被负反馈到输入端。闭环控制系统与开环控制系统相比，具有精度高，动态性能好，抗干扰能力强等等优点。它的主要缺点是结构比较复杂、价格比较昂贵等。,由可编程序控制器（简称plc）为核心的控制系统称为plc的控制系统，采用微处理机作为控制器的控制系统称为计算机（或微机）控制系统。,几种常见控制系统的比较 plc控制系统 微机控制系统 计算机集成制造系统,plc 、继电器控制系统、微机控制的比较,plc 、继电器控制系统、微机控制的比较,计算机集成制造系统 计算机群控系统是由一台计算机控制多台数控机床，又称为“直接数控系统”。 柔性制造系统（fms）是由一中心计算机控制的机械加工自动线，上世纪90年代后，逐步取代“直接数控系统” 。 柔性制造系统加上计算机辅助设计cad、计算机辅助制造cam、计算机辅助质量检测caq及计算机信息管理系统，将构成计算机集成制造系统cims，它是当前机械加工自动化发展的最高形式。,5.1.3 直流调速简介, 直流调速的方法 降压调速 变阻调速 弱磁调速 调压调磁调速, 直流调速的主要性能指标 稳态性能指标主要有静差、静差率、调速范围等等； 动态性能指标主要有随动性能指标、抗干扰性能指标等。,静差、静差率 静差n ，是指理想空载转速no与额定负载转速nn之间的差值。 nnonn,静差、静差率 静差率s是指静差与理想空载转速的比值，它反映了电动机转速稳定程度。,图5.1 不同转速下的静差、静差率s,注意：机械特性硬度与静差率的区别，同一机械特性，在不同转速下静差n可以是相同的，而静差率却不相同，如图5.1所示 。,调速时要求静差率小于规定的数值，静差率s过大，将导致被加工工件表面质量降低。在实际应用过程中必须用最小允许转速来校验静差率。在采用电枢回路降压调速时，为了保证静差率不超过规定的指标，转速不能调得过低。 在弱磁调速时，静差率可能变化。如果电动机拖动恒功率负载，转速升高后，静差率保持自然机械特性时的值基本不变。如果电动机拖动恒转矩负载，从固有机械特性开始，通过减弱磁通向上调速时，静差率将会变大。,调速范围d 电动机在额定负载下进行调速时，在满足静差率要求的前提下，所能达到的最高转速与最低转速之比称为调速范围。,式中 nmax 额定负载下的最高转速（即nn）； nmin 额定负载下的最低转速； smax 最大允许静差率。,提高调速范围的方法 在调速系统中引入反馈控制构成闭环控制系统，提高系统机械特性的硬度，减小静差，才能够扩大调速范围。 一般机床的调速范围见表2。,表2 部分机床的调速范围,随动性能指标 是指控制系统对阶跃扰动响应时转速、电流等参数的上升时间tr、峰值时间tp、调节时间ts、超调量等阶跃响应性能指标。 抗干扰性能指标 动态速降是指控制系统对阶跃扰动响应的动态最大速度降。 恢复时间t是指从阶跃扰动开始，直到输出达到新的稳定状态对应的误差允许范围的所需的时间，即过渡过程时间。 在阶跃扰动下，动态速降越小，恢复时间越短，则控制系统抗干扰能力越强。,5.1.4 直流调速的发展趋势,提高直流电机的单机容量。 提高电力电子器件与控制单元的生产水平。 加强传动控制装置的功能，进一步提高可靠性，形成标准模块化的结构，使设计、维护更加方便。,2转速负反馈自动调速系统 2.1 速度负反馈自动调速系统组成 2.2 系统的静态特性 2.3 直流调速系统的动态特性 2.4 速度闭环调速系统的基本特性 2.5 带电流截止负反馈的单闭环调速系统 2.6 单闭环无静差调速系统,直流电机的励磁一般采用单独整流桥供电，即电动机工作在他励工作方式，以此保持主磁通的基本恒定。 直流电机的电枢由可控整流器供电，改变电枢电压实现转速的调节。 开环调速系统是最简单的直流电动机不可逆调速系统。 由于开环调速系统调速精度差，只能适用于调速要求不高的场合。为了保证一定的调速精度，可采用转速负反馈构成单闭环直流调速系统。,2.1 速度负反馈自动调速系统组成,图3 直流调速系统原理图,触发装置,可控 整流桥,速度检测装置,平波电抗,图5. 2 转速检测电路,ufn携带有纹波，可能影响控制的精度。,低通滤波器的目的是削弱直流测速发电机的纹波电压，以及振动带来的多种杂波信号。,2.2 系统的静态特性,在不影响控制精度的情况下，为了简化传递函数，假设如下： 各典型环节，输入与输出之间为线性关系； 控制系统工作在电流连续段； 忽略晶闸管整流装置和电抗器的内阻。,一、各环节传递函数的系数 放大器的比例放大系数kn, 速度反馈系数,直流电动机静态时输入输出关系,式中：,直流电机电势常数。, 触发装置与晶闸管整流装置的电压放大系数kv,二、直流单闭环调速系统静态特性,静态结构图 静态结构图，如图5.2所示。利用叠加原理将给定电压和扰动分别单独作用，求得相应的输出量再进行叠加，从而求出静态方程。,图5.2 直流调速系统静态结构, 给定电压ugn单独作用下的转速n1,图5.5 ugn单独作用下的静态结构,速度闭环控制系统理想空载转速,为速度闭环控制系统的开环放大系数，即速度反馈回路增益。, 给定电压ugn单独作用下的转速n1, -idr单独作用下的转速n2 -idr单独作用下的静态结构图如图5.6所示。,图5.6 -idr单独作用下的静态结构,，,速度闭环控制系统的静态速度降, -idr单独作用下的转速n2,给定电压ugn和-idr共同作用下的转速n,（5.10）,三、直流调速系统开环静态特性 在图5.2中，断开速度反馈回路，即0，通过公式5.10可以导出开环时的机械特性。,四、直流调速系统开环与闭环静特性比较,闭环静特性硬。在相同的负载扰动的情况下，两者的速度降之比为 （1k） 。 闭环系统静差率小 。当开环系统和闭环系统的空载转速相同时，两者的静差率之比为 （1k） 。 闭环系统调速范围大 。当闭环与开环静差率一定时，两者的调速范围之比为 （1k） 。,2.3直流调速系统的动态特性,一、直流调速系统的动态结构,他励直流电动机的传递函数,他励直流电动机的基本方程组,图5.7 他励直流电动机精确模型传递函数框图,综合考虑了机电与电磁的过渡过程，因而相应的动态结构图是一个带反馈的闭环二阶系统。,转速与电枢电压之间的传递函数为：,转速与负载转矩之间的传递函数为：,电枢电压与电枢电流之间的传递函数为：, 晶闸管触发与整流装置的传动函数,测速反馈回路的传递函数,测速回路采用电阻分压取样电路：,在测速反馈回路加入滤波环节时：, 速度比例控制器的传递函数,速度负反馈调速系统的动态结构图,图5.8 速度负反馈调速系统的动态结构图,二、系统稳定性分析,速度负反馈闭环调速系统的传递函数,速度闭环调速系统的特征方程为：,控制系统稳定的条件为：,k超过此值，系统将会不稳定。 在设计的过程中，首先按照静态调速指标确定k的值，然后按照动态稳定性进行校验。如果两者发生冲突，只能采取动态校正实施改造。,（5.30）,2.4速度闭环调速系统的基本特性 速度调节器采用比例调节器时控制系统有静差 控制系统绝对服从给定输入 抗扰动的能力差,2.5带电流截止负反馈的单闭环调速系统 采用电流截止负反馈的目的 解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，从而保护整流装置。,电流截止负反馈环节 电流截止负反馈环节如图5.9所示。系统中引入截止环节，它由电流信号检测与电压比较两部分构成。,图5.9 截流负反馈环节,图5.11 带电流截止负反馈的单闭环调速系统的静态结构,在电流负反馈的作用下，转速方程式为：,截流反馈环节投入时对应的理想空载转速,截流反馈环节投入时对应的转速降,带截流环节的单闭环调速系统比较好地解决了负载限流问题，但对于起动过程而言，它所能维持最大电流的时间有限（与电枢回路时间常数有关），影响控制系统的动、静态特性。所以该系统只适用于小容量，且对起动特性要求不高的场合。,2.6 单闭环无静差调速系统,单闭环无静差系统,图5.14 单闭环无静差调速电路的原理图,速度比例积分（pi）调节器的传递函数,单闭环无静差调速系统的动态结构图,单闭环调速系统的动态过程,（a）起动时的动态过程 （b）阶跃转矩扰动时的动态过程 图5.16,3电压负反馈和电流正反馈自动调速系统,3.1 带电流正反馈的电压负反馈调速系统组成,系统组成,电枢电流检测,电阻采样 霍尔电流传感器 电流互感器,图5.18 带光电隔离的电流检测,图5.19电流互感器取样电路,3.2 带电流正反馈的电压负反馈调速静特性,电压负反馈调速系统静特性,图20 电压负反馈调速系统静态电路结构,电流正反馈调速系统静特性,图21 带电流正反馈的电压负反馈调速系统的静态电路结构,静态转速方程：, 全补偿系数 0,只要选择合适的电流反馈系数，便能够在一定的条件下实现全补偿，即n3n1n20 。此时的为全补偿系数 0 。,由于全补偿系数0受制于rr与ra，当温度变化时，0并不是恒定的常数。而电流反馈系数由电路的结构决定，不能实现时实调节。当0时，称为过补偿，控制系统处于不稳定运行状态。当0时，称为欠补偿，存在静态转速降（n的值较小），控制系统处于稳定状态。,5.2直流调速系统,为了改善系统的静态特性，避免速度与电流输入值的突变给系统带来的冲击，直流调速系统设置了两个pi控制器，即速度调节和电流调节，二者串联连接，构成双闭环调速系统。,5.2.1 双闭环调速系统的组成,图22 双闭环调速系统原理图,电流内环,电流环的组成 由电流调节器acr、晶闸管移相触发器cf、晶闸管整流器和电动机电枢回路组成。 电流环的工作过程 转速调节器asr的输出un作为电流调节器acr的给定信号，un与电流反馈信号ufi比较后，将差值送入电流调节器acr，经过比例积分处理，电流调节器的输出移相电压uc，通过晶闸管移相触发器cf控制晶闸管整流器的输出电压ud，在ud的作用下电动机的电枢电流和电磁转矩将相应地发生改变。,速度环的组成 由速度调节器asr、电流内环组成。 速度环的工作过程 ugn作为速度调节器asr的给定信号，ugn与电动机同轴连接的测速发电机输出的速度反馈信号ufn比较后，将差值送入速度调节器asr，经过比例积分处理，速度调节器的输出移相电压un，作为acr的给定信号，通过电流内环控制作用调节电枢电流id和电磁转矩t，最终达到调速的目的。,5.2.2双闭环调速系统的静态特性,图23 双闭环调速系统静态结构图,一、静态结构图,二、系统静态特性分析 系统处于正常负载运行状况时，电枢电流一般不大于额定值，即ididmax，asr处于不饱和状态，即 un=0，速度无静差。asr起辅助作用，保证了系统具有硬的机械特性。 当负载增大，电枢电流达到idmax后，转速下降，un增大，使asr饱和，速度外环呈开环状态，双闭环系统变成电流无静差的单闭环系统，系统稳定时电枢电流最大值不超过idmax ，起到过流保护作用。,5.2.3双闭环调速系统的动态特性,一、系统的动态结构图,图24 双闭环调速系统的动态结构,电流内环,代表电流pi调节器，其中ki为放大系数， 为电流pi环节时间常数。,代表晶闸管整流装置,代表电枢回路，为一个惯性环节。由于电枢回路平波电抗ld的存在，电枢回路时间常数ta较大，为几十至几百毫秒。,对应电流反馈回路的传递函数（没有滤波电容则直接用表示），tfi为电流反馈回路的滤波时间常数，其值较小，一般为几毫秒。,电流环输入端的滤波（缓冲）环节。,代表速度pi调节器。,对应速度输入端滤波（缓冲）环节，目的在于减小给定突变时，转速调节过程中可能出现的超调量。,对应速度反馈回路的传递函数（没有滤波电容则直接用表示），tfn为速度反馈回路的滤波时间常数，其值较小，一般为几毫秒。,二、双闭环调速系统的动态跟随性能,以直流电机起动时的过渡过程说明双闭环调速系统动态跟随性能。,图25 双闭环调速系统起动时的过渡过程,双闭环调速系统起动过程如图25所示，速度调节器asr经历了不饱和、饱和与退出饱和三个阶段，整个过渡过程相应地被分为电流上升阶段、恒流转速直线上升阶段、速度调节阶段。,电流上升阶段 在系统输入端突加给定电压ugn时，由于电动机的转动惯量影响，速度反馈电压ufn0。速度调节器asr中输入信号和反馈信号的差值unugn相当大，经速度pi调节器的放大作用后输出将达到st的饱和限幅值unmax，使晶闸管整流桥的移相角前移，整流输出电压增加，电枢电流就急剧上升，电机电磁转矩t随之迅速增大，电机就很快起动起来。 由于电流pi调节器经过优化设计后，使得电流反馈回路的等效时间常数比较小，电枢电流的增长很快就会达到速度调节器输出限定值idmax(通常就是电枢回路和晶闸管所允许的最大电流)，于是就进入下一阶段恒流转速直线上升阶段。,恒流转速直线上升阶段 由于电枢电流已达到了限定值，整流桥的移相角保持在某一数值上。随着转速的升高，电机的反电势将增大，电枢电流id稍微下降。但是，只要id有所下降，电流反馈信号也将变小，电流调节器的输入信号差值ui就会增加，acr的输出uc也将随之上升，通过控制整流桥的移相角，使电枢电流又回到idmax。 在转速直线上升阶段，由于实际转速一直小于速度给定值，速度调节器始终处于饱和输出状态，实际上系统中只有电流调节器在起作用，使电动机始终以最大转矩加速，转速直线上升。,速度调节阶段 电机的转速达到并超过了速度给定值，使速度反馈电压ufnugn，un0，速度调节器将退出饱和，un值减小。当un减小，导致电枢电流下降，电动机的电磁转矩也将下降。当电磁转矩小于负载转矩时，电动机减速，回到速度给定值。此时速度调节器的输入为零，即un0。由于采用pi调节器，通过积分作用，un0，即电流调节器的给定输入不等于零，这样使uc、ud均保持某一数值，保证电动机稳定运行于和给定信号相对应的转速。,分类： 环流可分为静态环流和动态环流两大类。 静态环流，是指可逆系统中晶闸管装置在一定的控制角下稳定工作时所出现的环流，它可分为脉动环流与直流环流。 动态环流，是指晶闸管触发相位突然改变时，系统处于过渡过程时出现的环流，因而系统稳定运行时不存在动态环流。,三、直流环流及其抑制,图28 直流环流示意图,正组晶闸管vf与反组晶闸管vr均处于整流状态,vf工作于整流状态，vr工作于逆变状态,直流环流的表达式,消除直流环流的方法,当时，能够有效消除直流环流。,在实际的应用过程中，为了方便控制，按照的条件控制两组晶闸管装置，以便消除直流环流。同时为了防止发生逆变颠覆事故，一般取minmin=30。,四、脉动环流及其抑制,原因： 晶闸管输出的瞬时电压是脉动的，瞬时脉动电流始终存在。 方法： 在环流回路中串入电抗器，利用电抗器的限流作用削弱瞬时脉动电流。因而该电抗器被称之为环流电抗器或均衡电抗器。,五、有环流的可逆调速系统的控制电路,有环流可逆调速系统主要有配合控制调速系统与可控环流控制调速系统两种类型。,图29 配合控制调速系统原理图,5.2逻辑无环流可逆调速系统,一、逻辑无环流可逆调速系统的控制电路,图5.30 逻辑无环流可逆调速系统的原理,主电路采用晶闸管整流桥反并联，为抑制电枢电流的脉动和保证电流连续性，电枢回路串入平波电抗器。,控制回路采用典型的双闭环系统，电流调节器acr