直流调速基础知识课件

自动控制 是指在没有人直接参与的条件下 利用外加的设备或装置 称控制装置或控制器 使机器 设备或生产过程 统称被控对象 的某个工作状态或参数 即被控量 自动地按照预定的规律运行 系统 由相互制约的各个部分按一定的规律组成的 为达到一定目的 具有一定功能的整体 一 自动控制基本概念 自动控制理论 是研究自动控制共同规律的科学 反馈 将检测出来的输出量送回到系统的输入端 并与输入信号比较的过程 反馈分为负反馈 反馈信号与输入信号相减 和正反馈 反馈信号与输入信号相加 例水温自动控制系统 系统中增加了 控制器 电机 加入给定信号 工作原理 检测实际温度 产生控制信号 通过电机调节阀门的开度 从而调节蒸汽流入 控制水的温度 实现没有人直接参入的自动水温控制 为了方便地分析系统性能 一般用框图来表示系统的结构 如图所示 要使自动控制系统满足工程实际的需要 必须研究自动控制系统的结构参数与系统性能之间的关系 自动控制系统的特征 1 结构上必须有反馈装置并按负反馈的原则构成系统 2 由偏差产生控制作用 控制的目的是尽量的减小或消除偏差 使输出量接近于期望值 自动控制系统定义 是一个带有反馈装置的动力学系统 系统能自动而连续地测量被控制量 并求出偏差 进而根据偏差的大小和正负极性进行控制 而控制的目的是力图减小或消除所存在的偏差 自动控制系统 为了实现各种复杂的控制任务 首先要将被控对象和控制装置按照一定的方式连接起来 组成一个有机整体 这就是自动控制系统 自动控制系统的基本控制方式 1 开环控制2 闭环控制3 复合控制 开环控制 控制装置与被控对象之间只有顺向作用而无反向联系 开环控制 结论 开环控制优点 结构简单 缺点 无抗干扰能力 按扰动控制的开环控制系统 是利用可测量的扰动量 产生一种补偿作用 以减小或抵消扰动对输出的影响 这种控制方式也称顺馈控制 按扰动控制的速度控制系统 开环控制系统的特点 结构简单 造价低 系统的控制精度取决于给定信号的标定精度及控制器及被控对象参数的稳定性 开环系统没有抗干扰的能力 因此精度较低 应用场合 控制量的变化规律可以预知 可能出现的干扰可以抑制 被控量很难测量 应用较为广泛 如家电 加热炉 车床等等 闭环控制 控制装置与受控对象之间 不但有顺向作用 而且还有反向联系 闭环控制又称为反馈控制或按偏差控制 例转速负反馈直流电动机调速系统 直流电机 测速发电机 电源和放大装置 负载 系统组成 Un Uf 给定电压 反馈电压 转速取决于给定电压与反馈电压的差值 调速系统结构图 由电网电压波动 负载变化以及其他部分的参数变化所引起的转速变化 都可以通过系统的自动调整加以抑制 n Uf e Ud n 减小或消除由于扰动所形成的偏差值 具有较高的控制精度和较强的抗扰能力 闭环控制系统具有的特点 前向通道 系统输入量到输出量之间的通道 反馈通道 从输出量到反馈信号之间的通道 比较环节 输出量为各输入量的代数和 输入量 输出量 n反馈量 控制量 偏差量 给定量 反馈量 闭环控制系统 通过反馈回路使系统构成闭环并按偏差的性质产生控制作用 以求减小或消除偏差 从而减小或消除误差 的控制系统 闭环控制系统的特点 系统对外部或内部干扰 如内部件参数变动 的影响不甚敏感 出于采用反馈装置 导致设备增多 线路复杂 闭环系统存在稳定性问题 由于反馈通道的存在 对于那些惯性较大的系统 若参数配合不当 控制性能可能变得很差 甚至出现发散或等幅振荡等不稳定的情况 注意 对于主反馈必须采用负反馈 若采用正反馈将使偏差越来越大 常用PID控制器应用领域简析 P I D控制器一般不单独使用 PD调节器可提高系统的稳定性 并获得足够的快速性 但稳态精度可能受到影响 PI调节器可以提高稳态精度 但快速性较差 PID调节器兼有二者的优点 可以全面提高系统的控制性能 但具体实现与调试要复杂一些 一般的调速系统要求以动态稳定性和稳态精度为主 对快速性的要求可以差一些 所以主要采用PI调节器 在随动系统中 快速性是主要要求 须用PD或PID调节器 二 转速负反馈直流调速系统 比例积分直流调速系统分析 结论 积分部分消除静差 比例部分加快响应 确定调节器的参数是关键 转速负反馈晶闸管直流调速系统的组成 比较环节 比例调节器 给定电位器 测速电机 触发电路 电源及晶闸管电路 电动机 电流载止比较电路 a 给定环节 产生控制信号 由高精度直流稳压电源和用于改变控制信号的电位器组成 b 比较与放大环节 信号的比较与放大 由P I PI运放器组成 各个环节介绍 d 速度检测环节 测速机反馈线路求出 反馈系数 单位 e 直流电动机环节 直流他励电动机的两个独立的电路 一个是电枢回路 另一个是励磁回路 五 转速 电流双闭环调速系统 电流截止负反馈只能在整个启动过程中限制最大电流 而不能维持最大电流 影响启动快速性 即启动时间ts较长 问题的提出 解决问题的措施 实现理想的启动 1 理想启动过程 理想启动波形如下图示 整个启动过程中 启动电流一直保持最大允许值 此时电动机以最大转矩启动 转速以直线规律上升 启动结束后 电流从最大值下降为负载电流值且保持不变 转速维持给定转速不变 2 稳态运行时 转速负反馈外环起主要作用 使转速随转速给定电压的变化而变化 电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流 2 实现理想启动过程的方法 采用转速电流双闭环负反馈调速系统 1 启动时 让转速外环饱和不起作用 电流内环起主要作用 调节启动电流保持最大值 使转速线性变化 迅速达到给定值 转速电流双闭环调速系统的组成及工作原理 转速 电流双闭环直流调速系统原理图 一 系统的组成 ASR输出限幅值为U im 它决定了主回路中的最大允许电流Idm 1 设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR 2 ACR和电流检测 反馈回路构成了电流环 电流环为内环 副环 ASR和转速检测 反馈环节构成了转速环 转速环为外环 又称主环 ASR和ACR均为PI调节器 其输入输出设有限幅电路 ACR输出限幅值为Uctm 它限制了晶闸管整流器输出电压Udm的最大值 二 系统的工作原理 双闭环调速系统的稳态结构图 1 以ACR为核心的电流环 作用是稳定电流稳态时 Ui U i Ui U i Id 0 即Id U i 其中 为电流反馈系数 当U i一定时 由于电流负反馈的作用 使输出电流保持在U i 数值上 当Id U i 时 调节过程如下 最终保持电流稳定 当电流下降时 也有类似的调节过程 双闭环调速系统中两个调节器的作用 一 ACR的作用 1 起电流调节作用 1 启动时 在ASR的饱和作用下 经ACR调节 使电枢电流保持允许的最大值Idm 加快过渡过程 实现快速起动 2 通过设置ASR的饱和限幅值 依靠ACR的调节作用 可限制最大电枢电流 2 当电网波动时 通过ACR的调节 使电网电压的波动几乎不对转速产生影响 3 在电机过载甚至堵转时 一方面限制过大的电流 起到快速保护作用 另一方面 使转速迅速下降 实现了 挖土机 特性 二 转速调节器的作用 1 起转速调节作用 1 使转速n跟随给定电压变化 2 稳态运行时 稳定转速 使转速保持在的数值上 无静差 2 在负载变化 或各环节产生扰动 而使转速出现偏差时 靠ASR的调节作用来消除转速偏差 保持转速恒定 3 ASR的输出限幅值决定了系统允许的最大电流 作用于ACR 以获得较快的动态响应 六 脉宽调制调速技术 1 直流脉宽 PWM 调制原理2 双闭环可逆直流脉宽调制调速系统的工作原理 1 直流脉宽 PWM 调制原理 PWM控制原理 PWM控制电压波形 桥式PWM驱动装置的控制原理 2 双闭环可逆直流脉宽调制调速系统的工作原理 双闭环可逆直流脉宽调制调速系统的工作原理 1 脉宽调制器UPW脉宽调制器是一个电压 脉冲变换装置 由电流调节器ACR 速度调节器ASR 电流调节器ACR的调节方式和晶闸管直流调速系统的调节器相同 输出的控制电压Uc进行控制 为PWM装置提供脉冲信号 其脉冲宽度与Uc成正比 1 用锯齿波作调制信号的脉宽调制器 2 用三角波作调制信号的脉宽调制器 3 用多谐振荡器和单稳态触发器组成的脉宽调制器 4 数字式脉宽调制器 锯齿波脉宽调制器 锯齿波脉宽调制器波形a ui 0b ui 0c ui 0 2 基极驱动器脉宽调制器输出的脉冲信号经过信号分配和逻辑延迟后 送给基极驱动器做功率放大 以驱动主电路的功率晶体管 每个晶体管应有独立的基极驱动器 1 由于各驱动器是独立的 但控制电路共用 因