机电传动控制11

1、第十一章第十一章直流传动控制系统直流传动控制系统本章要求本章要求n机电传动控制系统的组成机电传动控制系统的组成n调速系统的技术指标调速系统的技术指标n直流调速系统的基本原理、各基本环节直流调速系统的基本原理、各基本环节11.1 机电传动控制系统的组成和分类n直流传动控制系统直流传动控制系统 交流传动控制系统交流传动控制系统n断续控制系统断续控制系统 连续控制系统连续控制系统n开环控制系统开环控制系统 闭环控制系统闭环控制系统 机电传动控制系统的分类机电传动控制系统的组成n机电传动控制系统是由电机、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。1、开环控制系统开环控制系统 没

2、有反馈 由交流电动机（异步机或同步机）拖动直流发电机G实现变流，由G给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。简称G-M系统 G-M系统图开环控制系统框图：输入量控制器（发电机）（励磁）控制对象（电动机）输出量（转速）n晶闸管晶闸管-电动机调速系统（简称电动机调速系统（简称V-M系统，又称静系统，又称静止的止的Ward-Leonard系统）系统） 图中VT是晶闸管可控整流器。通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。 V-M 系统的简单原理图:2、闭环控制系统闭环控制系统 有反馈有反馈带转速负反馈控

3、制的闭环直流调速系统，其原理框图 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图AMTG+-+-+-UtgUdIdn+-+UnUn U*nUcUPE+-MIdUnUdUctgBR+-闭环控制系统框图：被调量n环节给定环节测量调节环节放大环节执行对象被调扰动比较gU UBRE11.2 机电传动控制系统机电传动控制系统调速方案的选择调速方案的选择一、机械与电气调速方法一、机械与电气调速方法n调速就是在一定的负载下，根据生产工艺的要求，人为地调速就是在一定的负载下，根据生产工艺的要求，人为地改变电动机的转速。改变电动机的转速。n生产机械的速度调节可以用机械方法取得，但机

4、械变速机生产机械的速度调节可以用机械方法取得，但机械变速机构复杂。现代电力拖动中多采用电气调速方法，即对拖动构复杂。现代电力拖动中多采用电气调速方法，即对拖动生产机械的电动机进行速度调节，其优点是可以简化机械生产机械的电动机进行速度调节，其优点是可以简化机械结构，提高生产机械的传动效率，操作简便，调速性能好，结构，提高生产机械的传动效率，操作简便，调速性能好，能实现自动控制等。电动机的速度调节是人为的有意的，能实现自动控制等。电动机的速度调节是人为的有意的，而电动机由于转矩变化沿着某一机械特性的速度变化是电而电动机由于转矩变化沿着某一机械特性的速度变化是电动机自动调节的，两者是有区别的。动机自

5、动调节的，两者是有区别的。二、二、 自动调速系统技术指标自动调速系统技术指标1、静态技术指标n调速范围、静差度、调速平滑性1 1）调速范围）调速范围最大转速最大转速 nmax 与最小转速与最小转速 nmin 之比之比(或最大与最小线速度之比或最大与最小线速度之比)，用用D表示表示式中式中nmax 与与nmin一般都指电机一般都指电机额定负载额定负载时的最高和最低转速；时的最高和最低转速；对于少数负载很轻的机械，也可用实际负载时的最高和最低转速。对于少数负载很轻的机械，也可用实际负载时的最高和最低转速。 minmaxminmaxnnD不同生产机械要求的调速范围不同生产机械要求的调速范围： 生产机

6、械类型生产机械类型调速范围调速范围车床20 120铣床20 30钻床2 12龙门刨床20 40机床的进给机构5 30000轧钢机3 15造纸机10 202 2）静差度（静差率）静差度（静差率）n负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落n n，与理想空载转速，与理想空载转速n0之比，称作之比，称作静差率静差率s即即:或用百分数表示或用百分数表示:静差率静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的。它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差度的。它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高

7、。然而静差率与机械率越小，转速的稳定度就越高。然而静差率与机械特性硬度又是有区别的。对于同样硬度的特性，理特性硬度又是有区别的。对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。度也就越差。 000nnnnnsNN%1000nnsN不同生产机械对静差度的要求不同生产机械对静差度的要求： 生产机械类型生产机械类型静差度静差度 S一般普通设备 50% 50%普通车床 30% 30%龙门刨床 5% 5%冷轧机 2% 2%精度高的造纸机 0.1% 0.1%调速系统中调速范围、静差率和额定速降之间的关系调速系统中调速范围、静差率和额

8、定速降之间的关系：调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义，调速系统的静差率指标应以调速系统的静差率指标应以最低速时最低速时所能达到的数值为准。所能达到的数值为准。静差率应该是最低速时的静差率，即静差率应该是最低速时的静差率，即NNNnnnnnsminmin0最低转速为：最低转速为：snsnsnnNNN)1 (min而调速范围为：而调速范围为：minminmaxnnnnDN调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所应满足的关系：调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所应满足的关系：)1 (snsnDNN一个

9、调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。 3 3）调速的平滑性）调速的平滑性调速的级数愈多则认为调速愈平滑，用平滑系数 j ，即相邻两级转速后线速度之比，来衡量j = 1 时称为无级调速，此时转速连续可调11iiiinnj2、动态技术指标n常用的阶跃响应跟随性能指标有 上升时间、超调量、调节时间上升时间、超调量、调节时间 n2n01nmaxn205. 002. 0n）（tT的过渡过程到系统从21nn1 1）最大超调量）最大超调量%10022maxnnnMP2 2）过渡过程时间）过渡过程时间 T3

10、 3）振荡次数）振荡次数T内被调量在稳定值上下摆动的次数。图中为111.3 晶闸管-电动机直流传动控制系统n晶闸管晶闸管-电动机调速系统（简称电动机调速系统（简称V-M系统）系统） 图中VT是晶闸管可控整流器。通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。 V-M 系统的简单原理图:一、速度负反馈有静差调速系统晶闸管晶闸管-直流电动机有静差调速系统原理图直流电动机有静差调速系统原理图带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图AMTG+-+-+-UBRUdIdn+-+UnUUcUPE+-MIdUfUdUkBR+- U

11、g 1、系统的组成及其静特性系统的组成及其静特性 测速发电机测速发电机：与直流电动机：与直流电动机M同轴相连，即两者的速度相同轴相连，即两者的速度相同，测速发电机用来测量电动同，测速发电机用来测量电动机的速度，称检测元件；机的速度，称检测元件； 转换元件转换元件：将测速：将测速发电机的转速转换成发电机的转速转换成电压信号以便与给定电压信号以便与给定电压进行比较。电压进行比较。 给定电位器：给定电位器：调节调节Rg的位置可的位置可改变给定电压改变给定电压Ug的大小的大小 。 放大器：放大器：将外加电将外加电压和反馈信号经转换后压和反馈信号经转换后的电压之差进行放大。的电压之差进行放大。 触发电路

12、：触发电路：将放大器放大后将放大器放大后的电压信号变为脉冲型号去控的电压信号变为脉冲型号去控制整流电路的输出大小。制整流电路的输出大小。整流电路整流电路：变交流：变交流电压为直流电压，电压为直流电压，输出电压大小由触输出电压大小由触发电路输出脉冲信发电路输出脉冲信号所决定，整流电号所决定，整流电路的输出为直流电路的输出为直流电动机电枢的外加电动机电枢的外加电压；压； 直流电动机：直流电动机：系系统的控制对象。统的控制对象。转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下：转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下： 电压比较环节：电压比较环节： fgUUU放大器：放大器： UKUpk电力电子变换

13、器：电力电子变换器： ksdUKU调速系统开环机械特性：调速系统开环机械特性： edgpseddCRInUKKCRIUn)(则：测速反馈环节：测速反馈环节： nUf）（eeKC转速反馈系数）（ 转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式：转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式： )1 ()1 ()/1 (KCRIKCUKKCKKCRIUKKnedegspespedgsp式中式中espCKKK称作闭环系统的开环放大系数，称作闭环系统的开环放大系数， eddCRIUn转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图：转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图：KpKs 1/CeUgUkUEnUdUf+- IdR-K

14、s2 2、闭环系统静特性和开环系统机械特性的关系、闭环系统静特性和开环系统机械特性的关系 系统的开环机械特性为：系统的开环机械特性为： opopedenspeddnnCRICUKKCRIUn0*0而闭环时的静特性可写成：而闭环时的静特性可写成： clcledenspnnKCRIKCUKKn0*)1 ()1 (其中其中opn0cln0开环和闭环系统的理想空载转速；开环和闭环系统的理想空载转速；opncln表示开环和闭环系统的稳态速降。表示开环和闭环系统的稳态速降。、（1）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多开环系统和闭环系统的转速降落分别为 ed

15、opCRIn )1 (KCRInedcl它们的关系是它们的关系是Knnopcl1当当K值较大时，闭环系统的特性要硬得多。值较大时，闭环系统的特性要硬得多。 （2）闭环系统的静差率要比开环系统小得多）闭环系统的静差率要比开环系统小得多闭环系统和开环系统的静差率分别为 clclclnns0opopopnns0按理想空载转速相同的情况比较，则clopnn00时，Kssopcl1（3）如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围）如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围开环时)1 (snsnDopNop 闭环时)1 (snsnDclNclopclDKD)1 ( （4）要取得上述

16、三项优势，闭环系统必须设置放大器，且）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器，且K足够大。足够大。可得下述结论：闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，可得下述结论：闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设放大器以及检测与反馈装置。能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设放大器以及检测与反馈装置。闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载

17、的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化，如图以补偿电枢回路电阻压降的变化，如图 n0OIdId1Id3Id2Id4ABCAD开环机械特性闭环系统静特性和开环机械特性的关系Ud4Ud3Ud2Ud1闭环静特性3、 反馈控制规律反馈控制规律转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，具有以下三个基本特征：1）只用比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍是有静差的，叫做有静差调速系统）只用比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍是有静差的，叫做有静差调速系统闭环系统的稳态速降为)(KICRInedcl0clnK时，才能使只有2）反馈控制系统的作用是：抵抗扰动）反馈控制系统的作用是：抵抗扰动

18、, 服从给定服从给定图中 闭环调速系统的给定作用和扰动作用，反馈控制系统的规律是：一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随着给定作用。3）系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度）系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度反馈控制系统无法抑制给定和反馈检测装置的误差。图图 闭环调速系统的给定作用和扰动作用闭环调速系统的给定作用和扰动作用 励磁变化励磁变化Id变化变化电源波动电源波动Kp变化变化电阻变化电阻变化检测误差检测误差KpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- R 习题：第347页11.511.11二、无静差调速系统n采用比例（P）放大器控制的直

19、流调速系统是有静差的调速系统，还存在稳定性与稳态精度的矛盾。n采用积分（I）调节器或比例积分（PI）调节器代替比例放大器，构成无静差调速系统。1、 积分调节器积分调节器 积分调节器（I调节器）的原理图 0uiu0RRCidtUdtUCRidtCUiio1110CR0积分时间常数。控制控制UC电压是转速偏差电压电压是转速偏差电压U Un n的积分的积分，tncdtUU01若初值不是零，还应加上初始电压若初值不是零，还应加上初始电压UC0 , 则积分式变成则积分式变成001ctncUdtUUcfcncnnnUUUUUUU，而是一个终值并不是时，当才停止积分，时，只有000*如果Un不再变化，这个终

20、值便保持恒定而不再变化，这是积分控制的特点。因此，积分控制可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速。积分控制可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速。2 、比例积分（、比例积分（PI）调节器）调节器 从无静差的角度表明了积分控制优于比例控制的地方，但在控制的快速性上，积分控制却又不如比例控制。 比例积分调节器，其输出是由比例和积分两部分相加而成的： dtUUKdtUCRURRUiipiiiO1110010uiu0RR1C1I1R0I01RRKpiPI调节器比例部分的放大系数；10CRPI调节器的积分时间常数。比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点比例积分

21、控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。 3、采用、采用PI调节器的无静差直流调速系统调节器的无静差直流调速系统0u0RR1C1RMTG+-UBRUdIdnUPEMIdUdBR+-0RKUgUfUL三、转速、电流双闭环直流调速系统 n采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足需要，这主要是因为在单闭环系统中不能控制电流和转矩的动态过程。n在起动过程

22、中，始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。n为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，如图所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。

23、从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG转速、电流双闭环直流调速系统结构 内环外 环niASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机TA电流互感器 UPE电力电子变换器转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器

24、的最大输出电压Udm 。双闭环直流调速系统电路原理图 +-TG+-+-RP2U*nR0R0UcUiRiCi+-R0R0RnCnASRACRLMRP1UnU*iLM+MTAIdUdMTGUPE+-+-11.4 直流脉宽调速系统nPWM (Pulse Width Modulation)控制就是 脉脉宽调制技术宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。一、脉宽调制变换器脉宽调制变换器nU Us s为直流电源电压，为直流电源电压，C为滤波电容器，为滤波电容器，VT为功率开关器件，为功率开关器件，V为续流二为续流二极管，极管，M为直流电动机，为直流电动机，V

25、T的控制极由脉宽可调的脉冲电压序列的控制极由脉宽可调的脉冲电压序列U Ug g驱驱动。动。当当VTVT导通时，直流电源电压加到电动机上；当导通时，直流电源电压加到电动机上；当VTVT关断时，直流电关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经源与电机脱开，电动机电枢经V V续流，两端电压接近于零。如此反复，续流，两端电压接近于零。如此反复，得电枢端电压波形，如图得电枢端电压波形，如图b b，电源电压在，电源电压在t tonon时间内被接上，又在时间内被接上，又在(T- (T- t tonon）时间内被斩断，故称）时间内被斩断，故称“斩波斩波”。 1、不可逆、不可逆PWM变换器（变换器（直流斩波器）直

26、流斩波器）ua）原理图b）电压波形图tOUsUdTton简单的不可逆简单的不可逆PWM变换器变换器 -电动机系统的原理图和电压波形电动机系统的原理图和电压波形VUs+UgCVTidM+_EM21UdOtUg电动机得到的平均电压为电动机得到的平均电压为：ssondUUTtU式中T功率开关器件的开关周期；ont开通时间；占空比，ftTtonon/f为开关频率若令sdUU为PWM电压系数，则在不可逆PWM变换器中。2、桥式可逆、桥式可逆PWM变换器变换器n可逆脉宽调速系统的基本原理图，由VT1 VT4 4个电力电子开关器件构成桥式（或称H型）可逆脉宽调制（PWM）变换器。 VT1和VT4和同时导通或

27、关断， VT2和VT3同时通断，使电动机M的电枢两端承受电压+Us或-Us 。改变两组开关器件导通的时间，也就改变了电压脉冲的宽度，得到电动机两端电压波形。 桥式可逆PWM变换器M+-Ug3V1V2V3V4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4+UsU, iUdEid+UsttonT0-UsO(1) 正向电动运行波形U, iUd+UsttonT0-UsO(2) 反向电动运行波形电动机电枢端电压的平均值电动机电枢端电压的平均值：功率开关器件的开关周期；功率开关器件的开关周期；VT1和和VT4开通时间；开通时间；占空比，占空比，ssons

28、onsondUUTtUTtTUTtU) 12() 12(12，调速时，调速时，的可调范围为的可调范围为10相应地，相应地，11当当21时，时，为正，电动机正转；为正，电动机正转；21时时，为负，电动机反转；为负，电动机反转；21=0，电动机停止。，电动机停止。时时，TontPWMPWM的优越性：的优越性：（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；）主电路线路简单，需用的功率器件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1：100

29、00左右；左右；（4）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快， 动态抗扰能力强；动态抗扰能力强；（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时， 开关损耗也不大，因而装置效率较高；开关损耗也不大，因而装置效率较高；（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。11.5 微型计算机控制的直流传动系统微型计算机控制的直流传动系统 n模拟系统具有物理概念清晰、控制信号流向直观等优点，其控制规律体

30、现在硬件电路和所用的器件上，因而线路复杂、通用性差，控制效果受到器件的性能、温度等因素的影响。n以微处理器为核心的数字控制系统（简称微机数字控制系统）硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响；其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，更改起来灵活方便。 如图所示微机数字控制的双闭环直流调速系统结构图，用下标“dig”表示数字量，控制器部分由微机实现。UPEACRFBSMASRKbK-*digndignddigI*ddigI微机-+一、 微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件结构 1J2J2R故障综合1R1C2CbRbVT电流检测温度检测电压检测电流检测其他外设上位机键盘显示FBS脉冲整形MM单片微机单片微机PWM生成I/O故障保护A/D数字测速通信接口泵升限制中央处理器