第9章直流传动系统详

1、1第第9章章 直流传动控制系统直流传动控制系统 了解机电传动自动调速系统的组成了解机电传动自动调速系统的组成;掌握生产机械对调速系统提出的调速技术指标要求掌握生产机械对调速系统提出的调速技术指标要求;q掌握自动调速系统中各个基本环节掌握自动调速系统中各个基本环节,各种反馈环节的各种反馈环节的作用与特点作用与特点;掌握各种常用的自动调速系统的调速原理掌握各种常用的自动调速系统的调速原理,特点及适特点及适用场所用场所;能在生产实际中处理控制系统的一般问题能在生产实际中处理控制系统的一般问题.29.1调速系统的主要性能指标调速系统的主要性能指标1.1.机电传动控制系统的组成机电传动控制系统的组成:

2、:机电传动控制系统是由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制去实现对生产机械的驱动任务. .(1)(1)开环控制系统开环控制系统: : 只有控制量只有控制量( (输入量输入量) )对被控制量对被控制量( (输出量输出量) )的单向的单向控制作用，而不存在被控制量对控制量的影响和控制作用，而不存在被控制量对控制量的影响和联系，这样的控制系统称为开环控制系统。联系，这样的控制系统称为开环控制系统。9.1.1静态指标3(2)闭环控制系统闭环控制系统当系统受到外界的扰动当系统受到外界的扰动( (如负载的波动

3、如负载的波动) )，使被调量与给使被调量与给定值发生偏差时，由测量环节定值发生偏差时，由测量环节( (测速发电机测速发电机) )测量的被调测量的被调量量( (电动机的转速电动机的转速) )和给定值进行比较和给定值进行比较，得出偏差得出偏差，再经再经过放大环节将偏差信号放大去控制执行环节，过放大环节将偏差信号放大去控制执行环节，达到抵消达到抵消扰动减少偏差的目的扰动减少偏差的目的。其特点是输入量与输出量之间既。其特点是输入量与输出量之间既有正向的控制作用，又有反向的反馈控制作用，形成一有正向的控制作用，又有反向的反馈控制作用，形成一个闭环，故又称个闭环，故又称闭环控制系统闭环控制系统或或反馈控制

4、系统反馈控制系统。42.自动控制系统的分类自动控制系统的分类上述的开环控制系统和闭环控制系统是从组成原理上分的。常见的还有下列的分类方法： (1) (1) 按采用不同的反馈方式按采用不同的反馈方式: :可分为可分为转速负反馈转速负反馈、电势电势负反馈负反馈、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；(2) (2) 按自动调节系统的复杂程度按自动调节系统的复杂程度: :可分为可分为单环自动调节单环自动调节系统系统和和多环自动调节系统多环自动调节系统；(3) (3) 按系统稳态时被调量与给定量有无差别按系统稳态时被调量与给定量有无差别: :可分为可分为有有静差调节系统静差调节

5、系统和和无静差调节系统无静差调节系统；(4) (4) 按给定量变化的规律按给定量变化的规律: :可分为可分为定值调节系统定值调节系统、程序程序控制系统控制系统和和随动系统随动系统；(5) (5) 按调节动作与时间的关系按调节动作与时间的关系: :可分为可分为断续控制系统断续控制系统和和连续控制系统连续控制系统； (6) (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: :可分为可分为线性控制系统线性控制系统和和非线性控制系统非线性控制系统。5例:闭环自动控制系统方框图闭环自动控制系统方框图6自动调速系统主要性能指标自动调速系统主要性能指标 机电传动控制系统选择调速方案的依据：机电传动

6、控制系统选择调速方案的依据：生产机械对调速系统提出的调速技术指标生产机械对调速系统提出的调速技术指标调速系统的调速技术指标调速系统的调速技术指标静态指标静态指标动态指标动态指标9.1.1静态指标79.1.1 静态技术指标静态技术指标1. 1. 静差度静差度S S： 静差度表示出生产机械运行时转速稳静差度表示出生产机械运行时转速稳定的程度。定的程度。 速度稳定性指标速度稳定性指标 000nnnnnSee 静态速降eennn0 当负载变化时，生产机械转速的变化要能维持在一定范当负载变化时，生产机械转速的变化要能维持在一定范围之内，即要求静差度围之内，即要求静差度S S小于一定数值。小于一定数值。

7、电动机的机械特性愈硬，则静差度愈小，转速的相对电动机的机械特性愈硬，则静差度愈小，转速的相对稳定性就愈高稳定性就愈高 ; ; 在一个调速系统中，如果在最低转速运行时能满足静在一个调速系统中，如果在最低转速运行时能满足静差度的要求，则在其他转速时必能满足要求。差度的要求，则在其他转速时必能满足要求。9.1.1静态指标8(2)(2)调速范围调速范围D:D:在在额定负载额定负载下，下，允许的最高转速允许的最高转速和和在保证生产机械对转速变化率要求的前提下在保证生产机械对转速变化率要求的前提下所能达所能达到的到的最低转速最低转速之比称为调速范围之比称为调速范围 。联立解上两式得:minmaxnnD )

8、S(nSnDNmax221 电动机调速特性如下电动机调速特性如下图图, ,静差度静差度S S取取S S2 2的值的值. .000nnnnnSee 9.1.1静态指标9 3. 调速的平滑性调速的平滑性 调速的平滑性，通常是用两个相邻调速级的转速差来调速的平滑性，通常是用两个相邻调速级的转速差来衡量的。衡量的。 调速调速无级调速无级调速有级调速有级调速)1(22maxSnSnDN 9.1.1静态指标109.1.2 9.1.2 动态技术指标动态技术指标(1)(1)最大超调量最大超调量: :为为10%-35%.10%-35%.22nnnMmaxP(2)(2)过渡过程时间过渡过程时间T T(3)(3)振

9、荡次数振荡次数9.1.1静态指标9.1.2动态指标11机电传动控制系统方案的确定原则机电传动控制系统方案的确定原则1)1)不要求电气调速的不要求电气调速的: :(1)(1)空载空载, ,轻载起动的轻载起动的, ,选鼠选鼠笼式异步电动机笼式异步电动机; ;(2)(2)重载起动的重载起动的, ,选线绕式选线绕式异步电动机异步电动机; ;(3)(3)大容量的选同步电动机大容量的选同步电动机; ;其中其中, ,简单的采用继电器简单的采用继电器- -接触器接触器 控制控制; ;复杂的采用复杂的采用PLCPLC控制控制. .2)2)要求电气调速的要求电气调速的, ,根据调根据调速指标确定拖动方案速指标确定

10、拖动方案: :(1)D=2-3.(1)D=2-3.有级调速有级调速, ,选多选多速电动机速电动机; ;(2)D(2)D小于小于10,10,无级调速无级调速, ,选选滑差电动机滑差电动机; ;(3)D(3)D大于大于10,10,无级调速无级调速, ,采采用用SCR-MSCR-M自动调速系统自动调速系统. .3) 3) 与生产机械负载特性匹与生产机械负载特性匹配配. .电动机的调速特性电动机的调速特性12例:某直流调速系统,其高速,低速特性如图示, =1450r/min, =145r/min, =10r/min,问系统达到的调速范围有多大?系统允许的静差度是多少?解:01n02nNn1440101

11、45001maxnnnn1351014502minnnnminmaxnnD =1440/135=10.670nnSN=10/145=6.9%或=1450(0.069)/10(1-0.069)=10.67)1 (22maxSnSnDN139.2 晶闸管电动机直流传动控制系统晶闸管电动机直流传动控制系统VS-M9.2.1 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 一、有静差调速系统一、有静差调速系统 单纯由被调量负反馈组成的按比例控制的单闭环系统单纯由被调量负反馈组成的按比例控制的单闭环系统属有静差的自动调节系统，简称有静差调速系统；属有静差的自动调节系统，简称有静差调速系统；任务：任务： 调节速度；

12、调节速度； 扩大调速范围，减小静态误差。扩大调速范围，减小静态误差。9.1性能指标9.2.1单闭环149.2.1 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统1).1).转速负反馈自动调速系统转速负反馈自动调速系统-系统原理方框图系统原理方框图1.1.转速负反馈调速系统转速负反馈调速系统9.1性能指标9.2.1单闭环1 1）. .有静差调速系统有静差调速系统15 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

13、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：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

14、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。16fgUUU 由系统的结构分析可知：由系统的结构分析可知：v 系统的调速方法是改变外加电压调速；系统的调速方法是改变外加电压调速；v 系统的反馈信号是被控制对象系统的反馈信号是被控制对象n本身本身;v 反馈电压和给定电压的极性相反，即反馈电压和给定电压的极性相反，即:该系统又称该系统又称转速负反馈转速负反馈调速系统。调速系统。 2. 工作原理工作原理 当当Ug、Uf不变时，电动机的转速不变，这种状态称不变时，电动机的转速不变，这种状态称为为稳态稳态。 fgUU

15、U dUn (1) 稳态（稳态（ Ug、Uf 不变）不变） 17 (2) (2) 调速（调速（U Uf f不变，改变不变，改变U Ug g的大小）的大小） gUU fgUU kU dUnnUUUUUUdkfgg 改变改变U Ug g的大小可改变电动机的转速，这种状态称为的大小可改变电动机的转速，这种状态称为调速调速. .18 (3) (3) 稳速（稳速（U Ug g不变、负载变化使不变、负载变化使U Uf f变化变化 ) )nUUUUUUndkfgf 当负载增加使nUUUUUUndkfgf 当负载减小使 当负载发生变化使速度发生变化后，系统通过反馈能当负载发生变化使速度发生变化后，系统通过反馈

16、能维持速度基本不变，这种状态称为稳速。维持速度基本不变，这种状态称为稳速。19fgUUU nUf )(nUKUKUGPpk )(nUKKUKUgPSKSd RInKUaed ffaeegnnIKCRKCUKn 00)1()1( RInCUKUKKUaeggspd0开开环环nnICRCUKnaeeg 00开开环环20静特性方程式静特性方程式闭环系统静特性方程式闭环系统静特性方程式ffaeegnnIKCRKCUKn0011)()(nnICRCuKnaeeg 00Knnf1D)K(Df 1l比较上式得到比较上式得到两个重要的结论两个重要的结论: :l由电动机电枢电路方程式可得开环系统静特性方程式由电

17、动机电枢电路方程式可得开环系统静特性方程式21几个参数的定义几个参数的定义放大器输出电压放大器输出电压 )(nUKUgpk )nU(KKUgpsd 整流环节输出电压整流环节输出电压espCKKK 闭环系统的开环放闭环系统的开环放大倍数为大倍数为K KspKKK 0令前向通道放大令前向通道放大倍数为倍数为K K0 0nUf 反馈电压反馈电压 RInKUaed电动机电枢回路电动机电枢回路axRRR 22n0 OIdId1Id3Id2Id4ABCAD闭环静特性闭环静特性开环机械特性闭环系统静特性和开环机械特性的关系闭环系统静特性和开环机械特性的关系Ud4Ud3Ud2Ud123例例1:某直流闭环调速系

18、统的速度调节范围是某直流闭环调速系统的速度调节范围是1500- 150r/min,静差度为静差度为0.05,问系统允许的速降是多少问系统允许的速降是多少?如果开如果开环系统的静态速降是环系统的静态速降是80r/min,求闭环系统的开环放大倍数求闭环系统的开环放大倍数.解解;由由 得得)1 (22maxSnSnDNKnnf19 . 7)05. 01 (150150005. 01500)1 (maxSDSnnf13.919 .7801fnnK思考题思考题:1500r/min是额定转速还是理想空载转速是额定转速还是理想空载转速?24例例2:某直流闭环调速系统的速度调节范围是某直流闭环调速系统的速度调

19、节范围是D=1:10,额定转速额定转速为为1000r/min,开环转速速降是开环转速速降是100r/min,如果要求系统的静差度如果要求系统的静差度由由15%降至降至5%,则闭环系统的开环放大倍数则闭环系统的开环放大倍数.如何变化如何变化?解:开环时额定转速下的静差度为 09. 010010001000nnS)1 (maxSDSnnf)1 (maxSDSnnf=1000(0.05)/10(1-0.05)=5.26=1000(0.15)/10(1-0.15)=17.65fnnKfnnK=100/5.26=18=100/17.65=4.6705. 0,10SD15. 0,10SDl不满足5%的指标

20、要求,要采用闭环系统.259.1性能指标9.2.1单闭环1.1.转速负反馈调速系统转速负反馈调速系统2 2）. .无静差调速系统无静差调速系统1)比例积分调节器比例积分调节器(PI调节器调节器)采用采用PI调节器调节器能获得较高的静态精度能获得较高的静态精度能具有较快的动态响应能具有较快的动态响应.dtUCRURRUiio10011电路图时间特性26 1. 比例积分（PI）调节器比例器调节器其输入输出之间的关系如下： i01oURRUtUCRtiCUd1d1io1o积分调节器其输入输出之间的关系如下：272)具有比例积分调节具有比例积分调节的无静差调速系统方框图的无静差调速系统方框图放大器的反

21、馈电路不是放大器的反馈电路不是R,而是而是R,C28当电动机负载增加当电动机负载增加(a)转速下降转速下降(b)比例部分从一开始起调节作比例部分从一开始起调节作用用,使整流电压增加使整流电压增加(c )之之1曲线曲线,积分部分在以后起积分部分在以后起作用作用,并保持数值不变并保持数值不变,见见(c )之之2曲线曲线.PI调节器的综合作用如调节器的综合作用如(c )中中曲线曲线3所示所示.调节作用调节作用292 其他反馈调速系统其他反馈调速系统 转速负反馈是抑制转速变化的最直接而有效的方法，转速负反馈是抑制转速变化的最直接而有效的方法，它是自动调速系统最基本的反馈形式。但转速负反馈需它是自动调速

22、系统最基本的反馈形式。但转速负反馈需要有反映转速的测速发电机，它的安装和维修都不太方要有反映转速的测速发电机，它的安装和维修都不太方便，因此，在调速系统中还采用其他的反馈形式。便，因此，在调速系统中还采用其他的反馈形式。 (1) 电压负反馈系统电压负反馈系统：具有电压负反馈环节的调速系统如具有电压负反馈环节的调速系统如下图所示下图所示. .电动机的转速随电枢端电压的大小而变。电电动机的转速随电枢端电压的大小而变。电压负反馈系统就是把电动机电枢电压作为反馈量，以调压负反馈系统就是把电动机电枢电压作为反馈量，以调整转速。电压负反馈系统的特点是线路简单，可是它稳整转速。电压负反馈系统的特点是线路简单

23、，可是它稳定速度的效果并不大，因为，负载增加时，定速度的效果并不大，因为，负载增加时，电动机电枢电动机电枢内阻引起的内阻压降得不到补偿内阻引起的内阻压降得不到补偿. .一般线路中采用电压一般线路中采用电压负反馈，主要不是用它来稳速，而是用它来防止过压、负反馈，主要不是用它来稳速，而是用它来防止过压、改善动态特性、加快过渡过程。改善动态特性、加快过渡过程。 30(2)(2)具有电压负反馈环节的调速系统具有电压负反馈环节的调速系统注意反馈电压与给定电压的极性注意反馈电压与给定电压的极性312)电流正反馈与电压负反馈的综合反馈系统电流正反馈与电压负反馈的综合反馈系统(1)(1)电流正反馈的作用电流正

24、反馈的作用: : 为了补偿电枢电阻压降为了补偿电枢电阻压降, ,一般在电压负反馈的基一般在电压负反馈的基础上再增加一个电流正反馈环节础上再增加一个电流正反馈环节. . 它是把反映电动机电枢电流大小的量取出，与电它是把反映电动机电枢电流大小的量取出，与电压负反馈一起加到放大器输入端。由于是正反馈，压负反馈一起加到放大器输入端。由于是正反馈，当负载电流增加时，放大器输入信号也增加，使晶当负载电流增加时，放大器输入信号也增加，使晶闸管整流输出电压增加，以此来补偿电动机电枢电闸管整流输出电压增加，以此来补偿电动机电枢电阻所产生的压降。由于这种反馈方式的转速降落比阻所产生的压降。由于这种反馈方式的转速降

25、落比仅有电压负反馈时小了许多，因而扩大了调速范围，仅有电压负反馈时小了许多，因而扩大了调速范围，如果比例选择恰当，综合反馈将具有如果比例选择恰当，综合反馈将具有电势内反馈电势内反馈, ,即相似于转速反馈的性质。即相似于转速反馈的性质。32电流正反馈与电压负反馈的综合反馈系统方框图电流正反馈与电压负反馈的综合反馈系统方框图)(fifugUUUU33电桥平衡条件R2/R1=R3/RaUab=R3*E/(R3+Ra)343)电流截止负反馈系统电流截止负反馈系统是一种在过渡过程中起作用的反馈是一种在过渡过程中起作用的反馈, ,称为软反馈称为软反馈. . (1)电流截止负反馈的作用电流截止负反馈的作用

26、在转速负反馈系统中在转速负反馈系统中, ,电动电动机起动瞬间机起动瞬间, ,转子没有动转子没有动, ,没没有反馈电压有反馈电压, ,只有给定电压只有给定电压起作用起作用. .一方面一方面, ,电动机将快电动机将快速起动速起动; ;另一方面另一方面, ,过大的起过大的起动电流对电动机不利动电流对电动机不利. .为了为了限制电动机起动过程时的过限制电动机起动过程时的过大电流大电流, ,引入电流截止负反引入电流截止负反馈馈. .(2)电流截止负反馈的特性电流截止负反馈的特性近似挖掘机特性近似挖掘机特性35n 电流负反馈引入方法仅采用电流负反馈，不要转速负反馈 这种系统的静特性如图中B 线，特性很陡。

27、显然仅对起动有利，对稳态运行不利。 Idbln0IdOn0A转速负反馈特性B电流负反馈特性 调速系统静特性36带电流截止负反馈环节的自动调速系统方框图带电流截止负反馈环节的自动调速系统方框图(3)(3)截止电流的整定截止电流的整定截止电流截止电流Io=(1-1.1)IaN堵转电流堵转电流Iao=(2-2.5)IaN(4)(4)电流截止负反馈的组电流截止负反馈的组成成: :讯号源讯号源I Ia aR;R; 反馈源反馈源U Ub b; ; 方向整流器方向整流器V.V.379.2.29.2.2转速、电流双闭环直流调速系统转速、电流双闭环直流调速系统1.1.转速、电流双闭环调速系统的组成转速、电流双闭

28、环调速系统的组成具有速度调节器具有速度调节器ASRASR和电流调节器和电流调节器ACRACR的的双闭环调速系统就是在这种要求下产生双闭环调速系统就是在这种要求下产生的的. . 理想的起动过程曲线理想的起动过程曲线382转速、电流双闭环调速系统的静态与动态分析转速、电流双闭环调速系统的静态与动态分析391)静态分析静态分析从从静特性静特性上看，上看，维持电动机维持电动机转速不变转速不变是由是由速度调节器速度调节器ASRASR来实现的。来实现的。在电流调节器在电流调节器ACRACR上，使用的是电流负反馈，它有使静特上，使用的是电流负反馈，它有使静特性变软的趋势，但转速负反馈环是外环，内环电流负反馈

29、性变软的趋势，但转速负反馈环是外环，内环电流负反馈对于转速环来说相当于一个扰动作用，只要转速调节器对于转速环来说相当于一个扰动作用，只要转速调节器ASRASR的放大倍数足够大，而且没有饱和，则电流负反馈的的放大倍数足够大，而且没有饱和，则电流负反馈的扰动作用就受到抑制。整个系统的本质由外环速度调节器扰动作用就受到抑制。整个系统的本质由外环速度调节器来决定，它仍然是一个无静差的调速系统。也就是说，当来决定，它仍然是一个无静差的调速系统。也就是说，当转速调节器不饱和时，电流负反馈使静特性可能产生的速转速调节器不饱和时，电流负反馈使静特性可能产生的速降完全被转速调节器的积分作用所抵消了，一旦降完全被

30、转速调节器的积分作用所抵消了，一旦ASRASR饱和，饱和，当负载电流过大，系统实现保护作用使转速下降很大时，当负载电流过大，系统实现保护作用使转速下降很大时，转速环即失去作用，只剩下电流环起作用，这时系统表现转速环即失去作用，只剩下电流环起作用，这时系统表现为恒流调节系统，静特性便会呈现出很陡的下垂段特性。为恒流调节系统，静特性便会呈现出很陡的下垂段特性。4041在突加给定电压在突加给定电压UgnUgn的起动过程的起动过程中，转速调节器输出电压中，转速调节器输出电压Ugi,Ugi,电电流调节器输出电压流调节器输出电压Uk,Uk,可控整流可控整流器输出电压器输出电压Ud,Ud,电动机电枢电流电动

31、机电枢电流IaIa和转速和转速n n的动态响应波形如右的动态响应波形如右图。整个过渡过程可以分成三个图。整个过渡过程可以分成三个阶段，在图中分别标以阶段，在图中分别标以,和和 . .双闭环调速系统，在起动过程的双闭环调速系统，在起动过程的大部分时间内，大部分时间内，ASRASR处于饱和限处于饱和限幅状态，转速环相当于开路幅状态，转速环相当于开路, ,系系统表现为恒电流调节，统表现为恒电流调节， 2)动态分析动态分析42整个直流电动机的动态的结构框图整个直流电动机的动态的结构框图n(s) 1/CeUd0(s)IdL (s) EId (s)Un+- 1/R Tl s+1 R Tms439.2.39

32、.2.3可逆直流调速系统可逆直流调速系统1.接触器切换接触器切换2.晶闸管切换晶闸管切换适用于中小型电机适用于中小型电机1.1.电枢反接可逆电路的类型电枢反接可逆电路的类型443.采用两套晶闸管变流器的可逆线路采用两套晶闸管变流器的可逆线路线路分为有环流和无环流线路分为有环流和无环流(逻辑无环流逻辑无环流,错位无环流错位无环流)两种两种.459.39.3晶体管晶体管- -电动机直流脉宽调速系统电动机直流脉宽调速系统9.3.1基本工作原理对角线上的一对大功率晶体管的基极,接受同一控制信号同时导通或截止.电动机的转向和转速取决于电压平均值Uav.设矩形波的周期为T,正向脉宽为t1,定义占空比Tt1

33、savUU) 12(则:462、主要特点 晶体管直流脉宽调速系统与晶闸管直流调速系统比较具有下列特点：晶体管直流脉宽调速系统与晶闸管直流调速系统比较具有下列特点： (1)主电路所需的功率元件少。实现同样的功能，一般晶体管的数主电路所需的功率元件少。实现同样的功能，一般晶体管的数 量量仅为晶闸管的仅为晶闸管的1/31/6。 (2) 控制线路简单。晶体管的控制比晶闸管的容易，不存在相序问题，控制线路简单。晶体管的控制比晶闸管的容易，不存在相序问题，不需要烦琐的同步移相触发控制电路。不需要烦琐的同步移相触发控制电路。 (3) 晶体管脉宽调制晶体管脉宽调制(PWM)放大器的开关频率高放大器的开关频率高

34、,前者的动态响应速度和前者的动态响应速度和稳速精度等性能指标都比后者好。电动机的附加损耗都小。稳速精度等性能指标都比后者好。电动机的附加损耗都小。 (4) 晶体管脉宽调制放大器的电压放大系数不随输出电压的改变而变化，晶体管脉宽调制放大器的电压放大系数不随输出电压的改变而变化，而晶闸管整流器的电压放大系数在输出电压低时变小。这样前者的低而晶闸管整流器的电压放大系数在输出电压低时变小。这样前者的低速性能要比后者好得多，它可使电动机在很低的速度下稳定运转，其速性能要比后者好得多，它可使电动机在很低的速度下稳定运转，其调速范围很宽调速范围很宽.479.3.29.3.2晶体管脉宽调速系统组成方框图晶体管

35、脉宽调速系统组成方框图481)主电路主电路(功率开关放大器功率开关放大器) 晶体管脉宽调速系统主晶体管脉宽调速系统主电路的结构形式有多种，电路的结构形式有多种，按输出极性有单极性输按输出极性有单极性输出和双极性输出之分，出和双极性输出之分，而双极性输出的主电路而双极性输出的主电路又分又分H型和型和T型两类，型两类，H型脉宽放大器又可分为型脉宽放大器又可分为单极式和双极式两种，单极式和双极式两种，右图所示为双极性双极右图所示为双极性双极式脉宽放大器式脉宽放大器. .492)控制电路控制电路(1)速度调节器和电流调节器速度调节器和电流调节器: ASR和和ACR都采用比例积分都采用比例积分调节器调节

36、器.(2)三角波发生器三角波发生器: 可以获得一个对称的三角波可以获得一个对称的三角波电压电压.(3)电压电压-脉冲变换器脉冲变换器: 产生正产生正,负脉宽相等的矩形波负脉宽相等的矩形波电压电压.(4)脉冲分配器及轴功率放大脉冲分配器及轴功率放大,电电路图见右图路图见右图.(5)其他控制电路其他控制电路509.3.39.3.3晶体管脉宽调速系统的分析晶体管脉宽调速系统的分析 1)静态静态 系统处于静态时电动机停转系统处于静态时电动机停转,，速度调节器，速度调节器ASR、电流调节、电流调节器器ACR的输出均为零，电压的输出均为零，电压-脉冲变换器脉冲变换器BU在三角波的作用在三角波的作用下，输出

37、正、负等宽的方波电压下，输出正、负等宽的方波电压U4,经脉冲分配器和功放电经脉冲分配器和功放电路产生的路产生的Ub1,4和和Ub2,3;加在桥式功率开关管加在桥式功率开关管VT14的基极，的基极，使桥式功率晶体管轮流导通或截止，此时，电动机电枢两端使桥式功率晶体管轮流导通或截止，此时，电动机电枢两端的平均电压等于零，电动机停止不动。必须说明的是，此时，的平均电压等于零，电动机停止不动。必须说明的是，此时，电动机电枢两端的平均电压及平均电流虽然为零，但电动机电动机电枢两端的平均电压及平均电流虽然为零，但电动机电枢的瞬时电压及电流并不为零，在电枢的瞬时电压及电流并不为零，在ASR及及ACR的作用下

38、，的作用下，系统实际上处于动态平衡状态。系统实际上处于动态平衡状态。 51晶体管脉宽调速系统的分析晶体管脉宽调速系统的分析2)起动起动 :以正转起动为例以正转起动为例,速度给定信号速度给定信号Ugn送入后送入后,速度调节器的输速度调节器的输入端之后，速度调节器的输出入端之后，速度调节器的输出Ugi便一直处于最大限幅值，相当便一直处于最大限幅值，相当于速度调节器处于开环状态。于速度调节器处于开环状态。因为速度调节器的输出就是电流因为速度调节器的输出就是电流调节器的给定，在速度调节器输出电压限幅值的作用下，使得电调节器的给定，在速度调节器输出电压限幅值的作用下，使得电枢两端的平均电压迅速上升，电动

39、机迅速启动枢两端的平均电压迅速上升，电动机迅速启动.电动机电枢平均电电动机电枢平均电流亦迅速增加。由于电流调节器的作用，电动机就在这最大给定流亦迅速增加。由于电流调节器的作用，电动机就在这最大给定电流下加速电流下加速 .3)制动制动:当电动机处于某种速度的稳态运行时，若突然使速度给定降当电动机处于某种速度的稳态运行时，若突然使速度给定降为零，速度调节器的输出将立即处于正的限幅值，速度调节器的为零，速度调节器的输出将立即处于正的限幅值，速度调节器的输出使电流调节器的输出立即处于负的限幅值，电动机即进行制输出使电流调节器的输出立即处于负的限幅值，电动机即进行制动，直到速度降为零。以后的过程同静态。

40、动，直到速度降为零。以后的过程同静态。 529.49.4基于单片机控制的直流调速系统基于单片机控制的直流调速系统9.4.1MCD-型微机控制直流调速系统型微机控制直流调速系统532. MC-型微机控制直流调速系统的特点型微机控制直流调速系统的特点 1)采用了美国采用了美国Inter公司推出的公司推出的16位单片机位单片机8089小系统，完成数字触发器小系统，完成数字触发器的功能，使硬件电路软件化，克服了硬件电路存在的时漂和温漂，提高的功能，使硬件电路软件化，克服了硬件电路存在的时漂和温漂，提高了系统的调节稳定性和工作可靠性；还利用了系统的调节稳定性和工作可靠性；还利用8089小系统实现转速实时

41、显小系统实现转速实时显示和故障类型的数显功能，智能数显功能强，数字准确，便于直观诊断，示和故障类型的数显功能，智能数显功能强，数字准确，便于直观诊断，便于工人操作与维修。便于工人操作与维修。 2)保留了传统的速度、电流双闭环调节功能。速度调节器采用保留了传统的速度、电流双闭环调节功能。速度调节器采用PID控制，控制，电流调节器采用电流调节器采用PI控制，两个调节器均采用进口的低漂移运算放大器，控制，两个调节器均采用进口的低漂移运算放大器，系统调节快，动态性能好，调速范围宽。系统调节快，动态性能好，调速范围宽。 3)采用了瑞士公司生产的电流传感器采用了瑞士公司生产的电流传感器LEM模块，它体积小

42、，且线性度与模块，它体积小，且线性度与失真度好，提高了反馈信号的质量，增强了调节准确性。失真度好，提高了反馈信号的质量，增强了调节准确性。4)系统具有过系统具有过流、欠压、零励磁、缺相、相序错误指示等功能，保护功能全，可靠性流、欠压、零励磁、缺相、相序错误指示等功能，保护功能全，可靠性高高. . 543.MC-型微机控制直流调速系统型微机控制直流调速系统 接线图接线图(输出容量输出容量0-30kW)55图2-3 所示为电枢控制直流电动机的微分方程，要求取电枢电压Ua(t)(v)为输入量，电动机转速m(t)(rad/s)为输出量，列写微分方程。图中Ra()、La(H)分别是电枢电路的电阻和电感，

43、Mc(NM)是折合到电动机轴上的总负载转距。激磁磁通为常值。图图2 2- -3 3 电电枢枢控控制制直直流流电电动动机机原原理理图图S SM M负载- - -L La aR Ra aE Ea aW Wm mJ Jm m, ,f fm mU Ua ai if fi ia a例2-356解： 电枢控制直流电动机的工作实质是将输入的 电能转换为机械能，也就是由输入的电枢电压Ua(t)在电枢回路中产生电枢电流ia(t)，再由电流ia(t)与激磁磁通相互作用产生电磁转距Mm(t)，从而拖动负载运动。因此，直流电动机的运动方程可由以下三部分组成。 电枢回路电压平衡方程电磁转距方程电动机轴上的转距平衡方程

44、57aaaaaaEtiRdttdiLtU)()()(Ea 是电枢反电势，它是当电枢旋转时产生的反电势，其大小与激磁磁通及转速成正比，方向与电枢电压Ua(t)相反，即Ea=Cem(t) Ce反电势系数(v/rad/s)电枢回路电压平衡方程：58)()(tiCtMammmC)(tMm)()()()(tMtMtfdttdJcmmmmm-电动机转距系数 （Nm/A）是电动机转距系数-是由电枢电流产生的电磁转距（Nm）电动机轴上的转距平衡方程： fm-电动机和负载折合到电动机轴上的粘性摩擦系数（Nm/rad/s）Jm转动惯量（电动机和负载折合到电动机轴上 的） kgm电磁转距方程：59 )()()()(

45、)()()()(2tMRdttdMLtUCtCCfRdttdJRfLdttdJLcacaammemmammamamma)()()()(21tMKtUKtdttdTcammmemmamamCCfRJRTemmaCCRafRK2emmamCCfRCK1电动机机电时间常数（s） 在工程应用中，由于电枢电路电感La较小，通常忽略不计，因而可简化为、求出ia(t)，代入同时亦代入得：60如果电枢电阻Ra和电动机的转动惯量Jm都很小而忽略不计时 还可进一步简化为)(tm)()(tUtCame)(tUa系统最基本的数学模型是它的微分方程式。建立微分方程的步骤如下：确定系统的输入量和输出量将系统划分为若干环节

46、，从输入端开始，按信号传递的顺序，依据各变量所遵循的物理学定律，列出各环节的线性化原始方程。消去中间变量，写出仅包含输入、输出变量的微分方程式。电动机的转速 与电枢电压 成正比，于是 电动机可作为测速发电机使用。1)()()()(sTKsUssssdtdmmammmm612.1 转速、电流双闭环直流调速系统转速、电流双闭环直流调速系统 及其静特性及其静特性问题的提出 第1章中表明，采用转速负反馈和PI调节器的单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，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。621. 主要原因

47、是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。 在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值 Idcr 以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。63b) 理想的快速起动过程IdLntIdOIdma) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统图2-1 直流调速系统起动过程的电流和转速波形2. 理想的起动过程IdLntIdOIdmIdcrnn64 性能比较带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程如图 所示，起动电流达到最大值 Idm 后，受电流负反馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。 图2

48、-1 a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统IdLntIdOIdmIdcrn65性能比较（续）理想起动过程波形如图所示，这时，起动电流呈方形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。图2-1 b) 理想的快速起动过程IdLntIdOIdmn663. 解决思路 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。67 现在的问题是，我们希望能实现控制：起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈。稳态时，只有转速负

49、反馈，没有电流负反馈。 怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？682.1.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成转速、电流双闭环直流调速系统的组成 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接如下图所示。69+TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构 1. 系统的组成ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机TA电流互感器 UPE电力电子变换器内环外

50、环ni70 图中，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。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。 这就形成了转速、电流双闭环调速系统。712. 系统电路结构 为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用 P I 调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于下图。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。72系统原理图图2-3 双闭环直流调速系统电路原理图 +-TG+-+-RP2U*nR0R0UcUiRiCi+

51、-R0R0RnCnASRACRLMRP1UnU*iLM+MTAIdUdMTGUPE+-+-73 图中表出，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的最大输出电压Udm。743. 限幅电路二极管钳位的外限幅电路C1R1R0RlimVD1VD275限幅电路（续） 稳压管钳位的外限幅电路R1C1VS1VS2R0Rlim764. 电流检测电路电流检测电路 TA电流互感器TA772.1.2 稳态结构图和静特性稳态结构图和静特性 为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如下

52、图。它可以很方便地根据上图的原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI 调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的 PI 调节器的稳态特征。781. 系统稳态结构框图图2-4 双闭环直流调速系统的稳态结构框图转速反馈系数 电流反馈系数 Ks 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R ACR-UiUPE792. 限幅作用 存在两种状况：饱和输出达到限幅值 当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。80不饱和输出未达到限幅值 当调节器不饱和时

53、，正如1.6节中所阐明的那样，PI 作用使输入偏差电压在稳态时总是零。 813. 系统静特性实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。 双闭环直流调速系统的静特性如图所示，图2-5 双闭环直流调速系统的静特性 n0IdIdmIdNOnABC82（1）转速调节器不饱和di*i0n*nIUUnnUU式中 ， 转速和电流反馈系数。由第一个关系式可得 0*nnUn从而得到上图静特性的CA段。 (2-1) 83n 静特性的水平特性 与此同时，由于ASR不饱和，U*i U*im，从上述第二个关系式可知: Id Idm。 这就是说， CA

54、段静特性从理想空载状态的 Id = 0 一直延续到 Id = Idm ，而 Idm 一般都是大于额定电流 IdN 的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。 84（2） 转速调节器饱和 这时，ASR输出达到限幅值U*im ，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时 dm*imdIUI式中，最大电流 Idm 是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。(2-2) 85n 静特性的垂直特性 式（2-2）所描述的静特性是上图中的AB段，它是垂直的特性。 这样的下垂特性只适合于 n n0 ，则Un U*n ，A

55、SR将退出饱和状态。 864. 两个调节器的作用双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到 Idm 后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。87 这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点飘移而采用 “准PI调节器”时，静特性的两段实际上都略有很小的静差，如上图中虚线所示。 882.1.3 各变量的稳态工作点和稳态参数计算各变量的稳态工作点和稳态

56、参数计算 双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系 0n*nnnUUdLdi*iIIUUsdL*nesdesd0c/KRIUCKRInCKUU(2-3) (2-5) (2-4) 89 上述关系表明，在稳态工作点上， 转速 n 是由给定电压U*n决定的 ASR的输出量U*i是由负载电流 IdL 决定的 控制电压 Uc 的大小则同时取决于 n 和 Id，或者说，同时取决于U*n 和 IdL。90 这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点。比例环节的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。91n 反馈系数计算 鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数： 转速反馈系数 电流反馈系数 max*nmnUdm*imIU(2-6) (2-7) 92 两个给定电压的最大值U*nm和U*im由设计者选定，设计原则如下：U*nm受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制；U*im 为ASR的输出限幅值。返回目录返回目录93