直流传动 控制系统解读

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1、 第十一章 直流传动 控制系统 1 直流传动控制系统 n直流传动控制系统以直流电动机为动力。直流电动机 虽不像交流电动机那样结构简单、制造方便、维修容 易、价格便宜等，但具有良好的调速性能，可在很宽 的范围平滑调速。 n本章将介绍机电传动控制系统的一般问题（如组成、 分类、方案选择等）和直流调速系统。 教学目标: n了解常用自动调速系统的调速原理、特点及适用场合 2 11.1 机电传动系统的组成及分类 n开环 n直流发电机直流电动机（ G-M）系统中，发电机励 磁绕组中的励磁电流是输入 量，直流电动机的转速是输 出量。控制输入量，就可控 制输出量的大小。单向控制 。 3 n闭环 n为了设法在负

2、载转矩发生变化时，尽可能使电动机的转速不变，为此，在电 动机的轴上安装一台测速发电机BR，它的输出电动势E与电动机的转速n成 正比，若把E与给定电压Ug比较，就可以得到差值U=Ug-E。 n当电动机负载转矩增加引起转速下降时，E减小，而Ug不变，则U增大使发 电机的励磁电流增加，发电机电动势EG增加，从而使电动机的转速上升。 n反之，当电动机负载转矩减小引起转速上升时，E增加使U减小，则EG减小 ，从而使电动机的转速下降。 n这种控制方法叫做反馈控制。 n输入量和输出量之间既有正向的控制作用，又有反向的控制作用，形成一个 闭环，称之为闭环控制系统或反馈控制系统。 4 控制系统分类 n 按反馈方

3、式分：转速负反馈控制系统、电动势负反 馈控制系统、电压负反馈控制系统及电流正反馈控 制系统； n 按复杂程度分：单环自动调节系统和多环自动调节 系统； n 按稳态误差分：有静差调节系统和无静差调节系统 ； n 按给定量的变化分：定值调节、程序调节和随动控 制； n 按调节动作和时间的关系：断续控制和连续控制； n 按元件特性分：线性控制系统和非线性控制系统。 5 n在生产的各个部门，有大量的生产机械要求在不 同的场合、用不同的速度进行工作，以提高生产 率和保证产品的质量。比如机床、起重运输设备 、造纸机、纺织机等。如何根据不同生产机械对 调速的要求来选择机电传动控制系统的调速方案 ，是本节所要

4、介绍的内容。 11.2 机电传动控制系统调速方案的选择 6 n调速方法通常有机械的、电气的、液压的、气动的几种。 n在用纯机械方法调速的设备中，驱动用的电动机一般运行在 固有机械特性的一个转速上，速度的调节是通过变速齿轮箱 或几套变速带轮或其他变速机构来实现的。 n在用纯电气方法调速的设备中，电动机能运行在固有机械特 性或人为机械特性上，在一定负载的情况下，电动机可获得 多种转速。这时机械变速机构十分简单，只要一套变速齿轮 或带轮。 n在电气与机械配合调速的设备中，可用电动机来得到多种转 速，同时，又可用机械变速机构的换挡来进行变速。 n电气调速的优点：简化机械变速机构，提高传动效率，操作 简

5、单，易于获得无极调速，便于实现远距离控制和自动控制 。当然仅用电气方法调速时，电气系统复杂些，投资要大些 。 11.2.1 机械与电气调速方法 7 11.2.2 生产机械对自动调速系统技术指标要求 n1.静差度 n当负载变化时，生产机械转速的变化维持在 一定范围之内，常用静差度来表示生产机械 运行时转速稳定的程度，即要求静差度愈小 。静差度S为，电动机由理想空载到额定负 载时的转速降与理想空载转速的比值。 n2.调速范围 n生产机械所要求的转速调节的最大范围亦称 为调速范围。（速度最大值比速度最小值） n3.调速的平滑性 n在一定的调速范围内，可以得到的稳定运行 转速级数越多，调速的平滑性就越

6、高；若级 数趋于无穷大，则表示转速连续可调，称为 无极调速。 8 调速性能动态技术指标 4.4.最大超调量最大超调量 超调量太大，达不到生超调量太大，达不到生 产工艺上的要求，但太产工艺上的要求，但太 小，则会使过渡过程过小，则会使过渡过程过 于缓慢，不利于生产率于缓慢，不利于生产率 的提高等，一般为的提高等，一般为10%10% 35%35%。 n第4章已经讨论了如何缩短开环控制系统过渡过程的时间问题 ，实际上除此之外，还要求最大超调量、振荡次数等。以右 图为例，系统从n1改变到n2时的过渡过程。 9 调速性能动态技术指标 5.5.过渡过程时间过渡过程时间T T 从输入控制（或扰动）从输入控制

7、（或扰动） 作用于系统开始直到被调作用于系统开始直到被调 量量n n进入（进入（0.05 0.05 0.020.02）稳）稳 定值区间时为止（并且以定值区间时为止（并且以 后不再越出这个范围）的后不再越出这个范围）的 一段时间，叫作过渡过程一段时间，叫作过渡过程 时间。时间。 10 调速性能动态技术指标 6.6.振荡次数振荡次数 N N 在过渡过程时间内在过渡过程时间内, ,被调被调 量量n n在其稳定值上下摆在其稳定值上下摆 动的次数。动的次数。 上述三个指标是衡量一个自动调速系统过渡过程品质 好坏的主要指标。 11 动态指标评价 系统超调量过渡过程时间 T 振荡次数 N性能 10长无不好

8、2大中多不好 3小短中好 12 13 11.2 晶闸管电动机直流传动控制系统 按结构的不同 ： 单闭环直流调速系统 双闭环直流调速系统 可逆系统 11.2.1 单闭环直流调速系统 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属有静差的自动调节系 统，简称有静差调速系统； （一）转速负反馈调速系统 1. 基本组成 按静态误差的不同： 无静差直流调速系统 有静差直流调速系统 任务： 调节速度； 扩大调速范围，减小静态误差。 分类： 14 测速发电机：与直流电动机M 同轴相连，即两者的速度相同 ，测速发电机用来测量电动机 的速度，称检测元件； 转换元件：将测速发 电机的转速转换

9、成电 压信号以便与给定电 压进行比较。 给定电位器：调 节Rg的位置可改 变给定电压Ug的 大小 。 比例放大器：将外加电 压和反馈信号经转换后 的电压之差进行放大。 触发电路：将放大器放大后的 电压信号变为脉冲型号去控制 整流电路的输出大小。 整流电路：变交流 电压为直流电压， 输出电压大小由触 发电路输出脉冲信 号所决定，整流电 路的输出为直流电 动机电枢的外加电 压； 直流电动机：系统 的控制对象。 15 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； v 系统的反馈信号是被控制对象n本身; v 反馈电压和给定电压的极性相反，即: 该系统又称转速负反馈调速系统。 2. 工

10、作原理 当Ug、Uf不变时，电动机的转速不变，这种状态称为稳态。 (2) 调速（Uf不变，改变Ug的大小） 改变Ug的大小可改变电动机的转速，这种状态称为调速. (1) 稳态（ Ug、Uf 不变） (3) 稳速（Ug不变、负载变化使Uf变化 ) 当负载发生变化使速度发生变化后，系统通过反馈能维持速度基本不变，这种状态称 为稳速。 16 3. 静特性分析 目的：找到减小静态速降、扩大调速范围，提高系统性能的途径。 静特性表示出电动机的转速与负载电流之间的大小关系。 (1) 各环节输入输出的关系 电动机电路 式中: 电枢回路的总电阻； 可控整流电源的等效内阻； 电动机的电枢电阻。 可控硅和触发电路

11、 设可控硅和触发电路的放大倍数为K2 ，则： 放大器电路 设放大器的放大倍数为KP ，则： 反馈电路 速度反馈信号电压与转速n 成正比，设放大系数为Kf，则： 17 (2) 静特性 从放大器输入端到可 控整流电路输出端的电压 放大倍数； 闭环系统的放大倍数 。 如果系统没有转速负反馈（即 开环系统）时，则整流器的输出 电压: 由此可得开环系统的机械特性 方程: 18 (3)分析与结论 理想空载转速 在给定电压一定时，有: 转速降 如果将系统闭环与开环的理想空载转速调得一样，即 ， 调速范围与静差度 在最大运行转速和低速时最大允许静差度不变的情况下， 开环： 闭环 ： 19 结论： 由于放大倍数

12、不可能为无穷大，即静态速降不可能为0，因此，上述系统只能维 持速度基本不变。这种维持被调量（转速）近于恒值不变，但又具有偏差的反馈 控制系统通常称为有差调节系统（即有差调速系统）。 采用转速负反馈调速系统能克服扰动作用（如负载的变化、电动机励磁的变化 、晶闸管交流电源电压的变化等）对电动机转速的影响。 提高系统的开环放大倍数K是减小静态转速降落、扩大调速范围的有效措施。系 统的放大倍数越大，准确度就越高，静差度就越小，调速范围就越大。但是放大 倍数也不能过分增大，否则系统容易产生不稳定现象。 20 （二）其他反馈在自动调速系统中的应用 1. 电压负反馈系统 由公式 可知： 电动机的转速随电枢端

13、电压的大小而变。电枢电压的大小，可以近似地反 映电动机转速的高低。电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。 (1) 电压负反馈与转速负反馈调速系统的区别 反馈信号不同，前者为被控制量的间接量电压，后者为被控制量本身； 检测元件不同，前者为电位器，后者为测速发电机。 21 (2) 工作原理 稳速和调速的工作过程与转速负反馈相同。 在给定电压Ug一定时，其调整过程如下： 电压负反馈系统的特点: 线路简单 稳定速度的效果并不大 电动机端电压即使由于负反馈的作用 而维持不变，但是负载增加时，电动机电 枢内阻所引起的内阻压降仍然要增大，电 动机速度还是要降低。或者说电压负反馈 ，顶多

14、只能补偿可控整流电的等效内阻所 引起的速度降落。 则 Ud=U-UAK 22 2. 电流正反馈与电压负反馈的综合反馈系统 (1) 系统特点 RP为电压反馈检测元件，并接在电动机电枢两端，其上的电压大小直接 反映电动机电枢两端电压的大小，故称电压反馈； R为电流正反馈检测元件，串接在电动机电枢回路中，其上的电压大小 直接反映电动机电枢电流的大小，故称电流反馈。 系统的总反馈电压 因为反馈电压UV的极性与给定电压的极性相反，故称电压负反馈，反馈电压 UI的极性与给定电压的极性相同，故称电流正反馈。 要使系统稳定运行，系统总的反馈特性必须呈现出负反馈的性质。 23 (2)工作原理 稳速和调速的工作过

15、程与转速负反馈相同。 在给定电压Ug一定时，其调整过程如下： (3) 静特性 24 从电动机电枢回路电势平衡关系知 上式如果满足下列条件 系统具有转速反馈的特性。 25 3. 电流截止负反馈系统 (1) 电流截止负反馈的作用 过载保护。 电流正反馈可以改善电动机运行特性，而电流负反馈会使 随着负载电流 的增加而减少，使电动机的速度迅速降低。 如果电动机的速度在负载过分增大时也不会降下来，这就会使电枢过流而烧 坏。本来采用过流保护继电器也可以保护这种严重过载，但是过流保护继电器， 要触头断开，电动机断电方能保护，而采用电流负反馈作用为保护手段，则不必 切断电动机的电路，只是使它的速度暂降下来，一

16、旦过负载去掉后，它的速度又 会自动升起来，这样有利于生产。 (2) 基本思想方法 26 IO=1.35IaN Iao=(23)Ian 当负载正常，电枢电 流在一定范围内（如小于 1.35倍的额定电流），电 流截止负反馈不起作用； 当负载增加使电枢电流超过一定数 值（如额定电流的1.35倍）时，电流负反 馈开始起作用，减小电动机电枢外加电 压，使转速下降； 当负载继续增加使电枢电流超过一定值（大于额 定电流的23倍）时，电流负反馈足够强，它足以将给 定信号的绝大部分抵消掉，使电动机速度降到零，电 动机停止运转，从而起到保护作用。 因为只有当电流大 到一定程度反馈才起作 用，故称电流截止负反 馈。这种特性因它常被 用于挖土机上，故又称 “挖土机特性”。 27 （3）工作原理 当电流小于转折点的电流时，反馈电压UIUb ,二极管V导通，电流反馈UI与Ub 比较后 反馈 到输入端一起控制电动机，使其转速下降； 当电流等于堵转点的电流时，电流反馈UI与Ub 比较后反馈 到输入端的电压能够抵消 ，给定