第十一章 直流传动控制系统
机电传动控制11_12
第一节 机电传动控制系统的组成和分类
一、自动控制系统分类： （4）按系统稳态时被调量与给定量有无差别，可分为 有静差调节系统和无静差调节系统。 （5）按给定量变化的规律，可分为 定值调节系统、程序控制系统和随动系统。 （6）按调节动作与时间的关系，可分为 断续控制系统和连续控制系统； （7）按系统中所包含的元件特性，可分为 线性控制系统和非线性控制系统。
交流传动控制系统
第十二章 交流传动控制系统
由于交流电动机本身就是一个多变量强耦合的系 统。从理论上说，交流调速系统比直流调速系统复杂 得多。但随着变频调速及其高精度数字化控制方式的 实现，使得大多数的运算都可以用标准功能的软件模 块来实现，对用户而言，省去了大量的维护工作量。 加之交流电动机自身的耐环境，耐冲击，过载能力强， 制造方便，经济……又为交流电动机的变频调速控制 提供了广阔的发展空间。
TL
n
Uf
U
UK
Ud
n
一、单闭环直流调速系统 闭环时
令K 0 K S K P
U d K S K P (U g n)
U d K e n I a R Cef K K S K P C e ，则 n C e (1 K ) C e (1 K )
二、双闭环直流调速系统
转速、电流双闭环调速系统特点：
• 系统的调整性能好、有很硬的静持性，基本上无
静差；
• 动态响应快，启动时间短；
• 两个调节器可分别设计．调整方便(先调电流环，
再调速度环)；
• 系统的抗干扰能力强。
所以，它在自动调速系统中得到了广泛的应用。
第三节 晶闸管电动机直流传动控制系统
第一节 机电传动控制系统的组成和分类
直流传动控制系统详解演示文稿
1
第一页，共130页。
优选直流传动控制系统
2
第二页，共130页。
主要内容
3.1 开环直流调速系统的组成与主要问题
3.2 转速闭环直流调速系统
3.3 转速、电流双闭环直流调速系统 3.4 直流调速系统的电压与磁场协调控制*
3.5 直流调速系统的可逆控制
3.6 直流调速系统的MATLAB仿真
第十五页，共130页。
15
+
Id
+
~
Ud
EM
P
-
-
n
①
(a)整流状态
•
-
1）整流状态Id
当- 晶闸管的触发脉冲的相位角小于90②，
~ 即（E为9直U0+d流时P电，动整E+ 机流M的器反工电作动于n 势整）流。状此态时，，且整有流Ud器>将E 输
入的交(流b)逆电变状转态 换成可调的直流电输出(，b)运供行范给围直流电 动机传动机械负载运动。电动机工作在电动状态，
Ud Us (3 4)
电压系数
n
1 Ke
(U d
Id R)
(3 1)
第十三页，共130页。
13
n
1 Ke
Us
RId
(3 5)
n
Us
Ke
R KeKT
Te
n0
R KeKT
Te
(3 6)
额定磁通下的转矩系数
KT CTN
理想空载转速
n0
Us
Ke
第十四页，共130页。
14
• 2. 能量回馈问题
• （1）V-M系统的能量回馈
• （2）静止式可控整流器——用静止式的可控整流器， 以获得可调的直流电压，目前主要用于大容量的直 流调速系统。
直流传动系统控制简述
直流传动控制系统简述直流传动控制系统的学习要求在了解机电传动自动调速系统的组成、生产机械对调速系统提出的调速技术指标要求以及调速系统的调速性质与生产机械的负载特性合理匹配的重要性之基础上，重点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，掌握各种常用的自动调速系统的调速远离、特点及适用场合，以便根据生产机械的特点和要求来正确选择和使用机电传动控制系统。
一、 机电传动控制系统的组成和分类直流传动控制系统——以直流电动机为动力交流传动控制系统——以交流电动机为动力（一）、机电传动控制系统的组成组成：由电机、电器、电子部件组合而成。
①、 开环控制系统（单向控制）如下图11.1所示的G-M 系统。
开环控制系统往往不能满足高要求的生产机械的需要。
注：输入量—控制量，输出量—被控制量。
1.主要参数1)转速降(与无关) N t e da fa N T K K R R n 2Φ+=∆0n2)调速范围 （前提：生产机械对转速变化率的要求）3)静差度（或稳定度、转速变化率）4)关系： （） ①由电机铭牌而定，，D 由生产机械要求而定。
②一定，不同的静差度就有不同的D ，故在说明系统达到D 时，同时说明所允许的最小S 。
③一定，，机械特性硬度。
2.提高机械特性硬度的方法——使电动机转速不变。
负载↑，n↓1)在电动机轴上安装一台测速发电机BR ，输出电势。
2)偏差电压（给定电压） ↑↑↑↑∆↓↓↑n E I U U E n T G g BR 励磁不变 （负反馈控制）minmax /n n D =000nn n n n S N N ∆=-=)1(22max S n S n D N -∆=Nn n n ∆-=02min max n S S ≤2N n ∆2S ↓∆↑N n D ,↑n K E BR BR =g U U =∆BRE -3)加一个放大器，，n 不变（负载变动）。
注：a ）稍变化，更大变化。
b ），维持。
《机电传动控制》第十一章 直流传动控制系统
有载时TL I a R n U f U U K U d n n0 有差调速系统
18
1.电压负反馈系统(电压反馈系数α=Uf/U)
负载↑→n↓→Id↑→Uf(αU)↓→△U↑→UK↑→α↓→Ud↑ →U↑→n↑由可控整流电源内阻引起速度降可得以补偿，Ra 上压降增大n还是下降，不是用来稳速，而用来防止过压、加 快过渡过程、改善动态特性。
Ubo-二极管开放电压
K-折点处电流倍数K=I折点/IaN R-所串电流反馈电阻
21
2 无静差调速系统(比例积分调节)
反馈量 等于给 定量即 偏差等 于零。
PI无差 元件(比 例积分 调节器)
22
1)比例积分(PI)调节器
1 U 0 I1 R1 I1dt C1 I1 I 0 U i / R0 R1 1 U0 Ui U i dt R0 R0C1
R n n f Ia Ce 1 K 1 K
11.15
16
闭环的转速降减小、硬度提高、静差度减小S=△nN/n0。
(3)在nmax和低速时最大允许静差度不变下，调速范围
开环
nmax S 2 D n N (1 S 2 )
nmax S 2 nmax S 2 闭环 D f 1 K D n Nf (1 S 2 ) n N 1 S 2 1 K
19
2.电压与电流综合反馈系统(电桥法)
a、o负反馈电压信号，b、o电流正反馈信号，a、b为综合 反馈信号，电动机反电势的反馈。Uab=R3E/(R3+Ra)
20
3.电流截止负反馈系统
Ia0=(2～2.5)IaN I0=1.25IaN I0=KIaN 比较电压Ub应满足下式 Ub+Ubo≤KIaNR (11.20)
第11章 直流传动控制系统
(3)进给运动传动系统方框图
22
进给运动传动系统方框图
23
(4)SCR-M主回路
由于进给电动机正反向工作不频繁，容量也不大 (4kW,1000r/min,200V)，因此采用单相半控桥式整流线路，电动 机的正、反转由接触器FKM、RKM控制，主回路整流元件均设 有阻容保护元件，电动机的制动采用能耗制动，制动时接触器 KM动作，将电阻R并接在电枢两端。电流继电器2KA作过电流 保护，在50A左右动作。 电动机是一个反电势负载，具有一定的电感，当主回路中没有另 加滤波电抗器时，主回路电流总是断续的,特别是在轻负载情况 下，晶闸管整流电压要升高，电动机的转速比有滤波电抗器情况 下的转速要高.续流二极管3VD在低速、大负载情况下，有续流作 用，以保证晶闸管整流器的正常工作。 主电路电气原理图如下.
第11章 直流传动控制系统
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; 掌握自动调速系统中各个基本环节,各种反馈环 节的作用与特点; 掌握各种常用的自动调速系统的调速原理,特点 及适用场所; 能在生产实际中处理控制系统的一般问题.
1
11.1机电传动控制系统的组成和分类
2)要求电气调速的,根据 调速指标确定拖动方案: (1)D=2-3.有级调速,选多 速电动机; (2)D小于10,无级调速,选 滑差电动机; (3)D大于10,无级调速,采 用SCR-M自动调速系统. 3)电动机的调速特性与 生产机械负载特性匹配.
8
例:某直流调速系统,其高速,低速特性如图示, n01 =1450r/min, n02 =145r/min, nN =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?
直流传动控制系统的分析
1、系统组成
+
-
A
M
TG
+
-
+
-
+
-
-
+
Un
∆Un
U*n
Uc
UPE
+
-
带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图
2、系统稳态关系
电压比较环节
放大器
电力电子变换器
调速系统开环机械特性
测速反馈环节
转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下：
以上各关系式中 — 放大器的电压放大系数； — 电力电子变换器的电压放大系数； — 转速反馈系数（V·min/r）； — UPE的理想空载输出电压（V） ； — 电枢回路总电阻。
一、调速系统的控制要求和 调速系统静指标
控制要求
2）稳速——以一定的精度在所需转速上稳定
运行，在各种干扰下不允许有过大的转速 波动，以确保产品质量；
1）调速——在一定的最高转速和最低转速范
围内，分挡地（有级）或 平滑地（无级） 调节转速；
3）加、减速——频繁起、制动的设备要求加、
减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧 烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。
2、调速系统静指标
01
调速范围 定义：生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母 D 表示，即
02
其中nmin 和nmax 一般都指电动机额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的转速。
静差率 定义： 负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落 nN ，与理想空载转速 n0 之比，称作静差率 s ，即 或用百分数表示 式中 nN = n0 - nN
直流传动控制系统演示文稿
(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：
n n
Ia
UV U I
U
U g
UV
UI
UK
Ud
(3) 静特性
UV Uao
UI Ubo
U f Uab Uao Uob Uao Ubo
令 R2
R1 R2
Uao U
Ubo Ia R3
第十七页，共54页。
从电动机电枢回路电势平衡关系知
U E Ia ( Ra R3 )
Ia ( U E ) /( R3 Ra )
U ab
UR2 R1 R2
U R3
E Ra
R3
UR2 UR3 ER3 R1 R2 R3 Ra R3 Ra
达到的最低转速之比称为调速范围 。
D nmax nmin
车床
龙门刨床
钻床
铣床
轧钢机 造纸机 进给机械
20～120
20～40
2～12 20～30
3～15
10～20 5～30000
3. 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衡量的。
调速
无级调速
有级调速
第四页，共54页。
二、动态技术指标
改变Ug的大小可改变电动机的转速，这种状态称为调速.
(3) 稳速（Ug不变、负载变化使Uf变化 ) 当负载增加使 n U f U U g U f Uk Ud n 当负载减小使 n U f U U g U f Uk Ud n
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。
Iao=(2~2.5)Ian
第二十页，共54页。
【机电传动控制-辅导】(邓星钟)第11章要点概况
第十一章直流传动控制系统11.1 知识要点11.1.1 基本内容1．在自动调速系统中，扩大调速范围D的基本方法机电传动控制系统是由电机、电器、电子部件等基础环节组合而成，能控制生产机械实现调速的控制系统，亦称自动调速系统。
在调速系统中，电动机所能达到的调速范围D=n max/n min，其中n max是电动机在额定负载下所允许的最高转速，而n min是在保证生产机械对转速变化率S [ 即静差度S2= Δn N /n0min= Δn N/n02=(n02－n min)/n02 ] 的要求这一前提下所能达到的最低转速，也就是说，调速系统的S2要小于或等于生产机械要求的S生（S2≤S生），才能谈及调速范围。
根据D=n max ·S2/Δn N(1－S2)可知，在n max与S2一定时，设法减少转速降Δn N就可扩大调速范围D，闭环控制系统(亦称反馈控制系统)能起到这个作用。
2．机电传动控制系统调速方案的选择生产机械对调速系统所提出的调速技术指标包括静态的和动态的，静态技术指标主要有静差度S，调速范围D和调速的平滑性等；动态技术指标主要有最大超调量M P，过渡过程时间T和振荡次数等。
各种生产机械对于上述指标的要求不尽相同，因此，必须根据生产机械的特点和工厂的实际情况来合理地选择自动调速系统。
值得特别注意的是，生产机械在调速过程中一般有恒转矩型和恒功率型两类负载特性，而电动机的调速也有恒转矩性质和恒功率性质两类，一般负载为恒转矩的生产机械应尽可能选用恒转矩性质的调速方式，负载为恒功率型的生产机械应尽可能选用恒功率性质的调速方式，否则，电动机将得不到最充分的利用或将严重过载。
3．单闭环有静差调速系统晶闸管一电动机直流调速系统是目前应用得最为广泛的控制系统。
常用的有单闭环、双闭环和可逆系统。
单闭环调速系统常分有静差调速系统和无静差调速系统。
单闭环有静差调速系统中采用比例调节器。
该系统具有以下性质：①在相同的负载电流下，闭环系统的静态转速降仅为开环系统转速降的1／(1＋K)倍(K是闭环系统的开环放大倍数)。
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第十一章直流传动控制系统11.1、何谓开环控制系统？何谓闭环系统？两者各具有什么优缺点？答：系统只有控制量(输入量)对被控制量(输出量)的单向控制作用，而不存在被控制量的影响和联系，这样的控制系统称为开环控制系统。
优点是结构简单能满足一般的生产需要；缺点是不能满足高要求的生产机械的需要。
负反馈控制系统是按偏差控制原理建立的控制系统，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，形成一个闭环，故又称为闭环控制系统或反馈控制系统。
优点是可以实现高要求的生产机械的需要，缺点是结构复杂。
11.2、什么叫调速范围、静差度？它们之间有什么关系？怎样才能扩大调速范围。
答：电动机所能达到的调速范围，是电动机在额定负载下所许可的最高转速n max和在保证生产机械对转速变化率的要求前提下所能达到的最低转速n min之比，以D表示。
所谓转速变化率亦即调速系统的静差度（或稳定度），就是电动机由理想空载到额定负载时的转速降Δn N与理想空载转速n0的比值，以S表示。
两者之间的关系是：D=n max S2/[Δn N(1-S2)]。
在保证一定静差度的前提下，扩大系统调速范围的方法是提高电动机的机械特性的硬度以减小Δn N。
11.3、生产机械对调速系统提出的静态、动态技术指标主要有哪些？为什么要提出这些技术指标？答：生产机械对调速系统提出的静态技术的指标有静差度、调速范围、调速的平滑性。
动态技术指标有最大超调量、过渡过程时间、振荡次数。
提出这些技术指标的原因是因为机电传动控制系统调速方案的选择，主要是根据生产机械对调速系统提出的调速技术指标来决定的。
11.4、为什么电动机的调速性质应与生产机械的负载特性相适应？两者如何配合才能算相适应。
答：电动机在调速过程中，在不同的转速下运行时，实际输出转矩和输出功率能否达到且不超过其允许长期输出的最大转矩和最大功率，并不决定于电动机本身，而取决于生产机械在调速过程中负载转矩T L及负载功率P L的大小和变化规律。
所以，为了使电动机的负载能力得到最充分的利用，在选择调速方案时，必须注意电动机的调速性质与生产机械的负载特性要配合恰当。
一般来讲，负载为恒转矩型的生产机械应尽可能选用恒转矩性质的调速方法，且电动机的额定转矩T N应等于或略大于负载转矩T L；负载为恒功率型的生产机械应尽可能选用恒功率性质的调速方法，且电动机的额定功率P N应等于或略大于生产机械的静负载功率P L。
11.5、有一直流调速系统，其高速时的理想空载转速n01=1480r/min，低速时的理想空载转速n02=157/min，额定负载时的转速降Δn N=10r/min。
试画出该系统的静特性（即电动机的机械特性），求调速范围和静差度。
解：调速范围：D=n max/n min=(n01-Δn N)/(n02-Δn N)=(1480-10)/(157-10)=1470/147=10高速时的静差度：S1=Δn N/n01=10/1480=0.0068低速时的静差度：S2=Δn N/n02=10/157=0.064机械特性曲线如下图所示：11.6、为什么调速系统中加负载后转速会降低，闭环调速系统为什么可以减少转速降？ 答：当负载增加时，I a 加大，由于I a R ∑的作用，所以电动机转速下降。
闭环调速系统可以减小转速降是因为测速发电机的电压U BR 下降，使反馈电压U f 下降到U f ’，但这时给定电压U g 并没有改变，于是偏差信号增加到ΔU‘=U g -U f ’，使放大器输出电压上升到U k ’，它使晶闸管整流器的控制角α减小，整流电压上升到U d ’，电动机转速又回升到近似等于n 0。
11.7、为什么电压负反馈顶多只能补偿可控整流电源的等效内阻所引起的速度降？答：因为电动机端电压即使由于电压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R a 所引起的内阻压降仍然要增大，电动机速度还是要降低。
所以说电压负反馈，顶多只能补偿可控整流电源的等效内阻所引起的速度降落。
11.8、电流正反馈在调速系统中起什么作用？如果反馈强度调得不恰当会产生什么后果？ 答：电流正反馈，是把反映电动机电枢电流大小的量I a R 取出，与电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，使晶闸管整流输出电压U d 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仅有电压负反馈时小了许多，因此扩大了调速范围。
为了保证“调整”效果，电流正反馈的强度与电压负反馈的强度应按一定比例组成，如果反馈强度调得不适当，会产生不能准确地反馈速度，静特性不理想。
11.9、为什么由电压负反馈和电流正反馈一起可以组成转速反馈调速系统？答：以图11.12为例说明，图中，从a 、o 两点取出的是电压负反馈信号，从b 、o 两点取出的是电流正反馈信号，从a 、b 两点取出的则代表综合反馈信号。
因为U ab (U ab )=U ao +U ob = U ao -U bo ，其中U ao 随端电压U 而变，如果令α=R 2/(R 1+R 2)，则有U ao =αU ；U bo 随电流I a 而变，它代表I a 在电阻R 3上引起的压降即电流正反馈信号，U bo =I a R 3，将U ao 与U bo 代入U ab 的表达式中，得U ab =UR 2/( R 1+ R 2)-I a R 3，从电动机电枢回路电势平衡关系可知I a =(U-E)/(R 3+R a )，将I a 的表达式代入U ab 中可得U ab =UR 2/(R 1+ R 2)-UR 3/(R 3+ R a )+ER 3/(R 3+ R a )，上式如果满足UR 2/(R 1+ R 2)-UR 3/(R 3+ R a )=0，即R 2/(R 1+ R 2)=R 3/(R 3+ R a )，化简后可以得到电桥的平衡条件：R 2/R 1=R 3/R a ，则有U ab =R 3E/(R 3+R a )。
这就是说，满足电桥平衡条件，则从a 、b 两点取出的反馈信号形成的反馈，将转化为电动机反电势的反馈。
因为反电势与转速成正比，E=C e n ,所以，U ab 也可以表示为U ab =R 3C e n/( R 3+ R a )。
因此由电压负反馈和电流正反馈一起可以组成转速反馈调速系统。
11.10、电流截止负反馈的作用是什么？转折点电流如何选？堵转电流如何选？比较电压如·m)N何选？答：在正常情况下，因为电流负反馈有使特性恶化的作用，因此，电流负反馈作用被截止，电流负反馈不起作用；而当负载电流超过一定数值，电流负反馈足够强时，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。
堵转电流I Ao=（2~2.5）I An。
一般转折电流I0为额定电流I An的1.35倍。
且比较电压越大，则电流截止负反馈的转折点电流越大，比较电压小，则转折点电流小。
一般按照转折电流I0=KI An选取比较电压U b。
当负载没有超出规定值时，起截止作用的二极管不应该开放，也就是比较电压U b应满足U b+ U bo≤KI AN R。
11.11、某一有静差调速系统的速度调节范围为75r/min~1500r/min，要求静差度S=2%，该系统允许的静态速降是多少？如果开环系统的静态速降是100r/min，则闭环系统的开环放大倍数应有多大？解：因为S=Δn N/n0=Δn N/(n min+Δn N)所以Δn N=Sn min/(1-S)=0.02*75/(1-0.02)=1.53r/min如果将系统闭环与开环的理想空载转速调得一样，即n0f=n0，则Δn f=Δn/(1+K)所以K=64.36即闭环系统的开环放大倍数为64.36。
11.12、某一直流调速系统调速范围D=10，最高额定转速n max=1000r/min，开环系统的静态速降是100r/min。
试问该系统的静差度是多少？若把该系统组成闭环系统，保持n02不变的情况下，使新系统的静差度为5%，试问闭环系统的开环放大倍数为多少？解：因为D=n max/n min=1000/ n min=10所以n min=100 r/min所以n02=n min+Δn N=100+100=200r/min所以S2=Δn N/ n02=100/200=0.5即该系统的静差度是0.5。
因为新系统的静差度为0.05即0.05=Δn f/n02=Δn f/200所以Δn f=10r/min又因为Δn f=Δn N/ (1+K)即10=100/(1+K)所以K=9即闭环系统的开环放大倍数为9。
11.13、X2010A型龙门铣床进给拖动系统的移相触发器由哪几个部分组成？试说明各个部分的作用和工作原理。
答：X2010A型龙门铣床进给拖动系统的移相触发器由矩齿波形成器、移相控制、脉冲形成三个环节组成。
矩齿波形成器的作用是为了扩大移相范围，U2滞后U160度，为了调节灵活和增加线性度，U1超前晶闸管阳极电压u c30度。
移相控制环节的主要作用是利用u1c与控制电压U co相比较，去控制晶体管1VT的通断而实现的。
脉冲输出环节主要由晶闸管4VT和脉冲变压器T组成。
当u1c刚大于控制电压U co1时，2C通过4VT的发射极、基极、二极管7V和电阻9R充电，4VT导通，在2C充电未饱和或脉冲变压器铁心未饱和前，T的负边绕组感应出平顶脉冲电压。
在2C充电完毕，4VT基极回路不再有电流流通，或脉冲变压器铁心饱和后，T的副边绕组脉冲电压即行消失。
11.14、积分调节器在调速系统中为什么能消除静态系统的静态偏差？在系统稳定运行时，积分调节器输入偏差电压△U=0，其输出电压决定于什么？为什么？答：因为在积分调节器系统中插入了PI调节器是一个典型的无差元件，它在系统出现偏差时动作以消除偏差，当偏差为零时停止动作。
可控整流电压U d等于原静态时的数值U d1加上调节过程进行后的增量(ΔU d1+ ΔU d2)，在调节过程结束时，可控整流电压U d稳定在一个大于U d1的新的数值U d2上。
增加的那一部分电压正好补偿由于负载增加引起的那部分主回路压降。
11.15、在无静差调速系统中，为什么要引入PI调节器？比例积分两部分各起什么作用？答：因为无静差系统必须插入无差元件，它在系统出现偏差时动作以消除偏差，当偏差为零时停止工作。
而PI调节器是一个典型的无差元件，所以要引入。
比例环节可以毫无延迟地起调节作用，积分环节可以使系统基本上达到无静差。
11.16、无静差调速系统的稳定精度是否受给定电源和测速发电机精度的影响？为什么？答：无静差调速系统的稳定精度受给定电源和测速发电机精度的影响，因为给定电源的信号要与速度反馈信号比较，速度调节信号要经过测速发电机转化为电压信号。