电气控制5.ppt

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1、第五章第五章 直流自动调速系统直流自动调速系统 一、机床常用的调速方法一、机床常用的调速方法 5.1 机床的速度调节机床的速度调节 1机械有级调速机械有级调速 调速是机床对电力拖动及其控制系统提出的重要。调速是机床对电力拖动及其控制系统提出的重要。机床加工工件，必须选择最经济的切削速度，在此速度机床加工工件，必须选择最经济的切削速度，在此速度下加工时，才能够发挥机床和刀具的最大利用效果。因此下加工时，才能够发挥机床和刀具的最大利用效果。因此不同的工件，切削速度也应有所不同。不同的工件，切削速度也应有所不同。在这种系统中电动机转速不变，而机床主轴的不同转速在这种系统中电动机转速不变，而机床主轴的

2、不同转速的获得是通过改变齿轮箱的变速比得到。的获得是通过改变齿轮箱的变速比得到。该种调速方法通常不能保证最有利的切削速度。此外，该种调速方法通常不能保证最有利的切削速度。此外，对机械系统比较复杂的机床还会降低其工作的精度和增加对机械系统比较复杂的机床还会降低其工作的精度和增加机床造价。机床造价。y机械变速级数。机械变速级数。90125180250360500720 1000 1440 20002880 400072014402880 2电气和机械的有级调速电气和机械的有级调速 zmy 式中式中 Z机床主轴的速度级数机床主轴的速度级数；该种调速方法是通过改变齿轮变速比和改变电动机本该种调速方法是

3、通过改变齿轮变速比和改变电动机本身的转速配合起来实现的。身的转速配合起来实现的。M电动机的速度级数；电动机的速度级数；y机械变速级数。机械变速级数。如图所示为如图所示为12级速度对应于电动机为单速，双速和三级速度对应于电动机为单速，双速和三速时变速箱机械传动系统。速时变速箱机械传动系统。3电气无级调速电气无级调速 （1）调速与稳速）调速与稳速 电气调速是通过改变电动机的参数或电源电压等方法来电气调速是通过改变电动机的参数或电源电压等方法来改变电动机的转速，以满足工作机械的不同转速要求。改变电动机的转速，以满足工作机械的不同转速要求。稳速就是设法使电动机转速不随外界扰动而变化，始终稳速就是设法使

4、电动机转速不随外界扰动而变化，始终能精确地保持在给定的数值上的自动调节方法。能精确地保持在给定的数值上的自动调节方法。（2)直流调速的分类直流调速的分类 直流发电机直流发电机直流电动机直流电动机(G-M)系统。系统。它是通过改变发电机的输出电压（此电压加到电机上）它是通过改变发电机的输出电压（此电压加到电机上）来改变电动机转速的调速方法。来改变电动机转速的调速方法。晶闸管晶闸管直流电动机直流电动机(SCR-M)系统。系统。它是通过改变晶闸管的导通角，来控制供给直流电动机它是通过改变晶闸管的导通角，来控制供给直流电动机的输入电压，实现调速的。的输入电压，实现调速的。12A1An0n1nn20MM

5、1M2A2 由于电枢回由于电枢回路电阻压降的路电阻压降的影响，其特性影响，其特性不是平的，电不是平的，电动机负载总是动机负载总是波动的，工作波动的，工作转速也变化，转速也变化，这将影响到产这将影响到产品质量品质量 为此，要设法在负载波动时，转速能在负载波动为此，要设法在负载波动时，转速能在负载波动的的过程中自动维持转速不变，即工作在特性的的过程中自动维持转速不变，即工作在特性2上。上。自动控制系统在负载波动的过程中能自动维持转自动控制系统在负载波动的过程中能自动维持转速不变，这就使转速的自动调整。速不变，这就使转速的自动调整。脉宽调制脉宽调制直流电动机直流电动机(PWM)系统系统。该方法主要优

6、点是抗干扰能力强，效率高。该方法主要优点是抗干扰能力强，效率高。二、调速指标二、调速指标 1.调速范围调速范围 所谓调速范围是指电动机在额定负载下最高转速所谓调速范围是指电动机在额定负载下最高转速nmax与与最低转速最低转速nmin之比。即之比。即 它是利用一定频率的三角波或锯齿波，把模拟控制电压它是利用一定频率的三角波或锯齿波，把模拟控制电压分割成与三角波同频率的矩形波，通过控制矩形波的占空比分割成与三角波同频率的矩形波，通过控制矩形波的占空比来改变直流电机的输入电压，实现调速的。来改变直流电机的输入电压，实现调速的。b许多金属切削机床要求有一定的调速范围。例如重型铣床的许多金属切削机床要求

7、有一定的调速范围。例如重型铣床的进给机构要求最低速度是进给机构要求最低速度是2mm/min2mm/min，最高移动速度是，最高移动速度是600mm/min600mm/min，则要求电动机的调速范围为：，则要求电动机的调速范围为：b一般车床主轴需要的调速范围是一般车床主轴需要的调速范围是20-5020-50；而精密镗床的进给；而精密镗床的进给机构要求机构要求10001000以上；有的精密机床要求宽调速，其调速范围以上；有的精密机床要求宽调速，其调速范围达达1-10001-1000以上。以上。机床类别机床类别D D（主传动）（主传动）D D（进给传动）（进给传动）中型和重型车床中型和重型车床404

8、01001005050150150立式车床立式车床4040606040408080摇臂钻床摇臂钻床2020100010005 54040卧式和立式铣床卧式和立式铣床2020606025256060中型卧式镗床中型卧式镗床252560603030150150中小型龙门刨床中小型龙门刨床4 4101010105050大型龙门刨床大型龙门刨床10103030101050502静差度静差度(速度的稳定度速度的稳定度)在额定负载时的转速降落与理想空载转速之比来表示静在额定负载时的转速降落与理想空载转速之比来表示静差度差度s。即。即 式中式中 n0理想空载转速；理想空载转速；n1实际运行转速；实际运行转速

9、；ned额定负载时转速降落。额定负载时转速降落。通常要求机床控制系统的静特性有较大的硬度，尽量减通常要求机床控制系统的静特性有较大的硬度，尽量减小负载变动引起的转速降落。小负载变动引起的转速降落。也可用百分数来表示也可用百分数来表示 n01n020MedMned1ned212 通常要求机床控制系统的静特性有较大的硬度，尽量减通常要求机床控制系统的静特性有较大的硬度，尽量减小负载变动引起的转速降落。小负载变动引起的转速降落。特性越硬，静差度越小，特性越硬，静差度越小，稳速精度就越高。稳速精度就越高。然而，静差度和特性硬然而，静差度和特性硬度又是有区别的。度又是有区别的。同样硬度的特性，理想空载转

10、速越低时，静差度就越大，同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差度就越大，转速的相对稳定性也就越差。因此，对一个系统的静差度要转速的相对稳定性也就越差。因此，对一个系统的静差度要求，就是对最低速的静差度要求。可见，调速范围和静差度求，就是对最低速的静差度要求。可见，调速范围和静差度这两项指标是互相关联的。这两项指标是互相关联的。各种机床对静差度有不同的要求，例如一般车床主传动各种机床对静差度有不同的要求，例如一般车床主传动要求静差度要求静差度s0.20.3；龙门刨床的工作台传动；龙门刨床的工作台传动s0.1；精；精加工机床加工机床s0.050.1。静差度不但影响产品的表明质量，。静差度不但影响

11、产品的表明质量，而且还影响生产效率，对某些机床还可能影响产品质量。而且还影响生产效率，对某些机床还可能影响产品质量。3调速的平滑性调速的平滑性 调速的平滑性可用两个最相近转速之比采表示。转速改调速的平滑性可用两个最相近转速之比采表示。转速改变得越小，调速的平滑性就越高。变得越小，调速的平滑性就越高。这个比值越接近这个比值越接近1，调速的平滑性越好。无级调速系统，调速的平滑性越好。无级调速系统的调速平滑度的调速平滑度1。在一定的。在一定的调调速范速范围围内，可能得到的内，可能得到的调节调节转转速的速的级级数越多，数越多，则调则调速的平滑性越好，即所速的平滑性越好，即所说说的平滑性的平滑性连连续调

12、节转续调节转速速。4调速的经济性调速的经济性 用调速的设备费用、电力消耗、维护及运转的费用用调速的设备费用、电力消耗、维护及运转的费用来评价其经济性。来评价其经济性。三、恒功率负载，恒转矩负载的速度调节三、恒功率负载，恒转矩负载的速度调节 恒转矩调速是指电动机输出转矩不随转速的改变而改变恒转矩调速是指电动机输出转矩不随转速的改变而改变的调速方法。它是通过改变电机电枢两端电压来调速的。的调速方法。它是通过改变电机电枢两端电压来调速的。式中：式中：Ce电动机电势常数；电动机电势常数；CM电动机转矩常数电动机转矩常数；磁场的磁通量；磁场的磁通量；R电枢回路总电阻。电枢回路总电阻。uDCen+IDR（

13、4-4）（4-5）（4-6）由式由式4-4、4-5得：得：电机转速：电机转速：由式由式4-6、4-7得：得：当当MD=0时时 n=n0=uD/Ce，而而n=Mn=MD DR R/C/Ce eC CM M2 n=n0-nM+uDEDID+ILRL图图4-5 他励直流电动机电路图他励直流电动机电路图0MDMuDnnn0n01n02n04n03图图4-6 改变电压改变电压uD的机械特性的机械特性这时的转速仅与外加电压成正比，称为理想空载转速。这时的转速仅与外加电压成正比，称为理想空载转速。1恒转矩调速恒转矩调速 恒转矩调速是指电动机输出转矩不随转速的改变而改变恒转矩调速是指电动机输出转矩不随转速的改

14、变而改变的调速方法。它是通过改变电机电枢两端电压的调速方法。它是通过改变电机电枢两端电压uD的数值，而的数值，而保持励磁磁通保持励磁磁通和电枢回路电阻和电枢回路电阻R不变来调速的。不变来调速的。转矩转矩MD功功 率率PDnP,MOn1n2图图5-1 恒转矩变速特性恒转矩变速特性 在变速过程中，电在变速过程中，电动机输出转矩不随转速动机输出转矩不随转速改变而改变的电动机变改变而改变的电动机变速特性称作速特性称作“恒转矩变恒转矩变速特性速特性”。这种改变电。这种改变电动机电枢电压的调速方动机电枢电压的调速方法就叫做恒转矩调速。法就叫做恒转矩调速。M+uDEDID+ILRL0MDMuDnnn0n01

15、n02n04n03M+n01n02n03ned1ned2ned3nIedIDn=50r/minn=50r/minTG+R1R2uTGETG2恒功率调速恒功率调速 恒功率调速是指电动机功率不随转速的改变而改变的恒功率调速是指电动机功率不随转速的改变而改变的调速方法。它是通过改变电动机的磁通来调速的。调速方法。它是通过改变电动机的磁通来调速的。nM0MDn01n0n02nH12eded12图图5-2 改变磁通改变磁通的机械特性的机械特性 该调速方法的特点是：电机的转矩是随转速的增高而降该调速方法的特点是：电机的转矩是随转速的增高而降低。低。在考虑调速系统方案时，除考虑满足调速主要指标外，在考虑调速

16、系统方案时，除考虑满足调速主要指标外，同时也要考虑负载的性质，使调速方案完全合理。同时也要考虑负载的性质，使调速方案完全合理。转矩转矩MD功率功率PDnP,MOn1n2图图5-1 恒功率变速特性恒功率变速特性b机床的进给运动可看作是恒转矩负载机床的进给运动可看作是恒转矩负载，譬，譬如卧式车床刀架进给力是较小的，拖动进如卧式车床刀架进给力是较小的，拖动进给装置主要是克服摩擦力，而摩擦力的大给装置主要是克服摩擦力，而摩擦力的大小一般是不随速度的高低而有太大的变化。小一般是不随速度的高低而有太大的变化。所以无论是高速进给，或是低速进给，需所以无论是高速进给，或是低速进给，需要的转矩是一样的，即恒转矩

17、负载。当然要的转矩是一样的，即恒转矩负载。当然需要的功率也就随转速的增高而加大。需要的功率也就随转速的增高而加大。b同样，恒功率性质的负载，如车床的主轴，同样，恒功率性质的负载，如车床的主轴，如果采用恒转矩调速也是不合理的。如果采用恒转矩调速也是不合理的。b直流调速系统，电动机是用直流电动机供电，或直流调速系统，电动机是用直流电动机供电，或用晶闸管整流设备供电。前者称为发电机用晶闸管整流设备供电。前者称为发电机电动电动机调速系统，后者称为晶闸管机调速系统，后者称为晶闸管直流电动机调速直流电动机调速系统。目前已经逐渐用晶闸管整流装置来代替直系统。目前已经逐渐用晶闸管整流装置来代替直流发电机给直流

18、电动机供电。流发电机给直流电动机供电。5.2 反馈的基本概念反馈的基本概念 一、减少转速降落与扩大调速范围一、减少转速降落与扩大调速范围一、减少转速降落与扩大调速范围一、减少转速降落与扩大调速范围M+ned1ned2ned3nIedIDn=50r/minn=50r/min 从机械特性可知，从机械特性可知，当电动机端电压当电动机端电压uD不不变时，负载电流增大，变时，负载电流增大，电动机转速电动机转速n要下降。要下降。改变电压改变电压uD 调速时，这时理想空载转速不同了。但在额定负载下的转速降落n 是一样的。譬如譬如：n=50r/min当当 n01=1000r/min时，时，ned1=n01-n

19、=950r/min n02=100r/min时，时，ned2=n02-n=50r/min n03=50r/min时，时，ned3=n03-n=0 理想空载转速越低，转速降的相对值就越大。理想空载转速越低，转速降的相对值就越大。在实际生产中常常要求电动机转速在加工过程中保持不在实际生产中常常要求电动机转速在加工过程中保持不变，要求转速变化不大于某一给定数值。变，要求转速变化不大于某一给定数值。高速时高速时 s1=n/n01=50/1000=5%低速时低速时 s2=n/n02=50/100=50%显然，低速时的转速波动太大了，超过了实际对静差度显然，低速时的转速波动太大了，超过了实际对静差度的要求

20、。可见静差度和调速范围是有密切关系的。的要求。可见静差度和调速范围是有密切关系的。（2）系统的总放大倍数越大调节系统的准确度越高、）系统的总放大倍数越大调节系统的准确度越高、静差度越小。静差度越小。如果电动机可由最低转速如果电动机可由最低转速ned2调到最高转速调到最高转速ned1，则，则额定负载低速时的静差度为：额定负载低速时的静差度为：电动机调速时，如转速降落一定，所要求的静差度电动机调速时，如转速降落一定，所要求的静差度s2越越小，则调速范围小，则调速范围D也越小。也越小。二、通过反馈控制实现速度自动调整二、通过反馈控制实现速度自动调整二、通过反馈控制实现速度自动调整二、通过反馈控制实现

21、速度自动调整b转速负反馈：转速负反馈：u uTGTG反映了电动机的转速，并返回到输入端参加了反映了电动机的转速，并返回到输入端参加了控制，其极性与控制，其极性与u ug g极性相反，所以称作转速负反馈极性相反，所以称作转速负反馈b闭环控制系统：这种系统是把反映输出转速闭环控制系统：这种系统是把反映输出转速n n的电压的电压u uTGTG反馈到反馈到输入端，与给定电压输入端，与给定电压u ug g比较，形成一个闭环，由于反馈作用，比较，形成一个闭环，由于反馈作用，系统可以自动调整转速，所以称作闭环控制系统。系统可以自动调整转速，所以称作闭环控制系统。b反馈控制：由于达到自动控制转速是由于反馈信号

22、的作用反馈控制：由于达到自动控制转速是由于反馈信号的作用b开环控制系统：系统输出端与输入端之间没有任何电路联系。开环控制系统：系统输出端与输入端之间没有任何电路联系。5.3 转速负反馈自动调速系统转速负反馈自动调速系统 一、转速负反馈调速系统的组成及工作原理一、转速负反馈调速系统的组成及工作原理 测速发电机的电枢电动势测速发电机的电枢电动势ETG为：为：MT G+uukRguTGEdu图图5-3 转速负反馈调速系统转速负反馈调速系统 给定电位器给定电位器放大器放大器触发器触发器整流器整流器测速发电机测速发电机ETGug式中式中 CeTG由测速机结构决定的常数；由测速机结构决定的常数；TG测速发

23、电机励磁磁通量；测速发电机励磁磁通量；n测速发电机转速，即电动机转速。测速发电机转速，即电动机转速。u=ug-uTG 负载负载nuTGuukEdan 负载负载nuTGuukEdan 控制角控制角 电动机能不能完全回升到原来的转速？电动机能不能完全回升到原来的转速？当负载增加时，在主回路产生电压降当负载增加时，在主回路产生电压降IDR。只要负载继。只要负载继续保持，这个电压就继续存在。我们假设原来电动机为空载，续保持，这个电压就继续存在。我们假设原来电动机为空载，要想使电动机转速保持原来的数值，晶闸管整流电压必须比要想使电动机转速保持原来的数值，晶闸管整流电压必须比以前增加以前增加IDR，来补偿

24、这个压降。晶闸管整流器输出电压，来补偿这个压降。晶闸管整流器输出电压增加的条件是必须使电压增加的条件是必须使电压ug增加，使得输出脉冲前移，控制增加，使得输出脉冲前移，控制角减少角减少速负反馈控制系统的主要特点：速负反馈控制系统的主要特点：（1）利用被调量的负反馈进行调节，也就是利用给定）利用被调量的负反馈进行调节，也就是利用给定量与反馈量之差进行控制，被调量维持不变量与反馈量之差进行控制，被调量维持不变(接近不变接近不变)。（2）在晶闸管触发电路之前通常接入一个高放大倍数）在晶闸管触发电路之前通常接入一个高放大倍数的放大器。系统的总放大倍数越大调节系统的准确度越高、的放大器。系统的总放大倍数

25、越大调节系统的准确度越高、静差度越小。静差度越小。上述靠给定与反馈信号之差调整的系统，不能维持被调上述靠给定与反馈信号之差调整的系统，不能维持被调量完全不变的，因此该系统叫做量完全不变的，因此该系统叫做“有差调节系统有差调节系统”。通常把使系统被调量变化的因素称作扰动作用。扰动因通常把使系统被调量变化的因素称作扰动作用。扰动因素很多，例如负载的变化、电动机激磁的变化、晶闸管供电素很多，例如负载的变化、电动机激磁的变化、晶闸管供电电源的变化等。电源的变化等。（1）电动机电枢回路）电动机电枢回路 EdaCenIDR +E（2）晶闸管整流装置）晶闸管整流装置 Eda Ed0 cos（3）放大器）放大

26、器 uk Kp u=Kp（uguTG）（4）转速反馈回路）转速反馈回路 uTG ETG R2/(R1+R2)=R2/(R1+R2)CeTGTGn =KnnKn R2/(R1+R2)CeTGTG =TGCeTGTG二、转速负反馈调速系统静特性分析二、转速负反馈调速系统静特性分析 式中式中 R电枢回路总电阻；电枢回路总电阻；Ce电动机电势常数；电动机电势常数；磁场的磁通量；磁场的磁通量；ID流经电动机的电流；流经电动机的电流；E晶闸管正向管压降晶闸管正向管压降(一般一般E1.2V)。KG即从给定电压到晶闸管整流电压的放大倍数即从给定电压到晶闸管整流电压的放大倍数；K系统开环总放大倍数系统开环总放大

27、倍数；no希望到达的速度；希望到达的速度；n1系统有反馈时转速降落。系统有反馈时转速降落。TG+R1R2uTGETGuTG ETG R2/(R1+R2)=R2/(R1+R2)CeTGTGn =KnnKn R2/(R1+R2)CeTGTG =TGCeTGTGED =Ed0 cos-E -IDR ED =Cen系统开环时的机械特性：系统开环时的机械特性：开环系统主回路电动势平衡方程式为：开环系统主回路电动势平衡方程式为：则开环系统的机械特性为：则开环系统的机械特性为：而闭环系统的机械特性为：而闭环系统的机械特性为：系统加转速负反馈后，在同样负载下，转速降落为原来系统加转速负反馈后，在同样负载下，转

28、速降落为原来开环时的开环时的1/（1+K）倍，即转速降落比开环时的转速降落减）倍，即转速降落比开环时的转速降落减少了（少了（1+K）倍。即放大倍数）倍。即放大倍数K越大转速降落越小。越大转速降落越小。分析系统静特性的目的是要找出减少静态速降、扩大调分析系统静特性的目的是要找出减少静态速降、扩大调速范围的途径、改善系统的调速性能。速范围的途径、改善系统的调速性能。系统静特性方程式如下：系统静特性方程式如下：式中式中 R电枢回路总电阻；电枢回路总电阻；Ce电动机电势常数；电动机电势常数；磁场的磁通量；磁场的磁通量；ID流经电动机的电流；流经电动机的电流；E晶闸管正向管压降晶闸管正向管压降(一般一般

29、E1.2V)。KG即从给定电压到晶闸管整流电压的放大倍数即从给定电压到晶闸管整流电压的放大倍数；K系统开环总放大倍数系统开环总放大倍数；no希望到达的速度；希望到达的速度；n1系统有反馈时转速降落。系统有反馈时转速降落。式中式中 DB闭环系统的调速范围；闭环系统的调速范围；Dk开环系统调速范围。开环系统调速范围。有转速负反馈的闭环系统的有转速负反馈的闭环系统的调速范围调速范围DB比开环系统大比开环系统大(1+K)倍；倍；同时，闭环系统的静态转速降落同时，闭环系统的静态转速降落nB减少为开环系统转速降落减少为开环系统转速降落n的的1(1+K)。如果电动机的最高转速相同，而对静差度的要求也一样，如

30、果电动机的最高转速相同，而对静差度的要求也一样，那么，闭环系统的调速范围是开环系统时调速范围的那么，闭环系统的调速范围是开环系统时调速范围的（1+K）倍。即闭环系统可以获得比开环系统硬得多的特性。）倍。即闭环系统可以获得比开环系统硬得多的特性。负载负载 ID n uD ur u uk Edan M+uukuguDRPu图图4-17 电压负反馈调速系统电压负反馈调速系统 urKiIDEdau=ug-ur5.4 电压负反馈和电流正反馈自动调速系统电压负反馈和电流正反馈自动调速系统 一、电压负反馈环节一、电压负反馈环节 n0nID123图4-18 电压负反馈系统的静特性 转速负反馈系统被调量是转速，

31、因而它只能维持转速负反馈系统被调量是转速，因而它只能维持转速不变，但电压负反馈系统的被调量是电动机的端转速不变，但电压负反馈系统的被调量是电动机的端电压电压uD，因而它只能维持电压，因而它只能维持电压uD接近不变。所以当负接近不变。所以当负载增加时，由于负载电流载增加时，由于负载电流ID产生的电机电枢压降产生的电机电枢压降IDR ，从而使电动机的转速降落增大而得不到补偿。，从而使电动机的转速降落增大而得不到补偿。1开环系统机械特性开环系统机械特性2有电压负反馈的静特性有电压负反馈的静特性3有转速负反馈的静特性有转速负反馈的静特性 电压负反馈引出方法分直接引出与间接引出两种。电压负反馈引出方法分

32、直接引出与间接引出两种。直接引出：直接从主回路电动机两端取出后送到放大器直接引出：直接从主回路电动机两端取出后送到放大器输入端。这种方法简单，但把主回路的高电压和控制回路的输入端。这种方法简单，但把主回路的高电压和控制回路的低电压直接混在一起，没有隔离开，易出故障。因此这种方低电压直接混在一起，没有隔离开，易出故障。因此这种方法仅适用于小容量的调速系统中。法仅适用于小容量的调速系统中。间接引出：在主回路电压较高、电动机容量较大的调速间接引出：在主回路电压较高、电动机容量较大的调速系统中，常采用直流电压隔离器。电压隔离器可以使主回路系统中，常采用直流电压隔离器。电压隔离器可以使主回路的电压与控制

33、回路的电压在电路上隔开，而又能正确地传递的电压与控制回路的电压在电路上隔开，而又能正确地传递电压信号。电压信号。电压负反馈调速系统，由于静特性不够理想，一般仅适电压负反馈调速系统，由于静特性不够理想，一般仅适用于调速范围用于调速范围D 10，静差度，静差度s 15%的系统。的系统。二、电压负反馈和电流正反馈调速系统二、电压负反馈和电流正反馈调速系统 uF=ur2-IDR 加到系统输入端的电压为：加到系统输入端的电压为：u=ug-uF=ug-ur2+IDR M+uukuguDRPu图图4-19 电压负反馈、电流正反馈调速系统电压负反馈、电流正反馈调速系统 uFKiR+r1r2ur2ID取电阻取电

34、阻R上的压降作为电流正反馈信号，把它和电压上的压降作为电流正反馈信号，把它和电压负反馈串联起来，反馈到系统的输入端，此时反馈电负反馈串联起来，反馈到系统的输入端，此时反馈电压为输压为输入端的电压为：入端的电压为：式中式中 r反馈系数；反馈系数；E电动机反电动势。电动机反电动势。但由于平衡条件不易满足，因为电动机发热等原因，但由于平衡条件不易满足，因为电动机发热等原因，Rs不是固定不变的，其它电阻也随温度变化而变化，因此实现不是固定不变的，其它电阻也随温度变化而变化，因此实现电势反馈的条件是相对的。该系统的调速范围没有转速负反电势反馈的条件是相对的。该系统的调速范围没有转速负反馈那样宽，适对于调

35、速范围馈那样宽，适对于调速范围D20以下，静差度以下，静差度s10的场的场合。合。由于省掉一个测速机，在中小容量机床中常用。由于省掉一个测速机，在中小容量机床中常用。如果电流正反馈电阻如果电流正反馈电阻R具有下列关系：具有下列关系：R/（R+Rs）=r2 /（r2+r1）则反馈电压：则反馈电压：5.5 具有电流截止负反馈的自动调速系统具有电流截止负反馈的自动调速系统 一、电流截止负反馈的作用一、电流截止负反馈的作用 采用电流截止负反馈用以限制快速起动、制动和堵转等采用电流截止负反馈用以限制快速起动、制动和堵转等情况下产生的冲击电流。情况下产生的冲击电流。有反馈时的静特性方程：有反馈时的静特性方

36、程：无反馈时的静特性方程：无反馈时的静特性方程：当给定电压当给定电压ug一定时，未加负反一定时，未加负反馈时的理想空载转速为：馈时的理想空载转速为：加入负反馈后的理想空载转速为：加入负反馈后的理想空载转速为：结论：如果给定电压结论：如果给定电压ug不变，则有反馈不变，则有反馈n0B降到原来无降到原来无反馈时的反馈时的n0k的的1/（1+k）倍，即理想空载转速达不到原来的）倍，即理想空载转速达不到原来的要求。要想使有反馈时的转速保持无反馈时的转速，在必须要求。要想使有反馈时的转速保持无反馈时的转速，在必须是增大有反馈时的给定电压，使是增大有反馈时的给定电压，使ugB=（1+k）ug。在电动机开始

37、起动的瞬间，电动机转速接近在电动机开始起动的瞬间，电动机转速接近0，即，即n=0，因此其反馈电压也为因此其反馈电压也为0，所以所以起动时加于放大器输入端，所以所以起动时加于放大器输入端的电压，无反馈时为的电压，无反馈时为ug，有反馈时为，有反馈时为（1+k）ug。由于这个。由于这个电压很大，所以很快使得整流电压达到最大值，电动机起动电压很大，所以很快使得整流电压达到最大值，电动机起动很快，使启动电流很快，使启动电流I也很大。也很大。强迫电动机加快起动，这对要求快速起动、制动的电力强迫电动机加快起动，这对要求快速起动、制动的电力拖动系统，如龙门刨床、插床等是有必要的。由于直流电动拖动系统，如龙门

38、刨床、插床等是有必要的。由于直流电动机一般只允许短时通过机一般只允许短时通过1.42倍的额定电流，所以不少调速倍的额定电流，所以不少调速系统都引入一个电流截止负反馈环节来限制过大的冲击电流。系统都引入一个电流截止负反馈环节来限制过大的冲击电流。二、具有电流截止负反馈的自动调速系统二、具有电流截止负反馈的自动调速系统 M+uukuguDu图图5-6 带有电流截止负反馈的调速系统带有电流截止负反馈的调速系统 uTGKiR+IDTG+uBIDRuL电流截止负反馈电压电流截止负反馈电压 比较电压比较电压 当当ID不大且不大且IDRUB时，二极管时，二极管V截止，电流负反馈不起截止，电流负反馈不起作用作

39、用。n0nIDBI0A图图4-18 带有电流截止负反馈的带有电流截止负反馈的 转速调节系统静特性转速调节系统静特性IEDIDW特性特性n0-A段：在正常工作情段：在正常工作情况下，负债电流况下，负债电流IDI0，此时，此时电流反馈电流反馈uR=I0RUB时，时，二极管二极管V导通，电压导通，电压(IDR-UB)通过二极管通过二极管以并联负反馈的形式加以并联负反馈的形式加到放大器的输入端，减到放大器的输入端，减弱弱U的作用，降低的作用，降低uD从而减小从而减小ID。以上介绍的反馈控制方法的反馈信号直接与以上介绍的反馈控制方法的反馈信号直接与某一参量成正比，即反馈信号强弱与其反映的参某一参量成正比

40、，即反馈信号强弱与其反映的参量大小成正比，统称为量大小成正比，统称为硬反馈。硬反馈。凡是反馈信号不直接反映某一参量，而是凡是反馈信号不直接反映某一参量，而是与某参量的一阶或二阶导数成比例的反馈，这与某参量的一阶或二阶导数成比例的反馈，这种反馈只在动态时起作用，在静态时不起作用，种反馈只在动态时起作用，在静态时不起作用，统称为统称为软反馈。软反馈。5.6 电压微分负反馈电压微分负反馈 以上介绍的反馈控制方法的反馈信号直接与某一参量成以上介绍的反馈控制方法的反馈信号直接与某一参量成正比，统称为正比，统称为硬反馈。硬反馈。凡是反馈信号不直接反映某一参量，而是与某参量的凡是反馈信号不直接反映某一参量，

41、而是与某参量的一阶或二阶导数成比例的反馈，统称为一阶或二阶导数成比例的反馈，统称为软反馈。软反馈。C3，R3构成电压微分负反构成电压微分负反馈回路。馈回路。放大放大触发触发电路电路C3R3MUL+图图5-7电压微分负反馈电压微分负反馈 可以改善系统的动态特性。可以改善系统的动态特性。5.6 无静差自动调速系统无静差自动调速系统 有静差调速系统，放大器只是一个完成比例放大的调节有静差调速系统，放大器只是一个完成比例放大的调节器，靠被调量（转速）与给定量之间的偏差工作器，靠被调量（转速）与给定量之间的偏差工作。若偏差为。若偏差为零，放大器的输出电压为零，晶闸管整流电压也为零，电动零，放大器的输出电

42、压为零，晶闸管整流电压也为零，电动机便要停止转动，系统无法进行工作，这种系统的正常工作机便要停止转动，系统无法进行工作，这种系统的正常工作是依靠偏差来维持的。是依靠偏差来维持的。所谓无静差调速系统，就是系统的被所谓无静差调速系统，就是系统的被调量在静态时完全等于系统的给定量，其偏差为零。调量在静态时完全等于系统的给定量，其偏差为零。一、比例、比例积分调节器一、比例、比例积分调节器 1.比例调节器比例调节器 i0=0i=i01+i02+if=0Usc=Rf/Ro（-ug+uf）Usc=-K（ug-uf）2.比例积分调节器比例积分调节器 i0=0u=0i0=ifif =-i01=-usr/Ro所以

43、电容两端的电压为所以电容两端的电压为：Us=1/C usr/R0 dt=-1/R0C usr dt=-1/0 usr dt调节器输出电压：调节器输出电压：usc=u0-u=ucUsc=1/0 usr dt 从上述分析可知，积分调节器的输出相对输入有明显的从上述分析可知，积分调节器的输出相对输入有明显的滞后作用，尤其滞后作用，尤其0 较大时，将使系统调节时间加长，动态较大时，将使系统调节时间加长，动态响应太迟缓。为了弥补积分调节器的欠缺，组成比例积分调响应太迟缓。为了弥补积分调节器的欠缺，组成比例积分调节器，也称节器，也称PI调节器。即保持了积分调节器的静态无差调节调节器。即保持了积分调节器的静

44、态无差调节的特点，又保持了比例调节器快速性的特点的特点，又保持了比例调节器快速性的特点。i0=0u=0i0=ifif =-i01=-usr/RoUsc=ifR1+uc=ifR1+1/C ifdt=R1usr/R0+1/C1 usr/R0 dt=R1usr/R0+1/R0C1 usr dt=Kpusr+1/i usr dtUsc=Kpusr+1/i usr dti PI调节器积分时间常数调节器积分时间常数Kp PI调节器比例系数调节器比例系数 输出电压由两部分组成，第输出电压由两部分组成，第一部分比例部分，在输入电压加一部分比例部分，在输入电压加上的瞬间，上的瞬间，C1相当短路，此时相当短路，此

45、时只相当于比例调节器，输出电压只相当于比例调节器，输出电压Usc=Kpusr 输出电压毫不迟延输出电压毫不迟延的调到的调到Kpusr 值，因而调节速度值，因而调节速度快。第二部分是积分部分，随着快。第二部分是积分部分，随着C1被充电，被充电，usc不断上升，上升不断上升，上升快慢取决于快慢取决于i。1）由于有比例调节功能，才有了良好的动态响应特性，）由于有比例调节功能，才有了良好的动态响应特性，有了良好的快速性，弥补了积分调节的延缓作用有了良好的快速性，弥补了积分调节的延缓作用。2）由于有积分调节功能，只要输入端有微小的信号，）由于有积分调节功能，只要输入端有微小的信号，积分就进行，直至输出达

46、限幅值为止。在积分过程中，如积分就进行，直至输出达限幅值为止。在积分过程中，如果输入信号变为零，其输出则始终保持输入信号改变前的果输入信号变为零，其输出则始终保持输入信号改变前的那个输出值。那个输出值。比例积分调节器有以下特点：比例积分调节器有以下特点：二、二、采用采用PI调节器的单闭环自动调速系统调节器的单闭环自动调速系统 在一个调节系统中引入了比例积分调节器组成的反馈在一个调节系统中引入了比例积分调节器组成的反馈控制系统能够消除误差，维持被调量不变，这样的调节系控制系统能够消除误差，维持被调量不变，这样的调节系统称为统称为无差调节系统无差调节系统。在采用在采用PI调节器的单闭环调速系统中，

47、被调量是电动调节器的单闭环调速系统中，被调量是电动机的转速，这里比例积分调节器在系统中起调节转速不变机的转速，这里比例积分调节器在系统中起调节转速不变的作用，因此也叫作的作用，因此也叫作速度调节器速度调节器。当电动机起动时，接通速度给定电压当电动机起动时，接通速度给定电压ug，开始时电，开始时电动机转速为零，即动机转速为零，即uTG=0。此时速度调节器输入是很大的。此时速度调节器输入是很大的。速度调节器输出电压很快达到最大值，这个电压使晶闸管速度调节器输出电压很快达到最大值，这个电压使晶闸管整流电压达到最大值。电动机在这个电压下起动，转速迅整流电压达到最大值。电动机在这个电压下起动，转速迅速上

48、升。速上升。当电动机转速上升到给定转速当电动机转速上升到给定转速n1时，速度负反馈电时，速度负反馈电压正好与给定电压相等，也就是此时速度调节器的输入信压正好与给定电压相等，也就是此时速度调节器的输入信号为零。但是由于调节器的积分作用，速度调节器的输出号为零。但是由于调节器的积分作用，速度调节器的输出仍然保持在限幅值，晶闸管整流器输出电压仍然保持在最仍然保持在限幅值，晶闸管整流器输出电压仍然保持在最大值，所以电动机转速要超过大值，所以电动机转速要超过n1继续上升。继续上升。刚一上升，负反馈电压就要大于刚一上升，负反馈电压就要大于ug，此时，此时u0。首先看它的比例输出部分的调节作用，产生的首先看

49、它的比例输出部分的调节作用，产生的偏差偏差n 使晶闸管整流电压增加了使晶闸管整流电压增加了nEda1，如，如c中中曲线曲线1所示。这个电压使电动机转速很快回升，当所示。这个电压使电动机转速很快回升，当转速回到原来转速转速回到原来转速n1以后，以后，Eda1也减少到零也减少到零。当负载增加时，电动机转速降低，调节器输入当负载增加时，电动机转速降低，调节器输入出现偏差出现偏差 u，在几分调节的作用下，晶闸管输出，在几分调节的作用下，晶闸管输出电压开始升高。积分作用产生的电压电压开始升高。积分作用产生的电压Eda2等于调等于调节器输入偏差节器输入偏差 u的积分，也就是说由于调节器的的积分，也就是说由

50、于调节器的积分作用使晶闸管整流电压增加的那一部分电压积分作用使晶闸管整流电压增加的那一部分电压 Eda2等于偏差电压等于偏差电压 u的积分。偏差越大，电压的积分。偏差越大，电压 Eda2增长速度越快，即偏差最大时，电压增长速增长速度越快，即偏差最大时，电压增长速度最快。开始度最快。开始 u很小，很小，Eda2增长很慢，调节增长很慢，调节后期后期 n减小了，减小了，Eda2增加的也慢了。一直到增加的也慢了。一直到 u等于零时等于零时 Eda2才不再继续增加，以后就保才不再继续增加，以后就保持这个值不变持这个值不变。在调节的开始和中间阶段，比例调节起主要作用，它首在调节的开始和中间阶段，比例调节起