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1、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=nmax/ nmin ，其中nmax 是电动机在额定负载下所允许的最高转速，而 nmin是在保证生产机械对转速变化率S 即静差度S2 = Mn/nomin = MN/n02=（n02 nmin）/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（&WS生），才能谈及调速范围。根据D =
2、 nmax院/AnN（1 S2）可知，在nmax与& 一定时，设法减少转速降AnN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Mp,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
3、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： 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） 。从而大大提高了机械特性的硬度，使系统的静差度大为减小。 在给定电压一定时，闭环系统的理想空载转速
4、仅为开环时的 1 （1 K） 倍。为了使闭环系统获得与开环系统相同的理想空载转速，闭环时的给定电压须比开环时的提高（1 + K）倍。 在相同的最高转速和相同的低速最大允许静差度的条件下，闭环系统的调速范围为开环系统的 （1 + K）倍。所以提高开环放大倍数 K 是减小闭环系统静差度、扩大调速范围的有效措施。但K 太大，对系统的动态稳定性不利。在调速系统中采用的反馈形式，除有速度负反馈外，还有：a.电压负反馈。它只能补偿可控整流电源的等效内阻所引起的速度降落，故它主要不是用来稳速， 而是用它来防止过电压，改善动态特性、加快过渡过程。b.电压负反馈与电流正反馈组成的转速负反馈。电流正反馈可以补偿电
5、动机电枢电阻压降IaRa,因而扩大了调速范围，提高了转速的稳定性。只要二者比例配合适当，可以起到速度负反馈的作用。C.电流截止负反馈。它可以获得“堵转”特性 （常称“挖土机”特性），防止电流过大而烧坏电机， 它可以改善电流波形，提高电流波形的填充系数，使过渡过程进行得又快又平稳。4 单闭环无静差调速系统单闭环无静差调速系统中采用比例积分（PI） 调节器，比例部分迅速反映调节作用，动态响应快，积分部分最终消除静态偏差，因此，较好地解决了系统静态与动态的矛盾。从而获得了广泛的应用。对于反馈检测元件和给定电源误差的消除，闭环系统是无能为力的，故高精度的自动调速系统必须有高精度的检测元件和给定电源作保
6、证。单闭环调速系统本身解决不了系统工作时冲击电流大的问题，所以，还要加电流截止负反馈环节来 限制过大的电流。5 双闭环调速系统转速、电流双闭环调速系统是一个具有电流调节器为内环和转速调节器为外环的串级调速系统。两个调节器都采用比例积分调节器，它具有良好的静态、动态特性。就静态特性而言， 电流负反馈内环对于转速环来说只相当于一个扰动作用， 当转速调节器不饱和时，电流负反馈的扰动作用完全被转速调节器的积分作用所抵消，所以，双闭环系统仍是一个无静差调速系统，且在转速调节器饱和、转速环失去作用、仅剩下电流环起作用时，系统相当于恒流调节系统，静特性呈现出很陡的下垂段保护特性。就动态特性而言，在给定信号大
7、范围增加的启动过程中，转速调节器饱和，系统相当于恒值电流调节系统，可基本实现理想启动过程。如果扰动作用在电流环以内，如电网电压的波动，则电流内环能及时加以调节；如果扰动作用在电流环之外，如负载波动，则靠转速环进行调节，此时电流环相当于电流的随动系统，电流反馈加快了跟随作用。6 可逆直流调速系统可逆直流调速系统，采用逻辑控制无环流可逆电路，两组变流器反并联连接实现电动机正反转时，两组变流器交替工作。电动机正转时，I组整流；由正转到反转的制动过程中，n组逆变；电动机反转时，n组整流；由反转到正转的制动过程中，I组逆变。7 晶体管直流脉宽调速系统直流脉宽调速系统，通过改变施加在电动机电枢两端的脉冲电
8、压的宽度，以改变电枢电压平均值的大小，从而实现对电动机调速。晶体管直流脉宽调速系统与晶闸管直流调速系统相比，前者具有许多优点。如主电路所需功率元件少、控制线路简单、低速性能好、调速范围宽、动态响应快等。所以，近年来在中、小容量的调速系统中，它正在逐步取代晶闸管直流调速系统。8 微型计算机控制的直流调速系统由于微型计算机的功能不断加强，以及小型化、智能化的特点，以单片微型计算机为核心的微型计算机控制系统，正在逐步取代以运算放大器等集成电路为主体的控制系统。该类控制系统的最突出的优点是，硬件电路软件化，这不仅容易实现机电传动系统的各种控制功能，而且提高了系统的稳定性和可靠性。9 1.1.2 基本要
9、求 了解机电传动自动调速系统的组成； 了解生产机械对调速系统提出的调速技术指标要求； 深知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； 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； 能根据生产机械的特点和要求来正确选择机电传动控制系统， 能在生产实际中处理控制系统运行 时所出现的一般问题。2 1.1.3 重点与难点3 重点 开环调速系统与闭环调速系统的区别，公式D = nmax 62/ A0n（1S2）与Df = （1-K）D中各个物理量之间的辩证关系，扩大调速范围的正确有效方法； 几种常用反馈（转速负反馈、电压负反馈与电流正反馈、电流截止负反馈）系统的工作原理，特点与作用； 有静差调速系统与无静差调速系统的本质区别； 单闭环调速系统与双闭环调速系统在性能上的区别 （ 转速环、电流环的主要作用 ） ； 晶体管脉宽调速系统的组成基本工作原理与主要特点。2难点 恒转矩调速与恒功率调速问题，特别是电动机的调速性质与生产机械的负载特性相配合问题； 比例积分调节器（ PI 调节器 ） 的调节作用； 双闭环调速系统的动态分析； 晶体管脉宽调速系统中主电路（ 功率开关放大器） 工作时的电压、电流波形分析。 3