直流调速基础知识课件

R1
+ uc
RP2 +
(a) 原理图
udo
M
R0
-ut
TG
扰动
给定 装置
ug
ue (- ) ut
放大器
触发器 控制装置 转速反 馈装置
晶阐管可 控整流器
udo
电动机 受控对象
n
(b) 方框图
闭环控制系统：通过反馈回路使系 统构成闭环并按偏差的性质产生控 制作用，以求减小或消除偏差(从而 减小或消除误差)的控制系统。
n， id n（∞）
I dm IL
(b)
n（∞）
id
IL
(a)
t
0
2、实现理想启动过程的方法
采用转速电流双闭环负反馈调速系统。
（1）启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环 起主要作用，调节启动电流保持最大值，使转速线 性变化，迅速达到给定值；
（2）稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转 速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转 速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。
允许电流Idm。
（二）系统的工作原理 双闭环调速系统的稳态结构图。

Id
Un +
Ui
ASR
U n
U i
U i
ACR +
U ct Ks
R
Id R
E
U d0
-
+
Un
+
1 Ce
n

双闭环调速系统稳态结构图
1、以ACR为核心的电流环——作用是稳定电流 稳态时，ΔUi= -U*i+Ui= -U*i +βId=0，即Id=U*i/β。 其中β为电流反馈系数。
要使自动控制系统满足工程实际的需 要 , 必须研究自动控制系统的结构参数与 系统性能之间的关系。 为了方便地分析系统性能，一般用 框图来表示系统的结构，如图所示:
预期 温度 偏差 _ 控制器 反馈量
执行机构
实际 温度 阀门 水箱
自动控制系统的特征 ：
1. 结构上必须有反馈装置并按负反馈的原则构成系统。
六、 脉宽调制调速技术
1.直流脉宽(PWM)调制原理 2.双闭环可逆直流脉宽调制调速系统的工作原理
1.直流脉宽(PWM)调制原理
PWM控制原理
PWM控制电压波形
桥式PWM驱动装置的控制原理
2.双闭环可逆直流脉宽调制调速系统的工作原理
双闭环可逆直流脉宽调制调速系统的工作原理
(1)脉宽调制器UPW 脉宽调制器是一个电压—脉冲变换装置，由电
闭环控制系统的特点：
1. 系统对外部或内部干扰(如内部件参数变动)的影响不甚敏感。 2. 出于采用反馈装置，导致设备增多，线路复杂。
3. 闭环系统存在稳定性问题。由于反馈通道的存在，对于那些
惯性较大的系统，若参数配合不当，控制性能可能变得很
差．甚至出现发散或等幅振荡等不稳定的情况。
注意：对于主反馈必须采用负反馈。若采用正反馈将使 偏差越来越大。
二、转速负反馈直流调速系统
常用PID控制器应用领域简析：
① P、I、D控制器一般不单独使用； ② PD调节器可提高系统的稳定性，并获得足够的快速性，但稳态精度
可能受到影响；
③ PI调节器可以提高稳态精度，但快速性较差； ④PID调节器兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但具体实现
与调试要复杂一些；
当U*i一定时，由于电流负反馈的作用，使输出电流保持在 U*i/β数值上。当Id >U*i /β时，调节过程如下：
I d Ui （ Ui* I d） 0 U ct U d I d
最终保持电流稳定。当电流下降时，也有类似的调节过程。
2.以ASR为核心的转速环——作用是稳定转速。
稳态时，ΔUn=U*n-αn=0，即n= U*n /α。其中α为转速反馈 系数。当U*n一定时，转速n将稳定在U*n /α数值上。
当n<U*n /α时，其自动调节过程如下：
* 负载 n U n （U n n） 0 U i* 0 U i 0 U ct U d n
前向通道：系统输入量到输出量之间的通道。
反馈通道：从输出量到反馈信号之间的通道。
比较环节：输出量为各输入量的代数和。 输入量：ur 输出量：n
uf 反馈量：
控制量： u
a
偏差量( ue )＝给定量 ( ur )－反馈量(u f )
Mc↑→n↓→uf↓→ue(=ur-uf)↑→ua↑→n↑
+ RP1 R0 ug +
GT：单结晶体管、锯齿波、正弦波触发器; 整流装置：单相、三相、半控、全控.
(d)速度检测环节 ：测速机反馈线路 求出(反馈系数) 2Cetg ; 单位 V min/ r
(e)直流电动机环节
L R 直流他励电动机的两个独立的电路：一个是电枢回
路，另一个是励磁回路。
R
+IBiblioteka UnEL
2. 由偏差产生控制作用。 3. 控制的目的是尽量的减小或消除偏差，使输出量接近 于期望值。
自动控制系统定义： 是一个带有反馈装置的动力学系统。系统能自动而连 续地测量被控制量，并求出偏差，进而根据偏差的大小 和正负极性进行控制，而控制的目的是力图减小或消除 所存在的偏差。
自动控制系统：为了实现各种复杂的
Id
+
n
E
Te
U
TL
+
Uf If
+
Uf If
直流电动机电路图
直流电动机电路图
五、转速、电流双闭环调速系统
问题的提出：
电流截止负反馈只能在整个启动过程中限制最大电流，而 不能维持最大电流，影响启动快速性（即启动时间ts较长）。
n， id
I dm
n， id n（∞）
I dm IL
(b)
n（∞）
id n
（二）转速调节器的作用： 1、起转速调节作用。
* （1）使转速n跟随给定电压 U n 变化。 / （2）稳态运行时，稳定转速。使转速保持在n U n 的数值上，无静差。
2、在负载变化（或各环节产生扰动）而使转速出现 偏差时，靠ASR的调节作用来消除转速偏差，保持转速 恒定。 3、ASR的输出限幅值决定了系统允许的最大电流， 作用于ACR，以获得较快的动态响应。
按扰动控制的开环控制系统，是利用可测量的扰动
量，产生一种补偿作用，以减小或抵消扰动对输出 的影响，这种控制方式也称顺馈控制。
+
ur
+
n
M
+ -
0
0 0
ue
0
功率 放大
ua R -
+
负载

i
0
-
按扰动控制的速度控制系统
0
0 0
+
0
0
ub
-
电压 放大
开环控制系统的特点： 1. 结构简单、造价低。 2. 系统的控制精度取决于给定信号的标定精度及控制器 及被控对象参数的稳定性。 3. 开环系统没有抗干扰的能力。因此精度较低。 应用场合： 1. 2. 控制量的变化规律可以预知。 可能出现的干扰可以抑制。
调压器
加热电阻丝
u
~220V
(手柄位置)
控制装置
(a) 原理图
(b) 方块图
•开环控制
+
GT V udo M
ug
(a) 原理图 扰动量 给定信号
(电压)
触发 器
晶闸管可 控整流器 控制装置 (b) 方块图
输出量 电动机 被控对象 (转速)
•控制装置与被控对象之间只有顺向作用而无反向联系。 结论：开环控制优点——结构简单，缺点——无抗干扰能力
Uf
调速系统结构图
un
_
e
放大器
ud
直流电动机
n
uf
测速机
由电网电压波动，负载变化以及其他 闭环控制系统具有的特点： 部分的参数变化所引起的转速变化，都可 减小或消除由于扰动所形成的偏差值， 以通过系统的自动调整加以抑制。 具有较高的控制精度和较强的抗扰能力。 n↓ →Uf↓ →e↑ →Ud↑ →n↑
控制任务，首先要将被控对象和控制装置
按照一定的方式连接起来，组成一个有机 整体，这就是自动控制系统。
自动控制系统的基本控制方式
1. 开环控制 2. 闭环控制 3. 复合控制
•开环控制
•开环控制系统的方框图
扰动 输入量 控制装置 被控对象
输出量
温度计
调压器
扰动量 输入量 加热 电阻丝 输出量 电炉 恒温箱 (温度) 被控对象
最终保持转速稳定。当转速上升时，也有类似的调节过程。
双闭环调速系统中两个调节器的作用
（一）ACR的作用： 1、起电流调节作用。 （ 1）启动时，在 ASR的饱和作用下，经 ACR调节，使电枢 电流保持允许的最大值Idm，加快过渡过程，实现快速起动。 （ 2）通过设置 ASR 的饱和限幅值，依靠 ACR的调节作用， / 可限制最大电枢电流，I dm Uim 2、当电网波动时，通过ACR的调节，使电网电压的波动几 乎不对转速产生影响。 3、在电机过载甚至堵转时，一方面限制过大的电流，起到快 速保护作用；另一方面，使转速迅速下降，实现了“挖土机” 特性。
0
(a)
IL
t
0
调速系统启动过程的电流和转速波形
解决问题的措施——实现理想的启动 1、理想启动过程
理想启动波形如下图示，整个启动过程中，启动电流一直保 持最大允许值，此时电动机以最大转矩启动，转速以直线规 律上升；启动结束后，电流从最大值下降为负载电流值且保 持不变，转速维持给定转速不变。
I dm
转速电流双闭环调速系统的组成及工作原理
（一）系统的组成 转速、电流双闭环直流调速系统原理图。
TA
Ui +
I L
Un +
U n
- Un
ASR
U i -
GT
U ct
V
U i
ACR
Id
+
M
TG
n n
图1-31 双环调速系统原理图
1、设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。
2、ACR和电流检测-反馈回路构成了电流环，电 流环为内环（副环）；ASR和转速检测-反馈环节 构成了转速环，转速环为外环（又称主环）。 ASR和ACR均为PI调节器，其输入输出设有限幅电路。 ACR输出限幅值为Uctm，它限制了晶闸管整流器输出电 压Udm的最大值。 ASR输出限幅值为U*im，它决定了主回路中的最大
流调节器ACR(速度调节器ASR、电流调节器ACR的调节方式和晶闸管
直流调速系统的调节器相同)输出的控制电压Uc进行控制，为PWM装 置提供脉冲信号，其脉冲宽度与Uc成正比。
1)用锯齿波作调制信号的脉宽调制器。 2)用三角波作调制信号的脉宽调制器。 3)用多谐振荡器和单稳态触发器组成的脉宽调制器。 4)数字式脉宽调制器。
⑤一般的调速系统要求以动态稳定性和稳态精度为主，对快速性的要求
可以差一些，所以主要采用PI调节器；在随动系统中，快速性是主要要 求，须用 PD 或PID 调节器。
比例积分直流调速系统分析
结论
① 积分部分消除静差 ② 比例部分加快响应
③ 确定调节器的参数是关键
转速负反馈晶闸管直流调速系统的组成
电源及晶闸管电路 触发 电路
锯齿波脉宽调制器
锯齿波脉宽调制器波形 a)ui=0 b)ui＞0 c)ui＜0
(2)基极驱动器 脉宽调制器输出的脉冲信号经过信号分配和逻辑延迟
后，送给基极驱动器做功率放大，以驱动主电路的功率晶体管，
每个晶体管应有独立的基极驱动器。
1)由于各驱动器是独立的，但控制电路共用，因此必须使控制电路与
驱动电路互相隔离，一般采用光电隔离。 2)正确的驱动电流波形如图6-24所示，每一个开关过程包括3个阶段，
给 定 电 位 器
电 动 机
比较环节+比例调节器 测速电机
电流 载止 比较 电路
各个环节介绍：
( a ) 给 定 环 节 —— 产 生 控 制 信 号 ： 由 高 精 度 直 流 稳压电源和用于改变控制信号的电位器组成。
(b)比较与放大环节——信号的比较与放大；由P、I、 PI运放器组成
(c)触发器和整流装置环节（组合体）--功率放大
反馈：将检测出来的输出量送回到系统的输入端， 并与输入信号比较的过程。反馈分为负反馈（反馈
信号与输入信号相减）和正反馈（反馈信号与输入
信号相加）。
例 水温自动控制系统
系统中增加了： 通过电机调 控制器 节阀门的开度 电机 从而调节蒸 工作原理： 汽流入，控制
水的温度 .实 加入给定信号 现没有人直接 检测实际温度 参入的自动水 产生控制信号 温控制.
3.
被控量很难测量。
应用较为广泛，如家电、加热炉、车床等等。
闭环控制 控制装置与受控对象之间，不但有顺向作用， 而且还有反向联系.
闭环控制又称为反馈控制或按偏差控制。
例 转速负反馈直流电动机调速系统
e Un U f
系统组成： 给定电压 直流电机 反馈电压 测速发电机
Un
转速取决于给 电源和放 大装置 定电压与反馈 电压的差值。 负载
一、自动控制基本概念
自动控制：是指在没有人直接参与的条件下，利用外加
的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备
或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数 （即被控量）自动地按照预定的规律运行。 系统：由相互制约的各个部分按一定的规律组成的、为 达到一定目的、具有一定功能的整体。 自动控制理论：是研究自动控制共同规律的科学。