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1、机电传动控制第1页，本讲稿共52页第一节 机电传动控制系统的组成和分类开开环环控控制制系系统统：只只有有控控制制量量(输输入入量量)对对被被控控制制量量(输输出出量量)的的单单向向控控制制作作用用，而而不不存存在在被被控控制制量量对对控控制制量量的的影影响响和和联联系系闭闭环环控控制制系系统统：其其特特点点是是输输入入量量与与输输出出量量之之间间既既有有正正向向的的控控制制作作用用，又又有有反反向向的的反反馈馈控控制制作作用用，形形成成一一个个闭环。故又称闭环控制系统或反馈控制系统。闭环。故又称闭环控制系统或反馈控制系统。一、自动控制系统分类：（1）从组成原理上分类第2页，本讲稿共52页特点：
2、特点：系统简单；控制精度不高。系统简单；控制精度不高。闭环控制系统：闭环控制系统：开环控制系统：特点：特点：系统较复杂；控制精度高。系统较复杂；控制精度高。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：（1）从组成原理上分类（2 2）按反馈方式的不同，可分为）按反馈方式的不同，可分为 转速负反馈、电势负反馈、电压负反馈及电流转速负反馈、电势负反馈、电压负反馈及电流 正反馈正反馈控制系统；控制系统；（3 3）按系统的复杂程度，可分为）按系统的复杂程度，可分为 单环自动调节系统和多环自动调节系统；单环自动调节系统和多环自动调节系统；第3页，本讲稿共52页（4 4）按系统稳态时被调量与给
3、定量有无差别，可分为）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有静差调节系统和无静差调节系统。（5 5）按给定量变化的规律，可分为）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。定值调节系统、程序控制系统和随动系统。（6 6）按调节动作与时间的关系，可分为）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；断续控制系统和连续控制系统；（7 7）按系统中所包含的元件特性，可分为）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。线性控制系统和非线性控制系统。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：第4
4、页，本讲稿共52页二、一般自动控制系统组成：给定环节放大调节环节执行环节被调对象被调量扰动测量环节比较Ug+EBRn第一节 机电传动控制系统的组成和分类第5页，本讲稿共52页第二节第二节 机电传动控制系统调速方案选择机电传动控制系统调速方案选择一、调速方法一、调速方法纯纯机机械械方方法法调调速速:通通过过变变速速齿齿轮轮箱箱或或几几套套变变速速皮皮带带轮轮或或其其他变速机构来实现；他变速机构来实现；纯纯电电气气方方法法调调速速:通通过过改改变变电电动动机机的的机机械械持持性性实实现现，这这时时机械变速机构简单、只一套变速齿轮或皮带轮；机械变速机构简单、只一套变速齿轮或皮带轮；电电气气与与机机械
5、械配配合合调调速速:用用电电动动机机来来得得到到多多种种转转速速，同同时时，又用机械变速机构的换档来进行变速。又用机械变速机构的换档来进行变速。电电气气调调速速优优点点：简简化化机机械械变变速速机机构构，提提高高传传动动效效率率,操操作作简简单单。易易于于获获得得无无级级调调速速，便便于于实实现现远远距距离离控控制制和和自自动动控控制制，因因此此，在生产机械中广泛应用。在生产机械中广泛应用。第6页，本讲稿共52页二二.技术指标要求技术指标要求 静态指标：1）调速范围：D=nmax/nmin2）静差度：S=n0-nN/n0 用来表示生产机械的相对稳定性；3）调速的平滑性，通常用两个相 邻调速级的
6、转速差来衡量。第二节 机电传动控制系统调速方案选择第7页，本讲稿共52页 动态指标：1）最大超调量2)2)过渡过程时间过渡过程时间 T T3)3)振荡次数振荡次数 N N第二节 机电传动控制系统调速方案选择第8页，本讲稿共52页第三节第三节 晶闸管电动机直流传动控制系统晶闸管电动机直流传动控制系统 分类：分类：GM，SCR-M第9页，本讲稿共52页 测测速速发发电电机机：与与直直流流电电动动机机M同同轴轴相相连连，即即两两者者的的速速度度相相同同，测测速速发发电电机机用用来来测测量量电电动动机机的的速速度度，称检测元件；称检测元件；转转换换元元件件：将将测测速速发发电电机机的的转转速速转转换换
7、成成电电压压信信号号以便与给定电压进行比较。以便与给定电压进行比较。给定电位器：给定电位器：调调节节Rg的位置可改变给的位置可改变给定电压定电压Ug的大小的大小。放大器：放大器：将外加电压和将外加电压和反馈信号经转换后的电压之反馈信号经转换后的电压之差进行放大。差进行放大。触触发发电电路路：将将放放大大器器放放大大后后的的电电压压信信号号变变为为脉脉冲冲型型号号去去控控制制整整流流电路的输出大小。电路的输出大小。整整流流电电路路：变变交交流流电电压压为为直直流流电电压压，输输出出电电压压大大小小由由触触发发电电路路输输出出脉脉冲冲信信号号所所决决定定，整整流流电电路路的的输输出出为为直直流流电
8、电动动机机电电枢枢的的外外加加电压；电压；直直流流电电动动机机：系系统统的的控制对象。控制对象。第10页，本讲稿共52页1.有静差调速系统（转速负反馈）自动调节过程自动调节过程:U Ug g一定时一定时,TL Uf Ud nU UKn 一、单闭环直流调速系统第11页，本讲稿共52页 2.工作原理工作原理 当当Ug、Uf不变时，电动机的转速不变，这种状态称为稳态。不变时，电动机的转速不变，这种状态称为稳态。(2)调速（调速（Uf不变，改变不变，改变Ug的大小）的大小）改变改变Ug的大小可改变电动机的转速，这种状态称为调速的大小可改变电动机的转速，这种状态称为调速.(1)稳态（稳态（Ug、Uf 不
9、变）不变）(3)稳速（稳速（Ug不变、负载变化使不变、负载变化使Uf变化变化)当当负负载载发发生生变变化化使使速速度度发发生生变变化化后后，系系统统通通过过反反馈馈能能维维持持速速度度基本不变，这种状态称为稳速。基本不变，这种状态称为稳速。1.有静差调速系统（转速负反馈）第12页，本讲稿共52页 开环时开环时Ug一定时一定时 若若n0f=n0时时 闭环时 一、单闭环直流调速系统第13页，本讲稿共52页开环:若nmax和S2不变时闭环:增大增大K K是减小静态转速降落，扩大是减小静态转速降落，扩大D D的有效措施。的有效措施。转转速速负负反反馈馈调调速速系系统统能能克克服服扰扰动动作作用用（如如
10、负负载载变变化化、电电动动机机励励磁磁的的变变化化、晶晶闸闸管管电电源源电电压压的的变变化化）对对电电动动机机转转速速的的影影响响。但测量元件本身的误差对电动机转速的影响是无法克服的。但测量元件本身的误差对电动机转速的影响是无法克服的。一、单闭环直流调速系统第14页，本讲稿共52页 结论：闭环系统可以获得比开环系统更多的稳态特性，从而在保证一定静差度S的条件下，能够提高D，为此付出的代价是增设检测反馈装置和放大器。一、单闭环直流调速系统第15页，本讲稿共52页2.有静差调速系统（电压负反馈）一、单闭环直流调速系统第16页，本讲稿共52页 有静差调速系统（电压负反馈）特点：有静差调速系统（电压负
11、反馈）特点：（1 1）采用电位计取电压量，线路简单；）采用电位计取电压量，线路简单；（2 2）稳速效果不好，主要用作防止过压，改善动态）稳速效果不好，主要用作防止过压，改善动态 特性、加快过渡过程；特性、加快过渡过程；（3 3）对由于电枢电阻而引起的降压不能补偿（反馈）对由于电枢电阻而引起的降压不能补偿（反馈 环外），环外），U=E+IU=E+Ia aR R。有静差调节系统采用有静差调节系统采用比例放大器比例放大器，所以系统总，所以系统总存在存在静差静差。若采用。若采用PI放大器放大器则可实现则可实现无静差系无静差系统统。一、单闭环直流调速系统第17页，本讲稿共52页 3、无静差调速系统（转速
12、负反馈）一、单闭环直流调速系统第18页，本讲稿共52页二、无静差转速负反馈调速系统1.比例积分（PI）调节器比例器调节器其输入输出之间的关系如下：积分调节器其输入输出之间的关系如下：第19页，本讲稿共52页1）无差元件PI调节器：P P：响应快，反应快速性；：响应快，反应快速性；I I：响应慢，稳态无静差。：响应慢，稳态无静差。一、单闭环直流调速系统第20页，本讲稿共52页 一、单闭环直流调速系统2）自动调节过程:调调节节初初期期，P P调调节节起起主主要要作作用用，使使 转转 速速 迅迅 速速 回回 升升，反应了系统的快速性；反应了系统的快速性；调调节节末末期期，I I调调节节起起主主要要作
13、作用用，最最终终消消除除偏偏差差，实实现现系系统统稳稳态无静差。态无静差。第21页，本讲稿共52页1 1、调调节节初初期期，P P调调节节起起主主要要作作用用，使使转转速速迅迅速速回回升升，反反应应了了系系统统的的快快速速性性；调调节节末末期期，I I调调节节起起主主要要作作 用用，最最终终消消除除偏偏差差，实实现现系系统统稳稳态态无无静静差差。既既能能获获 得较高的静态精度，又具有较快的动态响应。得较高的静态精度，又具有较快的动态响应。2 2、系系统统稳稳态态无无静静差差，但但动动态态过过程程中中有有偏偏差差，即即动动态态速速 降。降。3 3、实实际际的的无无静静差差调调速速系系统统由由于于
14、放放大大器器、检检测测装装置置的的误误 差存在，还是有一定的偏差。差存在，还是有一定的偏差。结 论：一、单闭环直流调速系统第22页，本讲稿共52页1.转速、电流双闭环调速系统 二、双闭环直流调速系统 由由PIPI调调节节器器组组成成的的转转速速单单闭闭环环系系统统，可可以以满满足足一一般般生生产产机机械械的的要要求求，但但有有些些负负载载要要求求正正反反转转，启启制制动动（如如龙龙门门刨床），为了提高生产效率，过渡过程越短越好。刨床），为了提高生产效率，过渡过程越短越好。由由T=KT=Km mI Ia a 知知：若若保保证证I Ia a=I Imaxmax则则过过渡渡过过程程最最短短。单单闭环
15、系统只保证闭环系统只保证n n 恒定，而对恒定，而对I I 没有控制。没有控制。反反馈馈控控制制规规律律 ：要要想想保保持持某某量量不不变变，则则引引入入该该量量的的负负反反馈馈。因因此此，可可在在转转速速环环基基础础上上增增加加一一个个电电流流环环，形形成成双双闭环系统。闭环系统。第三节晶闸管电动机直流传动控制系统第23页，本讲稿共52页速度负反馈（速度环）电流负反馈（电流环）2.组成：组成：1）双环：转速环）双环：转速环-外环，电流环外环，电流环-内环；内环；2）转转速速调调节节器器ST，电电流流调调节节器器LT都都是是PI结结构构。ST的的输输出出信信号号作作为为LT的的输输入入信信号号
16、，LT的的输输出出信信号号Uk控控制制整整流流器器，从从而而控控制制 Ud n。二、双闭环直流调速系统第24页，本讲稿共52页3.3.静态分析静态分析:ST、LT都都是是具具有有限限幅幅的的PI调调节节器器，特特点点：调调节节器器一一旦旦饱饱和和，输输出出为为恒恒值值，输输出出信信号号不不再再受受输输入入信信号号变变化化的的影影响响；只只有有当当输输入入信信号号为为负负值值时时，调调节节器器退退饱饱和和，输输出出信信号号才才受受输入信号的控制。输入信号的控制。二、双闭环直流调速系统第25页，本讲稿共52页3.3.静态分析静态分析:在在双双闭闭环环中中，ST有有两两种种状状态态：饱饱和和，不不饱
17、饱和和状状态态。LT只有一种状态：不饱和只有一种状态：不饱和。1）开开始始时时，系系统统加加Ugn，因因n不不能能立立即即建建立立，则则Ufn0，偏偏差差电电压压很很大大。ST进进入入饱饱和和状状态态，输输出出最最大大值值Ugi=Ugimax，相相当当于转速环开环，只有电流环，系统进行恒电流无静差调节。于转速环开环，只有电流环，系统进行恒电流无静差调节。二、双闭环直流调速系统第26页，本讲稿共52页3.3.静态分析静态分析:在在双双闭闭环环中中，ST有有两两种种状状态态：饱饱和和，不不饱饱和和状状态态。LT只只有一种状态：不饱和有一种状态：不饱和。1）开开始始时时，系系统统加加Ugn，因因n不
18、不能能立立即即建建立立，则则Ufn0，偏偏差差电电压压很很大大。ST进进入入饱饱和和状状态态，输输出出最最大大值值Ugi=Ugimax，相相当当于于转转速速环环开开环环，只只有有电电流流环环，系系统统进进行行恒恒电电流流无无静静差调节。差调节。2）当当达达到到稳稳定定转转速速时时，电电动动机机转转速速因因惯惯性性出出现现超超调调，ST退退饱饱和和，转转速速环环起起作作用用，实实现现转转速速无无静静差差调调节节。稳稳态态时，偏差电压、偏差电流为时，偏差电压、偏差电流为0，n恒定，电动机稳定运行。恒定，电动机稳定运行。二、双闭环直流调速系统第27页，本讲稿共52页I电电流流上上升升阶阶段段：突突加
19、加Ugn，n不不能能突突变变，偏偏差差电电压压很很大大，ST饱饱和和。给给LT提提供供一一个个恒恒定定的的给给定定信信号号，建建立立起起I。只有电流环起作用，当只有电流环起作用，当IaIL有有n。II恒恒流流升升速速阶阶段段：当当I=Imax,在在PI作作用用下下,LT恒流调节恒流调节,n线性增加。线性增加。III转转速速调调节节阶阶段段：当当UfnUgn,ST退退饱饱和，双环作用和，双环作用,直到稳定状态直到稳定状态.4.动态分析:第28页，本讲稿共52页 转速、电流双闭环调速系统特点：转速、电流双闭环调速系统特点：系系统统的的调调整整性性能能好好、有有很很硬硬的的静静持持性性，基基本本上上
20、无无 静差；静差；动态响应快，启动时间短动态响应快，启动时间短；两两个个调调节节器器可可分分别别设设计计调调整整方方便便(先先调调电电流流环环，再调速度环再调速度环)；系统的抗干扰能力强。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。所以，它在自动调速系统中得到了广泛的应用。二、双闭环直流调速系统第29页，本讲稿共52页三、可逆调速系统第三节 晶闸管电动机直流传动控制系统1、利用接触器进行切换的可逆线路2 2、利用晶闸管切换、利用晶闸管切换的可逆线路的可逆线路 只适用于几十只适用于几十kWkW以下的可逆调速以下的可逆调速系统。系统。第30页，本讲稿共52页三、可逆调速系统第三节
21、 晶闸管电动机直流传动控制系统 采用两套晶闸管变流器分别提供正、反两个方向的电枢电流，实现电动机的可逆运转，这种系统目前应用比较广泛。第31页，本讲稿共52页第四节 晶体管电动机直流脉宽调速系统 1.工作原理：决定转向和转速第32页，本讲稿共52页第四节 晶体管电动机直流脉宽调速系统 1.工作原理：第33页，本讲稿共52页2 2、PWMPWM调速系统特点：调速系统特点：1)主电路所需的功率元件少。2)控制线路简单。3)PWM放大器的开关频率比晶闸管三相全控整流桥 的开关频率约高一个数量级。4)晶体管脉宽调制放大器的电压放大系数不随输出 电压的改变而变化，低速性能好。第四节 晶体管电动机直流脉宽
22、调速系统 因因受受大大功功率率晶晶体体管管最最大大电电压压、电电流流定定额额的的限限制制，PWMPWM还还只只能能在在中中、小小容容量量的的调调运运系系统统中中取取代代晶晶闸闸管管直直流流调调速速系系统。统。第34页，本讲稿共52页第十二章 交流传动控制系统第35页，本讲稿共52页第十二章 交流传动控制系统 由由于于交交流流电电动动机机本本身身就就是是一一个个多多变变量量强强耦耦合合的的系系统统。从从理理论论上上说说，交交流流调调速速系系统统比比直直流流调调速速系系统统复复杂杂得得多多。但但随随着着变变频频调调速速及及其其高高精精度度数数字字化化控控制制方方式式的的实实现现，使使得得大大多多数
23、数的的运运算算都都可可以以用用标标准准功功能能的的软软件件模模块块来来实实现现，对对用用户户而而言言，省省去去了了大大量量的的维维护护工工作作量量。加加之之交交流流电电动动机机自自身身的的耐耐环环境境，耐耐冲冲击击，过过载载能能力力强强，制制造造方方便便，经经济济又又为为交交流流电电动动机机的的变变频频调调速速控制提供了广阔的发展空间。控制提供了广阔的发展空间。第36页，本讲稿共52页 交流电动机有同步电动机与异步电动机两大类。同步电动机的调速靠改变供电电压的频率来改变其同步转速；第十二章 交流传动控制系统 由由异异步步电电动动机机的的调调速速特特性性知知：异异步步电电动动机机的的调调速速方方
24、法法可分为三种，即改变可分为三种，即改变S、p 和和f 。从控制技术来看，不外乎有：控制定子绕组的电压从控制技术来看，不外乎有：控制定子绕组的电压调压调压调速调速；控制转子回路的电势；控制转子回路的电势串级调速串级调速；控制定子的供电电；控制定子的供电电压与频率压与频率变频调速变频调速；无换向器电机调速系统和电磁转差无换向器电机调速系统和电磁转差离合器调速系统离合器调速系统等几种方法。等几种方法。第37页，本讲稿共52页根据异步电动机的基本原理：根据异步电动机的基本原理：消耗型：消耗型：降压调速；串降压调速；串R R调速；电磁转差离合器调速调速；电磁转差离合器调速;回馈型：回馈型：串级调速串级
25、调速;不变型：不变型：变变f,f,变变P P调速。调速。交流调速的基本类型：第十二章 交流传动控制系统 是否消耗是否消耗转差功率转差功率来评价调速系统效率的高低。来评价调速系统效率的高低。第38页，本讲稿共52页1.1.调速原理：调速原理：电电枢枢1 1与与电电机机轴轴相相连连，与与电电机机转转子子同同速速旋旋转转，在在励励磁磁绕绕组组3 3通通以以直直流流电电。由由于于感感应应电电流流与与磁磁通通相相互互作作用用，产产生生电电磁磁力力矩矩使使磁磁极极跟跟着着电电枢枢同同向向旋旋转转，从从而而拖拖动动生生产产机机械械。改改变变直直流流电电压压，可改变负载的转速。可改变负载的转速。第一节 电磁转
26、差离合器调速系统第39页，本讲稿共52页改变电压第一节 电磁转差离合器调速系统调速系统原理图：改变整流电压改变整流电压励磁电流励磁电流磁极的转速磁极的转速负载的转速负载的转速滑差电机第40页，本讲稿共52页2.调速系统机械特性：引入速度负反馈后第一节 电磁转差离合器调速系统第41页，本讲稿共52页调速特点：调速特点：通通过过改改变变电电磁磁离离合合器器的的励励滋滋电电流流来来实实现现调调速速的的，对异步电动机本身并不进行调速。对异步电动机本身并不进行调速。优优点点：结结构构简简单单、运运行行可可靠靠、维维护护方方便便、加加工工容容易易、能能平平滑滑调调速速。用用闭闭环环系系统统可可扩扩大大笼笼
27、型型转转子子异异步步电电动动机机的的调调速速范范围和调速精度。围和调速精度。缺缺点点：必必须须增增加加电电磁磁转转差差离离合合器器设设备备，低低速速运运行行时时损损耗耗较大而且调速效率比较低。较大而且调速效率比较低。第一节 电磁转差离合器调速系统第42页，本讲稿共52页第二节 交流调压调速系统单相交流调压电路 单相交流调压电路的种类很多，但应用最广的是反并联电路。第43页，本讲稿共52页调速特点：第二节 交流调压调速系统第44页，本讲稿共52页加速度反馈的调速系统：可以使机械特性变硬，调速范围变宽。第二节 交流调压调速系统第45页，本讲稿共52页变频调速原理：保证U/f=定值，或保证 定值，可
28、以实现恒转矩调速或恒功率调速。第三节 晶闸管变频调速系统变频调速系统的分类：变频调速系统的分类：1 1）交）交-直直-交变频调速（带直流环的间接变频调速）交变频调速（带直流环的间接变频调速）;2 2）交）交-交变频调速（直接变频调速）。交变频调速（直接变频调速）。第46页，本讲稿共52页第三节 晶闸管变频调速系统1.交-直-交变频调速系统首首先先将将电电网网中中的的交交流流电电整整流流成成直直流流电电，再再通通过过逆逆变变器器将将直直流流电电逆逆变变为为频频率率可可调调的的交交流流电。电。第47页，本讲稿共52页第三节 晶闸管变频调速系统1.交-直-交变频调速系统第48页，本讲稿共52页2.2
29、.交交-交变频调速系统交变频调速系统交交交交变变频频是是直直接接将将固固定定频频率率的的交交流流电电能能变变成成所所需需频频率率的的电电能能，而而不不经经过过中中间间直直流流环环节节故故也也称为称为直接变频直接变频。第三节 晶闸管变频调速系统第49页，本讲稿共52页2.2.交交-交变频调速系统交变频调速系统第三节 晶闸管变频调速系统第50页，本讲稿共52页交交-交变频调速系统的特点交变频调速系统的特点:交交交变频调速与交交变频调速与交直直交变频调速相比交变频调速相比优优点点：节节省省了了换换流流环环节节，提提高高了了效效率率；在在低低频频时时波波形形较较好好，电动机谐波损耗及转矩的脉动大大减小。电动机谐波损耗及转矩的脉动大大减小。缺点：缺点：最高频率受电网频率的限制，且主回路元件数量多。最高频率受电网频率的限制，且主回路元件数量多。应应用用场场合合：一一般般适适用用于于低低速速、大大容容量量的的场场合合，如如球球磨磨机机、矿井提升机、矿井提升机、电力机车及轧机的传动。电力机车及轧机的传动。第三节 晶闸管变频调速系统第51页，本讲稿共52页完！同学们，你们辛苦了！第52页，本讲稿共52页