《機電傳動控制》課件第7章

7.1機電傳動控制系統(tǒng)的組成和分類7.2直流傳動控制系統(tǒng)7.3交流傳動控制系統(tǒng)7.4步進電動機的驅動與控制系統(tǒng)7.5單片機在機電傳動系統(tǒng)中的應用小結習題與思考題7.1.1機電傳動控制系統(tǒng)的組成

機電傳動控制系統(tǒng)是以實現(xiàn)一種預定的自動控制功能為目的，以滿足生產工藝和過程的要求，并達到最優(yōu)的技術經濟指標的控制系統(tǒng)，是整個生產設備中的重要組成部分之一。它的性能和質量將在很大程度上影響到產品的質量、產量、生產成本和工人勞動條件。7.1機電傳動控制系統(tǒng)的組成和分類機電傳動控制系統(tǒng)是以電動機為控制對象，對生產機械按工藝要求進行控制的系統(tǒng)。機電傳動控制系統(tǒng)從硬件上可以包括電動機、控制電器、檢測元件、功率半導體器件和微電子器件等，還可能包含微型計算機。一個大型的機電傳動控制系統(tǒng)可能需要控制多臺電動機，往往采用多層微型計算機進行控制。7.1.2機電傳動控制系統(tǒng)的分類

1.按組成原理分類

從組成原理上，機電傳動控制系統(tǒng)可以分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。在一般開環(huán)控制的傳動系統(tǒng)中，盡管系統(tǒng)輸入的控制信號保持不變，但在某種擾動作用下，會使輸出量偏離給定值。圖7-1中給出了一個由晶閘管變流器、電動機和工作機械組成的機電傳動開環(huán)控制系統(tǒng)，其中工作機械包含傳動機構和執(zhí)行機構。通常這種系統(tǒng)的輸出量是工作機械中執(zhí)行機構的速度或位移，當電動機與工作機械剛性連接時，它們分別對應于電動機轉子的轉速和轉角。根據(jù)工作機械的需要，在一些系統(tǒng)中除了控制輸出量以外，可能還需要控制系統(tǒng)內部的其他變量，如直流電動機的電樞電流或交流電動機的定子電流、變流器電壓或頻率等。圖7-1所示系統(tǒng)中，晶閘管變流器向電動機供電并控制它的運行狀態(tài)，從而可以控制工作機械和相應的工藝過程。當電網電壓波動、負載轉矩變化等擾動作用于變流器、電動機和工作機械時，會導致系統(tǒng)輸出量偏離給定值。

該系統(tǒng)在擾動作用下的靜態(tài)和動態(tài)特性將由變流器、電動機和工作機械的特性決定。圖7-1機電傳動開環(huán)控制系統(tǒng)框圖圖7-2所示閉環(huán)系統(tǒng)，當輸出量的反饋值偏離給定輸入值時，由于系統(tǒng)輸出量信息反饋到系統(tǒng)輸入端，使得作用到調節(jié)器的輸入量發(fā)生變化，調節(jié)器根據(jù)這一信息產生控制信號，作用到變流器，確保系統(tǒng)輸出量變化具有預期的特性。圖7-2所示系統(tǒng)采用檢測轉換裝置測量系統(tǒng)的輸出量和其他變量，并將其轉換成與被檢測量成正比的電信號。像測速發(fā)電機、電流檢測器、位置傳感器、數(shù)/模轉換器及模/數(shù)轉換器等均是機電傳動控制系統(tǒng)中常用的檢測轉換裝置的部件。通常，檢測轉換裝置和調節(jié)器構成系統(tǒng)的控制部分，其功能是采集和處理系統(tǒng)中有關變量的信息，并按預定的控制規(guī)律和算法產生控制信號。而把系統(tǒng)中的變流器、電動機和工作機械統(tǒng)稱為功率部分，其功能是進行能量轉換和控制。圖7-2機電傳動閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

2.按控制目的分類

按控制目的機電傳動控制系統(tǒng)可分為三種方式：定值控制、位置隨動控制和程序控制。

定值控制的目的在于保持受控量恒定。最常見的機電傳動定值控制系統(tǒng)是穩(wěn)速系統(tǒng)。當然，定值控制系統(tǒng)也可以是生產過程中其他工藝參數(shù)的控制，例如，各種帶形物料卷取時的張力定值控制，就是一個多電動機的傳動系統(tǒng)。位置隨動控制的目的在于控制工作機構的位移，即電動機的轉角按事先規(guī)定的或者未知的規(guī)律變化。雷達天線的方位控制系統(tǒng)就是這種系統(tǒng)的一個典型例子，它的功能是將天

線對準所跟蹤的目標。

程序控制的目的在于使受控量按事先確定的規(guī)律變化。如機床上刀具的位移控制系統(tǒng)就屬于這一種系統(tǒng)，它的功能是要實現(xiàn)切削刀具和工件之間的復雜運動軌跡。將系統(tǒng)按控制目的分類，與系統(tǒng)構成原理無關，主要決定于給定量的變化特性。

在實踐中，盡管系統(tǒng)的控制目的相同，但其結構和作用仍會有本質上的區(qū)別。7.2.1概述

直流電動機具有良好的啟動、制動性能，在較大范圍內可實現(xiàn)平滑調速，所以，由晶閘管-電動機(V-M)組成的直流調速系統(tǒng)是目前應用較普遍的一種機電傳動自動控制系統(tǒng)。它在理論上和實踐上都比較成熟，是交流調速系統(tǒng)的基礎。7.2直流傳動控制系統(tǒng)

1.調速的概念

所謂調速，是指在某一具體負載情況下，通過改變電動機或電源參數(shù)的方法，使機械特性曲線得以改變，從而使電動機轉速發(fā)生變化或保持不變。調速具有兩個方面的含意。一是能在一定范圍內“變速”。如圖7-3所示，電動機負載不變時，轉速由n0變到nc或ne，這就是“變速”調速。二是“恒速”。當生產機械在某一速度下運行時，總要受到外界的干擾(如負載變化)，為了保證生產機械的速度不受干擾的影響，也要進行調速。例如由于負載的增加，電動機的轉速就要降低，為維持轉速恒定，就得調整電動機轉速，使其回升，并等于或接近于原來的轉速。圖7-3中的n0隨轉矩M的變化而維持不變就屬于“恒速”調速。圖7-3調速與機械特性的關系

2.直流調速的方法

直流電動機的轉速和其他參量的關系可用下式表達：

(7-1)

式中：

n為電動機轉速;U為電樞供電電壓;I為電樞電流;R為電樞回路總電阻;Ke為由電機結構決定的電動勢系數(shù);Φ為電動機勵磁磁通。由式(7-1)可以看出，直流電動機的調速方法有三種：

(1)改變電樞回路總電阻R。

(2)減弱電動機勵磁磁通Φ。

(3)調節(jié)電樞供電電壓U。

對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統(tǒng)來說，以調節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能實現(xiàn)有級調速;減弱磁通雖然能夠實現(xiàn)平滑調速，但調速范圍不大，往往只是配合調壓方案，在基速(即電動機額定轉速)以上作小范圍的升速。因此，機電傳動自動控制系統(tǒng)中的直流調速系統(tǒng)都是以變壓調速為主的。在調壓調速方案中，從供電電源種類上看又有兩種情況：(1)在交流供電系統(tǒng)中，采用可控交流裝置，以獲得可調的直流電壓。

(2)在具有恒定直流供電電源的地方，采用晶閘管斬波器實現(xiàn)脈沖調壓調速。在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)中，都具有低壓交流供電系統(tǒng)，因此第(1)種調壓方式應用廣泛。

3.直流調速的指標

根據(jù)各類典型生產機械對調速系統(tǒng)提出的要求，直流調速指標一般可以概括為靜態(tài)和動態(tài)兩類。靜態(tài)調速指標要求機電傳動自動控制系統(tǒng)能在最高轉速和最低轉速范圍內調節(jié)轉速，并且要求在不同轉速下工作時，速度穩(wěn)定。動態(tài)調速指標要求系統(tǒng)啟動、制動快而平穩(wěn)，并具有良好的抗擾動性?？箶_動性是指系統(tǒng)穩(wěn)定在某一轉速上運行時，應盡量不受負載變化以及電源電壓波動等因素的影響。

1)靜態(tài)調速指標

(1)調速范圍。生產機械要求電動機在額定負載運行時，提供的最高轉速nmax與最低轉速nmin之比，稱為調速范

圍，用符號D表示，即

(7-2)

(2)靜差率。靜差率是用來表示負載轉矩變化時，轉速變化的程度，用系數(shù)s表示。

靜差率具體是指電動機穩(wěn)定工作時，在一條機械特性曲線上，電動機的負載由理想空載增加到額定值時，對應的轉速降落Δned與理想空載轉速n0之比，用百分數(shù)表示為

(7-3)

顯然，機械特性硬度越大，Δned越小，靜差率就越小，轉速的穩(wěn)定度就越高。圖7-4不同轉速下的靜差率然而靜差率和機械特性硬度又是有區(qū)別的。兩條相互平行的直線性機械特性的靜差率是不同的。對于圖7-4中的線1和線2，它們有相同的轉速降落Δned1=Δned2

，但由于n02<n01，因此s2>s1。這表明，在相同機械特性硬度條件下，低速時靜差率較大，轉速的相對穩(wěn)定性較差。轉速n在1000r／min時降落10r／min，只占1％;n在100r／min時也降落10r／min,就占10％;若n0只有10r／min，再降落10r／min，則電動機將停轉，即轉速全都降完。由圖7-4可知，對一個調速系統(tǒng)來說，如果能滿足最低轉速運行的靜差率s，那么其他轉速的靜差率也必然都能滿足。調速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的。一個調速系統(tǒng)的調速范圍是指在最低速時還能滿足給定靜差率要求的轉速可調范圍。脫離了對靜差率的要求，任何調速系統(tǒng)都可以得到極高的調速范圍;反過來，脫離了調速范圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了。

(3)調壓調速系統(tǒng)中調速范圍、靜差率和額定速降之間的關系。在直流調速系統(tǒng)中，當機械特性硬度一定時，最高轉速nmax就是電動機的額定轉速ned。若帶額定負載時的轉速

降落為Δned，則最低轉速時的靜差率s=Δned/n0min×100％。于是，最低轉速為而調速范圍為

(7-4)

式(7-4)表示了調速范圍、靜差率和額定速降之間應滿足的關系?？梢姡敊C械特性硬度一定時，即Δned一定時，對靜差率要求越嚴，s越小，允許的調速范圍便越小。例如，某調速系統(tǒng)額定轉速ned＝1430r／min，額定速降Δned＝115r／min，當要求靜差率s≤30％時，允許的調速范圍是：

2)動態(tài)調速指標

在給定信號的作用下，系統(tǒng)輸出量的變化情況可用動態(tài)性能指標來描述。當給定信號變化方式不同時，輸出響應也不一樣。通常以輸出量的初始值為零、給出單位階躍輸入信號x(t)作用下的系統(tǒng)輸出y(t)過渡過程(見圖7-5)的要求。這時的動態(tài)響應又稱做階躍響應。一般希望在階躍響應中輸出量y(t)與其穩(wěn)態(tài)值y(∞)的偏差越小越好，達到y(tǒng)(∞)的時間越短越好。圖7-5系統(tǒng)輸出過渡過程圖表示動態(tài)性能的指標有(見圖7-5)：

(1)超調量p0：表示輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量。它也可用相對值表示，即輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分數(shù)表示為

超調量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，超調量越小，則相對穩(wěn)定性越好，即動態(tài)響應比較平穩(wěn)。

(2)延遲時間td：對應于y(t)上升到穩(wěn)態(tài)值的50％時的時間。

(3)調節(jié)時間tf：等于y(t)進入穩(wěn)態(tài)值的5％誤差帶的時間。(4)振蕩次數(shù)n：表示圍繞y(∞)值上下振蕩的次數(shù)。

(5)時間tr：表示第一次到達y(∞)值的時間。7.2.2直流電動機閉環(huán)調速系統(tǒng)

直流調速系統(tǒng)中，目前用得最多的是晶閘管-電動機(V-M)調速系統(tǒng)。晶閘管-電動機直流傳動控制系統(tǒng)常用的有單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)、雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)和可逆系統(tǒng)。這里著重介紹單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)。

常見的單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的框圖如圖7-6所示。單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)常分為有靜差調速系統(tǒng)和無靜差調速系統(tǒng)兩類：單純由被調量負反饋組成的按比例控制的單閉環(huán)系統(tǒng)屬有靜

差的自動調節(jié)系統(tǒng)，簡稱有靜差調速系統(tǒng);而按積分(或比例積分)控制的系統(tǒng)，則屬無靜差調速系統(tǒng)。圖7-6單閉環(huán)調速系統(tǒng)框圖

1.有靜差調速系統(tǒng)

1)有靜差調速系統(tǒng)的基本組成和工作原理

圖7-7所示為一典型的晶閘管-直流電動機有靜差調速系統(tǒng)的原理圖。其中，放大器為比例放大器(或比例調節(jié)器)，直流電動機M由晶閘管可控整流器經過平波電抗器L供電。整流器整流電壓Ud可由控制角α來改變，在這里整流器的交流電源省略未畫出。觸發(fā)器的輸入控制電壓為Uk。為使速度調節(jié)靈敏，使用放大器把輸入信號ΔU加以擴大，ΔU為給定電壓Ug與速度反饋信號Uf的差值(ΔU又稱偏差信號)，即

ΔU=Ug-Uf

圖7-7晶閘管直流調速系統(tǒng)原理圖速度反饋信號電壓Uf與轉速n成正比，即

Uf=γn

式中，γ為轉速反饋系數(shù)。

放大器的輸出電壓為

Uk=KpΔU=Kp(Ug-Uf)=Kp(Ug-γn)式中，Kp為放大器的電壓放大倍數(shù)。

把觸發(fā)器和可控整流器看成一個整體，設其等效放大倍數(shù)為Ks，則空載時，可控整流器的輸出電壓為

Ud=KsUk=KsKp(Ug-γn)

(7-5)

對于電動機電樞回路，若忽略晶閘管的管壓降，則有Ud=KeΦn+IaRΣ=Cen+IaRΣ(7-6)式中：RΣ為電樞回路的總電阻(RΣ=RX+Ra);RX為可控整流電源的等效內阻(包括整流變壓器和平波電抗器等的電阻);Ra為電動機的電樞電阻。

聯(lián)立求解式(7-5)和式(7-6)，可得帶轉速負反饋的晶閘管—電動機有靜差調速系統(tǒng)的機械特性方程為

(7-7)式中：K0=KpKs為從放大器輸入端到可控整流電路輸出端的電壓放大倍數(shù);K＝KpKs為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)。由圖7-7可以看出，如果系統(tǒng)沒有轉速負反饋(即開環(huán)系統(tǒng))，則整流器的輸出電壓為

Ud=KsKpUg=K0Ug=Cen+IaRΣ由此可得開環(huán)系統(tǒng)的機械特性方程為

(7-8)

比較式(7-7)與式(7-8)，不難看出：

(1)在給定電壓一定時，有

(7-9)即閉環(huán)系統(tǒng)理想空載轉速降低到開環(huán)時的。為了使閉環(huán)系統(tǒng)獲得與開環(huán)系統(tǒng)相同的理想空載轉速，閉環(huán)系統(tǒng)所需要的給定電壓Ug要比開環(huán)系統(tǒng)高1+K倍。因此，僅有轉速負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)在運行中若突然失去轉速負反饋，就有可能造成嚴重的事故。

(2)如果將系統(tǒng)閉環(huán)與開環(huán)的理想空載轉速調得一樣，即n0f=n0，則

(7-10)即在同樣負載電流下，閉環(huán)系統(tǒng)的轉速降僅為開環(huán)系統(tǒng)轉速降的，從而大大提高了機械特性的硬度，使系統(tǒng)的靜差率減少。

(3)由式(7-4)可知，開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的調速范圍分別為:

開環(huán)：

閉環(huán)：

(7-11)即閉環(huán)系統(tǒng)的調速范圍為開環(huán)系統(tǒng)的1+K倍。

由上可知，提高系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)K是減小轉速降、擴大調速范圍的有效措施。

但是，放大倍數(shù)也不能過分增大，否則系統(tǒng)容易產生不穩(wěn)定現(xiàn)象。下面分析這種系統(tǒng)的轉速自動調節(jié)過程。在某一個規(guī)定的轉速下，給定電壓Ug是固定不變的。假設電動機空載運行(Ia≈0)時，空載轉速為n0，測速發(fā)電機有相應的電壓UTG，經過分壓器分壓后，得到反饋電壓Uf，給定量Ug與反饋量Uf的差值ΔU加進比例調節(jié)器(放大器)的輸入端，其輸出電壓Uk加入觸發(fā)器的輸入電路，可控整流裝置的輸出整流電壓Ud供電給電動機，產生空載轉速n0。當負載增加時，Ia加大，由于IaRΣ的作用，使電動機轉速下降，測速發(fā)電機的電壓UTG下降，使反饋電壓Uf下降到Uf′，但這時給定電壓Ug并沒有改變，于是偏差信號增加到ΔU′=Ug-Uf′，使放大器輸出電壓上升到Uk′，它使晶閘管整流器的控制角α減小，整流電壓上升到Ud′，電動機轉速又回升到近似等于n0。

但絕不可能等于n0，因為如果回升到n0，那么，反饋電壓也將回升到原來的數(shù)值Uf，而偏差信號又將下降到原來的數(shù)值ΔU，也就是放大器輸出的控制電壓Uk沒有增加，因而晶閘管整流裝置的輸出電壓Ud也不可能增加，也就無法補償負載電流Ia在電阻RΣ上的電壓降落，電動機轉速又將下降到原來的數(shù)值。這種維持被調量(轉速)近于恒值不變，但又具有偏差的

反饋控制系統(tǒng)通常稱為有差調節(jié)系統(tǒng)(即有差調速系統(tǒng))。系統(tǒng)的放大倍數(shù)越大，準確度就越高，靜差率就越小，調速范圍就越大。

轉速負反饋調速系統(tǒng)能克服擾動作用(如負載的變化、電動機勵磁的變化、晶閘管交流電源電壓的變化等)對電動機轉速的影響。只要擾動引起電動機轉速的變化能被測量元件——測速發(fā)電機等測出，調速系統(tǒng)就能產生作用來克服它，換句話來說，只要擾動是作用在被負反饋所包圍的環(huán)內，就可以通過負反饋的作用來減少擾動對被調量的影響。但是必須指出，測量元件本身的誤差是不能補償?shù)?。例如，當測速發(fā)電機的磁場發(fā)生變化時，UTG就要變化，通過系統(tǒng)的作用，會使電動機的轉速發(fā)生變化。因此，正確選擇與使用測速發(fā)電機是很重要的。如用他勵式測速發(fā)電機時，應使其磁場工作在飽和狀態(tài)或者用穩(wěn)壓電源供電，也可選用永磁式的測速發(fā)電機(當安裝環(huán)境不是高溫，沒有劇烈振動的場合)，以提高系統(tǒng)的準確性。在安裝測速發(fā)電機時，還應使軸的對中不偏心，否則也會給系統(tǒng)帶來干擾。

2)直流調速系統(tǒng)的其他反饋控制

速度(轉速)負反饋是抑制轉速變化的最直接而有效的方法，它是自動調速系統(tǒng)最基本的反饋形式。但速度負反饋需要有反映轉速的測速發(fā)電機，它的安裝和維修都不太方便，因此，在調速系統(tǒng)中還常采用其他的反饋形式。常用的反饋形式有電壓負反饋、電流正反饋、電流截止負反饋等。

(1)電壓負反饋系統(tǒng)。具有電壓負反饋環(huán)節(jié)的調速系統(tǒng)如圖7-8所示。圖7-8電壓負反饋系統(tǒng)直流電動機的轉速隨電樞端電壓的大小而變，電樞電壓高，電動機轉速高;電樞電壓的大小可以近似地反映電動機轉速的高低。電壓負反饋系統(tǒng)就是把電動機電樞電壓作為反饋量，以調整轉速。圖中，Ug是給定電壓;Uf是電壓負反饋的反饋量，它是從并聯(lián)在電動機電樞兩端的電位計Rp上取出來的。所以，電位計Rp是檢測電動機端電壓大小的檢測元件。

Uf與電動機端電壓U成正比，Uf與U的比例系數(shù)用λ表示，稱為電壓反饋系數(shù)。

在給定電壓Ug一定時，其調整過程如下：

同理，負載減小時，其n上升，通過電壓負反饋調節(jié)可使n下降，趨于穩(wěn)定。負載電壓負反饋系統(tǒng)的特點是線路簡單，可是穩(wěn)定速度的效果并不明顯，因為即使電動機端電壓因電壓負反饋的作用而維持不變，但是負載增加時，電動機電樞內阻Ra所引起的

內阻壓降仍然要增大，電動機速度還是要降低。

一般線路中采用電壓負反饋，主要不是用它來穩(wěn)速，而是用它來防止過壓、改善動態(tài)特性和加快過渡過程。

(2)電流正反饋與電壓負反饋組合的綜合反饋系統(tǒng)。由于電壓負反饋系統(tǒng)對電動機電樞電阻壓降引起的轉速降落不能予以補償，因而轉速降落較大，靜特性不夠理想，使允許的調速范圍減小。為了補償電樞電阻壓降IaRa，一般在電壓負反饋的基礎上再增加一個電流正反饋環(huán)節(jié)，如圖7-9所示。所謂電流正反饋，是把反映電動機電樞電流大小的量IaRa取出，與電壓負反饋一起加到放大器輸入端，由于是正反饋，當負載電流增加時，放大器輸入信號也增加，使晶閘管整流輸出電壓Ud增加，以此來補償電動機電樞電阻所產生的壓降。由于這種反饋方式的轉速降落比僅有電壓負反饋時小了許多，因而擴大了調速范圍。圖7-9電壓負反饋和電流正反饋系統(tǒng)為了保證一定的效果，電流正反饋的強度與電壓負反饋的強度應按一定比例組成，如果比例選擇恰當，綜合反饋將具有轉速反饋的性質。

簡化的圖7-10可以說明這種組合，圖中，從a、o兩點取出的是電壓負反饋信號，從b、o兩點取出的是電流正反饋信號，從a、b兩點取出的則是綜合反饋信號。圖7-10高電阻電橋圖7-10中，a、b兩點之間的電壓Uab可看做是電壓Uao與電壓Uob之和，即

Uab(Uf)=Uao+Uob

Uob與Ubo極性相反，所以

Uab(Uf)=Uao-Ubo

這里，Uao隨端電壓U而變，如果令

則有Uao=λU

式中：Uao為電壓負反饋信號;U為電動機電樞端電壓;λ為電壓反饋系數(shù)。

Ubo隨電流Ia而變，它代表Ia在電阻R3上引起的壓降，即電流正反饋信號Ubo=IaR3。將Uao與Ubo的表達式代入Uab的表達式中，得

從電動機電樞回路電動勢平衡關系知:

將Ia的表達式代入Uab中可得:上式如果滿足下列條件:

化簡后可以得到電橋的平衡條件

(7-12)則有

這就是說，滿足式(7-12)所示的條件，則從a、b兩點取出的反饋信號形成的反饋，將轉化為電動機反電動勢的反饋。因為反電動勢與轉速成正比，即E=Cen，所以Uab也可以表示為

(7-13)

因此，這種反饋也可以稱為轉速反饋。因為滿足式(7-12)后，電動機電樞電阻Ra與附加電阻R3、R2、R1組成電橋的四個臂，a、b兩點代表電橋的中點，所以，這種線路稱為高電阻電橋線路，式(7-12)為高電阻電橋的平衡條件。高電阻電橋線路實質上是電動勢反饋線路，或者說是電動機的轉速反饋線路。

(3)電流截止負反饋系統(tǒng)。圖7-7所示的單閉環(huán)調速系統(tǒng)解決了轉速的調節(jié)問題，大大提高了靜特性的硬度。但是直流電動機在全電壓啟動時，如果沒有專門的限流措施，則會產生很大的沖擊電流。這不僅對電動機換向不利，對過載能力低的晶閘管來說，更是不允許的。采用轉速負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)突然加上給定電壓Ug時，由于系統(tǒng)的慣性較大，電動機轉速不可能立即建立起來，因而在啟動初期轉速反饋電壓Uf=0，相當于偏差電壓ΔU=Ug。這時，整流電壓Ud

一下子就達到它的最高值。這對電動機來說，相當于全電壓啟動，其啟動電流高達額定電流的幾十倍，是不允許的。此外，有些生產機械的電動機可能會遇到堵轉的情況。例如，當機械裝置被卡住或挖土機運行中碰到堅硬的石塊時，由于閉環(huán)系統(tǒng)的特性很硬，此時，若無限流環(huán)節(jié)，則電流將遠遠超過允許值。如果只依靠過流斷電器或熔斷器保護，一過載就跳閘，將會給正常工作帶來不便。為了解決單閉環(huán)調速系統(tǒng)的啟動和堵轉時電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流過大的裝置。根據(jù)反饋控制原理，要維持某一個物理量基本不變，就應該引入該物理量的負反饋。因此，引入的電流負反饋應能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。但是，這種作用只應在啟動和堵轉時存在，在正常運行時又得取消，使靜特性保持較好的硬度，讓電流自由地隨著負載增減。這樣一來，一旦電流超過某一規(guī)定值時，電流負反饋即投入運行，使靜特性急劇地“軟化”。隨著電流的增加，電動機轉速不斷下降，當電流增加到某一數(shù)值(即堵轉電流)時，電動機停止轉動(即堵轉)。這種當電流大到一定程度時才出現(xiàn)的電流負反饋，叫做電流截止負反饋。如圖7-11所示，電流截止負反饋的信號由串聯(lián)在回路中的電阻R上取出(電阻R上的壓降IaR與電流Ia成正比)。在電流較小時，IaR<Ub，二極管不導通，電流負反饋不起作

用，只有轉速負反饋，故能得到穩(wěn)態(tài)運行所需要的比較硬的特性。當主回路電流增加到一定值時，IaR>Ub，二極管VD導通，電流負反饋信號IaR經過二極管與比較電壓Ub比

較后送到放大器，其極性與Ug極性相反，經放大后控制移相角α，使α增大，輸出電壓Ud減小，電動機轉速下降。如果負載電流一直增加下去，則電動機速度最后將降到零。電動機速度降到零后，電流不再增大，這樣就起到了“限流”的作用。加有電流截止負反饋的速度特性如圖7-12所示(這種特性常被稱為“挖土機特性”)。圖7-11電流截止負反饋作為調速系統(tǒng)限流保護圖7-12電流截止負反饋速度特性圖7-12中，速度等于零時，電流為Iao，Iao稱為堵轉電流，一般Iao＝(2～2.5)IaN。電流負反饋開始起作用的電流稱為轉折點電流Io，轉折點電流Io一般為額定電流IaN的1.35倍,且比較電壓越大，則電流截止負反饋的轉折點電流越大，比較電壓小，則轉折點電流越小。所以，比較電壓的選擇是很重要的。一般按照轉折點電流Io=KIaN選取比較電壓Ub。當負載沒有超出規(guī)定值時，起截止作用的二極管不應導通，也就是比較電壓Ub應滿足下式:

Ub+Ubo≤KIaNR

式中：Ub為比較電壓;Ubo為截止元件二極管的導通電壓;

IaN為電動機額定電流;K為轉折點電流的比例系數(shù)，即K=Io/IaN;R為電動機電樞回路中所串的電流反饋電阻。電流正反饋可以改善電動機的運行特性，而電流負反饋會使ΔU隨著負載電流的增加而減少，使電動機的速度迅速降低。這種反饋可以人為地造成“堵轉”，可防止電樞電流過大而燒壞電動機。加有電流負反饋的系統(tǒng)，當負載電流超過一定數(shù)值，電流負反饋足夠強時，它足以將給定信號的絕大部分抵消掉，使電動機速度降到零，電動機停止運轉，從而起到保護作用。采用過流保護繼電器也可以保護這種嚴重過載，但是過流保護繼電器要使觸點斷開、電動機斷電，方能實現(xiàn)保護。而采用電流負反饋作為保護手段，則不必切斷電動機的電路，只是使它的速度暫時降下來，一旦過載去掉后，它的速度又會自動升起來，這樣有利于生產。

上述各種反饋信號都是直接反映某一參量的大小的，即反饋信號的強弱與其反映的參量大小成正比。另外，還有其他形式的反饋，如電壓微分負反饋，這種反饋與某一參量的一次導數(shù)或二次導數(shù)成正比，而且它只在動態(tài)時起作用，在靜態(tài)時不起作用。

2.無靜差調速系統(tǒng)

在前面所述的單閉環(huán)調速系統(tǒng)中，如果僅采用比例調節(jié)器，那么這時的單閉環(huán)調速系統(tǒng)是有靜差的。也就是說，在穩(wěn)態(tài)時，轉速只能接近給定值，而不可能完全等于給定值。提高開環(huán)放大倍數(shù)或引入電流正反饋只能減小靜差而不能消除靜差。為了完全消除靜差，實現(xiàn)轉速無靜差調節(jié)，可以在調速系統(tǒng)中引入積分控制規(guī)律，用比例積分調節(jié)器代替比例調節(jié)器。只要有過偏差，其積分就存在，就能產生控制電壓。這樣，積分控制的系統(tǒng)只是在調節(jié)過程中有偏差(動態(tài)偏差)，而在穩(wěn)態(tài)時就可以沒有偏差了。所以，積分控制的系統(tǒng)是無靜差系統(tǒng)。圖7-13所示為一常用的具有比例積分調節(jié)器的無靜差調速系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的特點是：

靜態(tài)時系統(tǒng)的反饋量總等于給定量，即偏差等于零。要實現(xiàn)這一點，系統(tǒng)中必須接入無差元件，它在系統(tǒng)出現(xiàn)偏差時起作用以消除偏差，當偏差為零時停止作用。圖中，PI調節(jié)器是一個典型的無差元件。下面先介紹PI調節(jié)器，然后分析系統(tǒng)工作原理。圖7-13具有比例積分調節(jié)器的無靜差調速系統(tǒng)

1)比例積分(PI)調節(jié)器

把比例運算電路和積分運算電路組合起來就構成了比例積分調節(jié)器，簡稱PI調節(jié)器。由圖7-14(a)可知:

而

所以由此可見，PI調節(jié)器的輸出由兩部分組成，第一部分是比例部分，第二部分是積分部分。在零初始狀態(tài)和階躍信號輸入下，輸出電壓的時間特性如圖7-14(b)所示，這里Uo用絕

對值表示，當加入輸入信號Ui時，開始瞬間電容C1相當于短路，反饋回路中只有電阻R1，此時相當于比例調節(jié)器，它可以毫無延遲地起調節(jié)作用，故調節(jié)速度快;而后隨著電容C1被充電而開始積分，

Uo線性增長，直到穩(wěn)態(tài)。在穩(wěn)態(tài)時，C1相當于開路，極大的開環(huán)放大倍數(shù)使系統(tǒng)基本上達到無靜差。圖7-14比例積分(PI)調節(jié)器(a)電路;(b)時間特性采用比例積分調節(jié)器的自動調速系統(tǒng)，綜合了比例和積分調節(jié)器的特點，既能獲得較高的靜態(tài)精度，又具有較快的動態(tài)響應，因而得到了廣泛的應用。

2)采用PI調節(jié)器的無靜差調速系統(tǒng)

在圖7-13中，由于有比例積分調節(jié)器的存在，只要偏差ΔU=Ug-Uf不等于零，系統(tǒng)就會起調節(jié)作用;當ΔU=0時，Ug=Uf，則調節(jié)作用停止，調節(jié)器的輸出電壓Uk由于積分作用而保持在某一數(shù)值，以維持電動機在給定轉速下運轉，系統(tǒng)可以消除靜態(tài)誤差。故該系統(tǒng)是一個無靜差調速系統(tǒng)。系統(tǒng)的調節(jié)作用是：當電動機負載增加時，如圖7-15(a)中的t1瞬間，負載突然由TL1增加到TL2，則電動機的轉速將由n1開始下降而產生轉速偏差Δn(見圖7-15(b))。它通過測速發(fā)電機反饋到PI調節(jié)器的輸入端，產生偏差電壓ΔU=Ug-Uf>0，于是開始了消除偏差的調節(jié)過程。首先，比例部分調節(jié)作用顯著，其輸出電壓等于Δ，使控制角α減小，可控整流電壓增加ΔUd1(見圖7-15(c))，由于比例輸出沒有慣性，故這個電壓使電動機轉速

迅速回升。偏差Δn越大，ΔUd1也越大，它的調節(jié)作用也就越強，電動機轉速回升也就越快。而當轉速回升到原給定值n1時，Δn=0，ΔU=0，故ΔUd1也等于零。積分部分的調節(jié)作用是：積分輸出部分的電壓等于偏差電壓ΔU的積分，它使可控整流電壓的增加量

或即ΔUd2的增長率與偏差電壓ΔU(或偏差Δn)成正比。開始時Δn很小，ΔUd2增加很慢，當Δn最大時，ΔUd2增加得最快。

在調節(jié)過程的后期，Δn逐漸減少，ΔUd2的增加也逐漸減慢，一直到電動機轉速回升到n1，Δn=0時,ΔUd2就不再增加了，且在以后就一直保持這個數(shù)值不變(見圖7-15(c)。把比例作用與積分作用合起來考慮，其調節(jié)的綜合效果如圖7-15(c)所示。不管負載如何變化，系統(tǒng)一定會自動調節(jié)，在調節(jié)過程的開始和中間階段，比例調節(jié)起主要作用，它首先阻止Δn的繼續(xù)增大，而后使轉速迅速回升，在調節(jié)過程的末期，Δn很小，比例調節(jié)作用就不明顯了。此時，積分調節(jié)作用上升到主要地位，依靠它來消除轉速偏差Δn，使轉速回升到原值。這就是無靜差調速系統(tǒng)的調節(jié)過程。圖7-15負載變化時PI調節(jié)器系統(tǒng)的調節(jié)作用可控整流電壓Ud等于原靜態(tài)時的數(shù)值Ud1加上調節(jié)過程進行后的增量(ΔUd1+ΔUd2)，如圖7-15(d)所示?？梢?，在調節(jié)過程結束時，可控整流d穩(wěn)定在一個大于Ud1的新的數(shù)值Ud2上，增加的那一部分電壓(ΔUd)正好補償由于負載增加引起的那部分主回路壓降(Ia2-Ia1)RΣ。無靜差調速系統(tǒng)在調節(jié)過程結束以后，轉速偏差Δn=0(PI調節(jié)器的輸入電壓ΔU也等于零)，這只是在靜態(tài)(穩(wěn)定工作狀態(tài))上無差，而動態(tài)(如當負載變化時，系統(tǒng)從一個

穩(wěn)態(tài)變到另一個穩(wěn)態(tài)的過渡過程)上卻是有差的。在動態(tài)過程中，最大的轉速降落Δnmax叫做動態(tài)速降(如果是突卸負載，則有動態(tài)速升)，它是一個重要的動態(tài)指標。有些生產機械

不僅有靜態(tài)精度的要求，而且有動態(tài)精度的要求。例如，熱連軋機一般要求靜差率小于0.2％～0.5％,動態(tài)速降小于1～3％，動態(tài)恢復時間小于0.2～0.3s(圖7-15中的t2-t1)。如果超過這些指標，就會造成兩個機架間的堆鋼和拉鋼現(xiàn)象，影響產品質量，嚴重的還會造成事故。

這個調速系統(tǒng)在理論上是無靜差調速系統(tǒng)，但是由于調節(jié)放大器不是理想的，且放大倍數(shù)也不是無限大，測速發(fā)電機也還存在誤差，因此實際上這樣的系統(tǒng)仍然是有一點靜差的。

這個系統(tǒng)中的PI調節(jié)器是用來調節(jié)電動機轉速的，因此，常把它稱為速度調節(jié)器(ST)。在晶閘管—電動機調速系統(tǒng)中，還常用電壓負反饋及電流正反饋來代替由測速發(fā)電機構成的速度負反饋，組成電壓負反饋及電流正反饋的自動調速系統(tǒng)。為了在電動機堵轉時不會使電動機和晶閘管燒壞，也常采用具有轉速負反饋帶電流截止負反饋的調速系統(tǒng)，獲得所謂“挖土機特性”。但必須注意，為了提高保護的可靠性，在這種系統(tǒng)的主回路中還必須接入快速熔斷器或過流繼電器，以防止在電流截止環(huán)節(jié)出故障時把晶閘管燒壞。在允許堵轉的生產機械中，快速熔斷器或過流繼電器的電流整定值一般應大于電動機的堵轉電流，使電動機在正常堵轉時，快速熔斷器或過流繼電器不動作。7.2.3直流電動機脈寬調速系統(tǒng)

1.晶體管脈寬調速系統(tǒng)的基本工作原理

目前，應用較廣的一種直流電動機脈寬調速系統(tǒng)的基本電路如圖7-16所示。三相交流電源經整流濾波變成電壓恒定的直流電壓，V1

～V4為四只大功率晶體三極管，工作在開關狀態(tài)，其中，處于對角線上的一對三極管的基極，因受到同一信號的控制而同時導通或截止。

若V1和V4導通，則電動機電樞上加正向電壓;若V2和V3導通，則電動機電樞上加反向電壓。當它們以較高的頻率(一般為2000Hz)交替導通時，電樞兩端的電壓波形如圖7-17所示，由于機械慣性的作用，決定電動機轉向和轉速的僅為此電壓的平均值。圖7-16直流脈寬調速系統(tǒng)圖7-17電動機電樞電壓的波形設矩形波的周期為T，正向脈沖寬度為t1，并設γ=t1/T為占空比。由圖7-17可求出電樞電壓的平均值為

(7-14)由式(7-14)可知，在T=常數(shù)時，人為地改變正脈沖的寬度以改變占空比γ，即可改變Uav，達到調速的目的。當γ＝0.5時，Uav＝0，電動機轉速為零;當γ>0.5時，Uav為正，

電動機正轉，且在γ＝1時，Uav=Us，正向轉速最高;當γ<0.5時，Uav為負，電動機反轉，且在γ＝0時，Uav=-Us，反向轉速最高。連續(xù)地改變脈沖寬度，即可實現(xiàn)直流電動

機的無級調速。

2.晶體管脈寬調速系統(tǒng)的組成

圖7-18所示的系統(tǒng)是采用典型的雙閉環(huán)原理組成的晶體管脈寬調速系統(tǒng)，既有速度反饋，又有電流反饋。下面分別對幾個主要組成部分進行分析。圖7-18晶體管脈寬調速系統(tǒng)框圖

1)主電路(功率開關放大器)

晶體管脈寬調速系統(tǒng)主電路的結構形式有多種，按輸出極性有單極性輸出和雙極性輸出之分，而雙極性輸出的主電路又分H型和T型兩類，H型脈寬放大器又可分為單極式和雙極式兩種。這里僅介紹一種技術性能較好、經常采用的雙極性雙極式脈寬放大器，如圖7-19所示，它與圖7-16相似。圖中，四只晶體三極管分為兩組，V1和V4為一組，V2和V3

為另一組。同一組的兩只三極管同時導通，同時關斷，且兩組三極管之間可以交替地導通和關斷。圖7-19脈寬調制放大器(雙極性雙極式)要使電動機M正向旋轉，則要求控制電壓Uk(見圖7-18)為正，各三極管基極電壓的波形分別如圖7-19與7-20(a)、(b)所示。

當電源電壓Us大于電動機的反電動勢時，在0≤t≤t1期間，Ub1和Ub4為正，三極管V1和V4導通，Ub2和Ub3為負，V2和V3關斷。電樞電流Ia沿回路1(經V1和V4)從B流向A，電動機工作在電動狀態(tài)。圖7-20功率開關放大器的電壓電流波形(a)、(b)三極管基極電壓波形;(c)電樞電壓波形;(d)電樞電流波形;(e)重負載時電樞電流波形;(f)E>Us時電樞電流波形在t1≤t≤T期間，Ub1和Ub4為負，V1

和V4關斷，Ub2和Ub3為正，在電樞電感La中產生的自感電動勢LadIa/dt的作用下，電樞電流Ia沿回路2(經V2和V3繼續(xù)從B流向A，電動機仍然工作在電動狀態(tài)。此時雖然Ub2和Ub3為正，但受VD2和VD3正向壓降的限制，V2和V3仍不能導通。假若在t=t2時正向電流Ia衰減到零，如圖7-20(d)所示，

那么，在t2≤t≤T期間，V2和V3在電源電壓Us和反電動勢E的作用下即可導通，電樞電流Ia將沿回路3(經V3和V2)從A流向B，電動機工作在反接制動狀態(tài)。在

T<t≤t4期間(t4=T+t1)，三極管的基極電壓又改變了極性，V2和V3關斷，電樞電感La所生自感電動勢維持電流Ia沿回路4(經V4和V1)繼續(xù)從A流向B，電動機工作在發(fā)電制動狀態(tài)。此時，雖Ub1和Ub4為正，但受VD1和VD4正向壓降限制，

V1和V4也不能導通。假如在t=t3時，反向電流(-Ia)衰減到零，那么在

t3<t≤t4期間，在電源電壓Us的作用下，V1和V4就可以導通，電樞電流Ia又沿回路1(經V1和V4)從B流向A，電動機工作在電動狀態(tài)，如圖7-20(d)所示。若電動機的負載重，電樞電流Ia大，在工作過程中Ia不會改變方向的話，則盡管基極電壓Ub1、Ub4與Ub2、Ub3的極性在交替地改變方向，而V2和V3總不會導通，僅是V1和V4的導通或截止，此時，電動機始終都工作在電動狀態(tài)。電流Ia的變化曲線如圖7-20(e)所示。當E>Us(如位能轉矩負載)時，在0≤t<t1期間，電流Ia

沿回路4(經VD4和VD1)從A流向B，電動機工作在再生制動狀態(tài);在t1≤t<T期間，電流Ia沿回路3(經V3和V4)從A流向B，電動機工作在反接制動狀態(tài)。電流Ia的變化曲線如圖7-20(f)所示。

從上面的分析可知，電動機不論工作在什么狀態(tài)，在0≤t<t1期間電壓U總是等于+Us，而在t1≤t<T期間電壓總是等于-Us，如圖7-20(c)所示。由式(7-14)可知，電樞電壓U的平均值為

若定義雙極性雙極式脈寬放大器的負載電壓系數(shù)為

(7-15)(7-16)即

可見，ρ可在-1～+1之間變化。當t1=T/2時，ρ=0，Uav=0，電動機停止不動，但電樞電壓U的瞬時值不等于零，而是正、負電樞電壓的寬度相等，即電樞電路中流過一個交變的電流Ia，類似于圖7-20(d)的電流波形。這個電流一方面增大了電動機的空載損耗，但另一方面它使電動機發(fā)生高頻微動，可以減小靜摩擦，起著動力潤滑作用。

欲使電動機反轉，可令控制電壓Uk為負即可。

2)控制電路

(1)速度調節(jié)器ST和電流調節(jié)器LT。ST和LT均采用比例積分調節(jié)器。

(2)三角波發(fā)生器。三角波發(fā)生器如圖7-21所示，由運算放大器N1

和N2組成，在開環(huán)狀態(tài)下工作，它的輸出電壓不是正飽和值就是負飽和值，電阻R3和穩(wěn)壓管V組成一個限幅值，限制N1輸出電壓的幅值。N2為一個積分器，當輸入電壓U1為正時，其輸出電壓U2向負方向變化;當輸入電壓U1為負時，其輸出電壓U2向正方向變化。當輸入電壓U1正負交替變化時，其輸出電壓U2就變成了一個三角波。U1和U2的變化曲線如圖7-22(a)和(b)所示。

具體分析如下：R5構成正反饋電路，R6構成負反饋電路，相應的反饋電流I1和I2在N1的同相輸入端疊加。設在t=0時，I0為正，U1為負限幅值，I1為負，U2從負值向正方向增加，I2亦從負值向正方向增加;當U2(I2)增加到使I1+I2>I0，即在t=t7時刻，U1為正限幅值，I1為正，則U2(I2)從正值向負方向減少;當U2(I2)減少到使I1+I2<I0，即在t=t8時刻，U1(I1)為負，U2(I2)從負值向正方向增加。

2)從負值向正方向增加。

以后重復上述過程，這樣就產生了一連串的三角波。改變積分時間常數(shù)R4C的數(shù)值，可以改變三角波電壓U2的頻率f;改變電阻R5、R6的比值，可以改變三角波電壓U2的幅值;調節(jié)電位器Rp滑點的位置，可以獲得一個對稱的三角波電壓U2。圖7-21三角波發(fā)生器圖7-22控制電路中各部分的電壓波形(a)、(b)三角波發(fā)生器中有關的電壓波形;(c)、(d)、(e)分別為Uk>0、Uk<0、Uk=0時的電壓-脈沖變換器的輸出電壓波形;(f)、(g)為主電路三極管的基極電壓波形

(3)電壓-脈沖變換器。電壓-脈沖變換器BU如圖7-23所示，運算放大器N工作在開環(huán)狀態(tài)。當它的輸入電壓極性改變時，其輸出電壓總是在正飽和值和負飽和值之間變化，這

樣，它就可實現(xiàn)把連續(xù)的控制電壓Uk轉換成脈沖電壓，再經限幅器(由電阻R4和二極管VD組成)削去脈沖電壓的負半波，在BU的輸出端形成一串正脈沖電壓U4。圖7-23電壓-脈沖變換器具體分析如下：在運算放大器N的反相輸入端加入兩個輸入電壓，一個是三角波電壓U2，另一個是由系統(tǒng)輸入給定電壓Ugn經速度調節(jié)器ST和電流調節(jié)器LT后而輸出的直流控制電壓Uk。當Ugn為正時，Uk為正，由圖7-22(b)、(c)可見，在t<t1區(qū)間，因U2為負，且Uk+U2<0,故U4為正的限幅值;在t1<t<t4區(qū)間，因Uk+U2>0，故U4為零(因負脈沖已削去)。依此類推，將重復上述過程，隨著三角波電壓U2的變化，在BU的輸出端就形成了一串正的矩形脈沖，BU的輸出電壓U4如圖7-22(c)所示。當Ugn為負時，Uk為負，則在t<t2區(qū)間，

Uk+U2<0，U4為正;而在t2<t<t3區(qū)間，Uk+U2>0，U4=0，所得U4的波形如圖7-22(d)所示。

當Ugn=0時，Uk=0，則U4的波形如圖7-22(e)所示，為一正、負脈寬相等的矩形波電壓。

(4)脈沖分配器及功率放大。脈沖分配器如圖7-24所示，其作用是把BU產生的矩形脈沖電壓U4(經光電隔離器和功率放大)分配到主電路被控三極管的基極。圖7-24脈沖分配器及功率放大由圖7-24可知，當U4為高電平時，門1輸出低電平，一方面它使門5的輸出Uc14為高電平，VD1截止，光電管V1也截止，經功率放大電路，其輸出Ub14為低電平，使三極管V1、V4(見圖7-19)截止;另一方面使門2輸出高電平。其后使門6的輸出Uc23為低電平，VD2導通發(fā)光，使光電管V2導通，經功率放大后，其輸出Uc23為高電平，使三極管V2、V3(見圖7-19)導通。反之，當U4為低電平時，Uc23為高電平，V2截止，Uc23為低電平，使V2、V3截止;而Uc14為低電平，VB1導通，Uc14為高電平，使V1、V4

可以導通。Uc14和Uc23的波形如圖7-22(f)和(g)所示?？芍?，隨著電壓U4的周期性變化，電壓Uc14與Uc23正、負交替變化，從而控制三極管V1、V4與V2、V3的交替導通與截止。

圖7-24中點畫線框內的環(huán)節(jié)是個延時環(huán)節(jié)，它的作用是保證V1和V4

、V2

和V3兩對三極管中，一對先截止而后另一對再導通，以防止在交替工作時發(fā)生電源短路。

功率放大電路的作用是把控制信號放大，使其能驅動大功率晶體三極管。

(5)其他控制電路(過流、失速保護環(huán)節(jié))。當電樞電流過大和電動機失速時，該環(huán)節(jié)輸出低電平，封鎖門5和門6，其輸出Uc14和Uc23均為高電平，使Ub14和Ub23均為低電平，從而關斷三極管V1~V4

，使電動機停轉。泵升限制電路是限制電源電壓的。在由整流電源供電的電動機脈寬調速系統(tǒng)中，電動機轉速由高到低，存儲在轉子和負載中的動能會變成電能反饋到電源的蓄能電容器中，從而使電源電壓Us升高ΔUp(即所謂泵升電壓值)。電源電壓升高會使晶體管承受的電壓、電流峰值相應也升高，超過一定限度時就會使晶體管損壞。泵升限制電路就是為限制泵升電壓而設置的控制回路。

3.晶體管脈寬調速系統(tǒng)的分析

如圖7-18所示，整個裝置由速度調節(jié)器ST和電流調節(jié)器LT組成雙閉環(huán)無差調節(jié)系統(tǒng)，由LT輸出的電壓Uk(可正可負且連續(xù)可調)和正負對稱的三角波電壓U2在BU中進行疊加，

產生頻率固定而占空比可調的方波電壓U4。然后，此方波電壓由脈沖分配器產生兩路相位相差180°的脈沖信號，經功放后由這兩路脈沖信號去驅動橋式功率開關主電路，使其負載(電動機)兩端得到極性可變、平均值可調的直流電壓，該電壓控制直流電動機正反轉或制動。下面具體分析該系統(tǒng)在靜態(tài)、啟動、穩(wěn)態(tài)運轉、穩(wěn)態(tài)運轉時突加負載、制動及降速時的工作過程。

1)靜態(tài)

系統(tǒng)處于靜態(tài)時電動機停轉(電動機完全停轉是不現(xiàn)實的，由于運算放大器的高放大倍數(shù)，系統(tǒng)總存在一定的零漂，因此，電動機總有一定的爬行，不過這種爬行非常緩慢，一般1h左右才爬行一圈，可忽略)，由于速度給定信號Ugn=0。此時，速度調節(jié)器ST、電流調節(jié)器LT的輸出均為零，電壓-脈沖變換器BU在三角波的作用下，輸出端輸出一個頻率同三角波頻率且負載電壓系數(shù)ρ=0的正、負等寬的方波電壓U4，經脈沖分配器和功放電路產生的Ub14和Ub23加在橋式功率開關管V1~V4的基極，使橋式功率晶體管輪流導通或截止，此時，電動機電樞兩端的平均電壓等于零，電動機停止不動。必須說明的是，此時，電動機電樞兩端的平均電壓及平均電流雖然為零，但電動機電樞的瞬時電壓及電流并不為零，在ST及LT的作用下，系統(tǒng)實際上處于動態(tài)平衡狀態(tài)。

2)啟動

由于系統(tǒng)是可逆的，現(xiàn)以正轉啟動為例(反轉啟動類同)。在啟動時，速度給定信號Ugn送入速度調節(jié)器的輸入端之后，由于速度調節(jié)器的放大倍數(shù)很大，使得即使在極微弱的輸入信號作用下，也能使速度調節(jié)器的輸出達到其最大限幅值。由于電動機的慣性作用，電動機的轉速升到所給定的轉速需要一定的時間，因此，在啟動開始的一段時間內，ΔUn=Ugn-Ufn>0,速度調節(jié)器的輸出Ugi便一直處于最大限幅值，相當于速度調節(jié)器處于開環(huán)狀態(tài)。由于速度調節(jié)器的輸出是電流調節(jié)器的給定值，在速度調節(jié)器輸出電壓限幅值的作用下，使得電樞兩端的平均電壓迅速上升，電動機迅速啟動，電動機電樞平均電流也迅速增加。由于電流調節(jié)器的電流負反饋作用，主回路電流的變化反饋到電流調節(jié)器的輸入端與速度調節(jié)器的輸出進行比較，因為LT是PI調節(jié)器，只要輸入端有偏差存在，LT的輸出就要積分，使電動機的主回路電流迅速上升，一直升到所規(guī)定的最大電流值為止。此后，電動機就在這個最大給定電流下加速。電動機在最大電流作用下，產生加速動態(tài)轉矩，以最大加速度升速，轉速迅速上升，隨著電動機轉速的增長，速度給定電壓與速度反饋電壓的差值ΔUn=Ugn-Ufn跟著減少，但由于速度調節(jié)器的高放大倍數(shù)積分作用，使得Ugi始終保持在限幅值。因此，電動機在最大電樞電流下加速，轉速繼續(xù)上升，當上升到使ΔUn=Ugn-Ufn<0時,速度調節(jié)器才退出飽和區(qū)，使其輸出Ugi下降，在電流閉環(huán)的作用下，電樞電流隨之下降，當電流降到電動機外加負載所對應的電流以下時，電動機便減速，直到ΔUn=Ugn-Ufn＝0為止，這時電動機便進入穩(wěn)定運行狀態(tài)。簡而言之，在整個啟動過程中，速度調節(jié)器處于開環(huán)狀態(tài)，不起調節(jié)作用，系統(tǒng)的調節(jié)作用主要由電流調節(jié)器來完成。

3)穩(wěn)態(tài)運轉

在穩(wěn)態(tài)運行時，電動機的轉速等于給定轉速，速度調節(jié)器的輸入ΔUn＝Ugn-Ufn=0，但由于速度調節(jié)器的積分作用，其輸出不為零，而是由外加負載所決定的某一數(shù)值，此值也就是電流給定值。電流調節(jié)器的輸入值ΔUi=Ugi-Ufi，同樣，

由于電流調節(jié)器的積分作用，其輸出穩(wěn)定在某一個值，這個值是由功率開關主電路輸出的電壓平均值所決定的。穩(wěn)態(tài)運行時，電動機的轉速不變。

4)穩(wěn)態(tài)運轉時突加負載的調節(jié)過程

當負載突然增加時，電動機的轉速就要下降，速度調節(jié)器的輸入ΔUn=Ugn-Ufn>0，速度調節(jié)器的輸出(即電流調節(jié)器的給定值)便增加，電流調節(jié)器的輸出也增加，使得BU輸出的脈沖占空比發(fā)生變化。于是，功率開關放大器電路輸

出的電壓平均值也增加，迫使電動機的轉速回升，直到ΔUn=Ugn-Ufn=0為止，這時的電流給定值(即速度調節(jié)器的輸出)對應于新的負載電流，系統(tǒng)處于新的穩(wěn)定運行狀態(tài)。

5)制動

當電動機處于某種速度的穩(wěn)態(tài)運行時，若突然使速度給定降為零，即Ugn=0，此時由于速度反饋信號Ufn>0，因而，速度調節(jié)器的輸入ΔUn=Ugn-Ufn<0，速度調節(jié)器的輸出Ugi

和電流反饋的輸出Ufi一起使得電流調節(jié)器的輸出立即處于負的限幅值，電動機即進行制動，直到速度降為零。以后的過程同靜態(tài)。

6)降速

當電動機處于某種速度的穩(wěn)態(tài)運行時，若使速度給定Ugn降低，此時，速度調節(jié)器的輸入ΔUn=Ugn-Ufn<0，電動機立即進行制動降速。當電動機的轉速降低到所給定的轉速時，又使速度調節(jié)器的輸入ΔUn=Ugn-Ufn=0，系統(tǒng)又在新的轉速下穩(wěn)定運行。

以后的過程同穩(wěn)態(tài)運轉。7.3.1概述

交流調速系統(tǒng)就是以交流電動機作為電能-機械能的轉換裝置，并通過對電能的控制以產生所需的轉矩與轉速。它與直流電動機調速系統(tǒng)最大的不同之處在于它沒有直流電

動機電流流向變化的機械換向器——整流子。7.3交流傳動控制系統(tǒng)

19世紀80年代以前，在工業(yè)生產中，直流電力傳動是唯一的一種電力傳動方式。到19世紀末，由于發(fā)明了交流電，解決了三相制交流電的輸送與分配問題，加之又制成了經濟實用的交流籠型異步電動機，這就使交流電力傳動在工業(yè)中逐步得到了廣泛的應用。隨著生產技術的發(fā)展，對機電傳動在啟制動、正反轉以及調速精度、調速范圍等靜態(tài)特性與動

態(tài)響應方面提出了新的、更高的要求。而交流傳動比直流傳動在技術上難以實現(xiàn)這些要求，所以20世紀前半葉，在可逆、可調速與高精度傳動技術領域，幾乎都采用直流傳動系統(tǒng)。由于直流電動機具有電刷與整流子，必須經常對電刷與整流子進行維修檢查，因而電動機安裝的環(huán)境受到限制(如不能安裝在有易爆氣體及塵埃多的場合)。另外，直流電動機的轉速不夠高、容量小，且它的體積、重量與價格比同等容量的交流電動機要大。在20世紀60年代以后，隨著電力電子學與電子技術的發(fā)展，使得采用半導體交流技術的交流調速系統(tǒng)得以實現(xiàn)。特別是70年代以來，大規(guī)模集成電路和計算機控制技術的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應用，為交流機電傳動的開發(fā)創(chuàng)造了有利條件，如交流電動機的串級調速、各種類型的變

頻調速和無換向器電動機調速，使得交流機電傳動逐步具備了寬的調速范圍、高的穩(wěn)速精度、快的動態(tài)響應以及在四象限作可逆運行等良好的技術性能。交流調速在各個工業(yè)領域中的應用所占的比重正在逐漸增大，在機電傳動自動化領域中的地位也日趨重要。

1.交流調速的重要作用

交流調速傳動在節(jié)約能源方面起著重要作用。一方面，交流傳動負荷在各國的總用電量中都占有很大的比重，對這類負荷實現(xiàn)節(jié)能，可以獲得很好的節(jié)能效益;另一方面，交流傳動本身又存在著很大的可以挖掘的節(jié)電潛力。在許多交流傳動裝置中，交流電動機及其所傳動的機械在選用時，往往都留有一定的富余容量，而且也常在最大負荷情況下運行。輕載時，如果利用電力電子技術降低電動機的外加電壓，或者通過對電動機的速度控制來改變某些工作機械的工況，就可達到節(jié)電的目的。例如工業(yè)上大量使用的風機、水泵、壓縮機等，都是采用交流電動機拖動，其用電量約占工業(yè)用電的50％。過去大都靠調節(jié)風門、閘閥來改變流量，使得大量電能被白白浪費，若采用電動機調速來改變流量，則其效率可以大大提高。

2.交流調速的基本類型

交流電動機分為同步電動機和異步電動機兩大類。

同步電動機的調速靠改變供電電壓的頻率而改變其同步轉速。因此，同步電動機的調速方法有兩種：

(1)不改變同步轉速的調速方法，具體有轉子串電阻、轉子斬波調速、改變定子電壓、改變轉子附加電動勢、應用電磁轉差離合器等方法。

(2)改變同步轉速的調速方法，具體有改變定子極對數(shù)、改變定子電壓頻率，應用無換向器電動機等方法。

異步電動機的調速方法較多，常見的有：

①降電壓調速;

②電磁轉差離合器調速;

③繞線轉子異步電動機轉子串電阻調速;

④繞線轉子異步電動機串級調速;

⑤變極對數(shù)調速;

⑥變頻調速等。按照交流異步電動機的基本原理，從定子傳入轉子的電磁功率Pm可分為兩部分：一部分為P2=(1-s)Pm，是拖動負載的有效功率;另一部分是轉差功率Ps=sPm，其與轉差率s成正

比。從能量轉換的角度上看，轉差功率是否增大，是消耗掉還是得到回收，是評價調速系統(tǒng)效率高低的一種標志。從這點出發(fā)，可以把異步電動機的調速系統(tǒng)分成三大類。

1)轉差功率消耗型調速系統(tǒng)

該系統(tǒng)的全部轉差功率都被轉換成熱能的形式而消耗

掉。上述的第①、②、③三種調速方法都屬于這一類。在三大調速系統(tǒng)中，這類調速系統(tǒng)的效率最低，而且它以增加轉差功率的消耗來換取轉速的降低(恒轉矩負載時)，越向下調速，效率越低。但這類系統(tǒng)結構簡單，所以還有一定的應用場合。

2)轉差功率回饋型調速系統(tǒng)

該系統(tǒng)的轉差功率的一部分被消耗掉，大部分則通過變流裝置回饋電網或者轉化為機械能予以利用，轉速越低時，回收的功率也越多。上述第④種調速方法(串級調速)屬于這一類。這類調速系統(tǒng)的效率顯然比第一類要高，但增設的交流裝置總要多消耗一部分功率，因此還不及第三類。

3)轉差功率不變型調速系統(tǒng)

該系統(tǒng)的轉差功率中轉子銅損部分的消耗是不可避免

的，但在這類系統(tǒng)中，無論轉速高低，轉差功率的消耗基本不變，因此效率最高。上述的第⑤、⑥兩種調速方法屬于此類。其中變極對數(shù)調速只能實現(xiàn)有級調速，應用場合有限。只有變頻調速應用最廣，可以構成高動態(tài)性能的交流調速系統(tǒng)，取代直流調速，最有發(fā)展前途。

無論是異步電動機還是同步電動機，都是依靠改變供電電壓的頻率而改變其轉速，變頻的結果都是改變旋轉磁場的轉速，二者的效果是一樣的。7.3.2異步電動機的調壓調速系統(tǒng)

當異步電動機定子與轉子回路的參數(shù)為恒定時，在定轉差率下，電動機的電磁轉矩M與加在其定子繞組上電壓U的平方成正比，即M∝U2。因此，改變電動機的定子電壓就可改變其機械特性的函數(shù)關系，從而改變電動機在一定輸出轉矩下的轉速。圖7-25表示異步電動機在調壓調速時的機械特性。

交流調壓調速是一種比較簡便的調速方法，可以在異步電動機定子回路中串入飽和電抗器以及在定子側加調壓變壓器來實現(xiàn)調壓調速。當今可使用雙向晶閘管元件來實現(xiàn)交流調壓調速。

1.控制方式

晶閘管交流調壓就是在恒定交流電源與負載(如電阻、交流電動機等)之間接入晶閘管作為交流電壓控制器。其控制方式有相位控制和通斷控制兩種。圖7-25異步電動機在改變定子電壓時的機械特性(U1>U2>U3)

1)相位控制

晶閘管單相調壓電路如圖7-26所示。作為相位控制時，晶閘管在每個電源電壓波形周期的選定時刻將負載與電源接通。如圖7-27所示，不同的控制角可得到不同的輸出負載電壓波形u=f(t)，從而起到調壓作用。為使輸出電壓正、負半波對稱，反并聯(lián)的兩個晶閘管的控制角應相等。圖7-26晶閘管單相調壓電路圖7-27晶閘管單相調壓電路在相位控制時的負載電壓波形

2)通斷控制

通斷控制時的調壓電路仍如圖7-26所示，但晶閘管起著快速開關作用，它把負載與電源按一定的頻率通斷關系接通與斷開。晶閘管的控制角α一般為0°，可連續(xù)導通幾個

周期，晶閘管在控制脈沖消失時自然關斷。電動機作為負載時，它相當于工作在脈沖調速狀態(tài)。負載電壓波形如圖7-28所示。圖7-28晶閘管單相調壓電路在通斷時的負載電壓波形

2.異步電動機調壓時的機械特性

根據(jù)電機學原理，在①忽略空間和時間諧波，②忽略磁飽和，③忽略鐵損耗的情況下，可畫出感應電動機的穩(wěn)態(tài)等效電路圖，如圖7-29所示。圖中各參量的定義如下：

R1、R2為定子每相電阻和折合到定子側的轉子每相電阻;L11、L12′為定子每相漏感和折合到定子側的轉子每相漏感;Lm為定子每相繞組產生氣隙主磁通的等效電感，即勵磁電

感;U1、

ω1為電動機定子相電壓和供電角頻率。圖7-29感應電動機穩(wěn)態(tài)等效電路

由圖7-29可以導出：

(7-17)

式中：

在一般情況下，LmL11，則C1≈1，這相當于將上述假設條件的第③條改為忽略鐵損耗和勵磁電流。這樣，電流公式可簡化為

(7-18)

令電磁功率，同步機械角轉速，p為極對數(shù)，則感應電動機的電磁轉矩為

(7-19)

式(7-19)就是感應電動機的機械特性方程。它表明，當轉速或轉差率一定時，電磁轉矩與電壓的平方成正比。這樣，不同電壓下的機械特性如圖7-30所示，圖中Ued表示額定電壓。將式(7-19)對s求導，并令，可求出產生最大轉矩時的轉差率sm和最大轉矩Memax，即:

(7-20)