雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(編輯修改稿)
2025-07-26 21:02 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 要將這些微弱電信號及電阻值等非電量轉(zhuǎn)換成一種統(tǒng)一的電信號，變送器就是實(shí)現(xiàn)這一功能的器件。它將傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換成0～10 mA或4～20 mA的統(tǒng)一電流信號或者0～5 V的電壓信號。（3）信號處理環(huán)節(jié)信號處理環(huán)節(jié)主要包括信號的放大及干擾信號的去除。它將變送器輸出的信號進(jìn)行放大或處理成與A/D(Analog to Digital)轉(zhuǎn)換器所要求的輸入相適應(yīng)的電平。另外，傳感器通常都安裝在現(xiàn)場，環(huán)境比較惡劣，其輸出常疊加有高頻干擾信號。因此，信號處理環(huán)節(jié)通常是低通濾波電路，如RC濾波器或由運(yùn)算放大器構(gòu)成的有源濾波電路等。 電樞電流——電流傳感器 電樞電壓——電壓傳感器 溫 度——溫度傳感器、溫度繼電器 電機(jī)轉(zhuǎn)速——測速發(fā)電機(jī)、軸編碼器熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件，它直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，通過電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。各種熱電偶的外形常因需要而極不相同，但是它們的基本結(jié)構(gòu)卻大致相同，通常由熱電極、絕緣套保護(hù)管和接線盒等主要部分組成，通常和顯示儀表、記錄儀表及電子調(diào)節(jié)器配套使用。熱敏電阻是敏感元件的一類，按照溫度系數(shù)不同分為正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）。熱敏電阻器的典型特點(diǎn)是對溫度敏感，不同的溫度下表現(xiàn)出不同的電阻值。正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）在溫度越高時電阻值越大，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）在溫度越高時電阻值越低，它們同屬于半導(dǎo)體器件。溫度繼電器，當(dāng)外界溫度達(dá)到給定值時而動作的繼電器。該產(chǎn)品為通接觸感應(yīng)式密封溫度繼電器，具有體積小、重量輕、控溫精度高等特點(diǎn)，通用性極強(qiáng)。是使用最為廣泛的產(chǎn)品，可供航空航天、監(jiān)控攝像設(shè)備、電機(jī)、電器設(shè)備及其它行業(yè)作溫度控制和過熱保護(hù)用。測速發(fā)電機(jī)輸出電動勢與轉(zhuǎn)速成比例的微特電機(jī)。測速發(fā)電機(jī)的繞組和磁路經(jīng)精確設(shè)計，其輸出電動勢E和轉(zhuǎn)速n成線性關(guān)系，即E=Kn，K是常數(shù)。改變旋轉(zhuǎn)方向時輸出電動勢的極性即相應(yīng)改變。在被測機(jī)構(gòu)與測速發(fā)電機(jī)同軸聯(lián)接時，只要檢測出輸出電動勢，就能獲得被測機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速，故又稱速度傳感器。模擬量輸出線性度限制受溫度影響。軸編碼器采用與主軸同步的光電脈沖發(fā)生器，通過中間軸上的齒輪1:1地同步傳動。數(shù)控車床主軸的轉(zhuǎn)動與進(jìn)給運(yùn)動之間，沒有機(jī)械方面的直接聯(lián)系，為了加工螺紋，就要求給定進(jìn)給伺服電動機(jī)的脈沖數(shù)與主軸的轉(zhuǎn)速應(yīng)有相對應(yīng)的關(guān)系，主軸脈沖發(fā)生器起到了對主軸轉(zhuǎn)動與進(jìn)給運(yùn)動的聯(lián)系作用。3 直流調(diào)速系統(tǒng)的控制理論單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無靜差，且采用電流截止負(fù)反饋?zhàn)飨蘖鞅Ｗo(hù)可以限制啟（制）動時的最大電流。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還存在以下問題：（1） 在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中用一個調(diào)節(jié)器綜合多種信號，各參數(shù)間相互影響，難于進(jìn)行調(diào)節(jié)器動態(tài)參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)的動態(tài)性能不夠好。在采用電流截止負(fù)反饋和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，一個調(diào)節(jié)器需完成兩種調(diào)節(jié)任務(wù)：正常負(fù)載時實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，過載時進(jìn)行電流調(diào)節(jié)。一般而言，在這種情況下，調(diào)節(jié)器的動態(tài)參數(shù)無法保證兩種調(diào)節(jié)過程同時具有良好的動態(tài)品質(zhì)。（2） 系統(tǒng)中采用電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)來限制啟動電流，不能充分利用電動機(jī)的過載能力獲得最快的動態(tài)響應(yīng)，即最佳過度過程。為了獲得近似的理想的過度過程，并克服幾個信號綜合于一個調(diào)節(jié)器輸入端的缺點(diǎn)，最好的辦法就是將主要的被調(diào)量轉(zhuǎn)速與輔助被調(diào)量分開加以控制，用兩個調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 系統(tǒng)設(shè)計的一般原則為：先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。即從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴(kuò)展。在這里，首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。 圖4 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 圖5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，即要控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)，又要控制電流使系統(tǒng)在充分利用電動機(jī)過載能力的條件下獲得最佳過度過程，其關(guān)鍵是處理好轉(zhuǎn)速控制和電流控制之間的關(guān)系，就是將兩者分開，用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，用電流調(diào)節(jié)器ACR調(diào)節(jié)電流。ASR與ACR之間實(shí)現(xiàn)串級調(diào)節(jié)，即以ASR的輸出電壓Ui作為電流調(diào)節(jié)器的電流給定信號，再用ACR的輸出電壓Uc作為晶閘管觸發(fā)電路的移相控制電壓。從閉環(huán)反饋的結(jié)構(gòu)看，速度環(huán)在外面為外環(huán)，電流環(huán)在里面為內(nèi)環(huán)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用具有輸入、輸出限幅電路的PI調(diào)節(jié)器[4]，且轉(zhuǎn)速和電流都采用負(fù)反饋環(huán)。 調(diào)節(jié)器輸出限幅值的整定在雙閉環(huán)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出電壓Ui是電流調(diào)節(jié)器ACR的電流給定信號，其限幅值Uim為最大電流給定值，因此，ASR的限幅值完全取決于電動機(jī)所允許的過載能力和系統(tǒng)對最大加速度的需要。而ACR的輸出電壓限幅值Ucm，表示對最小α角的限制，也表示對晶閘管整流輸出電壓的限制。調(diào)節(jié)器輸出限幅值的計算與整定是系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試工作中很重要的一環(huán)。 起動過程分析 設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近理想起動過程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要首先探討它的起動過程。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓U*n由靜止?fàn)顟B(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程示于下圖電流曲線轉(zhuǎn)速曲線 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動時的轉(zhuǎn)速和電流波形 由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了快速進(jìn)入飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的I、II、III三個階段。 1. 第Ⅰ階段（0t1）：強(qiáng)迫電流上升階段突加給定電壓Un后，通過兩個調(diào)節(jié)器的控制作用，Uc、Ud、UL都迅速上升，當(dāng)Id≥IL后,轉(zhuǎn)速n從零開始增長，但由于電動機(jī)機(jī)電慣性較大，轉(zhuǎn)速n及其反饋信號Ufn增長較慢，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR因輸入偏差電壓△Un=UnUfn數(shù)值較大而迅速飽和，并輸出最大電流給定值Uim，強(qiáng)迫Id電流迅速上升。當(dāng)Id=Idm時，Ufi≈Uim,電流調(diào)節(jié)器ACR的作用使Id不再增長，第Ⅰ階段結(jié)束[1,9]。在這一階段中，ASR由不飽和很快達(dá)到飽和，而ACR一般不飽和，以確保電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用，這些都是在系統(tǒng)設(shè)計時必須考慮和給予保證的。2. 第Ⅱ階段（t1t2）:恒流升速階段，即電動機(jī)保持最大電流作等加速啟動的階段。該階段從電流上升到Idm開始，直至轉(zhuǎn)速升至給定值n1為止，是啟動過程的主要階段。在這個階段中，ASR一直
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