【文章內容簡介】 nnn n n nnn n n n ssnns????????? ? ? ??? ????? （２ ５） 式中表示系統(tǒng)調速范圍、靜差度、最高轉速、轉速降四者之間的關系。 通常 maxn 由電動機銘牌可知， 2RTs 應等于或者小于生產機械要求的靜差度 S， D 由生產機械要求決定。如果三者確定后，則要求 RTn? 為定值。當 RTs 一定時 D越大，允許的 RTn?值越大。 若要擴大調速范圍，可提高 maxn 。由于技術與經濟的原因也不能無限制的增加轉速。 調速系統(tǒng)的選定 調速系統(tǒng)是當今電力拖動自動控制系統(tǒng)中應用得最普遍的一種系統(tǒng)，在卷煙機械這種對調速性能的要求較高的系統(tǒng)中采用直流調速系統(tǒng)。卷煙機供紙伺服驅動電路采用直流伺服系統(tǒng)。本電路中，交流電機不能滿足電路的要求。 伺服系統(tǒng)采用速度伺服，它是伺服系 統(tǒng)中的一個重要的內容。它由速度控制單元、伺服電機、速度檢測裝置等構成，速度控制單元用于控制電機的轉速，是速度控制系統(tǒng)的核心。速度環(huán)由速度控制器、電流環(huán)以及永磁直流測速發(fā)電機組成。測速發(fā)電機與電動機同軸相連接，工作時其輸出電壓與電動機的轉速成正比。反饋電壓與給定值相比較，差值供給速度控制器。在 PWM 構成的驅動電路中，只要改變脈沖的寬度，就可以達到調節(jié)電機轉速的目的。 對于同樣一臺電動機，開環(huán)與閉環(huán)穩(wěn)態(tài)速降有什么不同呢？顯然閉環(huán)系統(tǒng)能減少穩(wěn)態(tài)速降，決不是閉環(huán)后電樞回路電阻能自動減小，而是在于它的自動調節(jié)作用。開 環(huán)機械特性在各種對應的晶閘管提供給直流電機的整流電壓為一恒值，即不能隨著電動機電樞電流而變化而自動變化，故當電樞電流增大時，電樞壓降也增大，轉速只能降下來，而閉環(huán)靜特性上的各點所對應的晶閘管提供給直流電機的整流電壓不為一恒值，是隨電樞電流的增加（或減少）而相應地提高（或降低）的，補償了電樞壓降的增加（或減少）。由于閉環(huán)系統(tǒng)具有隨著負載的變化而供給電動機的整流電壓也自動變換的特點，所以相對來說閉環(huán)哈爾濱學院本科畢業(yè)論文（設計） 11 系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力。由于直流電機的機械特性比較軟，直流開環(huán)伺服系統(tǒng)不能滿足機電一體化系統(tǒng)的要求，在電路中我們 采用單閉環(huán)伺服系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)就是負反饋控制系統(tǒng)。檢測元件將執(zhí)行部分的位移、轉角、速度等量轉變成電信號，反饋到系統(tǒng)的輸入端與指令進行比較，得出誤差信號的大小，按照減小誤差大小的方向控制驅動電路，直到誤差減小到零為止。 閉環(huán)伺服系統(tǒng)適用于高精度或大負載的系統(tǒng)。閉環(huán)調速系統(tǒng)對包圍在負反饋環(huán)內的一切前向通道上的擾動作用都能有效得加以控制，因此，調速系統(tǒng)增設了負反饋環(huán)節(jié)后，將使轉速降減為開環(huán)時的 1（ 1+K）倍。閉環(huán)調速系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù) K 值越大，穩(wěn)態(tài)速降也就越小，靜特性就越硬，在保證所要求的靜差率下，其系統(tǒng)的調速 范圍就越大，從而大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。 在轉速閉環(huán)系統(tǒng)中，對于轉速給定環(huán)節(jié)及轉速檢測環(huán)節(jié)本身的誤差引起轉速偏差，反饋節(jié)則無能為力。因此，高精度的調速系統(tǒng)需要有更高精度的給定穩(wěn)定電源，高精度的控制系統(tǒng)，還必須有高精度的檢測元件作為保證。卷煙機閉環(huán)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件我們采用直流伺服電機，檢測元件選用角位移傳感器。在閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中用永磁直流伺服電機控制電路，調速的方法是根據速度給定值與速度反饋值的差值來改變電機的電樞電壓，達到調速的目的。閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中，信號轉換電路類型很多，我們采用的是直流脈寬調制（ PWM），原理是：輸入為直流電壓，經脈沖寬度調制后，輸出脈沖的頻率與振幅一定，但脈沖寬度與輸入電壓幅值成正比，即脈沖占空比是可變的。用大功率晶體管直接驅動執(zhí)行電機時需要用線性集成運算放大器組成的線路，整個線路是脈寬調速線路。 調速電機 調速既速度控制，是指在直流傳動系統(tǒng)中人為或自動地改變電動機的轉速，以滿足工作機械對不同的轉速的要求。伺服電動機是一種受輸入電信號控制，并做出快速響應的電動機。堵轉轉矩與控制電壓成正比，轉速隨轉矩的增加而近似線性下降，當控制電壓為零時立即停止。在卷煙機供紙系統(tǒng)中，我們要 求通過伺服電機的調速來改變供紙的速度，使供紙速度和主機速度保持一致，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作。也就是說前者要求速度可調，后者要求速度穩(wěn)定。調速就是在一定的最高轉速和最低轉速的范圍內分檔（有級）地或平滑（無級）地調節(jié)轉速。 適應這種要求的調速電機有交流和直流兩種： 直流調速電機是伺服系統(tǒng)應用最早的，也是應用最為廣泛的執(zhí)行元件。直流調速電機具有啟動轉矩大、體積小、重量輕和轉速容易控制、效率高等優(yōu)點。其缺點就是轉子上安裝了具有機械運動性質的電刷和換向器，換向問題是直流電機的主要弱點，其單機容量、過載能力、最高電壓和轉速 等重要指標都受到換向和由它引起的機械強度等問題的限制。直流伺服電機內部有機械換向裝置，碳刷易磨損，維修工作量大，運行時易起火花，給電機的轉速和功率的提高帶來較大的困難 ， 需要定期維修和更換電刷，使用壽命短，噪聲大 。哈爾濱學院本科畢業(yè)論文（設計） 12 直流伺服電機在數(shù)控機床和工業(yè)機器人等機電一體化產品中得到廣泛應用。直流電機具有良好的控制特性，因此在工業(yè)生產中一直占據主導地位。直流電機之所以具有良好的調速性能，原因在于以下幾個方面：①直流電機的磁極固定在定子機座上，產生穩(wěn)定的直流磁場②樞繞組固定在轉子鐵心槽內，在定間產生一個穩(wěn)定的、磁場保持垂直的 電樞磁勢，電樞磁勢用于產生轉矩③勵磁電流和電樞電流可以分別控制。 交流調速電機沒有換向件，過載能力強、重量小、體積輕，適用于高速、高精度、頻繁啟動停止以及快速定位等場合。交流異步電機結構簡單、價格便宜、制造方便，但是交流電機的的調速特性不如直流電機，交流伺服電機的各種關系更為復雜，非線形更為嚴重，效果也更低，所以交流伺服電機只能用在小功率系統(tǒng)中，帶動小的負載。 電動機速度調節(jié)性能的好壞，常用下列各項指標來衡量： ⑴調速范圍。調速范圍是指電動機拖動額定負載時，所能達到的最大轉速與最小轉速之比。 ⑵調速的平滑性 。電動機的兩個相鄰調速級的轉速之比稱為調速的平滑性。 ? 稱為平滑系數(shù)。在一定的范圍內，調速級越多，相鄰級轉速差越小， ? 越接近 1，平滑性越好。 ? =1稱為無級調速。 ⑶調速的穩(wěn)定性。調速的穩(wěn)定性是指負載轉矩發(fā)生變化時，電動機轉速隨之變化的程度。 ⑷調速的經濟性。調速的經濟性由調速設備的投資及電機運行時的能量消耗來決定。 ⑸調速時電動機的容許輸出。它是指在電動機 得到充分利用下的情況下，在調速過程中所能輸出的功率和轉矩。 直流電機的調速方法共有三種： ⑴ 電樞回路串聯(lián)電阻調速。保持電源電壓及主極磁通為額定值不變，在電樞回路內串入不同的電阻時，電動機將穩(wěn)定運行于較低的轉速。電樞回路串電阻調速時，所串電阻越大，穩(wěn)定運行轉速越低。所以這種方法只能在低于額定轉速的范圍內調速，一般稱為由基速（額定轉速）向下調速。電樞回路串聯(lián)電阻后，機械特性變軟，系統(tǒng)轉速受負載波動的影響較大，而且在空載和輕載時能夠調速的范圍非常有限，不能連續(xù)調節(jié)，只能有級調速。同時，所串的調速損耗越大，這樣將使電動機的效率大為降低。 ⑵ 降低電源電壓調速。保持主極磁通為額定值不變，電樞回路不串電阻 ，降低電源電壓 U時，電動機拖動負載穩(wěn)定運行于較低的轉速上。降壓調速時，加在電樞上的電壓一般不超過額定電壓 nU ，所以降壓調速能只能在低于額定轉速的范圍內進行調節(jié)，或者說只能由基速向下調速。降低電源電壓調速時，電動機機械特性的硬度不變，因此，在低速運行時，轉速受負載波動的影響也很小，速度的穩(wěn)定性較好。而且，不管拖動哪一類負載，只要電源電壓可以調節(jié)，系統(tǒng)的轉速就可以連續(xù)變化，這種調速稱為無級調速。與電樞串電阻調速相比，降壓調速的性能要優(yōu)越得多，而且電樞電路中沒有附 加的電阻損耗，電動機的效率高。 哈爾濱學院本科畢業(yè)論文（設計） 13 ⑶ 保持電樞電壓不變，電樞回路不串電阻，減小電動機的勵磁電流使主極磁通值減弱， 則電動機拖動負載運行的轉速升高。弱磁調速是在電流較小的勵磁回路中進行調節(jié)的，而勵磁電流通常只有額定電流的（ 25） %，因此調速時能量損耗很小。而且，由于勵磁調節(jié)電阻容量很小，控制很方便，可以連續(xù)調節(jié)電阻值實現(xiàn)轉速連續(xù)調節(jié)的無級調速。 伺服系統(tǒng)的測速 測速發(fā)電機是 輸出電動勢與轉速成比例的 微 特 電機 。測速發(fā)電機的繞組和 磁路 經精確設計，其輸出電動勢 E 和轉速 n 成線性關系，即 E＝ kn，其中 k 是常 數(shù)。改變旋轉方向時輸出電動勢的極性即相應改變。當被測機構與測速發(fā)電機同軸聯(lián)接時，只要檢測出輸出電動勢，即能獲得被測機構的轉速，故又稱速度傳感器。測速發(fā)電機廣泛應用于各種速度或位置控制系統(tǒng)。在自動控制系統(tǒng)中作為檢測速度的元件，以調節(jié) 電動機 轉速或通過反饋來提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度；在解算裝置中可作為微分、積分元件，也可作為加速或延遲信號用或用于測量各種運動機械在擺動或轉動以及直線運動時的速度。 測速發(fā)電機分為交流和直流兩種。 在速度伺服系統(tǒng)中，系統(tǒng)的輸出端必須有檢測角位移的裝置。常見的測速發(fā)電機有三種，即直流測速發(fā)電 機、交流異步測速發(fā)電機和交流同步測速發(fā)電機。 同步電動機就是轉子的轉速始終與定子旋轉磁場的轉速相同的交流電機。如果三相交流電源加在三相同步電動機釘子繞組時，就產生旋轉速度為 n的旋轉磁場。轉子勵磁繞組通電時建立固定磁場。假如轉子以某種方法起動，并使轉速接近 1n ，這時轉子的磁場極性與定子旋轉磁場極性之間異性對齊。根據磁極異性相吸原理，定轉子磁場間就產生電磁轉矩，促使轉子跟旋轉磁場一起同步轉動即 n = 1n ,故稱為同步電動機。 角位移的測定 角位移的測定選用旋轉變壓器。測量角位移的方法是把機械部件的旋轉傳遞到角位移傳感器的軸上，帶動與之相連的擾流片 /鐵心，改變線圈中的感應電壓 /電感量，輸出與旋轉角度成比例的電壓 /電流信號。驅動電路中采用 RVDT，與同步分析器和電位計等其他傳統(tǒng)的較為儀測量儀相比，有效的提高了長期可靠性。它的設計獨特，在不使用諸如滑片、葉片、接觸式游標，電刷等易磨損的活動部件的前提下仍可保證測量的精度。該傳感器采用特殊形狀的轉子和線繞線圈，模擬線 形可變差動傳感器（ LVDT）的線形位移，有較高的可靠性和性能。轉子軸的旋轉運動產生線性輸出信號圍繞出廠預置的零位一定177。 60（總共120）度。此信號的相位指示離開零位的位移方向。轉子的非接觸式電磁糯合使用產品具有無限的分辨率，即絕對測量精度可打到零點幾度。 差動變壓器的工作原理類似變壓器的作用原理。這種類型的傳感器主要包括有銜鐵、一次繞組和二次繞組等。一、二次繞組間的耦合能隨銜鐵的移動而變化，即繞組間的互感隨被測位移改變而變化由于在使用時采用兩個二次繞組反向串接，以差動方式輸出，所以把這種傳感器稱為差動傳感器 式電感傳感器，通常簡稱差動變壓器。 哈爾濱學院本科畢業(yè)論文（設計） 14 角位移傳感器的原理如圖 25所示。 RVDT 傳感器的特點是：結構簡單，工作可靠，壽命長，線性度好，重復性好 ； R36AS(AC) 177。 30186。 / 177。 60 186。 Max – 差動變壓器式； 工作溫度范圍大 (55186。c到 +150186。C)，不銹鋼焊接外殼 ；軸向負載高，防震動沖擊能力強。 177。 60 186。 線性度 %； 抗干擾能力強 。 黃色褐色紅 色藍 色綠 色黑 色 絕緣柵極雙極型晶體管（ IGBT） 絕緣柵極雙極型晶體管是雙極型電力晶體 管和 MOSFET 的復合。電力晶體管飽和壓降低，載流密度大，但驅動電流大。 MOSFET 驅動功率很小，開關速度快，但導通壓降大，載流密度小。 IGBT 綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅動功率小，飽和壓降低。 絕緣柵雙極晶體管