1、第4章 數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)裝置,4.1 概述 4.2 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置 4.3 晶閘管電動(dòng)機(jī)直流自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng) 4.4 晶體管電動(dòng)機(jī)直流脈寬調(diào)制自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng) 4.5 交流調(diào)速系統(tǒng) 思考與練習(xí),4.1 概 述,4.1.1 驅(qū)動(dòng)裝置分類 驅(qū)動(dòng)裝置接受數(shù)控系統(tǒng)輸出的速度控制信號(hào)，輸出電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。由于驅(qū)動(dòng)裝置用于對驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度控制，因此有時(shí)也稱驅(qū)動(dòng)裝置為速度控制單元或速度單元； 又因?yàn)轵?qū)動(dòng)裝置是伺服系統(tǒng)中的功率放大部分，所以又可稱驅(qū)動(dòng)裝置為伺服驅(qū)動(dòng)單元或伺服放大器。表41所示為數(shù)控機(jī)床中各類驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置。,表4-1 數(shù)控機(jī)床中的驅(qū)動(dòng)裝置,4.1.2 功率器件 驅(qū)動(dòng)裝置中功率器件的作用就是將控制信號(hào)進(jìn)行

2、功率放大，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的目的。功率器件是開關(guān)元件，常用的有大功率晶體管、功率場效應(yīng)管以及絕緣門極晶體管、 普通晶閘管和可關(guān)斷晶閘管等。表4-2所示為各種功率器件代號(hào)及符號(hào)。,1 大功率晶體管 大功率晶體管(GTR, Giant Transistor)是一種工作于導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)的功率三極管，具有控制方便，開關(guān)時(shí)間短， 高頻特性好，通態(tài)壓降較低等優(yōu)點(diǎn)。目前最大容量為400 A、 1200 V，工作頻率可達(dá)5 kHz， 主要用于500 kW以下的場合。 2功率場效應(yīng)管 功率場效應(yīng)管(MOSFET, Power Mos Field Effect Transistor)，其開關(guān)時(shí)間很短，一般為n

3、s數(shù)量級(jí)，工作頻率可達(dá)30 kHz以上，目前耐壓等級(jí)為1000 V，電流等級(jí)為200 A。,3 絕緣門極晶體管 絕緣門極晶體管(IGBT,Isolated Grate Bipolar Transistor)是發(fā)展最快且已進(jìn)入實(shí)用化的一種復(fù)合型器件。 由于它將MOSFET和GTR的優(yōu)點(diǎn)集于一身，既具有輸入阻抗高、 速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng)電路簡單的特點(diǎn)，又具有通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點(diǎn)，因此發(fā)展很快，有取代MOSFET和GTR的趨勢。 ,4 MOS門極晶體管 MOS門極晶體管(MGT, MOS Gate Transistor)由功率場效應(yīng)管與功率晶體管復(fù)合而成，其基本結(jié)構(gòu)形式有達(dá)林頓、

4、并聯(lián)式、串聯(lián)式及串并聯(lián)混合式。,5 晶閘管 晶閘管為硅晶體閘流管的簡稱，又稱可控硅(SiliconControlled Rectifier)，因此，有時(shí)把晶閘管組成的變流電路稱為SCR。 晶閘管的單向?qū)щ娦员憩F(xiàn)在：電流只能從陽極(A)流向陰極(K)，當(dāng)元件加上反向電壓時(shí)，只有極小的反向漏電流從陰極流向陽極，晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)。 晶閘管的可控性表現(xiàn)在：當(dāng)元件陽極加上正向電壓時(shí)， 元件還不能導(dǎo)通，元件呈正向阻斷狀態(tài)，這是二極管不具有的。 要使晶閘管正向?qū)ǔ枠O加上正向電壓外，還必須同時(shí)在門極(G)與陰極之間加上一定的正向門極電壓，對元件能否正向?qū)ㄆ鹂刂谱饔谩?當(dāng)晶閘管加上正向陽極電壓后，門

5、極加上適當(dāng)?shù)恼蜷T極電壓，使晶閘管導(dǎo)通的過程稱為觸發(fā)。晶閘管一旦觸發(fā)導(dǎo)通后， 門極就對它失去控制作用，因此通常在門極只要加上一個(gè)正向脈沖電壓即可，稱之為觸發(fā)電壓。門極在一定條件下可觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，但無法使其關(guān)斷。 要使已經(jīng)導(dǎo)通的晶閘管恢復(fù)阻斷，可降低陽極電壓或增大負(fù)載電阻，使流過晶閘管的陽極電流減小，當(dāng)電流減至一定值時(shí)(約幾十毫安)，電流會(huì)突然降到零，之后再調(diào)高電壓或減小負(fù)載電阻，電流不會(huì)再增大，說明晶閘管已經(jīng)恢復(fù)阻斷。,6 可關(guān)斷晶閘管 門極可關(guān)斷晶閘管(GTO, Gate Turn Off)具有門極正信號(hào)觸發(fā)導(dǎo)通、門極負(fù)信號(hào)觸發(fā)關(guān)斷的特性。 GTO是介于晶閘管與GTR之間的一種功率開關(guān)，它

6、具有普通晶閘管的全部特性，如耐壓高、電流大等，同時(shí)它又具有功率晶體管GTR的一些優(yōu)點(diǎn)， 如有自關(guān)斷能力、工作頻率較高、線路簡單等。目前GTO最大容量為5000 V、4500 A和9000 V、1000 A，工作頻率一般為12 kHz。,4.2 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置,4.2.1 概述 步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的控制信號(hào)功率很低，如用TTL集成電路提供的5 V、118 mA信號(hào)進(jìn)行控制,而產(chǎn)生1.2 N m轉(zhuǎn)矩的磁阻式步進(jìn)電機(jī)，通常需要5 V、3 A的額定值對繞組勵(lì)磁。因此，控制電路連接到電機(jī)前必須經(jīng)過幾級(jí)開關(guān)放大。許多制造廠已在提供與步進(jìn)電機(jī)匹配的驅(qū)動(dòng)電路。不過，步進(jìn)電機(jī)用戶在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)仍有相當(dāng)大的改革余地。本章先

7、簡單提出對驅(qū)動(dòng)電路的基本要求，然后再介紹基本驅(qū)動(dòng)電路和一些常用的、比較完善的驅(qū)動(dòng)電路。,分析動(dòng)態(tài)特性時(shí)曾指出，若步進(jìn)電機(jī)以高速工作，則電氣時(shí)間常數(shù)的影響顯著增大：導(dǎo)通期間，電流不能迅速上升到額定值；截止期間，繞組電流不能立即消失。因而，電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩明顯下降。除此之外，勵(lì)磁繞組兩端在截止時(shí)刻還會(huì)產(chǎn)生很高的反電勢，若不采取措施，則有可能損壞開關(guān)元件。,針對這些問題，通常對驅(qū)動(dòng)電路有如下要求： (1) 能夠改善電流波形的上升沿和下降沿，產(chǎn)生接近矩形的電流波形。 考慮電路簡單、成本低等因素，小功率步進(jìn)電機(jī)可串聯(lián)限流電阻減少時(shí)間常數(shù)，拓寬工作頻率范圍。不過，為了維持電機(jī)靜止的相電流額定值，電源電壓必須

8、增加。因此，需要的直流電源容量比較大。電機(jī)靜止時(shí)，電源輸出的主要部分消耗在串聯(lián)的限流電阻上。這時(shí)，限流電阻上產(chǎn)生的熱量必須迅速散發(fā)，否則，可能會(huì)出現(xiàn)問題。由此可見，簡單的串聯(lián)限流電阻是改善速度范圍的一種低效的方法。對大功率或較大功率的步進(jìn)電機(jī)而言，常使用高低壓或斬波等方式驅(qū)動(dòng)。這些驅(qū)動(dòng)方式雖然較復(fù)雜， 但驅(qū)動(dòng)特性好，且有較高的效率。,(2) 設(shè)置供截止期間釋放電流流通的回路，降低繞組兩端產(chǎn)生的反電勢，加快電流衰減。 (3) 要求驅(qū)動(dòng)電路的功耗低、效率高。 為了提高步進(jìn)電機(jī)定位的分辨率，減少過沖和抑制振蕩， 有時(shí)要求驅(qū)動(dòng)電路具有細(xì)分功能，將常規(guī)的矩形波供電改變成階梯波供電。,4.2.2 步進(jìn)電動(dòng)

9、機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路,1 單電壓恒流功放電路 圖4-1(a)所示的是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單相的功放電路。L是電動(dòng)機(jī)繞組，晶體管VT可以認(rèn)為是一個(gè)無觸點(diǎn)開關(guān)，它的理想工作狀態(tài)應(yīng)使電流流過繞組L的波形盡可能接近矩形波。由于電感線圈中的電流不能突變，接通電源后繞組中的電流按指數(shù)規(guī)律上升，其時(shí)間常數(shù)LRL，須經(jīng)3時(shí)間后才能達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流(L為繞組電感，RL為繞組電阻)。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組本身的電阻很小(約為零點(diǎn)幾歐姆)，因此時(shí)間常數(shù)很大，從而嚴(yán)重影響電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)頻率。為了減小時(shí)間常數(shù)，在勵(lì)磁繞組中串以電阻R，這樣時(shí)間常數(shù)L（RLR）就會(huì)大大減小，縮短了繞組中電流上升的過渡過程， 從而提高了工作速度。,圖 4-1 單電壓功

10、率放大電路 (a) 單相的功放電路； (b) 單電壓恒流功放電路,在電阻R兩端并聯(lián)電容，是由于電容上的電壓不能突變， 在繞組由截止到導(dǎo)通的瞬間，電源電壓全部降落在繞組上， 使電流上升更快，因此C又稱為加速電容。 二極管VD在晶體管VT截止時(shí)起續(xù)流和保持作用，以防止晶體管截止瞬間繞組產(chǎn)生的反電勢造成管子擊穿，串聯(lián)電阻Rd使電流下降更快，從而使繞組電流波形后沿變陡。 這種電路的缺點(diǎn)是R上有功率消耗。為了提高快速性，需加大R的阻值，隨著阻值的加大，電源電壓也必須提高，功率消耗也進(jìn)一步加大。這使單電壓基本功放電路的使用受到了限制。,在功率放大電路中，把恒流源連接在電源端或接地端，代替外接電阻R，組成單

11、電壓恒流功放電路，如圖4-1(b)所示。 其中VT2、VT1組成了復(fù)合管，具有放大倍數(shù)足夠大的功放級(jí)， 在集電極回路中沒有外接電阻R。晶體管VT3、二極管VD2、VD3， 電阻Rb、RC組成了恒流源；二極管VD2、VD3處于正向工作狀態(tài)， 它們起穩(wěn)定電壓作用。流過RC的電流為IC=UC/RC=0.7/ RC，只要RC是恒定的，則電流IC也是恒定的。因?yàn)樵诨芈分蠭L=IC+IV， 所以IC實(shí)質(zhì)上就是流過電動(dòng)機(jī)繞組的電流IL 。,在電路中恒流晶體管VT3工作在放大區(qū)，因而它的等效電阻較大，對回路時(shí)間常數(shù)有較大改善。RC取值一般很小，故在RC上的功耗很小，為了降低VT3上的功耗，可用較低電壓的電源。

12、這樣，和基本單電壓功放電路相比，功耗大為降低，提高了電源的效率。,2 高低壓功率放大電路 高低壓功率放大電路是分別采用高壓和低壓兩種電源電壓的功放電路，原理圖如圖4-2(a)所示，相應(yīng)電壓電流波形如圖4-2(b)所示。,圖 4-2 雙電壓功率放大電路 (a) 原理圖； (b) 波形圖,圖中有兩個(gè)功率晶體管VT1、VT2，兩個(gè)二極管VD1、VD2， 一個(gè)外接電阻RC，步進(jìn)電機(jī)繞組電感L及電阻RL，高壓U1，大約為80150V，低壓U2大約是520 V。雙電壓功放電路的工作控制信號(hào)和單電壓功放電路有很大區(qū)別。在單電壓功放電路中，它的工作控制信號(hào)是步進(jìn)時(shí)一相所需的方波信號(hào)，而在雙電壓功放電路中，除了

13、需要一相所需的方波信號(hào)外， 還需高壓驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，只有兩個(gè)信號(hào)密切配合才能正常工作。,當(dāng)VT1、VT2管的基極電壓Ub1和Ub2都為高電平時(shí)，則在t1t2時(shí)間內(nèi)，VT1和VT2均飽和導(dǎo)通，二極管VD2反向偏置而截止。 高壓電源U1經(jīng)VT1和VT2管加到電動(dòng)機(jī)繞組L上，使其電流迅速上升，提高了繞組電流和電流前沿上升率，從而提高了步進(jìn)電機(jī)的工作頻率和高頻時(shí)的力矩。 在用高壓電源U1時(shí)，流入繞組的瞬態(tài)電流為,（4-1）,式中，T1為回路時(shí)間常數(shù)；RL為繞組電阻，Rc為外接電阻。,當(dāng)時(shí)間到達(dá)t2時(shí)(可采用定時(shí)方式)或電流上升到某一數(shù)值時(shí)(可采用定流方式)，Ub1為低電平，Ub2為高電平，VT1管截止，

14、VT2管導(dǎo)通。電動(dòng)機(jī)繞組的電流由低壓電源U2經(jīng)二極管VD2和VT2管來維持。 在t2t3時(shí)，繞組電流保持一定的穩(wěn)態(tài)電流，從而電動(dòng)機(jī)在這段時(shí)間內(nèi)能保持相同轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，以完成步進(jìn)過程。 在t3時(shí)，Ub2也為低電平，VT2管截止。這時(shí)高壓電源U1和低壓電源U2都被關(guān)斷，無法向電機(jī)繞組供電。繞組因電源關(guān)斷而產(chǎn)生反電勢。在電路中二極管VD1、VD2組成反電勢泄放的回路。繞組的反電勢通過RL、Rc、VD1、U1、U2、VD2回路泄放，繞組中的電流迅速下降，其波形形成較好的電流下降沿。,可見，高低壓功放電路對繞組的電流比單電壓功放電路的波形好，有十分明顯的高速率的上升和下降沿。所以，高頻特性好，電源效率也較高

15、。它的不足之處是：高壓產(chǎn)生的電流上沖作用在低頻工作時(shí)會(huì)使輸入能量過大，引起電動(dòng)機(jī)的低頻振蕩加重。另外，在高、低壓銜接處的電流有谷點(diǎn)、不夠平滑，影響電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。 高低壓功放電路具有功耗低、高頻工作時(shí)有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，所以常用于中功率和大功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)中。,斬波型功放電路克服了高低壓功放電路出現(xiàn)的谷點(diǎn)現(xiàn)象， 并且提高了電動(dòng)機(jī)的效率和力矩。斬波型功放電路有兩種： 一種是斬波恒流功放電路；另一種是斬波平滑功放電路。斬波恒流功放電路應(yīng)用較廣泛,它是利用斬波方法使電流恒定在額定值附近，這種電路也稱為定電流驅(qū)動(dòng)電路或波頂補(bǔ)償電路。,3 調(diào)頻調(diào)壓功放電路 無論是雙電壓功放還是斬波功放電路，都能使流入電

16、動(dòng)機(jī)繞組的電流有較好的上升沿和幅值，從而提高電動(dòng)機(jī)的高頻工作能力。但在低頻時(shí)，低頻振蕩較高。采用調(diào)頻調(diào)壓的控制方法，即在低頻時(shí)工作在低壓狀態(tài)，減少能量的流入， 從而抑制了振蕩；在高頻時(shí)工作在高壓狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)將有足夠的驅(qū)動(dòng)能力。,調(diào)頻調(diào)壓控制方式很多，簡單的方式是分頻段調(diào)壓。一般把步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作頻率分成幾段，每段的工作電壓不同， 同時(shí)使用調(diào)頻調(diào)壓的方法。在理想條件下，保持步進(jìn)電動(dòng)機(jī)力矩不變，則電源電壓應(yīng)隨工作頻率的升高而升高， 隨工作頻率的下降而下降。 圖4-3所示的為調(diào)頻調(diào)壓功放電路。整個(gè)電路可分成三部分：開關(guān)調(diào)壓、調(diào)頻調(diào)壓控制和功率放大。,圖 4-3 調(diào)頻調(diào)壓功放電路,4.2.3 步進(jìn)電動(dòng)

17、機(jī)的閉環(huán)控制 在開環(huán)控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，其輸入的脈沖不依賴轉(zhuǎn)子的位置，而是事先按一定規(guī)律安排的。對于不同的電動(dòng)機(jī)或同一種電動(dòng)機(jī)而不同的負(fù)載，勵(lì)磁電流和失調(diào)角發(fā)生改變， 輸出轉(zhuǎn)矩都會(huì)隨之發(fā)生改變，很難找到通用的調(diào)速的規(guī)律， 因此也難以提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的技術(shù)性能指標(biāo)。,閉環(huán)系統(tǒng)能直接或間接地檢測轉(zhuǎn)子的位置和速度，然后通過反饋和適當(dāng)處理，自動(dòng)給出驅(qū)動(dòng)脈沖串。因此可以獲得更加精確的位置控制，高而平穩(wěn)的轉(zhuǎn)速，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)也提高了。 閉環(huán)系統(tǒng)也可采用光電編碼器作為位置檢測元件，其控制原理如圖4-4所示。選擇編碼器時(shí)，應(yīng)使編碼器的分辨率與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步矩角相匹配。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由微機(jī)發(fā)出一個(gè)初始脈

18、沖啟動(dòng)，后續(xù)控制脈沖由編碼器產(chǎn)生。,圖 4-4 步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制原理圖,編碼器相對于電動(dòng)機(jī)的位置是固定的，因此發(fā)出的相切換信號(hào)是一定的，具有一種固定的切換角。改變切換角(采用時(shí)間延時(shí)方法可獲得不同切換角)，可使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生不同的平均轉(zhuǎn)矩，從而得到不同的轉(zhuǎn)速。 在固定切換角的情況下，增加負(fù)載，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將下降。 要實(shí)現(xiàn)勻速控制，可用編碼器測出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，以此作為反饋信號(hào)不斷地切換角，補(bǔ)償由負(fù)載變化所引起的轉(zhuǎn)速變化。,4.2.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角細(xì)分 這可采用用如下方法來實(shí)現(xiàn)： (1) 減小步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角。 (2) 加大步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與傳動(dòng)絲杠間齒輪的傳動(dòng)比和減小傳動(dòng)絲杠的螺距。 (3) 將

19、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角b進(jìn)行細(xì)分。 前兩種方法受機(jī)械結(jié)構(gòu)及制造工藝的限制實(shí)現(xiàn)困難，當(dāng)系統(tǒng)構(gòu)成后就難以改變，一般可考慮步距角細(xì)分的方法。,1細(xì)分的基本原理,以三相六拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例，如圖45所示， 當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)A相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子停在AA位置，當(dāng)由A相通電轉(zhuǎn)為A、B兩相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30，停在AB之間的位置。若由A相通電轉(zhuǎn)為A、B兩相繞組通電時(shí)，B相繞組中的電流不是由零一次上升到額定值，而是先達(dá)到一額定值。由于轉(zhuǎn)矩T與流過的電流I成線性關(guān)系，轉(zhuǎn)子將不是順時(shí)針轉(zhuǎn)過30，而是轉(zhuǎn)過15停在位置。同理當(dāng)由AB兩相通電變?yōu)橹挥蠦相通電時(shí)，A相電流也不是突然一次下降為0，而是先降到額定值的1/2，則轉(zhuǎn)子將不是停在B

20、而是停在的位置，這就將精度提高了一倍。分級(jí)越多，精度越高。,圖 4-5 步距角細(xì)分示意圖,2 細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路 所謂細(xì)分電路，就是在控制電路上采取一定措施把步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的每一步分得細(xì)一些?？梢杂糜布韺?shí)現(xiàn)這種分配，也可由微機(jī)通過軟件來進(jìn)行。細(xì)分的主部件是移位式分配器。 用邏輯電路實(shí)現(xiàn)的細(xì)分電路，可以采用D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)，以八級(jí)細(xì)分為例，控制A相繞組的失電過程需八個(gè)D觸發(fā)器，其升降級(jí)邏輯圖如圖4-6所示。,圖 4-6 升降級(jí)控制電路簡化邏輯圖,對于N級(jí)細(xì)分，一相需N個(gè)D觸發(fā)器組成分配器，三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)N級(jí)細(xì)分就需3N個(gè)D觸發(fā)器組成分配器，然后用運(yùn)算放大器進(jìn)行加法運(yùn)算，經(jīng)放大后送步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。這種情況下驅(qū)

21、動(dòng)電路的功率管工作于放大區(qū)，損耗較大，因此只適合于小功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 另一種方法是分配器中每一個(gè)輸出端自配一套功放電路， 并相互并聯(lián)與一相繞組相接，在電動(dòng)機(jī)繞組中進(jìn)行電流疊加， 此時(shí)，功率管工作于開關(guān)狀態(tài)，效率較高, 但用的元件較多， 體積大，適用于大功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 ,用集成化的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)環(huán)形分配器也可構(gòu)成細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路。用HF-2三相六拍環(huán)形分配器構(gòu)成三相十八拍細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，必須采用三片HF-2電路。 三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為3/1.5(即三相三拍工作時(shí)的步距角為3，三相六拍工作時(shí)的步距角為1.5)，三相十八拍的細(xì)分驅(qū)動(dòng)，可使每一拍的驅(qū)動(dòng)步距減為0.5，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每相電流的波形如圖4-7

22、所示。,圖 4-7 細(xì)分后電動(dòng)機(jī)每相電流波形(正轉(zhuǎn)),采用細(xì)分電路后，電動(dòng)機(jī)繞組中的電流不是由零躍升到額定值，而是經(jīng)過若干小步的變化才能達(dá)到額定值， 所以繞組中的電流變化比較均勻。細(xì)分技術(shù)使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角變小，轉(zhuǎn)子到達(dá)新的穩(wěn)定點(diǎn)所具有的動(dòng)能變小，從而振動(dòng)可顯著減小。細(xì)分電路不但可以實(shí)現(xiàn)微量進(jìn)給，而且可以保持系統(tǒng)原有的快速性， 提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在低頻段運(yùn)行的平滑性。,4.2.5 使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)注意的問題 (1) 若所帶負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，則應(yīng)在低頻下啟動(dòng)， 然后再上升到工作頻率，停車時(shí)也應(yīng)從工作頻率下降到適當(dāng)頻率再停車。 (2) 在工作過程中，應(yīng)盡量使負(fù)載勻稱，避免負(fù)載突變引起誤差。 (3)

23、若在工作中發(fā)生失步現(xiàn)象，則首先應(yīng)檢查負(fù)載是否過大，電源電壓是否正常,再檢查驅(qū)動(dòng)電源輸出波形是否正常。 在處理問題時(shí)，不應(yīng)隨意變換元件。 (4) 驅(qū)動(dòng)電源的選擇對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行影響極大。應(yīng)該根據(jù)運(yùn)行的具體要求，盡量選用先進(jìn)的驅(qū)動(dòng)電源。,4.3 晶閘管電動(dòng)機(jī)直流自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng),4.3.1 調(diào)速的定義及性能指標(biāo) 1 調(diào)速的定義 所謂調(diào)速，是指在某一具體負(fù)載條件下，通過改變電動(dòng)機(jī)或電源參數(shù)的方法，使機(jī)械特性得以改變，從而使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化或保持不變。 調(diào)速具有兩個(gè)方面的含義：一是能在一定范圍內(nèi)“變速”。 電動(dòng)機(jī)負(fù)載不變時(shí)，轉(zhuǎn)速可在所允許的范圍內(nèi)變化，即“變速”調(diào)速。 二是“恒速”。為了保證

24、工作速度不受外界干擾(如負(fù)載變化)的影響，也可進(jìn)行調(diào)速。例如，由于負(fù)載的增加，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就會(huì)降低。為維持轉(zhuǎn)速的恒定，就得調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其回升，并等于或接近于原來的轉(zhuǎn)速。,2 調(diào)速性能指標(biāo) 一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的好壞，可用靜態(tài)調(diào)速指標(biāo)和動(dòng)態(tài)調(diào)速指標(biāo)來衡量。 靜態(tài)調(diào)速指標(biāo)要求電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)能在最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)平滑地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并且要求在不同的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，速度穩(wěn)定。具體地，可用下述的兩個(gè)指標(biāo)衡量: (1） 調(diào)速范圍: 電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載時(shí)所允許的最高轉(zhuǎn)速nmax與最低轉(zhuǎn)速nmin之比，以D表示。即對于非弱磁的調(diào)速系統(tǒng)來說，電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速nmax就是額定轉(zhuǎn)速。,(2) 靜差率: 又稱穩(wěn)

25、定度， 當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)由理想空載轉(zhuǎn)速n0到額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降nN與理想空載轉(zhuǎn)速n0的比值。它反映了負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)轉(zhuǎn)矩變化的程度，以s表示，即：,它可衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下的轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度，和機(jī)械特性的硬度有關(guān)。特性越硬，靜差率就越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高，而動(dòng)態(tài)調(diào)速指標(biāo)要求系統(tǒng)啟動(dòng)、制動(dòng)快而平穩(wěn)，穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，盡量使之受負(fù)載變化、電源波動(dòng)等因素的影響小。,4.3.2 晶閘管直流電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng) 所謂開環(huán)控制系統(tǒng)，就是只有控制量（輸入量）對被控制量(輸出量)單向控制作用,而被控制量對控制量沒有任何影響和聯(lián)系的控制系統(tǒng), 如圖4- 8 所示。,圖 4-8 開環(huán)控制

26、系統(tǒng),圖4-9為采用三相橋式整流電路控制直流電動(dòng)機(jī)的電路圖。 由晶閘管構(gòu)成整流電路，并對晶閘管采用相位控制，改變它的控制角即可獲得任意大小的直流電壓，從而改變直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，達(dá)到控制直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的目的。直流電壓可調(diào)， 因而可達(dá)到無級(jí)調(diào)速的目的。,圖 4-9 三相橋式整流電路及其輸出電壓波形 (a) 電路； (b) 波形,1 改變電樞電壓的方向 改變電樞電壓的方向，可采用下列線路： (1) 采用接觸器切換電樞電壓。在如圖 4-10 所示的線路只用一組晶閘管裝置供電的情況下，如需要電動(dòng)機(jī)能制動(dòng)和反轉(zhuǎn)，由于晶閘管整流電路的電流只能單方向流動(dòng)，因此可在電路中加上正向接觸器（KM1）和反向接觸

27、器(KM2)，通過控制接觸器的閉合與斷開切換電樞電壓的方向，從而改變電樞電流Ia的方向，如圖4-10(a)所示。,圖 4-10 電樞可逆電路連接方式 (a) 由接觸器切換； (b) 由晶閘管開關(guān)切換,左部所示為一組晶閘管整流電路，它提供單向整流電壓Ud向電動(dòng)機(jī)M供電,右半部為接觸器控制電路。當(dāng)正向接觸器KM1的動(dòng)合觸點(diǎn)閉合時(shí)，電動(dòng)機(jī)電樞得到一個(gè)A()、B()的電壓Ud，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)正向接觸器KM1的動(dòng)合觸點(diǎn)斷開、 反向接觸器KM2的動(dòng)合觸點(diǎn)閉合時(shí)，電動(dòng)機(jī)電樞則得到一個(gè)A()、 B（)的電壓Ud，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。接觸器的切換要在主回路電流到零時(shí)才能進(jìn)行，且要防止在切換后的電流沖擊，這可由控制線路的

28、邏輯關(guān)系來保證。當(dāng)然KM1和KM2之間也要有電氣聯(lián)鎖保護(hù)電路。這種電路控制簡單、方便、廉價(jià)、經(jīng)濟(jì)，因此經(jīng)常使用。但由正向接觸器斷開到反向接觸器閉合，一般需要大約0.20.5 s, 電動(dòng)機(jī)脫離電源，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩為零，稱為“死區(qū)”，它使反轉(zhuǎn)過程延緩?fù)瑫r(shí)，由于接觸器動(dòng)作起來噪聲較大，觸頭壽命有限，使得這種電路只應(yīng)用于不需頻繁換向的小容量拖動(dòng)系統(tǒng)。,(2) 采用晶閘管切換電樞電壓。 運(yùn)用晶閘管的開關(guān)性能代替接觸器的觸點(diǎn)，如圖4-10(b)所示。 整流電源仍由左部一組晶閘管格式電路完成，而由右半部電路完成換向控制。當(dāng)圖中的VZ1和VZ2晶閘管開關(guān)導(dǎo)通時(shí)， 電動(dòng)機(jī)正向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)VF1和VF2晶閘管開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，

29、電動(dòng)機(jī)便反向旋轉(zhuǎn)。 這種電路比較簡單，避免了有觸點(diǎn)電器的缺點(diǎn)，工作時(shí)完全不存在環(huán)流，可靠性較高，調(diào)整維護(hù)也方便，適用于中小功率(幾十千瓦以下)電動(dòng)機(jī)的可逆?zhèn)鲃?dòng)。但對用做開關(guān)換向的四只晶閘管的耐壓和電流容量的要求比較高。,(3) 采用兩組晶閘管整流電路改變電樞電壓。 運(yùn)用兩組晶閘管整流電路，它們共用一個(gè)交流電源， 但分別提供正、反兩個(gè)方向的供電電流，兩組之間來用反相并聯(lián)連接方式， 如圖4-11所示。,圖 4-11 雙向驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電路及其波形 (a) 電路； (b) 波形,第1組整流電路使電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，第2組整流電路使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)或正向制動(dòng)。為此，可通過控制系統(tǒng)的觸發(fā)電路控制角來實(shí)現(xiàn)。若第1組輸出，

30、第2組截止，則電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，反之亦然。如果有選擇地導(dǎo)通某一組晶閘管以提供與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向相同或不同的整流直流電及電路力矩，就可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)在四個(gè)象限下工作，即:,（1） 控制角190，第1組導(dǎo)通，第2組截止，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)運(yùn)行。 （2） 控制角290，第2組導(dǎo)通，第1組截止，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)制動(dòng)運(yùn)行。 （3） 控制角290，第2組導(dǎo)通，第1組截止，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)制動(dòng)運(yùn)行。 （4） 控制角190，第1組導(dǎo)通，第2組截止，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)制動(dòng)運(yùn)行。,圖 4-12 交叉連接的正反組晶閘管供電的可逆電路 (a) 三相半波整流； (b) 三相橋式,在交叉連接時(shí)，兩組整流電源的交流電源需要彼此

31、獨(dú)立， (a，b，c)和(a，b，c)，它們可以是兩臺(tái)整流變壓器的二次繞組，也可以是同一臺(tái)整流變壓器的兩套二次繞組， 但中點(diǎn)不能相連接。因此，要求整流變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜了。 采用交叉連接，具有可減少電抗器容量、限制環(huán)流和正反向電流互相隔離等優(yōu)點(diǎn)，因而在大容量可逆?zhèn)鲃?dòng)中有所采用。但在一般情況下，由于反并聯(lián)連接結(jié)構(gòu)簡單，因此應(yīng)用較多。,2 改變磁場的方向 改變勵(lì)磁繞組電壓方向即可改變勵(lì)磁電流的方向，從而改變磁通量的方向，由于勵(lì)磁繞組的供電方式與電樞相似， 因此也可采用正反向接觸器組成晶閘管開關(guān)電路來完成，或由兩組晶閘管整流電路交替工作來完成，接線電路可參見圖4-10、圖4-11和圖4-12。改變電樞電

32、壓和改變勵(lì)磁磁場的方向各有利弊。,4.3.3 閘管直流電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng) 所謂閉環(huán)控制系統(tǒng)，就是反饋控制系統(tǒng)。它將被測變量值與工藝上需要保持的參數(shù)給定值進(jìn)行比較，得出偏差。根據(jù)這個(gè)偏差的大小及變化趨勢，按預(yù)先設(shè)計(jì)的運(yùn)算規(guī)律進(jìn)行運(yùn)算。 從組成原理上分，自動(dòng)控制系統(tǒng)有兩種最基本的控制形式, 即開環(huán)控制和閉環(huán)控制。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，控制量對被控制量只有單方向的控制作用，而系統(tǒng)的輸出量對控制量沒有影響。 系統(tǒng)的控制精度取決于元器件的精度和特性調(diào)整的精度。它適用于系統(tǒng)的內(nèi)擾和外擾影響不大,并且控制精度要求不高的場合。若開環(huán)控制的性能指標(biāo)不能滿足高性能工作要求時(shí)，則需采用閉環(huán)控制。,在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，在

33、控制器與被控對象之間，不僅存在著正向的控制作用，而且系統(tǒng)的輸出對控制量有直接的影響，存在著反饋?zhàn)饔?。所謂反饋即是將檢測到的輸出量送回到系統(tǒng)的輸入端，并與輸入信號(hào)相比較的過程。若反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相減，稱之為負(fù)反饋；反之，若信號(hào)相加，稱之為正反饋。閉環(huán)控制的實(shí)質(zhì)，就是利用負(fù)反饋的作用來減小系統(tǒng)的控制誤差，因此，所謂閉環(huán)控制系統(tǒng), 就是負(fù)反饋控制系統(tǒng), 其示意框圖如圖4-13所示。,圖 4-13 閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成,1. 單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng) (1) 典型的有靜差調(diào)速系統(tǒng)。典型的晶閘管直流電動(dòng)機(jī)有靜差調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖4-14所示。,圖 4-14 晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖,所謂有靜差調(diào)速系統(tǒng)，是指

34、單純由被調(diào)量負(fù)反饋組成的按比例控制的單閉環(huán)系統(tǒng)。 為穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，在電動(dòng)機(jī)M的軸上同軸安裝測速傳感器(一般選用直流測速發(fā)電機(jī)TG或光電編碼器)，從而引出與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓Uf，它與轉(zhuǎn)速約定電壓Ug相比較后， 得到偏差電壓U=UgUf。經(jīng)過放大器A進(jìn)行比例放大(或比例調(diào)節(jié)，因此，該放大器又稱為比例調(diào)節(jié)器，即P調(diào)節(jié)器)，產(chǎn)生觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uk，以調(diào)節(jié)可控整流器的輸出電壓Ud。 由于該系統(tǒng)只有一個(gè)轉(zhuǎn)速反饋環(huán)，因此它是轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 直流電動(dòng)機(jī)M由晶閘管可控整流器經(jīng)過平波電抗器Ld供電， 可控整流器的輸出電壓Ud可由晶閘管的控制角來改變。,忽略各種非線性因數(shù)，圖4-14系統(tǒng)中，各

35、環(huán)節(jié)的關(guān)系如下： 電壓比較環(huán)節(jié)：UUgUf，為給定電壓Ug與速度反饋信號(hào)Uf的差值，又稱偏差信號(hào)，速度反饋信號(hào)，即測速發(fā)電機(jī)BR的分壓信號(hào)Uf與轉(zhuǎn)速n成正比，UfKn，K為測速反饋系數(shù)。 放大器的輸出：Uk=KPUKP（UgUf）=KP(UgKn)， KP為比例調(diào)節(jié)器的電壓放大倍數(shù)。而晶閘管可控整流器的輸出， Ud=KsUk，其中Ks為晶閘管可控整流器的放大系數(shù)。,因此，如果由于負(fù)載的變化引起轉(zhuǎn)速的變化, 系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)將起到自動(dòng)調(diào)節(jié)的作用。例如，由于負(fù)載增加，而使轉(zhuǎn)速下降時(shí)，速度反饋信號(hào)Uf便減小，放大器輸入的偏差信號(hào)U將增加，放大器的輸出Uk也增加，晶閘管可控整流器的輸出Ud上升。電動(dòng)機(jī)的電

36、樞供電電壓增加，結(jié)果使轉(zhuǎn)速回升。 需要說明的是，在閉環(huán)系統(tǒng)中，每次由于增加了負(fù)載， 整流供電電壓就相應(yīng)地自動(dòng)提高，因而就改變了機(jī)械持性。 這樣，閉環(huán)系統(tǒng)通過改變Ud的輸出來補(bǔ)償因負(fù)載變化而引起的速降。正是由于這種自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，使得閉環(huán)系統(tǒng)靜特性變硬。,由于引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，改善了系統(tǒng)的性能，具體體現(xiàn)在下列幾個(gè)方面： 閉環(huán)特性的靜特性比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬很多。 當(dāng)空載轉(zhuǎn)速相同時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多，因而穩(wěn)定精度高。 當(dāng)要求靜差率一定時(shí),閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍得到了提高。 為此，關(guān)鍵要設(shè)法提高閉環(huán)系統(tǒng)的放大倍數(shù)，即放大器要有足夠的放大系數(shù)。但該放大倍數(shù)不能過分增大，否則容易使系統(tǒng)產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。,

37、 反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能, 它對于被負(fù)反饋環(huán)包圍的前向通道上的一切擾動(dòng)作用(如負(fù)載的變化、 電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁的變化、晶閘管交流電源電壓的變化等)都能有效地加以抑制。但對給定電源和檢測環(huán)節(jié)如測量元件本身的誤差是不能補(bǔ)償?shù)摹?因此，需要正確地選擇和使用測量元件是很重要的。對于高精度的調(diào)速系統(tǒng)就需要有高精度的給定穩(wěn)壓電源及高精度的反饋檢測元件。在安裝時(shí)還應(yīng)注意軸的對中不偏心，以消除對系統(tǒng)帶來的干擾。,(2) 其他單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)。被調(diào)量的負(fù)反饋是閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本形式, 對調(diào)速系統(tǒng)來說，轉(zhuǎn)速(速度)負(fù)反饋是控制轉(zhuǎn)速變化的最直接有效的辦法，它是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)最基本的反饋形式。為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，

38、就需要有轉(zhuǎn)速檢測裝置， 在模擬控制中就用測速發(fā)電機(jī)BR。但測速發(fā)電機(jī)的安裝維修都比較麻煩,它本身的誤差對轉(zhuǎn)速的影響又是閉環(huán)系統(tǒng)本身無法克服、不能補(bǔ)償?shù)?。如直流測速發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁發(fā)生了變化(不穩(wěn)定)，反饋電壓就會(huì)發(fā)生變化，通過閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用使轉(zhuǎn)速偏離原來應(yīng)保持的數(shù)值；又如，測速發(fā)電機(jī)輸出電壓中的換向波紋，出于制造或安裝的質(zhì)量不佳造成轉(zhuǎn)子和定子間的偏心等, 都會(huì)給系統(tǒng)帶來周期性干擾。因此，還需采用其他辦法。, 電壓負(fù)反饋系統(tǒng)。眾所周知，若忽略電樞的壓降, 則直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電樞電壓近似成正比。因此，對調(diào)速指標(biāo)要求不高的系統(tǒng)， 可采用電壓負(fù)反饋的調(diào)速系統(tǒng)。圖4-15為電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的原理圖,

39、 圖4-16為它的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖。,圖 4-15 電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng),圖 4-16 電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖,電壓負(fù)反饋Uf取自電樞端電壓U，它經(jīng)過與電動(dòng)機(jī)電樞兩端相并聯(lián)的電位計(jì)RP分壓后而獲得，Uf/U為分壓(比例)系數(shù), 稱為電壓反饋系數(shù)。因?yàn)槠钚盘?hào)U=UgUf，Uf和Ug極性相反， 所以是電壓負(fù)反饋。 在給定電壓Ug一定時(shí)， 系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程如下：,負(fù)載nIaUUfUUkUdUn,反之，若負(fù)載減小引起轉(zhuǎn)速n上升，通過電壓負(fù)反饋調(diào)節(jié)可使n下降，轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定。,電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)具有線路簡單的特點(diǎn)，但它對穩(wěn)定速度的效果并不大。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)電樞端電壓即使由于電壓負(fù)反饋的作用而維持不變，但是負(fù)載

40、增加時(shí)，電動(dòng)機(jī)電樞內(nèi)阻Ra所引起的電阻壓降仍然會(huì)增大，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速還是要降低的。換句話說，采用電壓負(fù)反饋，只能補(bǔ)償可控整流電源的等效內(nèi)阻所引起的轉(zhuǎn)速降這一部分。這從圖4-16的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出。 擾動(dòng)量IdRa不在反饋環(huán)包圍之內(nèi)，所以電壓反饋對由它所引起的速降是無能為力的。因此，電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)速降比同等放大系數(shù)的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)要大一些，靜態(tài)性能要差一些。 圖中Rrec為晶閘管整流裝置的內(nèi)阻(含平波電抗器L的電阻)，為電壓反饋系數(shù)。,在一般線路中采用電壓負(fù)反饋，主要不是用它來穩(wěn)速， 而是用它來防止過電壓、改善動(dòng)態(tài)特性、加快過渡過程。 為了彌補(bǔ)電壓負(fù)反饋靜態(tài)速降相對較差的不足， 在采

41、用電壓負(fù)反饋的基礎(chǔ)上，再增加電流正反饋。 電流正反饋與電壓負(fù)反饋的綜合反饋系統(tǒng)。 由于電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)不能克服電樞電阻壓降IaRs帶來的擾動(dòng)，因此在電樞主回路中串入取樣電阻R，由IaR取電流正反饋信號(hào)， 而形成電流正反饋與電壓負(fù)反饋的綜合反饋調(diào)速系統(tǒng)。其原理圖如圖4-17所示。圖4-18為它的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖, 圖中為電流反饋系數(shù)。,圖 4-17 電流正反饋與電壓負(fù)反饋的綜合反饋調(diào)速系統(tǒng),圖 4-18 帶電流正反饋的電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖,當(dāng)負(fù)載增大使靜態(tài)速降增加時(shí)，電流反饋信號(hào)也增加，并通過正反饋?zhàn)饔檬咕чl管整流電壓Ud增加，從而補(bǔ)償了轉(zhuǎn)速的降落。但是電流正反饋不同于“反饋控制”，而稱為

42、“補(bǔ)償控制”。由于電流的大小，反映了負(fù)載擾動(dòng)，因此電流正反饋只能補(bǔ)償負(fù)載擾動(dòng)，而對其他擾動(dòng), 它只能起到壞的作用。反饋控制對一切包圍在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動(dòng)都起抑制作用。 為了保證調(diào)節(jié)效果，電流正反饋的強(qiáng)度與電壓負(fù)反饋的強(qiáng)度應(yīng)按一定比例組成，綜合反饋將具有轉(zhuǎn)速反饋的性質(zhì)，如果參數(shù)選擇恰當(dāng)，可以使靜差非常之小，甚至無差。 電流正反饋與電壓負(fù)反饋的組合電路，通常稱為高電阻電橋線路，其實(shí)質(zhì)是電勢反饋線路，或電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋線路。, 電流截止負(fù)反饋系統(tǒng)。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在啟動(dòng)電流過大的可能，特別是全電壓啟動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流。 這不僅對電動(dòng)機(jī)換向不利，對過載能力低的晶閘管來說， 更是不允許的

43、。雖然采用過流保護(hù)繼電器或熔斷器可以保護(hù)這種嚴(yán)重過載，但是，它是通過觸頭斷開使電動(dòng)機(jī)斷電才能起保護(hù)作用的，而這種遇過載就跳閘，會(huì)給正常工作帶來不便。 而采用電流負(fù)反饋，則不必切斷電動(dòng)機(jī)的電路，只是使它的速度暫時(shí)降下來，一旦負(fù)載去掉后，它的速度又會(huì)自動(dòng)升起來，這樣有利于生產(chǎn)。 ,引入電流負(fù)反饋可使電流基本保持不變。使它不能超過允許值，同時(shí)，還要求這種作用在電流比較大時(shí)(如電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí))存在，而在正常運(yùn)行時(shí)又得取消，允許電流隨著負(fù)載的變化而增減。這種當(dāng)電流大到一定程度時(shí)才出現(xiàn)的電流負(fù)反饋，叫做電流截止負(fù)反饋，或截流反饋。,圖 4-19 電流反饋型電流截止負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),電流截止負(fù)反饋的信

44、號(hào)可由主電路交流側(cè)用電流互感器測得，并將其整流成與電流Ia成正比的電流反饋電壓Uf，再經(jīng)穩(wěn)壓管V后送入調(diào)節(jié)器的輸入端，如圖419所示。 電流截止負(fù)反饋信號(hào)也可由串聯(lián)在電樞回路中的電阻RC上取出，如圖4-20所示。,圖 4-20 電壓反饋型電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),圖4-21為一種電流截止負(fù)反饋裝置。RC為電流取樣電阻， IaRC正比于電流。在電流較小時(shí)，IaRC Ubj，Ubj為比較電壓， 它可利用獨(dú)立的直流電源，并通過調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)比較電壓的大小(如圖4-21(a)所示)，也可利用穩(wěn)壓管的擊穿電壓UW，UW作為比較電壓(如圖4-21(b)所示)，二極管V不導(dǎo)通，電流負(fù)反饋不起作用，只有轉(zhuǎn)

45、速負(fù)反饋，故能保持到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所需要比較硬的靜特性。 當(dāng)主回路的電流增加到一定值，使IaRCUbj時(shí)，二極管V導(dǎo)通，電流負(fù)反饋信號(hào)IaRC經(jīng)過二極管與比較電壓Ubj比較后送到放大器，其極性與Ug極性相反，經(jīng)放大后控制移相角，使增大，晶閘管整流輸出電壓Ud減小，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降。如果負(fù)載電流一直增加下去, 則電動(dòng)機(jī)的速度最后將降到零，電流不再增加，這樣就起到了“限流作用”。,圖4-21電流負(fù)反饋截止裝置,（3）有靜差調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)例分析。X2010A型龍門銑床是一種以晶閘管控制的通用機(jī)床，它主要用做較大零件的平面銑削， 又可兼作其他工藝加工。其主運(yùn)動(dòng)為銑刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)為工作臺(tái)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。工作臺(tái)

46、的進(jìn)給屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)有：工作臺(tái)的前后移動(dòng)，左、右主軸箱沿立柱上、下移動(dòng)， 垂直主軸箱沿橫梁左右移動(dòng)。三種進(jìn)給運(yùn)動(dòng)公用一個(gè)電動(dòng)機(jī)， 用選擇開關(guān)控制電磁離合器進(jìn)行選擇。傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)為直流電動(dòng)機(jī)，由晶閘管整流供電，對電動(dòng)機(jī)的電樞電壓進(jìn)行無級(jí)調(diào)壓調(diào)速，調(diào)速范圍D50(電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2001000rmin)，工作臺(tái)進(jìn)給速度201000 mmmin，主軸箱進(jìn)給速度為10500 mmmin，靜差度S15。, 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)由給定電壓、 前置放大器、移相觸發(fā)器、晶閘管整流器、各種反饋環(huán)節(jié)和直流電動(dòng)機(jī)組成，系統(tǒng)組成方框圖如圖4-22所示。 系統(tǒng)工作過程為：當(dāng)給定電壓增大時(shí)，經(jīng)前置放大器放

47、大，使移相觸發(fā)脈沖前移，晶閘管被觸發(fā)的時(shí)間也向前移， 使晶閘管的輸出電壓增大，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速上升。反之，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨給定電壓的減小而降低。 若給定電壓為零，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為零，停止轉(zhuǎn)動(dòng)。,圖 4-22 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)方框圖, 晶閘管整流器直流電動(dòng)機(jī)主回路。由于進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的正反向工作不頻繁，因此電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)由接觸器KM1和 KM2控制，進(jìn)給電動(dòng)機(jī)容量不大(只有4 kW)。所以,采用單相半控橋式整流電路,主回路用整流元件均有阻容保護(hù)元件， 電動(dòng)機(jī)采用能耗制動(dòng)，制動(dòng)時(shí)接觸器KM動(dòng)作，將電阻R并接在電樞兩端。電流繼電器KA2做過電流保護(hù)，在50 A左右時(shí)動(dòng)作。 晶體管主回路如圖 4-23所示。,圖

48、 4-23 晶閘管整流主回路,單相半控橋式整流電路由兩個(gè)整流二極管VD1、VD2和一對晶閘管VS1、VS2構(gòu)成，晶閘管整流電壓平均值為,（4-3）,式中, UC為交流供電電壓uC的有效值, 為控制角(移相角)。 可見，Ud是隨控制角的改變而改變的，的大小有移相觸發(fā)電路來控制管整流輸出直流電壓Ud改變，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速從201000r/min間調(diào)節(jié)。,續(xù)流二極管VD3在低轉(zhuǎn)速、大負(fù)載時(shí)起續(xù)流作用，以保證晶閘管整流器的正常工作。工作臺(tái)和主軸箱快速移動(dòng)時(shí)，繼電器K5得電動(dòng)作，使繼電器KV動(dòng)作，電動(dòng)機(jī)的磁場D減弱一半， 使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高一倍， 達(dá)到2000 rmin。 圖4-24為觸發(fā)控制線路原理圖。它

49、由鋸齒波形成電路、 移相控制電路和脈沖形成電路三個(gè)環(huán)節(jié)組成。,圖 4-24 觸發(fā)控制線路原理圖, 前置放大電路。如圖4-25所示，放大器為單管VT5。 由進(jìn)給量調(diào)速器SR配上取出的給定電壓與測速反饋電壓比較后，加到放大器的輸入端。 信號(hào)經(jīng)放大后從VT5的集電極367和301輸出，即為圖4-24中的移相控制電壓UCO，它可改變控制角的大小而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 若使放大器工作在輸入/輸出特性的線性段，放大系數(shù)可為1520，便可滿足電動(dòng)機(jī)低速特性的硬度要求，保證調(diào)速范圍D50 。此時(shí)放大器形成比例調(diào)節(jié)器。,圖4-25前置放大電路,R25是偏流調(diào)節(jié)電阻，R26與V14二極管是為了增加輸出電壓UCO，使

50、之不小于最小值Umin，以滿足在此控制電壓作用下控制角，避免出現(xiàn)失控的“死區(qū)”。 C20構(gòu)成微分負(fù)反饋，以減小放大器輸出的交流分量，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性；C21的作用與C20相同。 C18和R24組成電壓微分負(fù)反饋環(huán)節(jié)。進(jìn)給工作時(shí)，繼電器K 得電，其常閉觸點(diǎn)斷開，C18起作用，可增加該系統(tǒng)的穩(wěn)定性。,C19和R24組成電流微分負(fù)反饋環(huán)行，也可以增強(qiáng)該系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 穩(wěn)壓管VS5和濾波電感L組成電路截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)。從RF1(見圖4-23)上取得的電壓正比于主回路負(fù)載電流Ia。穩(wěn)壓管VS5的擊穿電壓作為截止范圍的比較電壓。在負(fù)載電流(平均值)較大時(shí)，從RF1上采得的電壓大于VS5的擊穿電壓，限流回路開

51、放,使VT5截止，U增大，增大，晶閘管輸出減小， 從而限制了主回路電流， 保護(hù)了晶閘管和電動(dòng)機(jī)。,2. 單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng) (1）PI調(diào)節(jié)器。采用比例調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是有靜差的,即在穩(wěn)態(tài)時(shí),轉(zhuǎn)速只能接近給定值，而不可能完全等于給定值。提高開環(huán)增益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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)，即在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的給定值與被調(diào)量的反饋值保持相等，也即偏差等于零，在系統(tǒng)中必須接入無差元件。在系統(tǒng)出現(xiàn)偏差時(shí)， 無差元件工作以消除偏差，而當(dāng)偏差為零時(shí)，它停止工作。 比例積分調(diào)節(jié)器(簡稱PI調(diào)節(jié)器)就是這種典型的無差元件。 圖 426 即為常用的具有比例積分調(diào)

52、節(jié)器的無靜差調(diào)速系統(tǒng)。,圖 4-26 具有比例積分調(diào)節(jié)器的無靜差調(diào)速系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)節(jié)，主要靠積分調(diào)節(jié)器。積分調(diào)節(jié)器有三個(gè)重要特性： 延緩性。在積分調(diào)節(jié)器輸入階躍信號(hào)時(shí)， 輸出按積分線性增長。 積累性。只要積分調(diào)節(jié)器輸入階躍信號(hào)存在，不論信號(hào)大小如何變化，積分的積累作用就持續(xù)下去，只是輸出值的上升速率不同而已。只要?dú)v史上有過偏差U，即使現(xiàn)在U0，其積分U dt仍存在，且不等于零，所以仍能產(chǎn)生控制電壓UK。如圖4-27所示，當(dāng)階躍信號(hào)為Uin1，對應(yīng)的積分特性為Uex1時(shí)，但階躍輸入突降到Uex2時(shí)，對應(yīng)的積分特性變?yōu)閁ex2， 其上升斜率要比Uex1小?？刂葡到y(tǒng)正是利用積分調(diào)節(jié)器對偏差的積累

53、作用消除系統(tǒng)的靜差的。,圖 4-27 積分調(diào)節(jié)器的積累和記憶特性, 記憶性。在積分過程中，如果輸入信號(hào)變?yōu)榱?，輸出電壓仍能保持在輸入信?hào)改變前的瞬時(shí)值上，如圖4-27所示， 則當(dāng)Uin30時(shí)，Uex3保持在Uin3剛為零時(shí)所對應(yīng)的Uex2值不變。若要使輸出值下降，必須改變輸入信號(hào)的極性。控制系統(tǒng)正是利用了積分調(diào)節(jié)器的記憶作用(或保持作用)，使穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速在速度設(shè)定值上保持不變。,由此可見，積分調(diào)節(jié)器的輸出既取決于輸出的初始值， 又取決于輸入量對時(shí)間的積累過程。積分控制，在穩(wěn)態(tài)時(shí)， 不再靠偏差來維持。因此，積分控制的系統(tǒng)是無靜差調(diào)速系統(tǒng)，但它在動(dòng)態(tài)時(shí)是有靜差的, 動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢。而比例調(diào)節(jié)器的輸出完全

54、取決于輸入量的現(xiàn)狀，輸出量緊跟輸入量的變化，動(dòng)態(tài)反應(yīng)較快，似有靜差。如將兩者結(jié)合起來，即采用比例積分調(diào)節(jié)器， 就可做到靜態(tài)準(zhǔn)， 同時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。,總之，比例積分調(diào)節(jié)器的輸出由兩部分組成:一部分是比例部分，另一部分是積分部分。比例部分能迅速響應(yīng)控制作用， 積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。作為控制器PI調(diào)節(jié)器兼顧了快速響應(yīng)和消除偏差兩方面的要求，作為校正裝置，它又能提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此，PI調(diào)節(jié)器在調(diào)速系統(tǒng)和其他控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 實(shí)際上由于調(diào)節(jié)放大器并不是理想的，放大倍數(shù)也不是無限大的，測速發(fā)電機(jī)也存在著一定的誤差，因此，這樣的系統(tǒng)仍然是有一點(diǎn)靜差的。用于調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的系統(tǒng)，常稱為速度調(diào)

55、節(jié)器(ASR)。,（2） PI調(diào)節(jié)器的實(shí)用線路。 抑制零點(diǎn)漂移和濾波的PI調(diào)節(jié)器線路。圖4-28為抑制零點(diǎn)漂移的PI調(diào)節(jié)器線路。為了壓低調(diào)節(jié)盟約放大系數(shù)， 常在R1、C1兩端并聯(lián)反饋電阻R1，使零點(diǎn)漂移引起的輸入電壓波動(dòng)受到負(fù)反饋的抑制。為了克服積分漂移，在沒有給出電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)指令之前，將調(diào)節(jié)器的輸出鎖到零電位(稱調(diào)節(jié)器鎖零)， 在調(diào)節(jié)器的輸出輸入端跨接一個(gè)場效應(yīng)晶體管VM，而VM的控制極由運(yùn)轉(zhuǎn)指令電路控制。只有速度給定信號(hào)和速度反饋信號(hào)均為零時(shí)(即停車時(shí))，才能允許調(diào)節(jié)器鎖零, 而只要有一個(gè)信號(hào)不為零就不允許調(diào)節(jié)器鎖零。此外，為避免輸入信號(hào)過大， 造成運(yùn)算放大器發(fā)生“堵塞”， 在輸入端反并聯(lián)兩

56、只二極管VD1和VD2對輸入信號(hào)限幅。在信號(hào)輸入端還由R0、C0組成T形濾波器(一般取R02040 k，濾波時(shí)間常數(shù)210 ms)對信號(hào)濾波。,圖 4-28 近似PI調(diào)節(jié)器及調(diào)節(jié)器的鎖零, 輸入限幅的PI調(diào)節(jié)器線路。為了保護(hù)電氣設(shè)備，需要限制電動(dòng)機(jī)的最高電壓和最大電壓，通俗是采用限制調(diào)節(jié)器的輸出電壓的大小的辦法來實(shí)現(xiàn)。 圖 4-29 為利用二極管導(dǎo)通后的鉗位原理構(gòu)成的外限幅電路。,圖 4-29 利用二極管鉗位原理構(gòu)成的外限幅電路,二極管VD1和電位器RP1提供正向限幅，VD2和RP2提供負(fù)向限幅，Rex為限流電阻。當(dāng)輸出電壓Uex為正，且大于(UM+UVD1) 時(shí)，VD1導(dǎo)通，輸出電壓被鉗位在

57、UexM=UM+UVD1， 為正向限幅。同理，當(dāng)Uex為負(fù)值，且|Uex|UNUVD2|時(shí)， VD2導(dǎo)通，輸出鉗位在|UexM|UNUVD2|上，為負(fù)向限幅。這種電路只能保證對外輸出限幅，對集成電路本身的輸出電壓（C點(diǎn)電壓）并沒有限制。 因此, 這種電路被稱為輸出限幅或外限幅。,圖4-30為利用穩(wěn)壓管鉗位的內(nèi)限幅電路，由兩個(gè)對接穩(wěn)壓管構(gòu)成最簡單的內(nèi)限幅電路。正限幅電壓UexM由VW1的穩(wěn)壓值決定，負(fù)限幅電壓UexM由VW2的穩(wěn)壓位決定。如果輸出電壓超過限幅值，則相應(yīng)的穩(wěn)壓管反向擊穿，產(chǎn)生強(qiáng)烈的負(fù)反饋，使UexM回到限幅值。 在圖4-31 中，當(dāng)正輸入信號(hào)Uin加在調(diào)節(jié)器輸入端時(shí)， 輸出端C點(diǎn)電

58、位為負(fù)；三極管的基極B點(diǎn)電位降低，當(dāng)降到一定值時(shí)，三極管VT1導(dǎo)通，把C點(diǎn)輸出電壓鉗位在一定值。調(diào)整電位器RP1，可得到不同的負(fù)向限幅值；同時(shí)，調(diào)整電位器RP2，可得到不同的正向限幅值。,圖 4-30 利用穩(wěn)壓管鉗位的內(nèi)限幅電路,圖 4-31 利用三級(jí)管鉗位的內(nèi)限幅電路, 復(fù)合式PI調(diào)節(jié)器。圖4-32為由三個(gè)運(yùn)算放大器組成的復(fù)合式PI調(diào)節(jié)器，其構(gòu)成特點(diǎn)是比例部分和積分部分相互獨(dú)立，優(yōu)點(diǎn)是可獨(dú)立調(diào)整比例系數(shù)KP和積分時(shí)間常數(shù)，可通過分別調(diào)整第二級(jí)的反饋電阻R1或電位器RP2和調(diào)整第二級(jí)的積分電容C1或RP2獲得，并且達(dá)到系統(tǒng)最佳化調(diào)試的結(jié)果。,圖 4-32 復(fù)合式PI調(diào)節(jié)器,4.3.4 雙閉環(huán)直

59、流調(diào)速系統(tǒng) 前述的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，無論是比例調(diào)節(jié)器有靜差的，還是采用比例積分調(diào)節(jié)器無靜差的系統(tǒng)， 都是在滿足穩(wěn)定性條件下，實(shí)現(xiàn)一定的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能要求的單閉環(huán)系統(tǒng)。帶電流截止負(fù)反饋的調(diào)速系統(tǒng)，若采用PI調(diào)節(jié)器，可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定件的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無差，但啟動(dòng)性能不理想， 如果要求系統(tǒng)的某些動(dòng)態(tài)性能較高，例如快速啟動(dòng)和制動(dòng)，突加負(fù)載而又要求動(dòng)態(tài)速降小時(shí)， 這種單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求了。,為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下最快啟動(dòng)，關(guān)鍵在于要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，需要保持某個(gè)物理量基本不變，就要引入該物理量的負(fù)反饋， 因此在啟動(dòng)過程中就要求有一個(gè)電流調(diào)節(jié)器(ACR)來完成這個(gè)任務(wù)。采用電流負(fù)反饋得到近似的恒流，可維持電流為最大值不變。而達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后， 希望電流負(fù)反饋不再起主要作用。 而由轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起速度調(diào)節(jié)作用，這就是具有速度調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖4-33為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖。,圖 4-33 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖,圖中前一個(gè)調(diào)節(jié)器ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，后一個(gè)調(diào)節(jié)器ACR為電流調(diào)節(jié)器，兩者均為PI調(diào)節(jié)器，并且串級(jí)聯(lián)接。給定轉(zhuǎn)速電壓U*n與測速反饋電壓Un比較后，其偏差UnU*nUn送到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入端，輸出電壓經(jīng)限幅作為電流調(diào)節(jié)器ACR