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采用PI調節器的無(wú)靜差調速系統(一)
2、采用PI調節器的無(wú)靜差調速系統
在圖四中，由于有比例積分調節器的存在，只要偏差不等于零，系統就會(huì )起調節作用，當時(shí)，，則調節作用停止，調節器的輸出電壓由于積分作用，保持在某一數值，以維持電動(dòng)機雜給定轉速下運轉，系統可以消除靜態(tài)誤差，故該系統是一個(gè)無(wú)靜差調速系統。
系統的調節作用是：當電動(dòng)機負載增加時(shí)，如圖六(a)中的瞬間，負載
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圖六 負載變化時(shí)PI調節器對系統的調節作用
突然由增加到，則電動(dòng)機的轉速將由開(kāi)始下降而產(chǎn)生轉速偏差[見(jiàn)圖(b)]，它通過(guò)測速機反饋到PI調節器的輸入端產(chǎn)生偏差電壓，于是開(kāi)始了消除偏差的調節過(guò)程。首先，比例部分調節作用顯著(zhù)，其輸出電壓等于，使控制角α減小，可控整流電壓增加[圖(c)之曲線(xiàn)①]，由于比例輸出沒(méi)有慣性，故這個(gè)電壓使電動(dòng)機轉速迅速回升。偏差Δn越大，也越大，它的調節作用也就越強，電動(dòng)機轉速回升也就越快。而當轉速回升到原給定值時(shí)，Δn=0，ΔU=0,故也等于零。
積分部分的調節作用是：積分輸出部分的電壓等于偏差電壓ΔU的積分，它使可控整流電壓增加的，或，即的增長(cháng)率于偏差電壓ΔU(或偏差Δn)成正比。開(kāi)始時(shí)Δn很小，增加的很慢，當Δn最大時(shí)，增加的最快，在調節過(guò)程中的后期Δn逐漸減少了，的增加也逐漸減慢了，一直到電動(dòng)機轉速回升到，Δn=0時(shí)，就不再增加了，且在以后就一直保持這個(gè)數值不變[圖(c)之曲線(xiàn)②]。
把比例作用與積分作用合起來(lái)考慮，其調節的綜合效果見(jiàn)圖(c)之曲線(xiàn)③,可知，不管負載如何變化，系統一定會(huì )自動(dòng)調節，在調節過(guò)程的開(kāi)始和中間階段，比例調節起主要作用，它首先阻止Δn的繼續增大，而后使轉速迅速回升，在調節過(guò)程的末期，Δn很小了，比例調節的作用不明顯了，而積分調節作用就上升到主要地位，依靠它來(lái)最后消除轉速偏差Δn，使轉速回升到原值。這就是無(wú)靜差調速系統的調節過(guò)程。
可控整流電壓等于原靜態(tài)時(shí)的數值加上調節過(guò)程進(jìn)行后的增量，如圖(d)所示�？梢�(jiàn)，在調節過(guò)程結束時(shí)，可控整流電壓穩定在一個(gè)大于的新的數值上。增加的那一部分電壓(即)正好補償由于負載增加引起的那部分主回路壓降。
無(wú)靜差調速系統在調節過(guò)程結束以后，轉速偏差Δn=0(PI調節器的輸入電壓ΔU也等于零)，這只是在靜態(tài)(穩定工作狀態(tài))上無(wú)差，而動(dòng)態(tài)(如當負載變化時(shí)，系統從一個(gè)穩態(tài)變到另一個(gè)穩態(tài)的過(guò)渡過(guò)程)上卻是有差的。在動(dòng)態(tài)過(guò)程中最大的轉速降落叫做動(dòng)態(tài)速降(如果是突卸負載，則有動(dòng)態(tài)速升)，它是一個(gè)重要的動(dòng)態(tài)指標。
這個(gè)調速系統在理論上講是無(wú)靜差調速系統，但是由于調節放大器不是理想的，且放大倍數也不是無(wú)限大，測速機也還存在誤差，因此實(shí)際上這樣的系統仍然是有一點(diǎn)靜差的。
這個(gè)系統中的PI調節器是用來(lái)調節電動(dòng)機轉速的，因此，常把它稱(chēng)為速度調節器(ASR)。
3、單相橋式可控整流電路
在單相橋式整流電路中，把其中兩只二極管換成晶閘管就組成了半控橋式整流電路，如圖七所示。這種電路在中小容量場(chǎng)合應用很廣，它的工作原理如下：當電源1端為正的某一時(shí)刻，觸發(fā)晶閘管，電流途經(jīng)如圖中實(shí)線(xiàn)箭頭所示。這時(shí)及均承受反向電壓而截止；同樣在電源2端為正的下半周期，觸發(fā)晶閘管，電流途經(jīng)如圖中虛線(xiàn)箭頭所示，這時(shí)及處于反壓截止狀態(tài)。
圖七 帶電阻性負載的單相半控橋式整流電路
四、接口設計
1、什么是接口
一個(gè)機電一體化產(chǎn)品由機械分系統和微電子分系統(微控制機)兩大部分組成，二者又分別由若干要素構成。要將各要素、各子系統有機地結合起來(lái)，構成一個(gè)完整的系統，就必須能順利地在各要素、各子系統之間進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的傳遞與交換。為此，各要素和子系統的相接處必須具備一定的聯(lián)系條件，這個(gè)聯(lián)系條件通常被稱(chēng)為接口。
2、接口的分類(lèi)和特點(diǎn)
目前，關(guān)于機電一體化產(chǎn)品接口的分類(lèi)有很多提法，比如根據接口的變換和調整功能，可將接口分為零接口、被動(dòng)接口、主動(dòng)接口和智能接口；根據接口的輸入輸出功能，可將接口分為機械接口、物理接口、信息接口與環(huán)境接口等。這里按照接口所聯(lián)系的子系統不同，以控制微機(微電子系統)為出發(fā)點(diǎn)，將接口分為人機接口與機電接口兩大類(lèi)。
機電接口
圖八 機電一體化系統的基本組成
3、機電接口設計
所謂機電接口，是指機電一體化產(chǎn)品中的機械裝置與控制微機間的接口。按照信息的傳遞方向可以將機電接口分為信息接口(傳感器接口)與控制量輸出接口。
(1)信息采集接口的任務(wù)與特點(diǎn)
在一個(gè)機電一體化產(chǎn)品中，控制微機要對機械裝置進(jìn)行有效控制，使其按預定的規律運行，完成預定的任務(wù)，就必須隨時(shí)對機械系統的運行狀態(tài)進(jìn)行監控，隨時(shí)檢測各種工作和運行參數，如位置、速度、轉矩、壓力、溫度等等。因此進(jìn)行系統設計時(shí)，必須選用相應傳感器將這些物理量轉換為電量，再經(jīng)過(guò)信息采集接口的整形，放大，匹配，轉換，變成微機可以接受的信號傳遞給微機。
(2)控制輸出接口的任務(wù)與特點(diǎn)
控制微機通過(guò)信息采集接口檢測機械系統的狀態(tài)，經(jīng)過(guò)運算處理，發(fā)出有關(guān)控制信號，經(jīng)過(guò)控制輸出接口的匹配、轉換、功率放大，驅動(dòng)執行元件去調節機械系統的運行狀態(tài)，使其按設計要求運行。
(3)控制量輸出接口中的功率接口設計
在機電一體化產(chǎn)品中，被控對象所需要的驅動(dòng)功率一般都比較大，而計算機發(fā)出的數字控制信號或經(jīng)D/A轉換后所得到的模擬控制信號的功率都很小，因而必須經(jīng)過(guò)功率放大后才能用來(lái)驅動(dòng)被控對象。實(shí)現功率放大功能的接口電路被稱(chēng)為功率接口電路。
4、光電耦合驅動(dòng)器接口設計：
在機電一體化產(chǎn)品的控制輸出接口中，光電耦合器是經(jīng)常使用的一類(lèi)器件。光電耦合器是把發(fā)光二極管和光敏晶體管或光敏晶閘管封裝在一起，通過(guò)光信號，實(shí)現電信號傳遞的器件。由于光電耦合器輸入與輸出之間沒(méi)有直接的電氣聯(lián)系，電信號是通過(guò)光信號傳遞的，所以也稱(chēng)光電隔離器。
(1)光電耦合器的結構和特點(diǎn) 光電耦合器由發(fā)光源和受光器兩部分組成，并由不透明材料封裝在一起，其結構和符號如圖九所示。發(fā)光源引出的管腳為輸入端，受光器引出的管腳為輸出端。當在輸入端加正向電壓時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，照射光敏晶體管(或晶閘管)使之導通，產(chǎn)生輸出信號。
圖九 光電耦合器的結構
光電耦合器具有如下特點(diǎn)：
i.光電耦合器的信號傳遞采取電－光－電形式，發(fā)光部分和受光部分不接觸，因此其絕緣電阻可高達Ω以上，并能承受2000V以上的高壓。被耦合的兩個(gè)部分可以自成系統不“共地”，能夠實(shí)現電控系統強電部分與弱電部分隔離，避免干擾由輸出通道竄入控制微機。
ii.光電耦合器的發(fā)光二極管使電流驅動(dòng)器件，能夠吸收尖峰干擾信號，所以具有很強的抑制噪聲干擾能力。
iii.光電耦合器作為開(kāi)關(guān)應用時(shí)，具有耐用，可靠性高和高速等優(yōu)點(diǎn)，響應時(shí)間一般為數微秒以?xún)�，高速型光電耦合器的響應時(shí)間有的甚至小于10ns。
(2)晶閘管輸出型光電耦合器驅動(dòng)接口設計
晶閘管輸出型光電耦合器的輸出端是光敏晶閘管或光敏雙向晶閘管。光電耦合器的輸入端有一定的電流流入時(shí)，晶閘管即導通，有的光電耦合器的輸出端還配有過(guò)零檢測電路，用于控制晶閘管過(guò)零觸發(fā)，以減少用電設備在啟動(dòng)時(shí)對電網(wǎng)造成的沖擊。
4N40時(shí)常用的單相晶閘管輸出型光電耦合器。當輸入端有15~30mA電流時(shí)，輸出端的晶閘管導通。輸出端的額定電壓為400V，額定電流有效值為300mA。
MOC3041是常用的雙向晶閘管輸出的光電耦合器，內部帶過(guò)零觸發(fā)電路，輸入端控制電流為15mA輸出端額定電壓為400V，最大重復浪涌電流為1A。
圖十示出了4N40和MOC3041的接口驅動(dòng)電路。由下式
(4-1)
式中，為電源電壓；
為發(fā)光二極管管壓降，取1.5V；
為驅動(dòng)器壓降，取0.5V；
為發(fā)光二極管工作電流；
為發(fā)光二極管限流電阻。
求得限流電阻和分別為100Ω和200Ω，實(shí)際取91Ω和180Ω，使留有一定余量。
4N40常用于小電流電器控制，如指示燈等，也可用于觸發(fā)大功率的晶閘管。MOC3041一般用于中間控制電路或用于觸發(fā)大功率晶閘管。
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