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采用PI調(diào)節(jié)器的無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)(一)
2、采用PI調(diào)節(jié)器的無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)
在圖四中，由于有比例積分調(diào)節(jié)器的存在，只要偏差不等于零，系統(tǒng)就會(huì)起調(diào)節(jié)作用，當(dāng)時(shí)，，則調(diào)節(jié)作用停止，調(diào)節(jié)器的輸出電壓由于積分作用，保持在某一數(shù)值，以維持電動(dòng)機(jī)雜給定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)可以消除靜態(tài)誤差，故該系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)。
系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用是：當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載增加時(shí)，如圖六(a)中的瞬間，負(fù)載
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圖六 負(fù)載變化時(shí)PI調(diào)節(jié)器對(duì)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用
突然由增加到，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將由開(kāi)始下降而產(chǎn)生轉(zhuǎn)速偏差[見(jiàn)圖(b)]，它通過(guò)測(cè)速機(jī)反饋到PI調(diào)節(jié)器的輸入端產(chǎn)生偏差電壓，于是開(kāi)始了消除偏差的調(diào)節(jié)過(guò)程。首先，比例部分調(diào)節(jié)作用顯著，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①]，由于比例輸出沒(méi)有慣性，故這個(gè)電壓使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速回升。偏差Δn越大，也越大，它的調(diào)節(jié)作用也就越強(qiáng)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速回升也就越快。而當(dāng)轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)作用是：積分輸出部分的電壓等于偏差電壓ΔU的積分，它使可控整流電壓增加的，或，即的增長(zhǎng)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(dāng)Δn最大時(shí)，增加的最快，在調(diào)節(jié)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(jī)轉(zhuǎn)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(shù)值不變[圖(c)之曲線②]。
把比例作用與積分作用合起來(lái)考慮，其調(diào)節(jié)的綜合效果見(jiàn)圖(c)之曲線③,可知，不管負(fù)載如何變化，系統(tǒng)一定會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)過(guò)程的開(kāi)始和中間階段，比例調(diào)節(jié)起主要作用，它首先阻止Δn的繼續(xù)增大，而后使轉(zhuǎn)速迅速回升，在調(diào)節(jié)過(guò)程的末期，Δn很小了，比例調(diào)節(jié)的作用不明顯了，而積分調(diào)節(jié)作用就上升到主要地位，依靠它來(lái)最后消除轉(zhuǎn)速偏差Δn，使轉(zhuǎn)速回升到原值。這就是無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過(guò)程。
可控整流電壓等于原靜態(tài)時(shí)的數(shù)值加上調(diào)節(jié)過(guò)程進(jìn)行后的增量，如圖(d)所示�？梢�(jiàn)，在調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束時(shí)，可控整流電壓穩(wěn)定在一個(gè)大于的新的數(shù)值上。增加的那一部分電壓(即)正好補(bǔ)償由于負(fù)載增加引起的那部分主回路壓降。
無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束以后，轉(zhuǎn)速偏差Δn=0(PI調(diào)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(wú)差，而動(dòng)態(tài)(如當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)變到另一個(gè)穩(wěn)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(zhuǎn)速降落叫做動(dòng)態(tài)速降(如果是突卸負(fù)載，則有動(dòng)態(tài)速升)，它是一個(gè)重要的動(dòng)態(tài)指標(biāo)。
這個(gè)調(diào)速系統(tǒng)在理論上講是無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，但是由于調(diào)節(jié)放大器不是理想的，且放大倍數(shù)也不是無(wú)限大，測(cè)速機(jī)也還存在誤差，因此實(shí)際上這樣的系統(tǒng)仍然是有一點(diǎn)靜差的。
這個(gè)系統(tǒng)中的PI調(diào)節(jié)器是用來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的，因此，常把它稱為速度調(diào)節(jié)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(yīng)用很廣，它的工作原理如下：當(dāng)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)如圖中虛線箭頭所示，這時(shí)及處于反壓截止?fàn)顟B(tài)。
圖七 帶電阻性負(fù)載的單相半控橋式整流電路
四、接口設(shè)計(jì)
1、什么是接口
一個(gè)機(jī)電一體化產(chǎn)品由機(jī)械分系統(tǒng)和微電子分系統(tǒng)(微控制機(jī))兩大部分組成，二者又分別由若干要素構(gòu)成。要將各要素、各子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，就必須能順利地在各要素、各子系統(tǒng)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(tǒng)的相接處必須具備一定的聯(lián)系條件，這個(gè)聯(lián)系條件通常被稱為接口。
2、接口的分類和特點(diǎn)
目前，關(guān)于機(jī)電一體化產(chǎn)品接口的分類有很多提法，比如根據(jù)接口的變換和調(diào)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(jù)接口的輸入輸出功能，可將接口分為機(jī)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(tǒng)不同，以控制微機(jī)(微電子系統(tǒng))為出發(fā)點(diǎn)，將接口分為人機(jī)接口與機(jī)電接口兩大類。
機(jī)電接口
圖八 機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本組成
3、機(jī)電接口設(shè)計(jì)
所謂機(jī)電接口，是指機(jī)電一體化產(chǎn)品中的機(jī)械裝置與控制微機(jī)間的接口。按照信息的傳遞方向可以將機(jī)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(jī)電一體化產(chǎn)品中，控制微機(jī)要對(duì)機(jī)械裝置進(jìn)行有效控制，使其按預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行，完成預(yù)定的任務(wù)，就必須隨時(shí)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，隨時(shí)檢測(cè)各種工作和運(yùn)行參數(shù)，如位置、速度、轉(zhuǎn)矩、壓力、溫度等等。因此進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須選用相應(yīng)傳感器將這些物理量轉(zhuǎn)換為電量，再經(jīng)過(guò)信息采集接口的整形，放大，匹配，轉(zhuǎn)換，變成微機(jī)可以接受的信號(hào)傳遞給微機(jī)。
(2)控制輸出接口的任務(wù)與特點(diǎn)
控制微機(jī)通過(guò)信息采集接口檢測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的狀態(tài)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理，發(fā)出有關(guān)控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)控制輸出接口的匹配、轉(zhuǎn)換、功率放大，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件去調(diào)節(jié)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，使其按設(shè)計(jì)要求運(yùn)行。
(3)控制量輸出接口中的功率接口設(shè)計(jì)
在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，被控對(duì)象所需要的驅(qū)動(dòng)功率一般都比較大，而計(jì)算機(jī)發(fā)出的數(shù)字控制信號(hào)或經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后所得到的模擬控制信號(hào)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(qū)動(dòng)被控對(duì)象。實(shí)現(xiàn)功率放大功能的接口電路被稱為功率接口電路。
4、光電耦合驅(qū)動(dòng)器接口設(shè)計(jì)：
在機(jī)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(hào)，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)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(hào)是通過(guò)光信號(hào)傳遞的，所以也稱光電隔離器。
(1)光電耦合器的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和符號(hào)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(dāng)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(dǎo)通，產(chǎn)生輸出信號(hào)。
圖九 光電耦合器的結(jié)構(gòu)
光電耦合器具有如下特點(diǎn)：
i.光電耦合器的信號(hào)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(dá)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(tǒng)不“共地”，能夠?qū)崿F(xiàn)電控系統(tǒng)強(qiáng)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(jī)。
ii.光電耦合器的發(fā)光二極管使電流驅(qū)動(dòng)器件，能夠吸收尖峰干擾信號(hào)，所以具有很強(qiáng)的抑制噪聲干擾能力。
iii.光電耦合器作為開(kāi)關(guān)應(yīng)用時(shí)，具有耐用，可靠性高和高速等優(yōu)點(diǎn)，響應(yīng)時(shí)間一般為數(shù)微秒以內(nèi)，高速型光電耦合器的響應(yīng)時(shí)間有的甚至小于10ns。
(2)晶閘管輸出型光電耦合器驅(qū)動(dòng)接口設(shè)計(jì)
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(dǎo)通，有的光電耦合器的輸出端還配有過(guò)零檢測(cè)電路，用于控制晶閘管過(guò)零觸發(fā)，以減少用電設(shè)備在啟動(dòng)時(shí)對(duì)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(dāng)輸入端有15~30mA電流時(shí)，輸出端的晶閘管導(dǎo)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(nèi)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(fù)浪涌電流為1A。
圖十示出了4N40和MOC3041的接口驅(qū)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(qū)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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