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采用PI调节器的无静差调速系统(一)
2、采用PI调节器的无静差调速系统
在图四中，由于有比例积分调节器的存在，只要偏差不等于零，系统就会起调节作用，当时，，则调节作用停止，调节器的输出电压由于积分作用，保持在某一数值，以维持电动机杂给定转速下运转，系统可以消除静态误差，故该系统是一个无静差调速系统。
系统的调节作用是：当电动机负载增加时，如图六(a)中的瞬间，负载
()
t1 t2
图六 负载变化时PI调节器对系统的调节作用
突然由增加到，则电动机的转速将由开始下降而产生转速偏差[见图(b)]，它通过测速机反馈到PI调节器的输入端产生偏差电压，于是开始了消除偏差的调节过程。首先，比例部分调节作用显著，其输出电压等于，使控制角α减小，可控整流电压增加[图(c)之曲线①]，由于比例输出没有惯性，故这个电压使电动机转速迅速回升。偏差Δn越大，也越大，它的调节作用也就越强，电动机转速回升也就越快。而当转速回升到原给定值时，Δn=0，ΔU=0,故也等于零。
积分部分的调节作用是：积分输出部分的电压等于偏差电压ΔU的积分，它使可控整流电压增加的，或，即的增长率于偏差电压ΔU(或偏差Δn)成正比。开始时Δn很小，增加的很慢，当Δn最大时，增加的最快，在调节过程中的后期Δn逐渐减少了，的增加也逐渐减慢了，一直到电动机转速回升到，Δn=0时，就不再增加了，且在以后就一直保持这个数值不变[图(c)之曲线②]。
把比例作用与积分作用合起来考虑，其调节的综合效果见图(c)之曲线③,可知，不管负载如何变化，系统一定会自动调节，在调节过程的开始和中间阶段，比例调节起主要作用，它首先阻止Δn的继续增大，而后使转速迅速回升，在调节过程的末期，Δn很小了，比例调节的作用不明显了，而积分调节作用就上升到主要地位，依靠它来最后消除转速偏差Δn，使转速回升到原值。这就是无静差调速系统的调节过程。
可控整流电压等于原静态时的数值加上调节过程进行后的增量，如图(d)所示。可见，在调节过程结束时，可控整流电压稳定在一个大于的新的数值上。增加的那一部分电压(即)正好补偿由于负载增加引起的那部分主回路压降。
无静差调速系统在调节过程结束以后，转速偏差Δn=0(PI调节器的输入电压ΔU也等于零)，这只是在静态(稳定工作状态)上无差，而动态(如当负载变化时，系统从一个稳态变到另一个稳态的过渡过程)上却是有差的。在动态过程中最大的转速降落叫做动态速降(如果是突卸负载，则有动态速升)，它是一个重要的动态指标。
这个调速系统在理论上讲是无静差调速系统，但是由于调节放大器不是理想的，且放大倍数也不是无限大，测速机也还存在误差，因此实际上这样的系统仍然是有一点静差的。
这个系统中的PI调节器是用来调节电动机转速的，因此，常把它称为速度调节器(ASR)。
3、单相桥式可控整流电路
在单相桥式整流电路中，把其中两只二极管换成晶闸管就组成了半控桥式整流电路，如图七所示。这种电路在中小容量场合应用很广，它的工作原理如下：当电源1端为正的某一时刻，触发晶闸管，电流途经如图中实线箭头所示。这时及均承受反向电压而截止；同样在电源2端为正的下半周期，触发晶闸管，电流途经如图中虚线箭头所示，这时及处于反压截止状态。
图七 带电阻性负载的单相半控桥式整流电路
四、接口设计
1、什么是接口
一个机电一体化产品由机械分系统和微电子分系统(微控制机)两大部分组成，二者又分别由若干要素构成。要将各要素、各子系统有机地结合起来，构成一个完整的系统，就必须能顺利地在各要素、各子系统之间进行物质、能量和信息的传递与交换。为此，各要素和子系统的相接处必须具备一定的联系条件，这个联系条件通常被称为接口。
2、接口的分类和特点
目前，关于机电一体化产品接口的分类有很多提法，比如根据接口的变换和调整功能，可将接口分为零接口、被动接口、主动接口和智能接口；根据接口的输入输出功能，可将接口分为机械接口、物理接口、信息接口与环境接口等。这里按照接口所联系的子系统不同，以控制微机(微电子系统)为出发点，将接口分为人机接口与机电接口两大类。
机电接口
图八 机电一体化系统的基本组成
3、机电接口设计
所谓机电接口，是指机电一体化产品中的机械装置与控制微机间的接口。按照信息的传递方向可以将机电接口分为信息接口(传感器接口)与控制量输出接口。
(1)信息采集接口的任务与特点
在一个机电一体化产品中，控制微机要对机械装置进行有效控制，使其按预定的规律运行，完成预定的任务，就必须随时对机械系统的运行状态进行监控，随时检测各种工作和运行参数，如位置、速度、转矩、压力、温度等等。因此进行系统设计时，必须选用相应传感器将这些物理量转换为电量，再经过信息采集接口的整形，放大，匹配，转换，变成微机可以接受的信号传递给微机。
(2)控制输出接口的任务与特点
控制微机通过信息采集接口检测机械系统的状态，经过运算处理，发出有关控制信号，经过控制输出接口的匹配、转换、功率放大，驱动执行元件去调节机械系统的运行状态，使其按设计要求运行。
(3)控制量输出接口中的功率接口设计
在机电一体化产品中，被控对象所需要的驱动功率一般都比较大，而计算机发出的数字控制信号或经D/A转换后所得到的模拟控制信号的功率都很小，因而必须经过功率放大后才能用来驱动被控对象。实现功率放大功能的接口电路被称为功率接口电路。
4、光电耦合驱动器接口设计：
在机电一体化产品的控制输出接口中，光电耦合器是经常使用的一类器件。光电耦合器是把发光二极管和光敏晶体管或光敏晶闸管封装在一起，通过光信号，实现电信号传递的器件。由于光电耦合器输入与输出之间没有直接的电气联系，电信号是通过光信号传递的，所以也称光电隔离器。
(1)光电耦合器的结构和特点 光电耦合器由发光源和受光器两部分组成，并由不透明材料封装在一起，其结构和符号如图九所示。发光源引出的管脚为输入端，受光器引出的管脚为输出端。当在输入端加正向电压时，发光二极管点亮，照射光敏晶体管(或晶闸管)使之导通，产生输出信号。
图九 光电耦合器的结构
光电耦合器具有如下特点：
i.光电耦合器的信号传递采取电－光－电形式，发光部分和受光部分不接触，因此其绝缘电阻可高达Ω以上，并能承受2000V以上的高压。被耦合的两个部分可以自成系统不“共地”，能够实现电控系统强电部分与弱电部分隔离，避免干扰由输出通道窜入控制微机。
ii.光电耦合器的发光二极管使电流驱动器件，能够吸收尖峰干扰信号，所以具有很强的抑制噪声干扰能力。
iii.光电耦合器作为开关应用时，具有耐用，可靠性高和高速等优点，响应时间一般为数微秒以内，高速型光电耦合器的响应时间有的甚至小于10ns。
(2)晶闸管输出型光电耦合器驱动接口设计
晶闸管输出型光电耦合器的输出端是光敏晶闸管或光敏双向晶闸管。光电耦合器的输入端有一定的电流流入时，晶闸管即导通，有的光电耦合器的输出端还配有过零检测电路，用于控制晶闸管过零触发，以减少用电设备在启动时对电网造成的冲击。
4N40时常用的单相晶闸管输出型光电耦合器。当输入端有15~30mA电流时，输出端的晶闸管导通。输出端的额定电压为400V，额定电流有效值为300mA。
MOC3041是常用的双向晶闸管输出的光电耦合器，内部带过零触发电路，输入端控制电流为15mA输出端额定电压为400V，最大重复浪涌电流为1A。
图十示出了4N40和MOC3041的接口驱动电路。由下式
(4-1)
式中，为电源电压；
为发光二极管管压降，取1.5V；
为驱动器压降，取0.5V；
为发光二极管工作电流；
为发光二极管限流电阻。
求得限流电阻和分别为100Ω和200Ω，实际取91Ω和180Ω，使留有一定余量。
4N40常用于小电流电器控制，如指示灯等，也可用于触发大功率的晶闸管。MOC3041一般用于中间控制电路或用于触发大功率晶闸管。
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