第10章 直流调速控制系统

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10.1 直流调速系统的性能指标
调速范围 静态技术指标 静差率 平滑性 最大超调量 动态技术指标 过渡过程时间 振荡次数 抗干扰性能
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1、调速范围D 在额定负载下，允许的最高转速和在保证生产 机械对转速变化率要求的前提下所能达到的最 低转速之比称为调速范围 。
nmax D= nmin
车床 20～120 ～ 龙门刨床 20～40 ～ 钻床 2～12 ～ 铣床 20～30 ～ 轧钢机 3～15 ～ 造纸机 10～20 ～ 进给机械 5～30000 ～
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3）振荡次数N 在过渡过程时间内,被调量n在其稳定值上下摆 动的次数。
三种不同调速系统被调量从x1改变为x2时的变化情况
系 统 1 2 3 超调 量 0 大 小 过渡过程 时间T 时间 长 长 短 振荡次 数 无 多 中 性能 不好 不好 好
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10.2 有静差调速系统
由被调量负反馈组成的按比例控制的单闭环 系统，称有静差调速系统。
一、基本组成及其静特性 调速系统的基本任务： 调节速度； 扩大调速范围，减小静态误差。 1、基本组成
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放大器： 放大器：将外加 电压和反馈信号经转 换后的电压之差进行 放大。 放大。
晶闸管触发电路和整流电路： 晶闸管触发电路和整流电路：将放大器放大后的电 压信号变为脉冲型号去控制整流电路的输出大小； 压信号变为脉冲型号去控制整流电路的输出大小 ； 输 出电压大小由触发电路输出脉冲信号所决定， 出电压大小由触发电路输出脉冲信号所决定 ，整流电 路的输出为直流电动机电枢的外加电压。 路的输出为直流电动机电枢的外加电压。
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2、静差率S 静差率表示出生产机械运行时转速稳定的程度。
n0 − ne ∆ne S= = n0 n0
∆ne = n0 − ne − −静态速降
当负载变化时，生产机械转速的变化要能维 持在一定范围之内，即要求静差率S小于一定 数值（速度稳定性指标） 。
普通设备 S≤50% 普通车床 S≤30% 龙门刨床 S≤5% 冷轧机 S≤2% 热轧机 0.2%~0.5% 造纸机 S≤0.1% 5
当负载减小使 n ↑→ U f ↑→ ∆U ↓= U g − U f → U k ↓→ α ↑→ U d ↓→ n ↓
当负载发生变化使速度发生变化后，系统通过 反馈能维持速度基本不变，这种状态称为稳速。
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系统的调速方法是改变外加电压调速； 系统的反馈信号是被控制对象n本身; 反馈电压和给定电压的极性相反，即: ∆U = U g − U f 该系统又称转速负反馈调速系统。
而闭环系统的静特性:
n= K GU g Ce (1 + K ) − I a R∑ Ce (1 + K ) = n0 cl − ∆ncl
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在同样的负载扰动下，闭环系统和开环系统的 转速降落的关系：
∆nop I a R∑ ∆ncl = = Ce (1 + K ) 1 + K
系统闭环与开环时的理想空载转速可以通过调 节取得一致，即 n0cl = n0op 。 此时，静差率的关系：
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10.3 无静差调速系统简介
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直流电动机： 直流电动机 ： 系 统的控制对象。 统的控制对象。
给定电位器： 给定电位器： 调节R 调节 g的位置可 改变给定电压U 改变给定电压 g 的大小 。
转换元件：将测速 发电机的转速转换成 电压信号以便与给定 电压进行比较。 电压进行比较。
测速发电机： 测速发电机： 与直流电动机 M同轴相连， 即两者的速度相 同轴相连， 同轴相连 同，测速发电机用来测量电动 机的速度，称检测元件。 机的速度，称检测元件。 13
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3、静特性分析 A、各环节输入与输出的关系 电动机电路： U d = K eΦn + I a R∑ = C e n + I a R∑ 晶闸管整流和触发电路： 放大器电路：
U d = K sU k
U k = K P ∆U = K p (U g − U f )
反馈电路：速度反馈信号电压与转速 n 成正 比，设放大系数为Kf，则：
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nmax
从一种稳定速度变化到另一种稳定速度运转， 由于有电磁惯性和机械惯性，过程不能瞬时完 成，需要经过一段过渡过程，称动态过程。 在调速的动态过程中，有一些性能指标需要关 注和控制。 对一个闭环控制系统，常输入单位阶跃信号， 观察它的响应过程，来评价其动态性能的好坏。 4、跟随性能
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1）最大超调量
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令：K G = K s K p , K = 则： n= K GU g Ce (1 + K ) −
Ks K p K f Ce = n0 cl − ∆ncl
I a R∑ Ce (1 + K )
式中:
K G = K p K s ——从 放大 器输入端到可控整流
电路输出端的电压放大倍数；
K= K f K p Ks Ce
机电传动控制
第10章 直流调速控制系统
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机电传动控制系统的组成与分 类 直流调速系统的主要性能指标 有静差调速系统 无静差调速系统
• 自动控制系统按组成原理，分为开环控制系 统和闭环控制系统。
• 按采用不同的反馈方式，可分为转速负反馈、 电压负反馈及电流正反馈等控制系统。
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• 按系统稳态时被调量与给定量有无差别，可 分为有静差调节系统和无静差调节系统。 • 按自动调节系统的复杂程度，可分为单环自 动调节系统和多环自动调节系统； 按给定 量变化的规律，可分为定值调节系统、程序 控制系统和随动系统； 按调节动作与时间 的关系，可分为断续控制系统和连续控制系 统； 按系统中所包含的元件特性，可分为 线性控制系统和非线性控制系统。
nmax − n2 Mp = × 100% n2
M p = 10% ~ 35%
超调量太大，达不到生产工艺上的要求； 超调量太小，会使过渡过程过于缓慢，不利于 生产率的提高等。
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2）过渡过程时间T 从输入控制（或扰动）作用于系统开始直到被 调量 n 进入（2% ～5%）n2稳定值区间时为止 的一段时间，叫作过渡过程时间（调节时间）。
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三、转速反馈闭环调速系统的特征 采用转速负反馈调速系统能克服扰动作用（如 负载的变化、电动机励磁的变化等）对电动机 转速的影响。 提高系统的开环放大倍数是减小静态转速降落、 扩大调速范围的有效措施。但放大倍数也不能 过分增大，否则系统容易产生不稳定现象。 由于放大倍数K不可能为无穷大，即静态速降 不可能为0，称为有静差调速系统。
3、调速的平滑性 调速的平滑性，通常是用两个相邻调速级的转 速差来衡量的。 无级调速 调速 有级调速
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注意静差率S与特性硬 差率S之间的 关系 ：
nmax nmax = = D= nmin n02 − ∆ne
nmax S = ∆ne ∆ne (1 − S ) n02 1 − n02
U g ↓→ ∆U ↓= U g − U f → U k ↓→ α ↑→ U d ↓→ n ↓
改变Ug的大小，可改变电动机的转速，这种状 态称为调速。
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C、稳速（Ug不变、负载变化使Uf变化 )
当负载增加使 n ↓→ U f ↓→ ∆U ↑= U g − U f → U k ↑→ α ↓→ U d ↑→ n ↑
2、工作原理: A、稳态（Ug、Uf 不变）
∆U = U g − U
f
不变 →U k 不变 → α 不变 → U d 不变 → n 不变
当Ug、Uf不变时，电动机的转速不变，这种状 态称为稳态。 B、调速（Uf不变，改变Ug的大小）
U g ↑→ ∆U ↑= U g − U f → U k ↑→ α ↓ → U d ↑→ n ↑
Uf =Kfn
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B、静特性演算
U d U d U k U f = Ce n + I a R∑ = K sU k = K p (U g − U f ) = Kfn
K sU k = Ce n + I a R∑ K s K p (U g − U f ) = Ce n + I a R∑ K s K pU g − K s K p K f n = Ce n + I a R∑ n= K s K pUg − I a R∑ K s K p K f + Ce
——闭环系统的开环放大倍数 （开环放大系数）。
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二、闭环系统与开环系统对比 如果系统没有转速负反馈（即开环系统）时， 则整流器的输出电压:
U d = K p K sU g = K GU g = Ce n + I a R∑
由此可得开环系统的机械特性方程（静特性）:
n= K GU g Ce I a R∑ − = n0 op − ∆nop Ce
scl =
sop 1+ K
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在最高转速和低速时最大允许静差度不变的情 况下，调速范围的关系：
nN s Dop = ∆nop (1 − s)
Dcl =
nN s nN s = = (1 + K ) Dop ∆ncl (1 − s) ∆nop (1 − s) 1+ K
结论： 在K值较大的情况下，闭环系统的特性硬得多。 在保证一定静差率的要求下，闭环系统可以提 高调速范围。