第4章 直流电动机调速控制系统
第4章 第1讲直流PWM可逆直流调速系统
4.1.2 直流PWM可逆直流调速系统转速反向 的过渡过程
时刻，开始正向制动（ ） 在t2时刻，开始正向制动（abc）
给定信号U 从 阶跃下降到“ 给定信号 n*从UnN阶跃下降到“-UnN”， ， 对应于反向额定转速“ 对应于反向额定转速“-nN”。 。 由于电枢惯性，使得转速误差信号∆ 由于电枢惯性，使得转速误差信号∆Un突 然下降到“-2UnN”，ASR快速反向饱和， 然下降到“ ， 快速反向饱和， 快速反向饱和 Ui*＝-Uim。 ＝ 此后在ACR的快速调节下使电枢电流 d 跟 的快速调节下使电枢电流I 此后在 的快速调节下使电枢电流 维持在最大反向电枢电流“ 随“Ui*”维持在最大反向电枢电流“-Idm”， 维持在最大反向电枢电流 ，
PWM变换电源控制特性与数学模型 变换电源控制特性与数学模型
PWM变换器的控制一般采用锯齿 变换器的控制一般采用锯齿 波同步的自然采样调制法， 波同步的自然采样调制法 ， 或者 规则采样法。 规则采样法。 图 (b)是单极型 是单极型PWM调制原理， 调制原理， 是单极型 调制原理 占空比和控制电压Uc的关系为 占空比和控制电压 的关系为
U, i +Us Ud E id O t 0 on -Us -Us b) 正向电动运行波形 c) 反向电动运行波形 T t O 0 U, i +Us
γ = 2ρ – 1 γ = –1 ~ 0 ~ +1
ton
T
t id E Ud
4.1 直流 直流PWM可逆调速系统 可逆调速系统
双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点： 变换器有下列优点： 双极式控制的桥式可逆 变换器有下列优点 （1）电流一定连续； ）电流一定连续； （2）可使电动机在四象限运行； ）可使电动机在四象限运行； （3）电动机停止时有微振电流，能消除静磨擦死区； ）电动机停止时有微振电流，能消除静磨擦死区； （4）低速平稳性好，系统的调速范围大； ）低速平稳性好，系统的调速范围大； （5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利 ）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽， 于保证器件的可靠导通。 于保证器件的可靠导通。
直流拖动控制系统(直流调速方法;直流调速电源;直流调速控制)
电力拖动自动控制系统直流拖动控制系统内容提要⏹直流调速方法⏹直流调速电源⏹直流调速控制引言直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。
因此，为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。
根据直流电机转速方程Φ-=e K IR U n 直流调速方法n U I R ΦK e 式中—转速（r/min ）；—电枢电压（V ）；—电枢电流（A ）；—电枢回路总电阻（Ω）；—励磁磁通（Wb ）；—由电机结构决定的电动势常数。
（1-1）由式（1-1）可以看出，有三种方法调节电动机的转速：（1）调节电枢供电电压U；（2）减弱励磁磁通 ；（3）改变电枢回路电阻R。
（1）调压调速⏹工作条件：保持励磁Φ= ΦN；保持电阻R = Ra⏹调节过程：改变电压UN→U↓U↓→n↓，n0 ↓⏹调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下移。
nn0O II LU NU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线（2）调阻调速⏹工作条件：保持励磁Φ= ΦN；保持电压U =UN；⏹调节过程：增加电阻Ra→R↑R ↑→n↓，n0不变；⏹调速特性：转速下降，机械特性曲线变软。
nn0O II LR aR 1R 2R 3nNn1n2n3调阻调速特性曲线（3）调磁调速⏹工作条件：保持电压U =UN；保持电阻R = Ra；⏹调节过程：减小励磁ΦN→Φ↓Φ↓→n↑，n0 ↑⏹调速特性：转速上升，机械特性曲线变软。
nn0OT e T LΦNΦ1Φ2Φ3 nNn1n2n3调磁调速特性曲线三种调速方法的性能与比较对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。
改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。
第四章 交流电动机调速控制系统
r12
(X1
c1 X
' 20
)2
]
（4-8）
因 r12
(X1
c1
X
' 20
)
2
，近似得：
Mm
1 2c1
2f1[r1
m1PU12
(X1
c1 X
' 20
)]
（4-9）
2. 生产机械的转矩特性
摩擦类 特性曲线见图（a） 负载： ，位于1、3象限。
生产机械
恒转矩负载：它的负载转矩是一 个恒值，不随转速 而改变。
——定子极对数
（4-3）
4)．传给转子的功率（又称电磁功率）与机械功率、转子铜耗之间有如下
关系式 ： PMX PM PM 2 (1 S)PM
（4-4）
式中：
PM ——传给转子的功率（又称电磁功率）
PMX ——机械功率
PM 2 ——转子铜耗
5)．电机的平均转矩为：
M CP
PMX
M0 Mn 否则电机无法进入正常运转工作区。
交流机的起动电流一般为额定电流的4~6倍 ,起动时 一般要考虑以下几个问题：
图4-7 机械特性曲线
1. 应有足够大的起动力矩和适当的机械特性曲线。 2. 尽可能小的起动电流。 3．起动的操作应尽可能简单、经济。 4．起动过程中的功率损耗应尽可能小。
普通交流电机在起动过程中为了限制起动电流，常用的起动方法有三种。即：
图6-1的等效电路，经化简后得到能耗制动的等效电路如图4-10所示。
图4-10 能耗制动的等效电路
图中：
•
I1 ——直流励磁电流的等效交流电流
第4章 直流电动机调速控制系统
调速指标
静态调速指标
• 调速范围 • 静差率 • 调速范围与静差率的关系
动态调速指标
• 跟随性能指标 • 抗扰性能指标
单闭环直流调速系统
单闭环有静差调速系统 单闭环无静差调速系统
单闭环有静差调速系统
系统的组成及原理 系统的静特性及静态结构图
系统的反馈控制规律 单闭环调速系统的动态特性
电动机转速与转矩的关系
如果把E =Cen代入式(4-8) ，便可得出电枢电流I的表达式 Ia=(U- Cen )/Ra （4-9） 由上式可见，直流电动机和一般的直流电路不一样，它的电流不仅 取决于外加电压和自身电阻，并且还取决于与转速成正比的反电动 势(当φ为常数) 。将式(4-1) 代入(4-9) 式，可得 n=U/Ce-R Te/ Ce Cm (4-10) 其中Cm=Kmφ，式（4-10）称为电动机的机械特性，它描述了电 动机的转速与转矩之间的关系。 图4-5是机械特性曲线族。在这一曲线族中，不同的电枢电压对应于 不同的曲线，各曲线是彼此平行的。n0( U/Ce)称为“理想空载转 速” ，而⊿n(R Te/ Ce Cm) 称为转速降落。
脉宽调制器是一个电压—脉冲变换装置。由控制 电压Uct进行控制，为PWM变换器提供所需的脉 冲信号。 脉宽调制器的基本原理是将直流信号和一个调制 信号比较，调制信号可以是三角波，也可以是锯 齿波。锯齿波脉宽调制器电路如图4-42所示， 由锯齿波发生器和电压比较器组成。锯齿波发生 器采用最简单的单结晶体管多谐振荡器4-42a)， 为了控制锯齿波的线性度，使电容器Ｃ充电电流 恒定，由晶体管VT1和稳压管VST构成恒流源。
电流截止负反馈环节 带电流截止负反馈环节的单闭环无静差调 速系统
基于单片机的直流电机PWM调速控制系统的设计
基于单片机的直流电机PWM调速控制系统的设计第一章:前言1.1前言：直流电机的定义：将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。
近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用，直流具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，需要满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求，这是通过PWM方式控制直流电机调速的方法就应运而生。
采取传统的调速系统主要有以下的缺陷：模拟电路容易随时间飘移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。
而用PWM技术后，避免上述的缺点，实现了数字式控制模拟信号，可以大幅度减低成本和功耗。
并且PWM调速系统开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得平滑的直流电流，低速特性好；同时，开关频率高，快响应特性好，动态抗干扰能力强，可获很宽的频带；开关元件只需工作在开关状态，主电路损耗小，装置的效率高，具有节约空间、经济好等特点。
随着我国经济和文化事业的发展，在很多场合，都要求有直流电机PWM调速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘、自动给水系统、柔巾机、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。
1.2本设计任务:任务: 单片机为控制核心的直流电机PWM调速控制系统设计的主要内容以及技术参数:功能主要包括：1)直流电机的正转；2)直流电机的反转；3)直流电机的加速；4)直流电机的减速；5)直流电机的转速在数码管上显示；6)直流电机的启动；7)直流电机的停止；第二章：总体设计方案总体设计方案的硬件部分详细框图如图一所示。
示数码管显PWM单片机按键控制电机驱动基于单片机的直流电机PWM调速控制系统的设计键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P1.0与P1.1其中一口输出与转速相应的PWM脉冲，另一口输出低电平，经过信号放大、光耦传递，驱动H型桥式电动机控制电路，实现电动机转向与转速的控制。
电机与电气控制技术(第五版)课件第4章
第一节 直流电动机1
直流电动机是指输入直流电能输出机械能的旋转机械。 直流电动机由于具有调速性能好、起动转矩大的优点曾被广泛使用 过，但它的结构较复杂、使用维护较麻烦，已基本上被交流电动机取代。 一、直流电动机的工作原理 直流电动机是依据载流导体在磁场中受力而旋转的原理制造的。通 常磁场固定不动，而导体做成可在磁场中绕中心轴OO，旋转，如图4-1中 线圈abcd。为了使线圈abcd在不同的磁场位置下按同一方向旋转，采用 了电刷和换向器结构。但也正是这个电刷和换向器结构，使直流电动机 的结构变得复杂，成了它的致命所在。
第四节 测速发电机2
二、直流测速发电机 1．直流测速发电机的结构及工
作原理 直流测速发电机是一种用来测
量转速的小型直流发电机，在自动 控制系统中作反馈元件，外型如图 4-29。结构上与普通小微型直流发 电机相同，通常是两极电机，分为 他励式和永磁式两种。
第四节 测速发电机3
直流测速发电机的工作原理是在永久磁铁产生的恒定磁场中，电枢以转
第四节 测速发电机1 一、概述 测速发电机在自动控制系统中作检测元件，可以将电动机轴上的机 械转速转换为电压信号输出。输出电压的大小与发电机的转速成正比。 输出电压的极性反映电动机的旋转方向。测速发电机有交、直流两种形 式。 自动控制系统要求测速发电机的输出电压必须精确、迅速且与转速 成正比。测速发电机主要用于作测速元件、阻尼元件、解算元件。
步进电动机的种类很多，按运动方式可分旋转型和直线型。旋转型又可 分感应式、永磁式和混合式等。感应式步进电动机的转子上没有绕组，依靠变 化的磁阻生成磁阻转矩工作。永磁式步进电动机的转子上有磁极，依靠电磁 转矩工作。感应式步进电动机是目前应用最为广泛的步进电动机。
他励直流电动机的调速【精品-PDF】
他励直流电动机的调速【精品-PDF】直流电动机是一种重要的电动机类型，广泛应用于各种机械和工业设备中。
直流电动机有广泛的应用范围，从家用电器到工业机械，都有其使用的市场。
直流电动机的特点是其调速性能非常优越，可以实现比其他电动机更好的速度控制。
因此，在各种应用中，调速技术是直流电动机使用中关键的一个因素。
本文将重点介绍直流电动机的调速技术，包括直流电动机的调速控制器、调速方法以及相关技术应用等方面的内容，以帮助读者了解直流电动机和其调速技术。
一、直流电动机及其调速直流电动机是一种可以将电能转换为机械能、实现运动的电动机，其构造简单，使用方便，广泛应用于各种机械和工业设备中。
直流电动机的转速高、速度调节范围大，并且可以实现快速反应，因此被用于需要精确控制转速的系统中。
直流电动机有以下几个特点：（1）调速性能好：直流电动机的转速可以通过改变电枢电流大小或改变励磁电流大小调节，因此其调速性能非常优越，可以实现比其他电动机更好的速度控制。
（2）启动性能好：直流电机启动时，电枢和励磁电流都比较小，在其转速上升之前可以承受一段时间较大的负载，具有启动性能好的特点。
（3）负载能力强：直流电机的负载能力强，可承受瞬时负载、过载和其他恶劣的工况条件。
（4）电机效率高：直流电机效率高，因为在高负载时，电机磁通强、因而转子铜损耗小，从而水平轴的效率高。
直流电动机可以通过两种方式进行调速：改变电枢电流大小、改变励磁电流大小。
（1）改变电枢电流大小当直流电机的励磁电流保持不变时，电枢电流决定了电机的转矩大小，从而对电机的速度和负载产生影响。
当电枢电流增加时，可以增加电机的转矩和速度，当电枢电流减小时，可以降低电机的转矩和速度。
3.直流电动机的调速控制器为了控制直流电动机的转速，需要使用一个调速控制器。
调速控制器是电子电路装置，以实现直流电动机的调速控制为目的，能够根据需求变化，控制直流电机的运行状态和输出功率。
例如，当直流电机需要解决急剧变化的工作负荷时，调速控制器可以根据工作要求，自动调节电机运行状态，以输出恰当的功率。
直流电机调速系统实验
第一章直流电机调速系统实验实验一单闭环不可逆直流调速系统实验一、实验目的(1)了解单闭环直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理。
(2)掌握晶闸管直流调速系统的一般调试过程。
(3)认识闭环反馈控制系统的基本特性。
二、实验所需挂件及附件三、实验线路及原理为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。
对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。
按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。
在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。
在本装置中，转速单闭环实验是将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，经“转速变换”后接到“速度调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较经放大后，得到移相控制电压U ct，用作控制整流桥的“触发电路”，触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间，以改变“三相全控整流”的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环系统。
电机的转速随给定电压变化，电机最高转速由速度调节器的输出限幅所决定，速度调节器采用P（比例）调节对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则需将调节器换成PI(比例积分)调节。
这时当“给定”恒定时，闭环系统对速度变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的转速能稳定在一定的范围内变化。
在电流单闭环中，将反映电流变化的电流互感器输出电压信号作为反馈信号加到“电流调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较，经放大后，得到移相控制电压U ct，控制整流桥的“触发电路”，改变“三相全控整流”的电压输出，从而构成了电流负反馈闭环系统。
电机的最高转速也由电流调节器的输出限幅所决定。
同样，电流调节器若采用P（比例）调节，对阶跃输入有稳态误差，要消除该误差将调节器换成PI(比例积分)调节。
当“给定”恒定时，闭环系统对电枢电流变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的电枢电流能稳定在一定的范围内变化。
电动车维修技巧第四章 直流无刷电动机控制器
第四章直流无刷电动机控制器第一节直流无刷电动机特点电动自行车电动轮毂内部采用直流无刷电动机，与直流有刷电动机驱动系统不同。
直流有刷电动机采用传统的直流电动机，是由磁铁定子、碳刷、换向器和绕组电枢转子等组成，电动自行车有刷电动机通过脉宽调制（PWM）电路改变直流电动机的两端电压，从而改变电动机转速，达到控制电动自行车速度的目的。
而直流无刷电动机是利用电子开关和位置传感器代替碳刷和换向器，将直流电通过逆变电路分成三相，为定子绕组供电。
当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生力矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定顺序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。
由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换相作用。
直流无刷电动机效率高，使用寿命长，无须保养，免维护，噪声小，输出力矩大，是电动自行车的发展方向。
常用的是低速无刷电动机。
高速无刷有齿电动机是现在出现的一种新式电动机，具有更高的机械效率，高达85%以上，过载力矩大，是今年电动自行车发展一个亮点。
第二节无刷电动机基本原理直流无刷电动机控制器是用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部件组成。
功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给直流无刷电动机的定子上各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。
而各相绕组导通的顺序和时间，主要取决于来自位置传感器的信号及逻辑开关信号。
传统的永磁直流有刷电动机的定子由永久钢组成，其主要的作用是在电动机气隙中产生磁场，而其电枢绕组通电后产生反应磁场，由于碳刷的换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停地旋转。
直流无刷电动机为了实现无碳刷换向，把传统的直流永磁电动机的电枢绕组放在定子上，把永久磁钢放在转子上，这与传统永磁直流电动机的结构正好相反。
直流调速的工作原理
直流调速的工作原理
直流调速是一种通过改变电机电源电压来实现转速控制的方法。
该方法通过调节电机的电源电压来改变电机的转速，从而实现对电机的调速要求。
直流调速系统由一个直流电动机、一个功率控制器和一个速度反馈回路组成。
功率控制器负责根据输入的转速指令和实际转速信号来计算出电机所需的电压，然后将这个电压通过调节器输出给电机的电源。
在直流调速系统中，电动机通过电枢和励磁线圈两个磁场相互作用来产生转矩。
当电机接受到一定电压时，电动机的转矩和电磁势联动，从而产生转速。
当电机的电源电压增加时，电机的转速也会相应增加。
反之，当电机的电源电压减小时，电机的转速也会下降。
为了实现调速，系统需要通过速度反馈回路来监测电机的实际转速，并将其与设定的转速进行比较。
根据比较的结果，功率控制器会调节输出给电机的电压，使得电机的实际转速逐渐接近设定的转速。
在直流调速系统中，常见的功率控制器有电阻调速、电压调速和电流调速等方法。
通过调节电机的电源电压，可以实现对电机转速的精确控制，满足不同工况下的要求。
同时，直流调速系统还具有响应快、调速范围广和控制精度高等优点，广泛应用于各个领域的工业控制中。
第4章 直流电动机
概述：
直流电动机
电动机与我们的生活密不可分。电动机是 一种旋转式机器，它将电能转变为机械能。 电动机按使用电源不同分为直流电动机 和交流电动机，其中交流电动机中常用的是 三相异步电动机和单相异步电动机。
直流电机是指通入直流电流而产生机械运动的电 动机，或能输出直流电流的发电机。具有可逆性。
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这样外加于电枢上的电压U1 , ，一部分消耗在电 枢电阻Ra上，一部分则用来平衡电动机的反电动势 Ef 。即： U1 = Ef + RaIa 上式是在电动机运转时，必须满足的一个基本条 件，称为电压平衡方程式。由此式可知，电枢电流 I 。为：
பைடு நூலகம்
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分析上式可知：当电动机的负载增加时，电枢轴 上的阻力转矩增加，电枢转速降低，而使反电动势 E 随之减小，电枢电流 I 。增大，因此电磁转矩也将随 之增大，直至电磁转矩增加到与阻力矩相等时为止， 这时电动机将在新的负载下以较低的转速平稳运转。 反之，当电动机的负载减小时，电枢转速升高，反电 动势增大，电枢电流减小，电磁转矩则随之减小，直 至电动机的电磁转矩减小到与阻力矩相等时为止，电 动机将在较高的转速下平稳运转。
换向器的作用是把通入电刷的直流电流转变为电枢绕组中 导体所需的交变电流。
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电刷与电刷架 ：
电刷与电刷架的作用是将电流引入电动机。 4 个电 刷架均固定在前端盖上，其中两个电刷架与端盖绝缘 ，称为绝缘电刷架；另外两个电刷架与端盖直接铆合 而搭铁，称为搭铁电刷架．电刷由铜与石墨粉压制而 成，加人铜是为了减小电阻并增加耐磨性。电刷装在 电刷架中，借弹簧压力将它压紧在换向器上，电刷弹 簧的压力一般为 11 . 7N ~ 14 . 7N 。
电机拖动课程设计直流电动机调速系统设计
直流电动机调速系统设计直流电动机直流电机是生产和使用直流电能的机电能量转换机械;直流电动机是将直流电能转换为机械能的旋转机械;它与交流电动机如三相异步电动机相比,虽然因结构比较复杂、生产成本较高、故障较多等,目前已不如交流电动机应用普遍,但由于它具有优良的调速性能和较大的启动转矩,得到广泛应用;本节仅就直流电动机的结构与工作原理、直流电动机的分类及在印刷设备中的应用、直流电动机的启动与调速做一简单介绍;下图为直流电动机的结构原理图,图中的N和S是一对固定不动的磁极,用以产生所需要的磁场;容量较大一些的电机,磁场都是由直流励磁电流通过绕在磁极铁心上的励磁绕组产生;为了清晰,图中只画出了磁极的铁心,没有画出励磁绕组;在N极和S极之间有一个可以绕轴旋转的绕组;直流电机这部分称为电枢,而实际电机的电枢绕组嵌在铁心槽内,电枢绕组的电流称为电枢电流;线圈两端分别与两个彼此绝缘而且与线圈同轴旋转的铜片连接,铜片上有各压着一个固定不动的电刷;在直流电动机中,为了产生方向始终如一的电磁转矩,外部电路中的直流电流必须改变成电机内部的交流电流,这一过程称为电流的换向;换向的铜片称为换向片;互相绝缘的换向片组合的总体称为换向器;图1：直流电动机原理图一、直流电动机的结构与工作原理直流电动机的结构直流电动机主要由磁极、电枢、换向器三部分组成;1磁极;磁极是电动机中产生磁场的装置,如图2所示;它分成极心1和极掌2两部分;极心上放置励磁绕组3,极掌的作用是使电动机空气隙中磁感应强度的分布最为合适,并用来挡住励磁绕组；磁极是用钢片叠成的,固定在机座4即电机外壳上,机座也是磁路的一部分;机座常用铸钢制成;图2直流电动机的磁极及磁路1-极心 2-极掌 3-励磁绕组 4-机座2电枢;电枢是电动机中产生感应电动势的部分;直流电动机的电枢是旋转的,电枢铁心呈圆柱状,由硅钢片组成,表面冲有槽,槽中放有电枢绕组;3换向器整流子;换向器是直流电动机的一种特殊装置,其外形如图3所示,主要由许多换向片组成,每两个相邻的换向片中间是绝缘片;在换向器的表面用弹簧压着固定的电刷,使转动的电枢绕组得以同外电路联结;换向器是直流电动机的结构特征,易于识别;图3：换向器1—换向片 2—连接部分图4 直流电机装配结构图图5 直流电机纵向剖视图1—换向器 2—电刷装置 3—机座 4—主磁极 5—换向极6—端盖 7—风扇 8—电枢绕组 9—电枢铁心直流电动机的工作原理U + -ABNSII FFCabd图6 直流电动机原理图图6是直流电动机的示意图;若在A、B之间外加一个直流电压,A接电源正极,B接负极,则线圈中有电流流过;当线圈处于图5所示位置时,有效边ab在N 极下,cd在s极上,两边中的电流方向为a→b,c→d;由安培定律可知,ab边和cd 边所受的电磁力为：F=BIL式中,I为导线中的电流,单位为安A;根据左手定则知,两个F的方向相反,如图6所示,形成电磁转矩,驱使线圈逆时针方向旋转;当线圈转过180°时,cd边处于N极下,ab边处于S极上;由于换向器的作用,使两有效边中电流的方向与原来相反,变为d→c、b→a,这就使得两极面下的有效边中电流的方向保持不变,因而其受力方向、电磁转矩方向都不变;由此可见,正是由于直流电动机采用了换向器结构,使电枢线圈中受到的电磁转矩保持不变,在这个电磁转矩作用下使电枢按逆时针方向旋转;这时电动机可作为原动机带动生产机械旋转,即由电动机向机械负载输出机械功率;在直流电动机中,除了必须给电枢绕组外接直流电源外,还要给励磁绕组通以直流电流用以建立磁场;电枢绕组和励磁绕组可以用两个电源单独供电,也可以由一个公共电源供电;按励磁方式的不同,直流电动机可以分为他励、并励、串励和复励等形式;由于励磁方式不同,它们的特性也不用;他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个电源供电,如图7所示;他励电动机由于采用单独的励磁电源,设备较复杂;但这种电动机调速范围很宽,多用于主机拖动中;图7 他励电动机二、 他励直流电动机的调速与交流电动机相比,直流电动机具有较好的调速性能,它能在宽广的范围内平滑而经济的调速,因此多用于调速要求较高的场合;根据直流电动机调速公式n=ψ+-Ce Rpa Ra Ia U )(可见,当电枢电流不变时即负载不变,只要在电枢电压U 、电枢电路附加电阻和每极磁通ф三个参数中,任意改变一个,都能引起转速的变化;因此,他励直流电动机可以有三种调速方法;为了评价各种调速方法的优缺点,对对调速方法提出了一定的技术经济指标,通常称为调速指标;下面下面对调速指标做一简要说明;调速指标1调速范围调速范围是只指电动机在额定负载下调素时,其最高转速与最低转速之比,用D 表示,即 D=m in m axn n不同的生产机械对对调速范围的要求不同,如车床D=20~100,龙门刨床D=10~40,扎钢机D=~3等;电动机最高转速nmax 受电动机的换向及机械强度限制,最低转速相对稳定即静差率要求的限制;2静差率调速的相对稳定性静差率或转速变化率是指电动机在一条机械特性上额定负载时的转速降落△n 与该机械特性的理想空载转速n0之比,用表示,即σ=0n n∆=00n n n -式中,n 为额定负载转矩Tem=TL 时的转速图8从上式可以看出,在△n相同时,机械特性越“硬”,额定负载时转速降越小,静差率σ越小,转速的相对稳定性越好,负载波动时,转速变化也越小;图3-1中机械特性1比机械特性2“硬”;静差率除了与机械特性硬度有关外,还与理想空载转速n0成反比;对于同样“硬度”的特性,如图3-2中特性1和特性3,虽然转速将相同,但其静差率却不同;为了保证转速的相对稳定性,常要求静差率应不大于某一允许值允许值;图9调速范围D与静差率σ两项性能指标是相互制约的,当采用同一种方法调速时,静差率要求较低时,则可以得到较低的调速范围；反之,静差率要求较高时,则调速范围小;如果静差率要求一定时,采用不同的调速方法,其调速范围不同,如果改变电枢电压调速比电枢串电阻调速的调速范围大;调速范围与静差率是相互制约的,因此需要调速生产机械,必须同时给出静差率与调速范围这两项指标,以便选择适当的调速方法;3调速的平滑性调速的平滑性是指相邻两级转速的接近程度,用平滑系数ψ表示,即Ψ=1 i inn平滑系数Ψ越接近1,说明调速的平滑性越好;如果转速连续可调,其级数趋于无穷多,称为无级调速,Ψ=1,其平滑性最好；调速不连续,级数有限,称为有级调速;4调速的经济性经济性包含两方面的内容,一是指调速所需的设备和调速过程中的能量损耗,另一方面是指电动机调速时能否得到充分的利用;一台电动机当采用不同的调速方法时,电动机容许输出的功率和转矩随转速变化的规律是不同的,但电动机实际输出的功率和转矩是有负载需要所决定的,而不同的负载,其所需要的功率和转矩随转速的变化的规律也是不同的,因此在选择调速方法时,既要满足伏在要求,又要尽可能是电动机得到充分利用;经分析可知,电枢回路串电阻调速以及降低电枢电压调速适用于恒转矩负载的调速,而若此调速适用于恒功率负载的调速;电枢串电阻调速他励直流电动机拖动负载运行时,保持电源电压及励磁电流为额定值不变,在电枢回路中串入不同阻值的电阻,电动机将运行于不同的转速,如图3—3所示,图中的负载为恒转矩负载;从图10可以看到,当电枢回路串入电阻R时,电动机的机械特性的斜率将增大,电动机和负载的机械特性的交点将下移,即电动机稳定运行转速降低;nnT L T em a +R 1图10电枢串电阻调速机械特性如图10中传入的电阻2R >1R ,交点2A 的转速2n 低于交点1A 的转速1n ,它们都比原来没有外串电阻的交点A 的转速n 低;电枢回路串电阻调速方法的优点是设备简单,调节方便,缺点是调速范围小,电枢回路串入电阻后电动机的机械特性变“软”,使负载变动时电动机产生较大的转速变化,即转速稳定性差,而且调速效率较低改变电枢电源电压调速他励直流电动机的电枢回路不串接电阻,由一可调节的直流电源向电枢供电,最高电压不应超过额定电压;励磁绕组由另一电源供电,一般包保持励磁磁通为额定值;电枢电压不同时,电动机拖动负载将运行于不同的转速上从图11中可以看出,当电枢电源电压为额定值时,电动机和负载的机械特性的交点为A,转速为n ；电压降到1U 后,交点为1A ,转速为`1n ；电压为2U ,交点为2A ,转速为2n ；电压为3U ,交点为3A ,转速为3n ；电枢电源电压越低,转速也越低;同样,改变点数电源电压调速方法的范围也只能在额定转速与零转速之间调节;改变电枢电源电压调速时,电动机机械特性的“硬度”不变,因此,集市电动机在低速运行时,转速随附在变动而变化的幅度较小,即转速稳定性好;当电枢电源电压连续调节时,转速变化也是连续的,所以这种调速称为无级调速;n0nn nU1U23U NT L T em 图11改变电枢电源电压调速方法的有电视调速的平滑性好,即可实现无级调速,调速效率高,转速稳定性好,缺点是所需的可调电源设备投资较高;这种调速方法在直流电力拖动系统中被广泛使用;弱磁调速励直流电机电枢电流电压不变,电枢回路也不串接电阻,在电动机拖动负载转矩不很大小于额定转矩时,减少直流电动机的励磁磁通,可使电动机的转速提高;他励直流电动机带恒转矩负载时弱磁调速,如图12所示;从图12中可以看出,当励磁磁通为额定值ΦN时,电动机和负载的机械特性的交点为A,转速为n:励磁磁通减少为Φ2时,理想空载转速增大,同时机械特性斜率也变大,交点为A1,转速为n1;励磁电流减少为Φ1,交点为A2,转速为n2;弱磁调速的范围是在额定转速与电动机的所允许最高转速之间进行调节,至于电动机所允许最高转速值是受换向与机械强度所限制,一般约为1.2m左右,特殊设计的调速电动机,可达3 nN或更高;弱磁调速的优点是设备简单,调节方便,运行效率也较高,适用于恒功率负载,缺点是励磁过弱时,机械特性的斜率大,转速稳定性差,拖动恒转矩负载时,可能会使电枢电流过大;在实际的电力拖动系统中可以将几种调速方法结合起来,这样,可以得到较宽的调速范围,电动机可以在调速范围之内任何转速上运行,而且调速时的损耗较小,运行效率较高,能很好的满足各种生产机械对调速的要求;n o2n o1n oT L T em图12弱磁调速机械特性三、课程设计内容第四章课程设计内容一台他励直流电动机,参数如下：P N=6KWU aN=200VI aN=42An N=1500r/minR L=Ω1. 用其拖动通风机负载运行,若采用电枢串电阻调速时,要使转速降至200r/min,试设计电枢电路中的调速电阻;2. 用其拖动恒转矩负载运行,负载转矩等于电动机的额定转矩,采用改变电枢电压调速时,要使转速降至1000r/min,试设计电枢电压值;3. 用其拖动恒功率负载运行,采用改变励磁电流调速,要使转速增至1800r/min,试设计CeΦ的值;内容解析：1.采用电枢串电阻调速：电动机的电枢电阻Ra=U aN - P N I aN/ I aN =200-6000/42/42Ω=Ω在额定状态运行时E= U aN -R a I aN =×42V=CeΦ=E/ n N =1500=C TΦ=60CeΦ/2π=60/2××=T N=60 P N /2πn N =60/2××6000/=. m由于通风机负载的转矩与转速的平方成反比,故n=1200r/min时的转矩为T=n/ n N2T N=1200/1500 2×n0= U aN/ CeΦ=200/min=2100r/min∆n= n0-n=2100-1500r/min =600r/min由于∆n= Ra +RrT/ C T CeΦ2由此求得Rr=∆n CT CeΦ2/T- Ra =600××采用电枢电压调速：由上题求得：Ra=ΩCeΦ=C TΦ=T N =电枢电压减小后∆n=Ra T N / C T CeΦ2=××r/min=minn0=n+∆n=1000+r/min=min由此求得Ua= CeΦn0=×=3.采用改变励磁电流调速由上求得R a=ΩT N=由于恒功率负载的转矩与转速成正比关系,故忽略空载转矩时,调速后的电磁转矩为T= n N T N /n=1500×= 1800=200/ CeΦ×C T CeΦ2得CeΦ=或结论三种调速方法各有优缺点,改变电枢电阻调速的缺点较多,所以只适用于调速范围不大,调速时间不长的小容量电动机中；改变电枢电压调速是一种性能优越的调速方法,被广泛应用于对调速性能要求较高的电力拖动系统中；改变励磁电流调速通常与改变电枢电压同时应用于对调速要求很高的电力拖动系统中,来扩大调速范围和实现双向调速;对容量较大的直流电动机,通常采用降电压起动;即由单独的可调压直流电源对电机电枢供电,控制电源电压既可使电机平滑起动,又能实现调速;此种方法电源设备比较复杂;本设计采用增加电枢电阻启动非常简单,设备轻便,广泛应用于各种中小型直流电动机中;设计体会经过一周的奋战,课程设计完成了,在没有做课程设计之前觉得课程设计只是对这个学科所学知识的总结,但通过这次课程设计发现自己的看法片面;课程设计不仅是对所学知识的一种检验,而且也是对自己能力的提高;通过课程设计,让我更加明白学习是一个长期的积累过程,经后的工作、生活中应该不段的学习,努力提高知识和综合能力;设计过程中,我查阅了大量的有关资料,并与同学交流,学到了不少知识,也经历了不少艰辛,但收获还是很多的;在设计中培养了我独立工作的能力,树立了对自己工作能力的信心;让我充分体会到在创造过程中探索的艰辛和成功的喜悦;经过对这些资料的整理、理解和消化,使我对直流电机的调速尤其是对他励直流电动机的串电阻调速有了更深一层的理解;这次课程设计也许会又很多不足的地方,希望老师多多批评,我也会在以后的日子里不断学习提高自己动手的能力,使以后的设计会更好,也使自己得到更全面的提高参考文献1.唐介. 电机与拖动. 北京：高等教育出版社.2.唐介. 控制微电机. 北京：高等教育出版社.3.周绍英.电机与拖动.中国广播电视大学出版社1995年出版4.李海发. 电机学.科学出版社2001年出版5.刘起新. 电机与拖动基础. 中国电力出版社2005年出版。
《伺服控制技术》课程教学大纲
《伺服控制技术》课程教学大纲课程编码：S3072114英文名称：Servo Control Technology一、课程说明1. 课程类别专业课模块2. 适用专业及课程性质选修：电气工程及其自动化专业3. 课程目的（1）使学生了解伺服系统在数控系统中的地位和作用。
（2）为学生今后从事伺服系统的开发、调试、维护工作打下一定的基础。
4. 学分与学时学分为1.5，学时为305. 建议先修课程电路分析，模拟电子电路，数字电子技术，工程电磁场，电机学，自动控制原理。
6. 推荐教材或参考书目推荐教材：（1）《运动控制系统》. 李宁编著. 机械工业出版社.2004年参考书目：（1）《伺服系统》. 钱平主编.机械工业出版社.2005年7. 教学方法与手段以传统讲授手段为主，采用板书与多媒体课件结合的方式进行课堂教学。
8. 考核及成绩评定考核方式：考查成绩评定：（1）平时成绩占30 % ，形式有：出勤，课堂表现，平时测验（2）考试成绩占70 %，形式有：开卷考试，节课论文9. 课外自学要求（1）要求学生通过网络及图书馆查询相关信息。
（2）课外习题不应少于20题。
二、课程教学基本内容及要求（选学内容用※标注）第一章概述基本内容：（1）伺服系统的作用及组成（2）伺服系统的基本要求和特点基本要求：（1）了解伺服系统组成。
（2）了解伺服系统的基本要求。
教学重点及难点：（1）伺服系统的组成。
第二章电力电子器件基本内容：（1）电力电子器件的特征（2）电力电子器件的分类（3）电力电子器件的选择基本要求：（1）了解电力电子器件的特征、分类和选择。
教学重点及难点：（1）电力电子器件的选择。
第三章步进电动机控制基本内容：（1）步进电动机的工作原理（2）步进电动机的开闭环控制（3）步进电动机的点－位控制（4）步进电动机控制的程序设计基本要求：（1）理解步进电动机的工作原理。
（2）掌握步进电动机的开闭环控制。
（3）掌握步进电动机的点－位控制。
第4章 他励直流电动机的运行
• 他励直流电动机的启动 电枢回路串电阻启动，降低电源电压启动。
• 他励直流电动机的调速 电枢串电阻调速，降低电源电压调速，弱磁调速。
• 他励直流电动机的电动与制动 电动运行，能耗制动，反接制动，倒拉反转 运行，回馈制动运行。
• *他励直流电动机的过渡过程
4.1 他励直流电动机的启动
p0
回馈给电源。“过程”是指 没有稳定状态，是变速过程。
|P1|
|PM|
|P2|
1. 正向回馈制动运行
• 电车在下坡时，TL2<0，加 速，当n超过n0后，T<0，T 与n反向。最后稳定在B点运 行。
• T与n反向，且n>0，电动机 为正向反馈运行。功率关系 与正向反馈过程相同。
• 功率关系与发电机一致，由 称发电状态。
0
TL1 T
e -n0
B -UN，Ra
nC
C
4.3 他励直流电动机的电动与制动运行
• U连续变化时，转速也连续变化，无级调速。 比电枢串电阻调速要平滑的多，是直流电力拖 动系统广泛采用的调速方式。
3. 弱磁调速
n
UN
Ce
Ra
CeCt
2
T
n0
n
• 保持U和Ra ，减弱磁通Φ时，n0↑，Δn↑（斜率 变大），弱磁时转速升高。
n
UN
Ce
Ra
Ce
Ia
,
T CtIa 9.55 CeIa
PM=TΩ=UIa-Ia2Ra
如拖动恒功率负载： TLΩ=常数 PM = TΩ = TLΩ=常数 Ia=常数
n
Φ1<ΦN
n01 A1(n1)
n0
A(nN) Φ1
直流调速系统及其仿真.ppt
二、调压调速的关键装置--可控直流电源
常用的可控直流电源有以下三种：
1、旋转变流机组
2、静止可 控整流器
3、直流斩波 器和脉宽调制
变换器
1、旋转变流机组----用交流电动机拖动直流发电 机，以获得可调的直流电压（G-M系统）。
+ 励 磁 电 源
+
-
~
GE
~M n +(-) n
放
大 装
If
G
U
M
晶闸管整流器的内阻 要求D=20，s≤5%
Rrec=0.13Ω
问题
问若采用开环V-M系统能否满足要求？ 若采用α=0.015V·min/r转速负反馈闭环系统，问放大 器的放大系数为多大时才能满足要求？
解（1）设系统满足D=20，检验系统是否满足s≤5%？
nmin
nn D
1000 20
50(r / min)
n-
+
+
RP2
U tg
IG
-
-
V-M闭环系统原理框图
(a)给定环节——产生控制信号：由高精度直流 稳压电源和用于改变控制信号的电位器组成。
(b)比较与放大环节——信号的比较与放大；由P、I、 PI运放器组成
(c)触发器和整流装置环节（组合体）--功率放大 GT：单结晶体管、锯齿波、正弦波触发器; 整流装置：单相、三相、半控、全控.
U
* n
, 则n
改变
（2）对负载波动等扰动信号的调节——稳速过程：
n基本不受负载波动等扰动输入的影响
例如：
TL
n
Un
U n
(U
* n
Un )
Uct Ud 0 ( Id Te ) n
第4章 机电传动控制系统基础(组成和调速)
3
根据生产机械的负载性质来选择电动机的调速方法
• 电枢电流接近或等于额定电流
• (1)直流他励电动机改变电枢电压调速的负载能力
• T=CMΦ NIN
P = Tn/9.55 = Cn
• 这种调速方法适合于恒转矩负载，也称为恒转矩调速
• (2)直流他励电动机弱磁调速的负载能力 • T=CMΦ NIN =C/n • P=Tn/9.55= Cn/9.55n=常数
通常 nmax为nN，由电动机铭牌而确定，
其中最高转速受系统机械强度生产机械的限制
生产机械对静差度的要求，限制了传动系统的最低运行 速度，从而限制了转速的调节范围，最大的静差度决定了最 低的运行速度。
SL＝(n0 －nN) / n0 =ΔnN / n0
nmax sL D nN 1 sL
• 通常nmax为nN，由电动机铭牌而确定， • SL等于或小于生产机械要求的静差度， • D由生产机械要求决定。
1 静态技术指标
(1)静差度
它是生产机械对调速系统相对稳定性的要求， 即负载波动时，转速的变化程度。 所谓静差度是指电动机在额定负载时的转速降落
S＝(n0 －nN) / n0 =ΔnN / n0|T=TN
• (2)调速范围 它是指电动机在额定负载时 • 最高转速nmax与最低转速 nmin之比，即 • D＝nmax / nmin|T=TN
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
2、动态技术指标
从一种稳定速度变化到另 一种稳定速度运转（启动、制 动过程仅是特例而已），由于 有电磁惯性和机械惯性，过程 不能瞬时完成，而需要一段时 间，即要经过一段过渡过程， 或称动态过程。 (1) 最大超调量
PWM单闭环直流调速控制系统设计方案稿
摘要当今，自动化控制系统已经在各行业得到了广泛的应用和发展，而直流调速系统控制作为电气传动的主要方式之一，在现代化生产中起着主要作用。
随着微电子技术的发展，集成芯片在调速系统中的应用不仅使系统简化，体积减小，可靠性提高，而且各种经典和智能算法都分别在调速系统中得到了灵活的应用，以此来实现最优控制。
本设计从直流电动机的工作原理入手，并详细分析了系统的原理与其静态和动态性能。
然后按照自动控制原理，对转速闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，还在直流调速系统理论研究的基础上，对转速闭环直流调速系统中的转速调节器采用PI控制算法；提出了PI参数的整定方法，转速闭环直流调速系统是性能很好，应用广泛的直流调速系统, 采用转速闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。
转速闭环直流调速系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。
在设计中采用TL494控制的PWM 脉宽调节作为控制电路。
关键词：PWMVDMOS 转速闭环ABSTRACTNowadays, automation control system has been widely in industries, and the application and development of electric control system of dc speed as the main method of transmission, in modern plays a main role in production. Along with the development of microelectronics technology, integrated chips in the governing system not only makes the application system, volume decreases, and reliability, and various classic and intelligent algorithm in the governing system of the flexible application, so as to achieve the optimal control.This design from the working principle of dc motor are analyzed in detail, and the principle and system static and dynamic performance. Then according to the principle of the automatic control system of single loop, the design parameters of analysis and calculation, and also in dc speed control system based on the study of the theory of single closed loop speed regulator in the dc speed control system by PI control algorithm,, the speed closed loop dc speed control system is performance is very good, one of the most widely used dc speed control system, adopt single closed loop speed dc speed control system can get good static and dynamic characteristics of speed. Speed single closed loop control dc speed control system, the characteristics and the design method of ac, dc power is dragging the automatic control system is the important foundation. In the design of TL494 adopted PWM control pulse width adjustment as the control circuit. Keywords: PWM VOMOS CLOSED LOOP SPEED REGULATION目录前言1第1章PWM单闭环直流调速控制系统方案的确定21.1 PWM单闭环直流调速系统拖动方案的确定21.1.1 直流电机的选择与调速方法21.1.2 电力拖动供电方案的确定31.2 PWM单闭环直流调速系统控制方案的确定51.2.1 采用转速闭环直流调速的理由71.2.2 选择PWM控制系统的理由71.2.3 选择VDMOS的主电路的理由8第2章转速单闭环直流调速控制系统92.1 转速单闭环直流调速系统的系统组成92.1.1 转速控制的要求102.1.2 转速调速指标102.1.3 调速围、静差率和额定速降之间的关系112.2 转速单闭环直流调速系统的原理图122.2.1 转速单闭环直流调速系统的静特性分析122.2.2 转速单闭环直流调速系统的稳态结构图13第3章变流器主电路和保护环节设计153.1 PWM信号发生器153.1.1 TL494芯片的主要特点153.1.2 TL494引脚各端子功能173.1.3 TL494的工作原理173.2 检测环节183.2.1 转速检测与其测速发电机183.2.2过电流保护环节 (19)3.2.3电机驱动电路203.2.4调速方法 (2)13.3 调节器的选择与调整213.3.1 调节器电路213.3.2 调节器限幅22第4章调速系统动态参数的工程设计244.1 调节器工程设计方法的基本思路244.2 转速调节器的设计254.2.1转速调节器的选择254.2.2 转速调节器参数的选择25结论27参考文献28附录错误!未定义书签。
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系统的静特性及静态结构图
系统的反馈控制规律
应用比例调节器的闭环控制系统是有静差 的控制系统 闭环系统对于给定输入绝对服从
转速闭环系统的抗扰动性能 图4-14标出了各种扰动因素对系统的作用。
现以交流电源电压波动为例，定性说明闭环系统 对扰动作用的抑制过程： U2↓→Ud0↓→n↓→Ufn↓→⊿Un↑→n↑ 闭环系统对检测和给定本身的扰动无抑制能力， 若测速发电机磁场不稳定，引起反馈电压Ufn变 化，使转速偏离原值，这种由测速发电机本身误 差引起的转速变化，闭环系统无抑制能力。所以 对测速电动机选择及安装必须特别注意，确保反 馈检测元件的精度是对闭环系统的稳速精度至关 重要的，是决定性的作用。
单闭环调速系统的动态特性
在单闭环有静态差调速系统中，引入 转速负反馈且有了足够大开环放大系数K 后，就可以满足系统的稳态性能要求。由 自动控制理论可知，K值过大时，会引起 闭环系统的不稳定，须采取校正措施才能 使系统正常工作。另外，系统还必须满足 各种动态性能指标。为此，必须进一步分 析系统的动态特性。
直流电动机转速表达式如式（4-10）所示，由该式可知，直流伺服 电动机有两种调速方法：调节电枢电压Ud及改变电枢附加电阻R。 两种调速方法的机械特性如图4-7所示。 改变电枢电压U所得的机械特性是一组平行变化的曲线[图4-7a)]， 采用此种方法，一般在额定转速以下调速，最低转速取决于电动机 低速时的稳定性。具有调速范围宽，机械特性硬，动态性能好的特 点。在连续改变电枢电压时，能实现无级平滑调速，是目前主要调 速方法之一。 改变电枢电阻即在电枢回路串接不同附加电阻，以调节转速。观察 图4-7b）发现，外接电阻越大，电阻功耗越大，特性越软，稳定性 越差，是有级调速。此法在实际中已很少应用。
概述
脉宽调制的理论 不可逆PWM变换器
可逆PWM变换器 PWM伺服系统的开环机械特性
脉宽调制的理论
许多工业传动系统都是由公共直流电源或蓄电池供电的。 在多数情况下，都要求把固定的直流电源电压变换为不 同的电压等级，例如地铁列车、无轨电车或由蓄电池供 电的机动车辆等，它们都有调速的要求，因此，要把固 定电压的直流电源变换为直流电动机电枢用的可变电压 的直流电源。 由脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）变换器向 直流电动机供电的系统称为脉冲宽度调制调速控制系统， 简称PWM调速系统。 图4-34是脉宽调制型调速控制系统原理图及输出电压波 形。
电动机转速与转矩的关系
如果把E =Cen代入式(4-8) ，便可得出电枢电流I的表达式 Ia=(U- Cen )/Ra （4-9） 由上式可见，直流电动机和一般的直流电路不一样，它的电流不仅 取决于外加电压和自身电阻，并且还取决于与转速成正比的反电动 势(当φ为常数) 。将式(4-1) 代入(4-9) 式，可得 n=U/Ce-R Te/ Ce Cm (4-10) 其中Cm=Kmφ，式（4-10）称为电动机的机械特性，它描述了电 动机的转速与转矩之间的关系。 图4-5是机械特性曲线族。在这一曲线族中，不同的电枢电压对应于 不同的曲线，各曲线是彼此平行的。n0( U/Ce)称为“理想空载转 速” ，而⊿n(R Te/ Ce Cm) 称为转速降落。
转速、电流双闭环调速系统的组成 转速、电流双闭环调速系统的工作原理
转速、电流双闭环调速系统的组成
转速、电流双闭环调速系统的工作原理
电流调节环 速度调节环 双闭环系统起动过程分析 双闭环调速系统的动态抗扰动性能 双闭环调速系统中两个调节器的作用
直流脉宽调速控制系统
概述 PWM调速系统的控制电路
电动机转矩平衡方程式 Te=KmIa Te=Cm Ia Tr=Te-T0=TL Te-TL=Jdω/dt
(4-1) (4-2) (4-3) (4-4)
在实际工程计算中，经常用转速n代替角速度ω，用飞轮惯量(也称 飞轮转矩) DG2代替转动惯量J。ω与n的关系，DG2与J的关系为 ω=2πn /60 J =mρ2 = DG2/4g 式中 m－系统转动部分的质量(Kg)；G －系统转动部分的重力 (N)；ρ－为系统转动部分的转动惯性半径(m)；D －为系统转动部 分的转动惯性直径(m)；G－为重力加速度。 将上面两式代入式(4-4) 中，可得 Te-TL= DG2/375 (4-5) 式中 GD2－转动部分的飞轮矩(N· m)； 我们称（Te-TL）为动转矩，动转矩等于零时，系统处于恒转速运行 的稳态；动转矩大于零时，系统处于加速运行的过渡过程中；动转 矩小于零时，系统处于减速运行的过渡过程中。
脉宽调制器是一个电压—脉冲变换装置。由控制 电压Uct进行控制，为PWM变换器提供所需的脉 冲信号。 脉宽调制器的基本原理是将直流信号和一个调制 信号比较，调制信号可以是三角波，也可以是锯 齿波。锯齿波脉宽调制器电路如图4-42所示， 由锯齿波发生器和电压比较器组成。锯齿波发生 器采用最简单的单结晶体管多谐振荡器4-42a)， 为了控制锯齿波的线性度，使电容器Ｃ充电电流 恒定，由晶体管VT1和稳压管VST构成恒流源。
集成PWM控制器
系统框图
线路简介 现结合PWM控制电路(图4-44)及 PWM主电路原理图(图4-45)，对线路作 一简介。
IR2110高性能MOSFET和IGBT驱动集成 电路
• 主要设计特点和性能 • 封装、引脚、功能及用法 • 工作原理简介 ( IR2110的原理框图见图4-47 ) • 应用注意事项
转速闭环调速系统的动态数学模型
• 直流电动机传递函数 • 晶闸管触发器和整流器的传递函数 • 放大器及转速反馈环节，放大器为比例调节器
单闭环调速系统的动态结构图和传递函数 转速负反馈单闭环系统的稳定性分析
单闭环无静差调速系统
积分、比例积分控制规律
• 积分调节器及积分控制规律 • 比例积分调节器及控制规律
由上可知，为满足调速系统的性能指标，在开环系统的基础上，引 入转速负反馈构成单闭环有静差调速系统。 在电动机轴上安装一台测速发电机TG，引出与转速成正比的电压信 号Ufn，以此作为反馈信号与给定电压信号Un比较，所得差值电压 ⊿Un，经放大器产生控制电压Uct，用以控制电动机转速，从而构 成了转速负反馈调速系统，其控制原理图如图4-12所示。 反馈控制的闭环调速系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要 被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。速度降落正是 由负载引起的转速偏差，因而，闭环调速系统能够大大减少转速降 落。其调节过程如下： TL↑→n↓→Ufn↓→⊿Un(=Un-Ufn)↑→Uct↑→Ud↑→n↑
双极性可逆PWM变换器 单极式可逆PWM变换器
PWM伺服系统的开环机械特性
PWM调速系统的控制电路
PWM开环传动系统的简单原理图如 图4-41所示，其控制电路主要由脉宽调制 器、功率开关器的驱动电路和保护电路组 成，其中最关键的部件是脉宽调制器。
脉宽调制器 集成PWM控制器
脉宽调制器
直流电动机的单闭环调速系统
调速的定义 直流电动机的调速方法
调速指标 单闭环直流调速系统
调速的定义
所谓调速，是指在某一负载下，通过改变电 动机或电源参数，来改变机械特性曲线，从而使 电动机转速发生变化或保持不变。即调速包含两 方面，其一、在一定范围内“变速”，如图4-6 所示，当电动机负载不变时，转速可由na变到 nb或nc。其二保持“稳速”，在某一速度下运 行的生产机械受到外界干扰（如负载增加），为 了保证电动机工作速度不受干扰的影响而下降， 需要进行调速，使速度接近或等于原来的转速， 如图4-6中nd即为负载由T1增加至T2后的速度， 与na基本一致。
图4-35所示的简单不可逆变换器中， 电流ia不能反向，因此不能产生制动作用， 只能作单象限运行。需要制动时必须具有 反向电流—ia的通路，因此应该设置控制 反向通路的第二个IGBT，如图 4-36a)所 示。这种电路组成的PWM伺服系统可在一、 二两个象限运行。
可逆PWM变换器
可逆PWM变换器电路的结构形式有H 型和T型等类，这里主要讨论常用的H型变 换器，它是由四个功率管和四个续流二极 管组成的桥式电路。如图4-38a)所示，图 中功率管选用IGBT。H型电路在控制方式 上分双极式、单极式两种工作制。下面着 重分析双极式工作制，然后再简述单极式 工作制的特点。
永磁直流伺服电动机及工作原理 在伺服系统中使用的直流伺服电动机，按转 速的高低可分为两类：高速直流伺服电动机和低 速大扭矩宽调速电动机。目前在数控机床进给驱 动中采用的直流电动机主要是70年代研制成功的 大惯量宽调速直流伺服电动机。这种电动机分为 电励磁和永久磁铁励磁两种，但占主导地位的是 永久磁铁励磁式(永磁式)电动机。图4-2是其基 本原理的示意图。
电流截止负反馈环节 带电流截止负反馈环节的单闭环无静差调 速系统
双闭环直流电动机调速系统
带电流截止负反馈环节、采用PI调节器的单 闭环调速系统，既保证了电动机的安全运行，又 具有较好的动、静态性能。然而仅靠电流截止环 节来限制起动和升速时的冲击电流，性能并不令 人满意，为充分利用电动机的过载能力来加快起 动过程，专门设置一个电流调节器，从而构成电 流、转速双闭环调速系统，实现在最大电枢电流 约束下的转速过渡过程最快的“最优”控制。本 节介绍双闭环调速系统。
伺 服 系 统
第 4 篇
直流电动机调速控制系统
内容提要
直流电动机概述 直流电动机的单闭环调速系统 双闭环直流电动机调速系统 直流脉宽调速控制系统 转速、电流双闭环调速系统的 工程设计法 伺服控制系统的计算机辅助设 计