直流调速系统
直流电动机调速系统
直流电动机调速系统的能耗分析
能效比
直流电动机的能效比通常较高，可以在较高的效率下运行，减少 能源浪费。
功率因数
直流电动机的功率因数较高，可以减少无功损耗，提高电网效率。
热效率
直流电动机的热效率也较高，可以在长时间运行下保持稳定的性 能。
直流电动机调速系统的稳定性分析
抗干扰能力
直流电动机的调速系统通常具有较强的抗干扰能力，可以在复杂 的工作环境下稳定运行。
直流电动机调速系统的调速性能
调速范围
直流电动机的调速范围通常较大，可以在较 宽的转速范围内实现平滑调节，满足不同工 况下的需求。
调速精度
直流电动机的调速精度较高，可以通过精确的控制 算法实现转速的精确控制，提高生产过程的稳定性 和产品质量。
动态响应
直流电动机的动态响应较快，可以在短时间 内达到稳定转速，满足动态负载变化的需求 。
输标02入题
调压调速是通过改变电枢电压来控制电动机的转速， 具有调节方便、平滑性好等优点，但调速过程中能量 损失较大。
01
03
串级调速是通过改变转子回路的电阻来控制电动机的 转速，具有调节方便、能量损失较小等优点，但调节
范围较小且对电机结构有特殊要求。
04
调磁调速是通过改变励磁电流来控制电动机的转速， 具有调节方便、能量损失较小等优点，但调节范围较 小。
系统调试
在系统集成完成后，进行全面的 调试，确保各部分工作正常，满 足设计要求。
性能测试
对系统的性能进行测试，包括调 速范围、动态响应、稳态精度等 指标，确保系统性能达标。
优化改进
根据测试结果和实际应用情况， 对系统进行必要的优化和改进， 提高系统的稳定性和可靠性。
04
直流调速系统基本概念
2. 比例控制的特点 作用及时、快速、控制作用强，而且Kp值越大，
系统的静特性越好、静差越小。
二、 积分控制与积分调节器
是指系统的输出量与输入量对时间的 积分成正比例的控制，简称I控制。
积分控制
1. 积分( I )调节器
式中 KI——I 调节器的积分常数； ——I调节器的积分时间， =1/KI。
2. 积分控制的特点 可以消除输出量的稳态误差，能实现无静差控制， 这是积分控制的最大优点。
理想空载转速 在给定电压一定时，有: n0 f 转速降
n0 Ce ( 1 K ) 1 K
K GU g
n0 f n0 如果将系统闭环与开环的理想空载转速调得一样，即， 为了获得同开环相同的 理想空载转速 R n n f Ia 闭环给定电压 U g f U g 1 K Ce ( 1 K ) 1 K
范围： M p 10% ~ 35%
超调量
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（0.05 ～0.02）n2 稳定值区间时为止（并且以后不再越出 这个范围）的一段时间，叫作过渡过程 时间。
3. 振荡次数 N
过渡过程时间 在过渡过程时间内,被调量n在其稳定值 上下摆动的次数，
1稳态uguf不变3稳速ug不变负载变化使uf变化???????????????nuuuuuundkfgf????当负载增加使???????????????nuuuuuundkfgf????当负载减小使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
直流调速系统基本概念
直流调速系统主要性能指标 机电传动控制系统选择调速方案的依据： 生产机械对调速系统提出的调速技术指标 静态指标 调速系统的调速技术指标 动态指标 一、静态技术指标
交直流调速系统
交直流调速系统•引言•交直流调速系统基本原理•交直流调速系统组成与结构目录•交直流调速系统控制策略•交直流调速系统性能分析•交直流调速系统设计与实践•交直流调速系统应用与展望引言01CATALOGUE调速系统概述调速系统的定义调速系统是一种能够改变电动机转速的控制系统，通过调整电动机的输入电压、频率等参数，实现对电动机转速的精确控制。
调速系统的分类根据电动机类型不同，调速系统可分为直流调速系统和交流调速系统两大类。
其中，直流调速系统具有调速范围广、静差率小等优点，而交流调速系统则具有结构简单、维护方便等特点。
交直流调速系统的发展与应用发展历程交直流调速系统经历了从模拟控制到数字控制的发展历程。
早期的调速系统主要采用模拟控制技术，随着计算机技术的发展，数字控制技术逐渐取代了模拟控制技术，使得调速系统的性能得到了显著提升。
应用领域交直流调速系统广泛应用于工业生产的各个领域，如机械制造、冶金、化工、纺织等。
在现代化生产线中，交直流调速系统是实现自动化生产的关键技术之一，对于提高生产效率、降低能耗具有重要意义。
交直流调速系统基本原理02CATALOGUE直流电机通过电枢电流和磁通量的相互作用产生转矩，实现电机的旋转运动。
直流电机原理调速方式控制策略直流调速系统通过改变电枢电压、电枢电阻或磁通量来调节电机的转速。
直流调速系统常采用PID 控制、模糊控制等策略，实现电机转速的精确控制。
030201交流电机通过定子电流产生的旋转磁场与转子电流的相互作用，实现电机的旋转运动。
交流电机原理交流调速系统通过改变定子电压、频率或改变电机结构等方式来调节电机的转速。
调速方式交流调速系统常采用矢量控制、直接转矩控制等策略，实现电机转速的精确控制。
控制策略交直流混合调速系统原理混合调速原理交直流混合调速系统结合了直流和交流调速系统的优点，通过交直流变换器实现能量的双向流动和转速的精确控制。
能量转换交直流混合调速系统通过交直流变换器将直流电能转换为交流电能，或将交流电能转换为直流电能，以满足不同负载的需求。
直流调速系统
GT
Ud
Id
-
- Un +
+ RP2
-
n
+ IG
-
U tg
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)触发器和整流装臵环节（组合体）--功率放大
nnom 1000r/min、 Ra=0.05Ω
晶闸管整流器的内阻
Ks=30 问 题
Rrec=0.13Ω
要求D=20，s≤5%
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%？
特点：
损耗较大、有级 调速，机械特性 较软。 (2)弱磁调速 特点： 只能弱磁，调 速范围小
工程上，常将调压与调磁相结合，可以扩大调速范围 。
n
Φn Φ2 Φ1 Φ1 Φ2 Φn nn Un U d3 U d2 U d1 Ten
图1-2 调压和调 磁时的机械特性
U d1 U d2 U d3 U n
①系统结构图
U n
Un U d0
电动机
U n
放大器
U ct 整流器及
触发装置
n
速度检测
②系统中各环节的稳态输入输出关系如下： 电压比较环节 放大器
* U n U n Un
U ct K P U n
晶闸管整流器及触发装臵 U d 0 K sU ct
直流电机调速系统的设计
直流电机调速系统的设计直流电机调速系统是控制直流电机转速的一个重要工程应用领域。
在很多工业领域中，直流电机的转速控制是非常重要的，因为直流电机的转速对于机械设备的运行效率和稳定性有着重要影响。
本文将详细介绍直流电机调速系统的设计原理和步骤。
一、直流电机调速系统的基本原理直流电机调速系统的基本原理是通过改变电机的电压和电流来控制电机的转速。
一般来说，直流电机的转速与电机的电压和负载有关，转速随电压增加而增加，转速随负载增加而减小。
因此，当我们需要调节直流电机的转速时，可以通过改变电机的电压和负载来实现。
二、直流电机调速系统的设计步骤1.确定设计要求：在设计直流电机调速系统之前，首先需要确定系统的设计要求，包括所需的转速范围、响应速度、控制精度和负载要求等。
这些设计要求将指导系统的设计和选择适当的控制器。
2.选择控制器：根据设计要求，选择适当的控制器。
常见的直流电机调速控制器有PID控制器、模糊控制器和自适应控制器等。
根据实际情况，选择最合适的控制器来实现转速调节。
3.选择传感器：为了实时监测电机的转速和位置，需要选择合适的传感器来进行测量。
常见的传感器有光电编码器、霍尔效应传感器和转速传感器等。
根据实际需求，选择合适的传感器进行安装和测量。
4.搭建电路：根据控制器的要求，搭建合适的电路来实现控制和测量功能。
通常需要安装电压和电流传感器来实时监测电机的电压和电流，并将测量结果反馈给控制器。
5.调试和测试：在电路搭建完成后，需要进行调试和测试来验证系统的性能。
首先调整控制器的参数，使得系统能够按照设计要求进行转速调节。
然后进行负载试验，测试系统在不同负载下的转速调节性能。
对系统进行调试和测试，可以发现问题并及时解决，确保系统能够正常工作。
6.性能优化：根据测试结果，对系统进行性能优化。
根据实际需求，调整控制器的参数和传感器的位置，改善系统的转速调节性能和响应速度。
优化后的系统将更好地满足设计要求。
三、直流电机调速系统的工程应用总结：本文详细介绍了直流电机调速系统的设计原理和步骤。
交直流调速系统之直流调速简介介绍课件
机的转速和电流， 机的转速和电流，
实现转速和电流 实现转速和电流
的闭环控制
的闭环控制
直流调速系统的工作过程
01
输入信号：接收来 自控制器的指令信
号
02
信号处理：将指令 信号转换为控制信
号
03
驱动控制：控制直 流电机的转速和转
矩
04
反馈控制：根据直 流电机的运行状态， 调整控制信号，实
现闭环控制
05
直流调速系统的挑战与机遇
挑战：提高调速系统的效 率和稳定性，降低能耗和 成本
挑战：提高直流调速系统 的智能化水平，实现对复 杂工况的适应性
机遇：随着新能源技术的 发展，直流调速系统在电 动汽车、轨道交通等领域 的应用前景广阔
机遇：随着物联网技术的 发展，直流调速系统可以 实现远程监控和诊断，提 高系统的可靠性和维护性
直流伺服调 速系统：通 过控制直流 伺服电机的 位置和速度 来控制速度
04
直流变频调 速系统：通 过改变直流 变频器的输 出频率来控 制速度
直流调速系统的基本组成
整流器：将交 流电转换为直
流电
滤波器：滤除 直流电中的交
流成分
逆变器：将直 流电转换为交
流电
控制器：控制 逆变器的输出 频率和电压， 实现调速控制
电机的转矩
03
电压控制：通过控制电压的大小来控制
电机的转速
04
速度-电流双闭环控制：通过速度环和电
流环的协调控制来实现对电机的精确控制
直流调速系统的性能指标
0 1
调速范围：指直流调速系统能够实现的最
高转速和最低转速之间的差值
0 2
调速精度：指直流调速系统能够实现的转
直流调速系统实习报告
一、实习目的通过本次实习，使学生了解直流调速系统的基本原理、组成和运行方式，掌握直流调速系统的设计、调试和运行方法，提高学生动手实践能力和实际工程应用能力。
二、实习内容1. 直流调速系统基本原理直流调速系统是一种广泛应用于工业领域的电力拖动控制系统，其基本原理是利用晶闸管整流电路将交流电源转换为直流电源，通过调节直流电源的电压来控制直流电动机的转速。
2. 直流调速系统组成直流调速系统主要由以下几部分组成：（1）晶闸管整流电路：将交流电源转换为直流电源。
（2）平波电抗器：抑制整流电路输出的直流电压中的纹波。
（3）调节器：根据转速反馈信号和给定转速信号，调节晶闸管整流电路的控制角，从而实现直流电动机转速的调节。
（4）直流电动机：将电能转换为机械能，实现负载的拖动。
（5）转速反馈装置：将直流电动机的实际转速转换为电信号，反馈给调节器。
3. 直流调速系统设计（1）选择合适的晶闸管整流电路：根据负载要求，选择合适的整流电路，如三相桥式整流电路。
（2）设计调节器：根据转速反馈信号和给定转速信号，设计合适的调节器，如PI调节器。
（3）设计转速反馈装置：根据直流电动机的实际转速，设计合适的转速反馈装置，如测速发电机。
（4）设计平波电抗器：根据整流电路的输出电流和负载要求，设计合适的平波电抗器。
4. 直流调速系统调试（1）安装调试：将各个部件按照设计要求进行安装，并连接好电路。
（2）参数整定：根据实际负载要求，对调节器参数进行整定，使系统满足性能要求。
（3）系统调试：在负载条件下，对系统进行调试，确保系统运行稳定。
5. 直流调速系统运行（1）启动：按启动按钮，使直流电动机开始运行。
（2）调速：根据负载要求，调整给定转速信号，实现直流电动机转速的调节。
（3）停止：按停止按钮，使直流电动机停止运行。
三、实习总结1. 通过本次实习，使学生掌握了直流调速系统的基本原理、组成和运行方式。
2. 学生学会了直流调速系统的设计、调试和运行方法，提高了动手实践能力和实际工程应用能力。
双闭环直流调速系统工作原理
双闭环直流调速系统工作原理1.系统结构：双闭环直流调速系统主要由两个闭环控制组成，即速度内环和电流外环。
速度内环控制器接收速度设定值和速度反馈信号，通过计算得到电流设定值，并发送给电流外环控制器。
电流外环控制器接收电流设定值和电流反馈信号，通过计算得到电压设定值，并输出给电源控制器。
电源控制器接收电压设定值和电源反馈信号，通过调节电源输出电压，以确保电机输出的电压和电流符合控制要求。
2.速度内环控制：速度内环控制器是实现速度调节的关键部分。
它通过比较速度设定值和速度反馈信号，得到速度差，然后根据速度差来调节电流设定值。
控制器根据速度差的大小来调整电流设定值的大小，如果速度差较大，则增大电流设定值；如果速度差较小，则减小电流设定值。
通过不断调整电流设定值，使得速度差逐渐减小，最终达到设定的速度。
3.电流外环控制：电流外环控制器是为了保证电流的稳定性而设置的闭环控制。
它接收电流设定值和电流反馈信号，通过比较二者的差异，计算得到电压设定值。
控制器根据电流设定值和电流反馈信号的差异来调整电压设定值的大小，如果电流差较大，则增大电压设定值；如果电流差较小，则减小电压设定值。
通过不断调整电压设定值，使得电流差逐渐减小，最终达到设定的电流。
4.电源控制：电源控制器是为了保证电机输出的电压和电流符合控制要求而设置的。
它接收电压设定值和电源反馈信号，通过调节电源输出电压来实现电机的调速。
当电压设定值与电源反馈信号存在差异时，控制器会相应地改变电源输出电压，使得电机的电压和电源设定值尽可能接近。
通过不断调整电压输出，最终使得电机的电压和电流稳定在设定值。
5.系统优点：双闭环直流调速系统能够实现对电机的精确调节，具有较高的速度和电流控制精度。
通过速度内环和电流外环的联合控制，可以准确地调节电机的转速，并且能够自动调整输出电流，适应不同负载。
此外，该系统还具有较好的稳定性和抗干扰能力，在外界干扰较大时仍能保持较高的控制精度。
直流电机调速系统设计与实现
直流电机调速系统设计与实现直流电机调速系统是一种常见的电机控制系统，通过调节电机的转速和输出功率，可以实现对机械设备的精准控制。
在工业生产和机械设备中得到广泛应用。
本文将介绍直流电机调速系统的设计和实现过程。
一、系统设计1. 电机选择：首先需要选择适合的直流电机作为调速系统的执行器。
根据需要的输出功率和转速范围，选择合适的电机型号和规格。
2. 电机驱动器选择：电机驱动器是控制电机转速的核心设备。
根据电机的额定电流和电压，选择合适的电机驱动器。
常见的电机驱动器包括PWM调速器、直流电机驱动模块等。
3. 控制器选择：控制器是调速系统的大脑，负责接收输入信号，并输出控制信号来调节电机转速。
常见的控制器包括单片机、PLC等。
4. 传感器选择：为了实现闭环控制，通常需要使用传感器来检测电机的转速和位置。
根据具体的需求选择合适的传感器，如编码器、霍尔传感器等。
5. 调速算法设计：根据应用需求，设计合适的调速算法。
常见的调速算法包括PID控制、模糊控制等。
二、系统实现1. 硬件连接：根据设计需求，将电机、电机驱动器、控制器和传感器等硬件设备连接起来。
确保电气连接正确无误。
2. 软件编程：根据设计的调速算法，编写控制程序。
在控制器上实现信号的采集、处理和输出，实现电机的闭环控制。
3. 参数调试：在系统搭建完成后，进行参数调试。
根据实际效果，调节PID参数等，使电机能够稳定运行并达到设计要求的转速和功率输出。
4. 性能测试：进行系统的性能测试，包括转速稳定性、响应速度等。
根据测试结果对系统进行优化和改进。
5. 系统应用：将设计好的直流电机调速系统应用到具体的机械设备中，实现精准的控制和调节。
根据实际应用情况，对系统进行进一步调优和改进。
通过以上设计和实现过程，可以建立一个稳定可靠的直流电机调速系统，实现对电机转速和功率的精确控制。
在工业生产和机械领域中得到广泛应用，提高了生产效率和设备的精度。
希望本文对直流电机调速系统的设计和实现有所帮助，让读者对这一领域有更深入的了解。
直流调速系统概述
直流调速系统的未来展望
应用领域：广泛应用于工业、交通、能源等领域 技术发展趋势：智能化、集成化、高效化 市场需求：随着环保和节能要求的提高市场需求将持续增长 技术挑战：需要解决直流调速系统的稳定性、可靠性和效率等问题
06
直流调速系统的优缺点 比较
与交流调速系统的比较
交流调速系统：控制复杂调 速范围窄但成本低维护简单
直流调速系统的原理
直流调速系统的基 本概念：通过改变 直流电动机的转速 来控制机械设备的 运行速度
直流调速系统的组 成：包括直流电源、 直流电动机、调速 器等
直流调速系统的工 作原理：通过改变 直流电动机的电枢 电压或励磁电流来 改变电动机的转速
直流调速系统的应 用：广泛应用于各 种需要精确控制速 度的机械设备中如 电梯、机床、起重 机等
直流调速系统概述
,
汇报人：
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01
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04
直流调速系统 的性能指标
02
直流调速系统 的基本概念
05
直流调速系统 的应用场景和 发展趋势
03
直流调速系统 的控制方式
06
直流调速系统 的优缺点比较
01 添加章节标题
02
直流调速系统的基本概 念
直流调速系统的定义
直流调速系统是一种通过改变直流 电动机的转速来控制机械设备运行 的系统。
直流调速系统：控制简单调 速范围广但成本高维护复杂
直流调速系统：适用于大功 率、低速、高精度的场合
交流调速系统：适用于小功 率、高速、低精度的场合
与PWM控制方式的比较
直流调速系统：通过改变直流电机的电枢电压来调节转速具有结构简单、控制方便、调速范 围广等优点。
自动控制技术第三章 直流调速系统
第三章 直流调速系统
与旋转变流机组及离子拖动变流装置相比， 晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有 很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的 优越性。由图可见，晶闸管可控整流器的功率 放大倍数在104以上，其门极电流可以直接用晶 体三极管来控制，不再像直流电动机那样需要 较大功率放大装置。在控制作用的快速性方面， 变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级， 这将会大大提高系统的动态性能。
直流斩波器的控制方式 b）脉冲频率调制
第三章 直流调速系统
用全控式器件实行开关控制时，多用脉冲宽度调制的控制方式，形成近年来 应用日益广泛的PWM装置—电动机系统，简称PWM调速系统或脉宽调速系统。
直流斩波器的控制方式 c）两点式控制
第三章 直流调速系统
与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点： （1）由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就足以 获得脉动很小的直流电流，电枢电流容量连续，系统的低速运行平稳，调速范围 较宽，可达1∶10 000左右。又由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流即 相同的输出转矩下，电动机的损耗和发热都较小。 （2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电动机相配合，系统可以获得很 宽的频带，因此快速响应性能好。动态抗干扰能力强。 （3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。 因受到器件容量的限制，直流PWM调速系统目前只用于中、小功率的系统。
在静止可控整流方面，离子拖动系统是最早应用的静止变流装置供电的直流 调速系统。它虽然克服了旋转变流机组的许多缺点，而且还缩短了响应时间，但 汞弧整流器造价较高，维护麻烦，特别是水银如果泄漏，将会污染环境，危害人 体健康。
直流调速控制系统的分析及仿真
当电流负反馈环节起主导作用时的自动调节过程如图7-1-8所示。
7.1.4系统的性能分析
代入图7-1-5中，由图可见，它是一个二阶系统，已知 二阶系统总是稳定的。但若考虑到晶闸管有延迟，晶 闸管整流装置的传递函数便为
相反。
5.电流截止负反馈环节
当 时，（亦即 ），则二极管VD截止，电流截止负反馈不起作用。当 时，（亦即 ），则二极管VD导通， [此处略去二极管的死区电压]，电流截止负反馈环节起作用，它将使整流输出电压 下降，使整流电流下降到允许最大电流。 的数值称为截止电流，以 表示。调节电位器RP3即可整定 ，亦即整定 的数值。一般取 〔 为额定电流〕。 由于电流截止负反馈环节在正常工作状况下不起作用，所以系统框图上可以省去。
在图7-1-1中，主电路中串联了一个阻值很小的取样电阻
(零点几欧)。电阻
上的电压
与
成正比。比 较阈值电压
是由一个辅助电源经电位器RP3提供的。电 流反馈信号(
图7-1-7调速系统的“挖土机”机械特性
当电流负反馈环节起主导作用时的自动调节过程如图7-1-8所示。 机械特性很陡下垂还意味着，堵转时(或起动时)电流不是很大。 这是因为在堵转时，虽然转速n=0，反电动势E＝0，但由于电流 截止负反馈的作用，使
大大下降，从而
不致过大。此时 电流称为堵转电流
⑥ 晶闸管整流电路的调节特性为输出的 平均电压
与触发电路的控制电压
之间的关系，即
图7-1-4为晶闸管整流装置的调节特性。
由图可见，它既有死区，又会饱和。 （当全导通以后，
再增加， 也不会再 上升了），且低压段还有弯曲段。面对 这非线性特性，常用的办法是讲它“看 作”一条直线，即处理成
为
直流调速的工作原理
直流调速的工作原理
直流调速系统是通过控制直流电机的电压和电流来实现调速的。
其工作原理如下：
1. 直流电源供电：首先，将直流电源连接到直流电机的电源端，以提供电机所需的电压和电流。
2. 转换器及控制器：在直流电源和直流电机之间，需要使用一个电流转换器（如可控硅、可逆整流器等）和一个控制器来实现对电机的调速控制。
3. 电机驱动：通过控制器对电流转换器的控制信号，调节转换器的开关状态，从而控制直流电机的驱动电压和电流。
通过调节驱动电压和电流的大小和方向，可以实现对电机转速的控制。
4. 反馈系统：为了保持电机转速的稳定性和精确性，通常需要使用一个反馈系统来监测电机的转速，并将实际转速与期望转速进行比较，从而实现闭环控制。
反馈系统通常使用编码器或速度传感器来测量电机转速，并将测量值发送给控制器进行处理。
5. 控制算法：控制器根据反馈系统的测量值和期望转速之间的差异，通过控制电流转换器的开关状态，调整驱动电压和电流的大小和方向，从而实现对电机转速的调节。
常用的控制算法有比例积分控制（PI控制）、模糊控制和遗传算法等。
综上所述，直流调速系统通过对直流电机的电压和电流进行控
制，结合反馈系统和控制算法，实现对电机转速的调节。
这种调速系统广泛应用于许多领域，如工业生产、交通运输、机械设备等。
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。
可逆直流调速系统工作原理
可逆直流调速系统工作原理
可逆直流调速系统由电源、整流装置、逆变装置、调速装置和逆变器组成。
其工作原理如下：
1. 电源：提供供电电源，常用的是交流电源。
2. 整流装置：将交流电源转换为直流电源。
常用的整流装置是可控整流桥，通过控制整流桥的导通时间，可以将交流电转换为不同幅值的直流电。
3. 逆变装置：将直流电源转换为可调的交流电源。
通常采用可控开关类电路，如MOSFET、IGBT等。
逆变装置的输入端与
整流装置的输出端相连。
4. 调速装置：根据系统的负载要求，通过调整逆变器的输出频率和电压来实现调速。
调速装置通常包括控制电路和调节装置。
控制电路接收反馈信号，根据其与给定值的偏差来控制逆变器的输出。
调节装置根据调速要求，改变反馈信号的大小，以调整输出频率和电压。
5. 逆变器：将可调的直流电源转换为可逆的交流电源，并将其供给负载。
逆变器接收调速装置的控制信号，按照要求输出相应频率和电压的交流电。
通过以上五个部分的协调工作，可逆直流调速系统可以根据负载的要求，实现电机的调速控制。
直流调速系统概述
指系统在受到外部干扰时，能够保持稳定运行的 能力。抗干扰能力越强，系统鲁棒性越好。
04 典型直流调速系统分析
单闭环直流调速系统
转速负反馈单闭环调速系统
通过引入转速负反馈，实现转速的无静差调节，提高系统的动态性能和稳态精度 。
电压负反馈单闭环调速系统
通过引入电压负反馈，稳定直流电动机的端电压，从而改善系统的静态特性和动 态性能。
现状
目前，直流调速系统已经广泛应用于各个领域，如工业、交 通、能源等。随着电力电子技术和控制理论的不断发展，直 流调速系统的性能不断提高，应用领域也不断扩展。
应用领域与前景
应用领域
直流调速系统广泛应用于需要精确控制转速的场合，如机床、风机、水泵、压缩机、卷扬机等机械设备，以及电 动汽车、电动自行车等交通工具。
前景
随着工业自动化和智能制造的推进，以及新能源汽车等产业的快速发展，直流调速系统的需求将不断增长。同时， 随着电力电子技术和控制理论的不断进步，直流调速系统的性能将不断提高，应用领域也将不断扩展。未来，直 流调速系统将在更多领域发挥重要作用，推动相关产业的持续发展。
02 直流调速系统组成及工作 原理
流。
多环控制直流调速系统
三环控制直流调速系统
在双闭环的基础上，引入第三个控制环，如位置环、速度环或加速度环等，进一步提高系统的控制精 度和动态性能。
多环串级控制直流调速系统
将多个控制环按照串制。该系统适用于对控制精度和动态性能要求较高的场合。
双闭环直流调速系统
转速、电流双闭环调速系统（ASR+ACR）
在转速负反馈的基础上，引入电流负反馈，构成转速、电流双闭环调速系统。其中， ASR为转速调节器，ACR为电流调节器。该系统具有较快的动态响应和良好的稳态精度。
直流调速系统的工程设计
03
常见的动态特性分析方法包括根轨迹法和频率响应法等。
调速系统的能效分析
能效分析是评价直流调速系统能 源利用效率的重要指标，对于节 能减排和降低运行成本具有重要
意义。
能效分析主要通过分析系统的能 耗和效率来进行，能耗越低，效
率越高，系统的能效越好。
常见的能效分析方法包括功率损 耗分析和效率计算等。
直流电机的选型依据
直流电机的选型应根据实际应用需求进行，需要考虑电机的额定电压、额 定电流、额定转速、额定转矩等参数。
选型时需要考虑电机的负载特性，如转矩、转速等，以及负载的变化范围 和变化规律。
还需要考虑电机的控制精度要求、调速性能要求、环境条件等因素，以确 保电机能够满足实际应用的需求。
03 控制系统设计
05 工程实例与优化方案
工程实例介绍
某钢铁企业轧机直流调速系统
该系统用于控制轧机的速度，以确保产品质量和生产效率。
某城市轨道交通直流牵引传动系统
该系统用于控制列车牵引电机的速度，以确保列车运行的安全和稳定性。
现有系统的问题与不足
轧机直流调速系统存在的问题：调速 精度低，响应速度慢，容易造成产品 质量不稳定。
实时操作系统
选择合适的实时操作系统，如RT-Thread、FreeRTOS等，以提高系 统的实时性和稳定性。
控制策略的选择与实现
控制策略
参数整定
根据直流电机的特性和应用场景，选择合 适的控制策略，如PI控制、模糊控制等。
根据实际运行情况，对控制器的参数进行 整定和优化，以提高系统的动态性能和稳 态精度。
电源
为整个系统提供电能，通常为 直流电源。
电机
执行控制器发出的控制信号， 带动负载转动。
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7.1 直流调速系统概述
7.1.1 直流调速系统的基本概念
直流调速系统是最基本的拖动控制系统。
直流电动机的转速方程式为
n U IR Ke
（7－1）
式中，n为转速，单位为r/min；U为电枢电压，单位为V；I为电枢电流，单 位为A；R为电枢回路总电阻，单位为Ω；Φ为励磁磁通，单位为Wb；Ke为 由电动机结构决定的机电系数。
此种调速方式称为电枢回路串电阻调速方式。其机械特性如图7－3所示。
这种调速方式只能进行有级调速，且
有较大能量损耗，电动机的机械特性较软，
转速受负载影响大，轻载和重载时转速不
同。另外，该调速方式中的调速电阻损耗
大，经济性差，一般只应用于少数性能要
求不高的小功率场合。
图7－3电枢回路串电阻调速的机械特性
由上式可知，调节直流电动机转速的方法有三种： 1 改变电枢供电电压U 2 改变励磁磁通Φ 3 改变电枢回路电阻R
第七章 直流调速系统
7.1 直流调速系统概述
7.1.2 直流调速的三种方式
1 改变电动机电枢电压的调速方式 由式（7－1）分析可知，当直流电动机的机械特性的硬度不变，其机械
特性是一簇以U为参数的平行线。 改变电动机电枢电流，其机械特性基本上是平行上下移动，转速随之改
变，这种调速方式称为改变电枢电压调速方式。其机械特性如图7－1所示。 考虑到电动机的绝缘性能，电枢电压的变化只能在小于额定电压的范围
内适当调节，转速上限为电动机的额定转速，转速下限受低速时运转不稳定 性的限制。
第七章 直流调速系统
7.1 直流调速系统概述
7.1.2 直流调速的三种方式
图7－1 改变电枢电压调速的机械特性
7.2.1 闭环调速系统常用调节器
带强负反馈的集成电路运算放大器具有高稳定度的电压放大能力，它 可以很方便地实现信号的叠加(综合)、微分、积分等运算，它有着很高的 输入阻抗和较低的输出阻抗，容易实现线路的匹配。
在模拟控制的电气传动系统申，多采用线性集成运算放大器作为系统 的调节器。
这种调速方案属于恒功 率调速。调磁调速的调速范 围不大，一般只是配合调压 调速方式，在电动机额定转 速之上作小范围的升速。
图 7－2 改变励磁电流调速的机械特性
第七章 直流调速系统
7.1 直流调速系统概述
7.1.2 直流调速的三种方式
3 电枢回路串电阻调速方式 在电动机电枢回路串接附加电阻，改变串接电阻的阻值，也可调节转速，
第七章 直流调速系统
7.1 直流调速系统概述
7.1.3 调压调速的三种主要形式
该系统采用了全控型电力电子器件作为功率开关元件，并按脉宽调制方 式对电动机的电枢电压进行调节，主电路结构简单，性能优越，是100KW以 下直流电机调速的首选方案。其闭环控制方式、分析综合方法均与晶闸管－ 直流电动机系统相同。
第七章 直流调速系统
7.1 直流调速系统概述
7.1.3 调压调速的三种主要形式
调压调速在工程应用上是调速系统的主要方式。该调速方式需要有专门的、 连续可调的直流电源供电。根据系统供电形式的不同，调压调速系统可分为以 下三种：旋转变流机组系统、晶闸管可控整流系统、直流脉宽调速系统。
1 旋转变流机组系统 以旋转变流机组作为可控电源的供电的直流调速系统称为发电机－电动
程作为典型的跟随过程。抗扰性能指标主要有下述两项： ① 动态降落ΔCmax%。 ② 恢复时间tv 。 动态降落ΔCmax % 越小，恢复时间tv越短，系统的抗干扰性能越好。一
般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标则 以跟随性能为主。
第七章 直流调速系统
7.2 单闭环直流调速系统
直流电动机具有良好的启、制动性能，而且可以在较大范围内平滑的调 速，因此，在轧钢设备、矿井升降设备、挖掘钻探设备、金属切削设备、造 纸设备、电梯等需要高性能可控制电力拖动的场合得到了广泛的应用。
但直流电动机本身有着一些不可避免的缺陷，譬如存在换相问题、结构 复杂、维修较困难、成本较高等因素，制约了直流拖动系统的发展。
图7－8 PWM直流脉宽调制式调速系统原理结构示意图
第七章 直流调速系统
7.1 直流调速系统概述
7.1.4 直流调速系统的性能指标
在工业、工程应用领域，许多工艺要求都依赖于对速度的控制。这些工艺 过程对速度控制方面的要求归纳起来有以下三个方面：
① 调速。 ② 稳速。 ③ 启动、制动性能。
第七章 直流调速系统
的，它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的变化程度
越小，稳定度越高。
第七章 直流调速系统
7.1 直流调速系统概述
7.1.4 直流调速系统的性能指标
3) D、s、△ned 三者之间的关系
在单纯的调压调速系统中，nMAX就是指电动机的额定转速ned，即nMAX＝
ned 。而调速系统的静差率是指系统最低速时的静差率，即
通。系统由原动机拖动直流发电机，
改变发电机励磁回路的磁通ФG即可 改变发电机的输出电压UG也就改变 了直流电动机的电枢电压Ud，从而实 现调压调速的目的。
图7－4旋转变流机组供电的调速系统原理图
第七章 直流调速系统
7.1 直流调速系统概述
7.1.3 调压调速的三种主要形式
如图7－5所示为该系统的机械特性，从图中可知其机械特性曲线 为一簇相互平行的直线，特性较硬。
7.1.4 直流调速系统的性能指标
2) 静差率s 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定负载所引起
的转速降落△ned与理想空载转速n0之比，称做静差率，用s表示，即
s ned n0 ned
n0
n0
或用百分数表示为
s ned 100% n0
由上式可知，静差率是用来表示负载转矩变化时电动机转速变化程度
对于要求在一定范围 内无级平滑调速的系统来 说，此调速方式较好。改 变电枢电压调速(简称调压 调速)是直流调速系统的主 要调速方式。
第七章 直流调速系统
7.1 直流调速系统概述
7.1.2 直流调速的三种方式
2 改变励磁电流调速方式 改变电动机励磁回路的励磁电压大小，可改变励磁电流大小，从而改
变励磁磁通大小而实现调速，此种调速方式称为改变励磁电流调速方式。 其机械特性如图7－2所示。
电力拖动系统的另一项静态指标是调速平滑性，它用调速时可以得到的相 邻转速之比来表示。无级调速时，该比值接近于1，即转速可以连续平滑调节。
第七章 直流调速系统
7.1 直流调速系统概述
7.1.4 直流调速系统的性能指标
2 动态性能指标 电力拖动控制系统在动态过程中的性能指标称做动态指标。衡量系统
动态性能的指标分为跟随性能指标和抗扰性能指标两类。 1) 跟随性能指标
7.1 直流调速系统概述
7.1.4 直流调速系统的性能指标
上述三个方面的要求可具体转化为调速系统的稳态(静态)性能指 标和动态性能指标。 1 稳态性能指标
稳态性能指标也称静态指标，是指系统稳定运行时的性能指标， 具体指调速系统稳定运行时的调速范围、静差率，位置随动系统的 定位精度和速度跟踪精度，张力控制系统的稳态张力误差等等。下 面分别予以介绍。
在给定信号(或称参考输入信号)R(t)的作用下，系统输出量C(t)的变化 情况可用跟随性能指标来描述。
在直流调速系统中，跟随性能指标主要有以下各项： ① 上升时间t r 。 ② 超调量σ。 ③ 调节时间t s。
第七章 直流调速系统
7.1 直流调速系统概述
7.1.4 直流调速系统的性能指标
2) 抗扰性能指标 一般以系统稳定运行中突然加一个使输出量降低的扰动N以后的过渡过
第1七章自动直控流制调的基速本系概统念
系统框图
7.1 直流调速系统概述
7.2 单闭环直流调速系统
7.3 带电流截止负反馈的闭环调速系统
7.4 闭环调速系统设计实例
7.1 直流调速系统概述
7.1.1 直流调速系统的基本概念
在自动控制系统中，电力拖动系统是最重要的应用系统之一，而电动机 又是电力拖动系统的核心部件，根据电动机供电方式的不同，它可分为直流 电动机和交流电动机。
图7－5 G-M系统的机械特性
G－M系统的特点是，以“旋转” 机组实现供电和“变流”，所以称之 为旋转变流机组。
这种系统的缺陷是明显的，设备 多、体积大、费用高、效率低、机组 安装需要基础、运行噪声大、维护麻 烦。
第七章 直流调速系统
7.1 直流调速系统概述
7.1.3 调压调速的三种主要形式
2 晶闸管脉冲相位控制系统（晶闸管－电动机系统） 由晶闸管可控整流电路给直流电动机供电的系统称为晶闸管－电动机
系统，简称V－M系统，又称静止的Wand－Leonand系统，其原理框图如 图7－6所示。
这类系统通过改变给定电压Ugn来改变晶闸管整流装置的触发脉冲的 相位，从而可改变晶闸管整流器的输出电压Ud的平均值，进而达到改变 直流电动机转速的目的。
第七章 直流调速系统
7.1 直流调速系统概述
7.1.3 调压调速的三种主要形式
第七章 直流调速系统
7.1 直流调速系统概述
7.1.4 直流调速系统的性能指标
1) 调速范围D 电力拖动控制系统的调速范围是指电动机在额定负载下，运行的
最高转速nMAX与最低转速nMIN之比，用D表示，即
D nMAX nMIN
（7－2）
对于单纯的调压调速系统来说，电动机的最高转速nMAX即为其额
图7－6 晶闸管一电动机系统
图7－7 U-M系统的机械特性
在晶闸管一电动机系统中，主回路电流连续与否对晶闸管一电动机系统
的开环机械特性将产生很大的影响。其机械特性如图7－7所示，在电流连续
区，该特性曲线亦是一簇互相平行的直线，与G－M系统的机械特性相似。