直流傳動(dòng)控制系統(tǒng)的分析(課件)

直流傳動(dòng)控制系統(tǒng)的分析直流傳動(dòng)控制1直流傳動(dòng)系統(tǒng)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的各種生產(chǎn)機(jī)械中得到了廣泛的應(yīng)用。從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量看，電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動(dòng)系統(tǒng)等，各種系統(tǒng)往往通過控制轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的，因此調(diào)速系統(tǒng)是最基本的直流傳動(dòng)控制系統(tǒng)直流傳動(dòng)系統(tǒng)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍2本節(jié)應(yīng)了解的問題直流調(diào)速控制系統(tǒng)的控制要求和靜態(tài)指標(biāo)靜態(tài)指標(biāo)與機(jī)械特性之間的關(guān)系靜態(tài)指標(biāo)參數(shù)之間的關(guān)系開環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)特點(diǎn)閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)特點(diǎn)開環(huán)與閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)特性之間關(guān)系調(diào)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)本節(jié)應(yīng)了解的問題直流調(diào)速控制系統(tǒng)的控制要求和靜態(tài)指標(biāo)靜態(tài)指標(biāo)3一、調(diào)速系統(tǒng)的控制要求和

調(diào)速系統(tǒng)靜指標(biāo)

任何一臺(tái)需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對(duì)調(diào)速性能都有一定的要求。歸納起來，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求有以下三個(gè)方面：一、調(diào)速系統(tǒng)的控制要求和

調(diào)速系統(tǒng)靜指標(biāo)42）穩(wěn)速——以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；1、

控制要求1）調(diào)速——在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分擋地（有級(jí)）或平滑地（無級(jí)）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；3）加、減速——頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起，制動(dòng)盡量平穩(wěn)。2）穩(wěn)速——以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定1、控制要求1）52、調(diào)速系統(tǒng)靜指標(biāo)調(diào)速范圍定義：生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母D表示，即其中nmin

和nmax

一般都指電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速。2、調(diào)速系統(tǒng)靜指標(biāo)調(diào)速范圍其中nmin和nmax一般都指6靜差率定義：負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落nN

，與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比，稱作靜差率s，即或用百分?jǐn)?shù)表示式中nN=n0-nN

靜差率73、靜差率與機(jī)械特性的關(guān)系靜差率是衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性。與機(jī)械特性硬度有關(guān)硬度大s小硬度小s大與系統(tǒng)的工作速度有關(guān)理想空載低s大理想空載高s小相同硬度靜差率3、靜差率與機(jī)械特性的關(guān)系靜差率是衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)8bTeNTen0an0b?

nNa

?

nNb

nO不同轉(zhuǎn)速下的靜差率bTeNTen0an0b?nNa?nNbnO不同轉(zhuǎn)速9例如：某電動(dòng)機(jī)在理想空載轉(zhuǎn)速n0為

1000r/min時(shí)降落10r/min，靜差率只占1%；n0為

100r/min時(shí)同樣降落10r/min，靜差率就占10%；如果n0只有10r/min時(shí)，再降落10r/min，靜差率就占100%，這時(shí)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速全部降落完了。因此，調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時(shí)提才有意義。調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時(shí)所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。例如：某電動(dòng)機(jī)在理想空載轉(zhuǎn)速n0為1000r/min時(shí)降104、調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系設(shè)：電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nN為最高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速降落為nN，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率，即于是，最低轉(zhuǎn)速為4、調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系設(shè)：電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nN11而調(diào)速范圍為將上面的式代入nmin，得而調(diào)速范圍為將上面的式代入nmin，得12

上式表示調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，nN

值一定，由式可見，如果對(duì)靜差率要求越嚴(yán)，即要求s值越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。

結(jié)論

一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。上式表示調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和13例題1-1某直流調(diào)速系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為nN=1430r/min，額定速降nN

=115r/min，當(dāng)要求靜差率s≤30%時(shí)，允許多大的調(diào)速范圍？如果要求靜差率s≤20%，則調(diào)速范圍是多少？如果希望調(diào)速范圍達(dá)到10，所能滿足的靜差率是多少？例題1-1某直流調(diào)速系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為nN=1430r14解要求s≤30%時(shí)，調(diào)速范圍為若要求s≤20%，則調(diào)速范圍只有若調(diào)速范圍達(dá)到10，則靜差率只能是解要求s≤30%時(shí)，調(diào)速范圍為若要求s≤20%，15二、開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其特性若直流調(diào)速系統(tǒng)是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，即系統(tǒng)的輸出量不返送到輸入端，系統(tǒng)組成如下圖。開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖+-AM+-UdId+-?UnU*nUcUPE+-二、開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其特性若直流調(diào)速系統(tǒng)是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，即16開環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：控制裝置與受控對(duì)象只有順向作用而無反向聯(lián)系；每個(gè)輸入量對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出量，系統(tǒng)的控制精度完全取決系統(tǒng)元器件和特性調(diào)整的準(zhǔn)確度；系統(tǒng)抗干擾能力差。因此，當(dāng)系統(tǒng)對(duì)干擾影響要求不高，并且控制精度要求不高時(shí)，可采用開環(huán)控制系統(tǒng)。

開環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：控制裝置與受控對(duì)17例題2某龍門刨床工作臺(tái)拖動(dòng)采用直流電動(dòng)機(jī)，其額定數(shù)據(jù)如下：60kW，220V，305A，1000r/min，采用V-M系統(tǒng)，主電路總電阻R=0.18，電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)CeΦ=0.2V·r

/

min。如果要求調(diào)速范圍D=20，靜差率s≤5%，采用開環(huán)調(diào)速能否滿足？若要滿足這個(gè)要求，系統(tǒng)的額定速降最多能有多少？例題2某龍門刨床工作臺(tái)拖動(dòng)采用直流電動(dòng)機(jī)，其額定數(shù)據(jù)如下18解當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的額定速降為開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率為

這已大大超過了5%的要求，更不必談?wù){(diào)到最低速了。解當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的額定速降為19如果要求D=20，s

≤

5%，則由D，S與nN關(guān)系可知由上例可以看出，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定速降是275r/min，而生產(chǎn)工藝的要求卻只有2.63r/min，相差幾乎百倍！由此可見，開環(huán)調(diào)速已不能滿足要求，需采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來解決這個(gè)問題。結(jié)論：開環(huán)調(diào)速只能用在對(duì)靜差率要求不高的直流調(diào)速控制系統(tǒng)如果要求D=20，s≤5%，則由D，S20三、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成

及其靜特性根據(jù)自動(dòng)控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用。調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)速系統(tǒng)能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。

三、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成

及其靜特性211、系統(tǒng)組成+-AMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un?UnU*nUcUPE+-帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖1、系統(tǒng)組成+-AMTG+-+-+-UtgUdIdn+-222、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)關(guān)系轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：電壓比較環(huán)節(jié)放大器電力電子變換器調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性測(cè)速反饋環(huán)節(jié)2、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)關(guān)系轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系23以上各關(guān)系式中—放大器的電壓放大系數(shù)；—電力電子變換器的電壓放大系數(shù)；—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（V·min/r）；—UPE的理想空載輸出電壓（V）；—電樞回路總電阻。KpKsRUd0以上各關(guān)系式中KpKsRUd024從上述五個(gè)關(guān)系式中消去中間變量，整理后，即得轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式

式中，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K為從上述五個(gè)關(guān)系式中消去中間變量，整理后，即25它相當(dāng)于在測(cè)速反饋電位器輸出端把反饋回路斷開后，從放大器輸入起直到測(cè)速反饋輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各環(huán)節(jié)單獨(dú)的放大系數(shù)的乘積。電動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)放大系數(shù)為它相當(dāng)于在測(cè)速反饋電位器輸出端把反饋回路斷開后，從放大器輸入26

3、閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖KpKs

1/CeΦU*nUc?UnEnUd0Un++-IdR-轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3、閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖KpKs1/CeΦU*nU27若只考慮給定作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)若只考慮擾動(dòng)作用-IdR時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)nU*nKpKs

1/CeΦUc?UnUd0Un+-+KpKs

1/CeΦ-IdRnUd0+-E若只考慮給定作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)若只考慮擾動(dòng)作用-28由于已認(rèn)為系統(tǒng)是線性的，可以把二者疊加起來，即得系統(tǒng)的靜特性方程式由于已認(rèn)為系統(tǒng)是線性的，可以把二者疊加起來294.開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系斷開反饋回路，則可得系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性為：而閉環(huán)時(shí)的靜特性可寫成4.開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系30（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜性可以比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多。在同樣的負(fù)載擾動(dòng)下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為和它們的關(guān)系是

比較兩方程式可得出以下的論斷：（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜性可以比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特比較兩方程式可得出以下31（2）如果比較同一的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多。閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為

和當(dāng)n0op=n0cl時(shí)，（2）如果比較同一的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則32（3）當(dāng)要求的靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。如果電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是nmax，而對(duì)最低速靜差率的要求相同，那么：開環(huán)時(shí)， 閉環(huán)時(shí)， 從開環(huán)與閉環(huán)穩(wěn)態(tài)速降關(guān)系式可得（3）當(dāng)要求的靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)可以33（4）要取得上述三項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。上述三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)若要有效，都取決于一點(diǎn)，即K要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。結(jié)論閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價(jià)是，須增設(shè)電壓放大器以及檢測(cè)與反饋裝置。

（4）要取得上述三項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，閉環(huán)系統(tǒng)必須結(jié)論34例題3

在例題1-2中，龍門刨床要求

D=20，s≤5%，已知Ks=30，=0.015V·min/r，

Ce=0.2V·min/r，如何采用閉環(huán)系統(tǒng)滿足此要求？例題335解在上例中已經(jīng)求得

Δnop=275r/min但為了滿足調(diào)速要求，須有

Δncl=2.63r/min由開環(huán)與閉環(huán)穩(wěn)態(tài)速降關(guān)系式可得≥解在上例中已經(jīng)求得≥36代入已知參數(shù)，則得即只要放大器的放大系數(shù)等于或大于46，閉環(huán)系統(tǒng)就能滿足所需的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。代入已知參數(shù)，則得37系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程開環(huán)系統(tǒng)Idn例如：在下圖中工作點(diǎn)從AA′

閉環(huán)系統(tǒng)IdnUnUn

nUd0Uc例如：在下圖1中工作點(diǎn)從AB系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程開環(huán)系統(tǒng)Idn38閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機(jī)械特性的關(guān)系A(chǔ)′閉環(huán)靜特性開環(huán)機(jī)械特性Ud4Ud3Ud2Ud1BA閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機(jī)械特性的關(guān)系A(chǔ)′閉環(huán)靜特性開環(huán)機(jī)械特性39四、調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)1.動(dòng)態(tài)指標(biāo)含義：電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)是指系統(tǒng)在給定信號(hào)和擾動(dòng)信號(hào)作用下，系統(tǒng)輸出在動(dòng)態(tài)響應(yīng)中的各種指標(biāo)對(duì)給定信號(hào)的跟隨性能指標(biāo)對(duì)擾動(dòng)信號(hào)的抗擾性能指標(biāo)四、調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)1.動(dòng)態(tài)指標(biāo)含義：402.跟隨性能指標(biāo)：在給定信號(hào)或參考輸入信號(hào)的作用下，系統(tǒng)輸出量的變化情況可用跟隨性能指標(biāo)來描述。常用的階躍響應(yīng)跟隨性能指標(biāo)主要有tr

—上升時(shí)間：輸出量第一次達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間—超調(diào)量：輸出量超過穩(wěn)態(tài)值與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分?jǐn)?shù)表示ts

—調(diào)節(jié)時(shí)間：輸出量進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值的±2%～5%，并不在逸出的時(shí)間2.跟隨性能指標(biāo)：41

典型階躍響應(yīng)曲線和跟隨性能指標(biāo)±5%（或±2%）

0Otrts典型階躍響應(yīng)曲線和跟隨性能指標(biāo)±5%（或±2%）0Ot423.抗擾性能指標(biāo)抗擾性能指標(biāo)標(biāo)志著控制系統(tǒng)抵抗擾動(dòng)的能力。常用的抗擾性能指標(biāo)有Cmax

—?jiǎng)討B(tài)降落：輸出量原穩(wěn)態(tài)值的最大偏差與原穩(wěn)態(tài)值之比tv

—恢復(fù)時(shí)間：輸出量進(jìn)入原穩(wěn)態(tài)值的95%～98%范圍的時(shí)間

3.抗擾性能指標(biāo)抗擾性能指標(biāo)標(biāo)志著控制系統(tǒng)43±5%（或±2%）

O

tmtvCb突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程和抗擾性能指標(biāo)±5%（或±2%）OtmtvCb突加擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程和抗擾44本節(jié)總結(jié)：控制要求調(diào)速穩(wěn)速快速實(shí)現(xiàn)加，減速靜態(tài)指標(biāo)調(diào)速范圍靜差率靜態(tài)指標(biāo)之間關(guān)系本節(jié)總結(jié)：控制要求調(diào)速靜態(tài)指標(biāo)調(diào)速范圍靜態(tài)指標(biāo)之間關(guān)系45調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時(shí)提才有意義。調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時(shí)所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。靜差率與機(jī)械特性的關(guān)系閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍。開環(huán)與并環(huán)性能關(guān)系調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時(shí)提才有意46直流傳動(dòng)控制系統(tǒng)的分析(課件)47直流傳動(dòng)控制系統(tǒng)的分析直流傳動(dòng)控制48直流傳動(dòng)系統(tǒng)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的各種生產(chǎn)機(jī)械中得到了廣泛的應(yīng)用。從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量看，電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動(dòng)系統(tǒng)等，各種系統(tǒng)往往通過控制轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的，因此調(diào)速系統(tǒng)是最基本的直流傳動(dòng)控制系統(tǒng)直流傳動(dòng)系統(tǒng)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍49本節(jié)應(yīng)了解的問題直流調(diào)速控制系統(tǒng)的控制要求和靜態(tài)指標(biāo)靜態(tài)指標(biāo)與機(jī)械特性之間的關(guān)系靜態(tài)指標(biāo)參數(shù)之間的關(guān)系開環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)特點(diǎn)閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)特點(diǎn)開環(huán)與閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)特性之間關(guān)系調(diào)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)本節(jié)應(yīng)了解的問題直流調(diào)速控制系統(tǒng)的控制要求和靜態(tài)指標(biāo)靜態(tài)指標(biāo)50一、調(diào)速系統(tǒng)的控制要求和

調(diào)速系統(tǒng)靜指標(biāo)

任何一臺(tái)需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對(duì)調(diào)速性能都有一定的要求。歸納起來，對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求有以下三個(gè)方面：一、調(diào)速系統(tǒng)的控制要求和

調(diào)速系統(tǒng)靜指標(biāo)512）穩(wěn)速——以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；1、

控制要求1）調(diào)速——在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分擋地（有級(jí)）或平滑地（無級(jí)）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；3）加、減速——頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起，制動(dòng)盡量平穩(wěn)。2）穩(wěn)速——以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定1、控制要求1）522、調(diào)速系統(tǒng)靜指標(biāo)調(diào)速范圍定義：生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母D表示，即其中nmin

和nmax

一般都指電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速。2、調(diào)速系統(tǒng)靜指標(biāo)調(diào)速范圍其中nmin和nmax一般都指53靜差率定義：負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落nN

，與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比，稱作靜差率s，即或用百分?jǐn)?shù)表示式中nN=n0-nN

靜差率543、靜差率與機(jī)械特性的關(guān)系靜差率是衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性。與機(jī)械特性硬度有關(guān)硬度大s小硬度小s大與系統(tǒng)的工作速度有關(guān)理想空載低s大理想空載高s小相同硬度靜差率3、靜差率與機(jī)械特性的關(guān)系靜差率是衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)55bTeNTen0an0b?

nNa

?

nNb

nO不同轉(zhuǎn)速下的靜差率bTeNTen0an0b?nNa?nNbnO不同轉(zhuǎn)速56例如：某電動(dòng)機(jī)在理想空載轉(zhuǎn)速n0為

1000r/min時(shí)降落10r/min，靜差率只占1%；n0為

100r/min時(shí)同樣降落10r/min，靜差率就占10%；如果n0只有10r/min時(shí)，再降落10r/min，靜差率就占100%，這時(shí)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速全部降落完了。因此，調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時(shí)提才有意義。調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時(shí)所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。例如：某電動(dòng)機(jī)在理想空載轉(zhuǎn)速n0為1000r/min時(shí)降574、調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系設(shè)：電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nN為最高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速降落為nN，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率，即于是，最低轉(zhuǎn)速為4、調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系設(shè)：電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nN58而調(diào)速范圍為將上面的式代入nmin，得而調(diào)速范圍為將上面的式代入nmin，得59

上式表示調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，nN

值一定，由式可見，如果對(duì)靜差率要求越嚴(yán)，即要求s值越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。

結(jié)論

一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。上式表示調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和60例題1-1某直流調(diào)速系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為nN=1430r/min，額定速降nN

=115r/min，當(dāng)要求靜差率s≤30%時(shí)，允許多大的調(diào)速范圍？如果要求靜差率s≤20%，則調(diào)速范圍是多少？如果希望調(diào)速范圍達(dá)到10，所能滿足的靜差率是多少？例題1-1某直流調(diào)速系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為nN=1430r61解要求s≤30%時(shí)，調(diào)速范圍為若要求s≤20%，則調(diào)速范圍只有若調(diào)速范圍達(dá)到10，則靜差率只能是解要求s≤30%時(shí)，調(diào)速范圍為若要求s≤20%，62二、開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其特性若直流調(diào)速系統(tǒng)是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，即系統(tǒng)的輸出量不返送到輸入端，系統(tǒng)組成如下圖。開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖+-AM+-UdId+-?UnU*nUcUPE+-二、開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其特性若直流調(diào)速系統(tǒng)是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，即63開環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：控制裝置與受控對(duì)象只有順向作用而無反向聯(lián)系；每個(gè)輸入量對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出量，系統(tǒng)的控制精度完全取決系統(tǒng)元器件和特性調(diào)整的準(zhǔn)確度；系統(tǒng)抗干擾能力差。因此，當(dāng)系統(tǒng)對(duì)干擾影響要求不高，并且控制精度要求不高時(shí)，可采用開環(huán)控制系統(tǒng)。

開環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：控制裝置與受控對(duì)64例題2某龍門刨床工作臺(tái)拖動(dòng)采用直流電動(dòng)機(jī)，其額定數(shù)據(jù)如下：60kW，220V，305A，1000r/min，采用V-M系統(tǒng)，主電路總電阻R=0.18，電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)CeΦ=0.2V·r

/

min。如果要求調(diào)速范圍D=20，靜差率s≤5%，采用開環(huán)調(diào)速能否滿足？若要滿足這個(gè)要求，系統(tǒng)的額定速降最多能有多少？例題2某龍門刨床工作臺(tái)拖動(dòng)采用直流電動(dòng)機(jī)，其額定數(shù)據(jù)如下65解當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的額定速降為開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率為

這已大大超過了5%的要求，更不必談?wù){(diào)到最低速了。解當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的額定速降為66如果要求D=20，s

≤

5%，則由D，S與nN關(guān)系可知由上例可以看出，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定速降是275r/min，而生產(chǎn)工藝的要求卻只有2.63r/min，相差幾乎百倍！由此可見，開環(huán)調(diào)速已不能滿足要求，需采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來解決這個(gè)問題。結(jié)論：開環(huán)調(diào)速只能用在對(duì)靜差率要求不高的直流調(diào)速控制系統(tǒng)如果要求D=20，s≤5%，則由D，S67三、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成

及其靜特性根據(jù)自動(dòng)控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用。調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)速系統(tǒng)能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。

三、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成

及其靜特性681、系統(tǒng)組成+-AMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un?UnU*nUcUPE+-帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖1、系統(tǒng)組成+-AMTG+-+-+-UtgUdIdn+-692、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)關(guān)系轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：電壓比較環(huán)節(jié)放大器電力電子變換器調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性測(cè)速反饋環(huán)節(jié)2、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)關(guān)系轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系70以上各關(guān)系式中—放大器的電壓放大系數(shù)；—電力電子變換器的電壓放大系數(shù)；—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（V·min/r）；—UPE的理想空載輸出電壓（V）；—電樞回路總電阻。KpKsRUd0以上各關(guān)系式中KpKsRUd071從上述五個(gè)關(guān)系式中消去中間變量，整理后，即得轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式

式中，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K為從上述五個(gè)關(guān)系式中消去中間變量，整理后，即72它相當(dāng)于在測(cè)速反饋電位器輸出端把反饋回路斷開后，從放大器輸入起直到測(cè)速反饋輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各環(huán)節(jié)單獨(dú)的放大系數(shù)的乘積。電動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)放大系數(shù)為它相當(dāng)于在測(cè)速反饋電位器輸出端把反饋回路斷開后，從放大器輸入73

3、閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖KpKs

1/CeΦU*nUc?UnEnUd0Un++-IdR-轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3、閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖KpKs1/CeΦU*nU74若只考慮給定作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)若只考慮擾動(dòng)作用-IdR時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)nU*nKpKs

1/CeΦUc?UnUd0Un+-+KpKs

1/CeΦ-IdRnUd0+-E若只考慮給定作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)若只考慮擾動(dòng)作用-75由于已認(rèn)為系統(tǒng)是線性的，可以把二者疊加起來，即得系統(tǒng)的靜特性方程式由于已認(rèn)為系統(tǒng)是線性的，可以把二者疊加起來764.開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系斷開反饋回路，則可得系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性為：而閉環(huán)時(shí)的靜特性可寫成4.開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系77（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜性可以比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多。在同樣的負(fù)載擾動(dòng)下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為和它們的關(guān)系是

比較兩方程式可得出以下的論斷：（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜性可以比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特比較兩方程式可得出以下78（2）如果比較同一的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多。閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為

和當(dāng)n0op=n0cl時(shí)，（2）如果比較同一的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則79（3）當(dāng)要求的靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。如果電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是nmax，而對(duì)最低速靜差率的要求相同，那么：開環(huán)時(shí)， 閉環(huán)時(shí)， 從開環(huán)與閉環(huán)穩(wěn)態(tài)速降關(guān)系式可得（3）當(dāng)要求的靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)可以80（4）要取得上述三項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。上述三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)若要有效，都取決于一點(diǎn)，即K要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。結(jié)論閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價(jià)是，須增設(shè)電壓放大器以及檢測(cè)與反饋裝置。

（4）要取得上述三項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，閉環(huán)系統(tǒng)必須結(jié)論81例題3

在例題1-2中，龍門刨床要求

D=20，s≤5%，已知Ks=30，=0.015V·min/r，

Ce=0.2V·min/r，如何采用閉環(huán)系統(tǒng)滿足此要求？例題382解在上例中已經(jīng)求得

Δnop=275r/min但為了滿足調(diào)速要求，須有

Δncl=2.63r/min由開環(huán)與閉環(huán)穩(wěn)態(tài)速降關(guān)系式可得≥解在上例中已經(jīng)求得≥83代入已知參