5 直流传动控制系统 5.1 机电传动控制系统的组成和分类 最简单——继电器-接触器控制系统（断续控制系统） 本章——自动调速系统（连续控制系统）

5.1.1 机电传动控制系统的组成 组成：由电机、电器、电子部件组合而成。 5.1 注：输入量—控制量，输出量—被控制量。

如图5.1所示的G-M系统。开环控制系统往往不能满足高要求的生产机械的需要。 l  开环控制系统（单向控制） 如图5.1所示的G-M系统。开环控制系统往往不能满足高要求的生产机械的需要。 1. 主要参数 1)  转速降 (与 无关) 2)  调速范围 （前提：生产机械对转速变化率的要求） 3)  静差度（或稳定度、转速变化率）

① 由电机铭牌而定， ，D由生产机械要求而定。 4) 关系： （ ） ① 由电机铭牌而定， ，D由生产机械要求而定。 ② 一定，不同的静差度就有不同的D，故在说明系统达到D时，同时说明所允许的最小S。 ③ 一定， ，机械特性硬度 。 5.2

2.提高机械特性硬度的方法——使电动机转速不变。 （负载↑，n↓） 5.3

2) 偏差电压 （给定电压） 负反馈控制 3) 加一个放大器， ，n不变（负载变动）。 注：a） 稍变化， 更大变化。 b） ，维持 。 1) 在电动机轴上安装一台测速发电机BR，输出电势 。 2)  偏差电压 （给定电压） 负反馈控制 3) 加一个放大器， ，n不变（负载变动）。 注：a） 稍变化， 更大变化。 b） ，维持 。

如上述自动调速系统。 1. 方框图： 2. 常用系统： 电机放大器、磁放大器和晶闸管调速系统。 l 闭环控制系统（正向控制和反向反馈控制） 5.4 2. 常用系统： 电机放大器、磁放大器和晶闸管调速系统。

5.1.2 自动控制系统的分类 按反馈方式——转速负反馈、电势负反馈、电压负反馈、电流正反馈控制系统； 按复杂程度——单环、多环自动调节系统； 按被调量与给定量的差别——有静差、无静差调 节系统； 按给定量变化规律——定值调节系统、程序控制系统、随动系统； 按调节动作与时间的关系——断续、连续控制系统； 按元件特性——线性、非线性控制系统。

作业： P:322 11.1～2，11.5～6

5.2 调速方案的选择 5.2.1 机械与电气调速方法 1. 电气调速的优缺点 1) 简化机械变速机构； 2) 提高传动效率，操作简单； 1. 电气调速的优缺点 1)  简化机械变速机构； 2)  提高传动效率，操作简单； 3)  无级调速； 4)  便于远距离控制和自动控制； 5)  应用广泛； 6)  电气系统复杂，投资大些。 （缺点） 2. 电气与机械配合调速 1) 电气方面——得到多种转速； 2) 机械方面——用机械变速机构的换挡进行变速。

5.2.2 生产机械对自动调速系统技术指标的要求 （调速方案的选择） 1. 静态技术指标 静差度 调速范围 调速的平滑性 1. 静态技术指标 静差度 调速范围 调速的平滑性 1)  静差度——生产机械运行时转速稳定的程度。 S 应小于一定数值。 如：普通车床 S 30% ，精度高的造纸机 S 0.1% 等。 l  机械特性越硬， ，转速稳定性 。 l   时，满足 S 要求；其它转速时一定满足 S 要求。

2)   调速范围——生产机械所要求的转速调节的最大范围。 如：车床 D 为 20～120， 机床的进给机构 D 为 5～30000等。 l  联合调速时，D（生产机械）＝ De（电气）Dm（机械）。 3)  调速的平滑性——用两个相邻调速级的转速差来衡量。 l  D 一定，稳定运行转速级数↑，调速的平滑性↑；级 数→∞，称无级调速。 l   不同的生产机械，可采用有级或无级调速。

最大超调量 过渡过程时间 振荡次数 2. 动态技术指标 由于电磁、机械惯性，调速过程经过一段过渡过程，即动态过程。 1)  最大超调量 l   一般为 (10～35)% 。 l     ，不满足工艺要求； ，过渡过程缓慢。

2) 过渡过程时间 T ——从输入控制（或扰动）作用于系统开始到被调量 进入 稳定值区间时为止的一段时间。 5.5

3) 振荡次数——在过渡过程时间 T 内， 在其稳定值上下摆动次数（图中所示为1次）。 l 系统1：T较大 l 系统2：振荡次数较多 5.6 如：龙门刨床——允许一次振荡； 造纸机——不允许有振荡的过渡过程。

5.2.3 根据生产机械的负载性质来选择电动机的调速方式 l   在调速过程中，电动机负载能力（即输出）在不同 下是不同的。 l  为保证在 D 内电动机得到最充分利用，则选择调速方案时，必须使电动机的负载能力与生产机械的负载性质相匹配。

注： 1. 生产机械的负载特性 粗加工 精加工 1) 恒转矩型—— = 常数， 如：起重机、机床进给运动。 2) 恒功率型—— = 常数， 1.  生产机械的负载特性 1)   恒转矩型—— = 常数， 如：起重机、机床进给运动。 2)   恒功率型—— = 常数， 如：车床主轴运动。 注： 粗加工 精加工 5.7

2. 电动机的负载能力（调速时） 1) 直流电机 ——调压调速（恒 T 型）、调磁调速（恒 P 型） 2) 交流电机 ——变极调速、变频调速 2. 电动机的负载能力（调速时） 1)  直流电机 ——调压调速（恒 T 型）、调磁调速（恒 P 型） 2)  交流电机 ——变极调速、变频调速 l   变极（p）调速——双速异步电动机，定子绕组 Y 改成 YY（恒 T 型）， 改成 YY（恒 P 型）。 l   变频（f）调速——固有特性以上（恒 P 型，很 少），以下（恒 T 型，常用）。

电动机在调速过程中，输出的 T 和 P 能否达到最大，取决于生产机械 和 的大小及其变化规律。 3. 配合性质 电动机在调速过程中，输出的 T 和 P 能否达到最大，取决于生产机械 和 的大小及其变化规律。 1)  生产机械 ＝常数，调速方式选用恒 T 型，且电动机 。 2)  生产机械 ＝常数，调速方式选用恒 P 型，且电动机 。 故 电动机在 D 内任何 下运行，均保持 ，使电动机得到最充分利用。

作业： P:322 11.3～4

5.3 几种常见的直流传动控制系统（简介） 晶闸管-电动机直流传动控制系统 晶体管-电动机直流脉宽调速系统 微型计算机控制的直流传动系统

5.3.1 晶闸管-电动机直流传动控制系统 单闭环直流调速系统 双闭环直流调速系统 三闭环直流调速系统 可逆直流调速系统

（ n 单闭环调速系统——速度调节器 ASR ） 1. 单闭环直流调速系统 （ n 单闭环调速系统——速度调节器 ASR ） 5.8

5.9

5.25 5.26

注：a）由PI调节器组成速度调节器ASR。 b）对于频繁处于正反转工作状态的生产机械，宜采用双闭环（或可逆）调速系统。 无静差调速系统的特点： l   实现转速的无静差调节； l   动态响应较快； l   满足一般生产机械对调速的要求。 注：a）由PI调节器组成速度调节器ASR。 b）对于频繁处于正反转工作状态的生产机械，宜采用双闭环（或可逆）调速系统。 如：龙门刨床、可逆轧钢机（生产率↑，过渡时间↓，T动↑，I↑）。

——速度调节器 ASR、电流调节器 ACR） 2. 双闭环直流调速系统 （ n、I 双闭环调速系统 ——速度调节器 ASR、电流调节器 ACR） 5.30

（ n、I、电流变化率调节器或电压调节器） 特点： l    系统的静特性很硬，基本上无静差； l    启动时间短，动态响应快； l    系统的抗干扰能力强； l    调整方便（先调电流环，再调速度环）； l    应用广泛（在自动调速系统中）。 3. 三闭环直流调速系统 （ n、I、电流变化率调节器或电压调节器） 特点： l    进一步改善系统的调速性能； l    大大提高系统的可靠性。

4. 可逆直流调速系统 1) 电枢反接的可逆线路 2) 励磁反接的可逆线路（用得较少） 5.32 5.33

环流——不流过负载而只流过两组晶闸管电路的电流。 调速方式： 5.34 环流——不流过负载而只流过两组晶闸管电路的电流。 调速方式： l    有环流调速（可控有环流） l    无环流调速（逻辑无环流、错位无环流）

接线方式： 注：交叉连接用于有环流的三相全控桥。 此外，一般采用反并联连接。 l 反并联连接（一个交流电源供电） 5.35 注：交叉连接用于有环流的三相全控桥。 此外，一般采用反并联连接。

如：三相半波反并联、无环流可逆线路。 5.36

5.3.2 晶体管-电动机直流脉宽调速系统 （大功率晶体管） 5.37 5.38

5.39

3. 频带宽（动态响应速度和稳速精度等性能指标较好）。 如：晶体管脉宽调制（PWM）放大器的开关频率为1kHz~3kHz； 与晶闸管直流调速系统比较： 1. 主电路所需的功率元件少。 2. 控制线路简单。 3. 频带宽（动态响应速度和稳速精度等性能指标较好）。 如：晶体管脉宽调制（PWM）放大器的开关频率为1kHz~3kHz； 晶闸管三相全控整流桥的开关频率为300Hz。 4. 电压放大系统不随输出电压而变化（低速性能较好， 调速范围很宽）。 5. 适用于中、小容量的调速系统（受最大电压、电流 限制）。

5.3.3 微型计算机控制的直流传动系统 5.46

2. 系统的（不同的）控制规律由（容易更改的）软件 实现（配备少量的接口电路）； 3. 运算速度快； 4. 可靠性高； 5. 成本低； 特点： 1.  系统的硬件结构简单（单片机）； 2. 系统的（不同的）控制规律由（容易更改的）软件 实现（配备少量的接口电路）； 3.  运算速度快； 4.  可靠性高； 5.  成本低； 6.  具有保护、诊断和自检功能； 7.  能实现数模混合控制或全数字量控制； 8.  向集成化、小型化和智能化方向发展。

如：MCD-Ⅱ型微机控制直流调速系统（1995年，武汉重型机床厂与华中理工大学研制成功）。 5.47

作业： P:323 11.17， 11.27