2.2 稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性
2
2.2.1 转速控制的要求和稳态调速性能指标
任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。
归纳起来，对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面：
3
1. 调速系统转速控制要求
1）调速——在一定的最高转速和最低转速范围内，有级或无级调节转速；
2）稳速——以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；
3）加、减速——频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。
4
2. 稳态性能指标
调速范围
稳态性能指标
静差率
5
(1) 调速范围
生产机械要求电动机提供的最高转速n max
和最低转速n min 之比叫做调速范围，用字母D 表示，即
（2-25）
min max
n n D =
其中n max 和n min 一般都指电动机额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的转速。
eN
e T T =6
(2) 静差率
当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落Δn N ，与理想空载转速n 0 之比，称作静差率s ，即
N n n s Δ=
用百分数表示
%1000
N
×Δ=
n n s （2-26）（2-27）
式中Δn N = n 0 -n N ，显然，s 用于衡量调速系统在负载变化时转速稳定度。
7
T eN
T e
n 0a
n 0b
a
b
?n Na ?n Nb n 图2-14 不同转速下的静差率
(3) 静差率与机械特性硬度的区别
一般调压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的。
对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。
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–例如：在1000r/min 时降落10r/min ，只占1%；在100r/min 时同样降落10r/min ，就占10%；如果在只有10r/min 时，再降落
10r/min ，就占100%，这时电动机已经停止转动，转速为0。
因此，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。
调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。
9
3. 调速范围、静差率和额定速降之间的关系
设：电动机额定转速n N 为最高转速，额定负载下转速降落为Δn N ，系统的静差率应该是最低速时的静差率，即
N min N min 0N
n n n n n s Δ+Δ=
Δ=于是，最低转速为
s
n s n s n n N
N N min )1(Δ?=Δ?Δ=
10
而调速范围为
min
N
min max n n
n n D ==
将上面的式代入n min ，得
)
1(N N s n s n D ?Δ=
（2-28）
该式表示调压调速系统的调速范围D 、静差率s 和额定速降Δn 之间所应满足的关系。对于同一个调速系统，Δn N 值一定，如果对静差率s 要求越严，即要求s 值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。
11
?结论1
一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。
12
例题2-1
某直流调速系统电动机额定转速为n N =1430r/min ，额定速降Δn N =115r/min ，(1)如果要求s ≤30%，则D =？(2)如果要求s ≤20%，则D =？(3)如果要求D =10，则s =？
额定负载下最高转速
13
解若要求s ≤30%时，调速范围D 为
若要求s ≤20%，则调速范围D 为
若D =10，则静差率s 为
3
.5)
3.01(1153
.01430)1(N N =?××=?Δ=
s n s n D 1
.3)
2.01(1152
.01430=?××=
D %
6.44446.0115101430115
10N N N ==×+×=Δ+Δ=
n D n n D s 14
?第四版课本P57 习题2-3
?（第三版课本P50 习题1-4）
?某一调速系统，最高转速n 0max =1500r/min ，最低转速n 0min =150r/min ，带额定负载时的速度降落Δn N =15r/min ，且在不同转速下额定速降Δn N 不变，问系统调速范围有多大？系统允许的静差率是多少？
152.2.2直流调速系统的机械特性
无论是晶闸管整流器-电动机调速系统还是
直流PWM 调速系统，其前端都可以看成是一个控制电压为U c 、输入为交流电压、输出为可控直流电压U d 的可控直流电源。通过调节控制电压U c 就可以改变直流电动机的转速。
因此，用UPE 来统一表示可控直流电源。
16
UPE 的组成
图中，UPE 是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三组（或单相）交流电源，输出为可控的直流电压U d ，控制电压为U c 。
U c
U d 0
u
~
AC
DC 17
目前，组成UPE 的电力电子器件有如下几种选择方案：
–对于中、小容量系统，多采用由IGBT 或P-MOSFET 组成的PWM 变换器；–对于较大容量的系统，可采用其他电力电子开关器件，如GTO 、IGCT 等；–对于特大容量的系统，则常用晶闸管触发装置。
18
开环调速系统的机械特性分析
确定开环调速系统的稳态性能指标之前，先分析其机械特性，为了突出主要矛盾，作如下的假定：
1.忽略各种非线性因素，假定系统中各环节的输入输出关系都是线性的，或者只取其线性工作段。
2.忽略控制电源和电位器的内阻。
19
开环调速系统中各环节的稳态关系如下
电力电子变换器c
s 0d U K U =直流电动机
e
d 0
d C R I U n ?=
稳态关系
U d0—UPE 的理想空载输出电压(V) ；R —电枢回路总电阻。
20
调速系统开环机械特性
e d e c s 0C R I C U K C R I U n ?
=?=e d d Ce
1
开环调速系统稳态结构图
图2-16 开环调速系统稳态结构图
n n 0n 01n 02n 03
U c0U c1U c2U c3
U c0> U c1> U c2> U c3Δn N T e
图2-17 开环直流调速系统的机械特性T eN
21
例题2-2
某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，
其额定数据如下: 60kW, 220V, 305A, 1000r/min,采用V-M 系统，主电路总电阻R =0.18Ω，电动机电动势系数C e =0.2V ·min/r 。
如果要求调速范围D =20，静差率s ≤5%，采用开环调速能否满足？
若要满足这个要求，系统的额定速降Δn N 最多能有多少？
22
解
当电流连续时，V-M 系统的额定速降为
开环系统机械特性连续段在额定转速1000r/min 时
静差率为
这已大大超过了5%的要求，更不必谈调到最低速了。
min /r 2752
.018
.0305e dN N =×==
ΔC R I n %
6.21216.0275
1000275
N N N N ==+=Δ+Δ=
n n n s 23
如果要求D = 20，s ≤5%，则由式（1-33）可知
由此可见，开环调速系统的额定速降是275r/min ，而生产工艺的要求却只有2.63r/min ，相差几乎百倍！可见，开环调速已不能满足要求，需采用反馈控制的闭环调速系统来解决这个问题。
min
/r 63.2min /r )
05.01(2005
.01000)1(N N =?××≤?=
Δs D s n n
第十三章一般机械传动系统设计 现代机器由原动机部分、传动部分、执行部分三个基本部分组成。原动机部分是驱动整部机器以完成预定功能的动力源。通常，一部机器只用一个原动机，复杂的机器也可能有几个动力源。它们都是把其它形式的能量转换为可以利用的机械能。现代机器中使用的原动机多是以各式各样的电动机和热力机为主。执行部分是用来完成机器预定功能的组成部分。一部机器可以只有一个执行部分，也可以把机器的功能分解成好几个执行部分。传动部分由图13-1可知，是把原动机的运动形式、运动及动力参数转变为执行部分所需要的运动形式、运动及动力参数的中间传动装置。机器的传动部分多数使用机械传动系统。它是绝大多数机器不可缺少的重要组成部分，其质量和成本在整台机器的质量和成本中占有很大的比例。机器的工作性能在很大程度上取决于传动装置的优劣。因此，本章仅对机械传动系统的设计作一个简单的介绍。 原动机→→→???→ 传动机构传动机构传动机构→执行机构 图13-1 单路传动 §13.1机械传动方案的设计 传动系统方案设计是在完成了执行系统的方案设计和原动机的选型后进行的。机械传动系统除了进行运动和动力传递外，还可实现增速、减速或变速传动；变换运动形式；进行运动的合成和分解；实现分路传动和较远距离传动等。满足原动机和工作机性能要求的传动方案，是由不同的组合方式和布置顺序构成的。 13.1.1传动类型的选择 传动机构的类型很多，选择不同类型的传动机构，将会得到不同形式的传动系统方案。为了获得理想的传动方案，需要合理选择传动机构类型。常用传动机构及其性能见表13-l。 表13-1 常用传动机构及其性能 传动类型传动效率传动比圆周速度 1 /m s- ? 外廓 尺寸 相对 成本 性能特点 带传动0.94～0.96 (平带) 0.92～0.97 (V带) ≤5～7 5～25 (30) 大低 过载打滑，传动平稳，能缓冲吸振， 不能保证定传动比，远距离传动 0.95～0.98 (齿型带) ≤10 50(80) 中低 传动平稳，能保证固定传动比 链传动0.90～0.92 (开式) 0.96～0.97 (闭式) ≤5(8) 5～25 大中 平均传动比准确，可在高温下传 动，远距离传动，高速有冲击振动
机械传动系统方案设计 一、传动系统的功能 传动系统是连接原动机和执行系统的中间装置。其根本任务是将原动机的运动和动力按执行系统的需要进行转换并传递给执行系统。传动系统的具体功能通常包括以下几个方面： （1）减速或增速； （2）变速； （3）增大转矩； （4）改变运动形式； （5）分配运动和动力； （6）实现某些操纵和控制功能。 二、机械传动的分类和特点 1、机械传动的分类 1) 按传动的工作原理分类 2) 按传动比的可变性分类 机械传动 动 啮合传动 摩擦传动 有中间挠性件 齿轮传动 蜗杆传动 螺旋传动 齿轮系传动 定轴轮系传动 周转轮系传动 链传动 同步带传动 普通带传动 绳传动 摩擦轮传动
2、机械传动的特点 (1) 啮合传动的主要特点 优点：工作可靠、寿命长，传动比准确、传递功率大，效率高（蜗杆传动除外），速度范围广。 缺点：对加工制造安装的精度要求较高。 (2) 摩擦传动的主要特点 优点：工作平稳、噪声低、结构简单、造价低，具有过载保护能力。 缺点：外廓尺寸较大、传动比不准确、传动效率较低、元件寿命较短。 三、机械传动系统的组成及常用部件 1、传动系统的组成 减速或变速装置 起停换向装置 制动装置 安全保护装置 2、常用机械传动部件 1）减速器 减速器是用于减速传动的独立部件，它由刚性箱体、齿轮和蜗杆等传动副及若干附件组成，常用的减速器如图1所示。 2）有级变速装置 ① 交换齿轮变速装置 ② 离合器变速装置 机械传动 定传动比传动 齿轮传动 蜗杆传动 螺旋传动 链传动 带传动 有级变速传动 变传动比传动 无级变速传动 摩擦轮无级变速传动 带式无级变速传动 链式无级变速传动
常用机械传动系统的主要类型和特点 2H310000 机电工程技术 2H311000 机电工程专业技术 2H311010 机械传动与技术测量 ――2H311011 掌握传动系统的组成 一、常用机械传动系统的主要类型和特点 机械传动的作用：传递运动和力； 常用机械传动系统的类型：齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、轮系；带传动、链传动； （一）齿轮传动 1、齿轮传动的分类 （1）分类依据：按主动轴和从动轴在空间的相对位置形成的平面和空间分类 两平行轴之间的传动――平面齿轮传动（直齿圆柱齿轮传动、斜齿圆柱齿轮传动、人字齿轮传动；齿轮齿条传动） 用于两相交轴或交错轴之间的传动――空间齿轮传动（圆锥齿轮传动、螺旋齿轮传动（交错轴）） 用于空间两垂直轴的运动传递――蜗轮蜗杆传动 （2）传动的基本要求： 瞬间角速度之比必须保持不变。 （3）渐开线齿轮的基本尺寸： 齿顶圆、齿根圆、分度圆、模数、齿数、压力角等 2、渐开线齿轮的主要特点： 传动比准确、稳定、高效率； 工作可靠性高，寿命长； 制造精度高，成本高； 不适于远距离传动。
3、应用于工程中的减速器、变速箱等 （二）蜗轮蜗杆传动 1、用于空间垂直轴的运动传递――蜗轮蜗杆传动 2、正确传动的啮合条件――蜗杆的轴向与蜗轮端面参数的相应关系蜗杆轴向模数和轴向压力角分别等于蜗轮端面模数和端面压力角。 3、蜗轮蜗杆传动的主要特点： 传动比大，结构紧凑； 轴向力大、易发热、效率低； 一般只能单项传动。 （三）带传动 1、带传动――适于两轴平行且转向相同的场合。 带传动组成：主动轮、从动轮、张紧轮和环形皮带构成 2、带传动特点： 挠性好，可缓和冲击，吸振； 结构简单、成本低廉； 传动外尺寸较大，带寿命短，效率低； 过载打滑，起保护作用； 传动比不保证。 切记：皮带打滑产生一正一负的作用： 即过载打滑，起保护作用； 打滑使皮带传动的传动比不保证。 （四）链传动 1、链传动――适于两轴平行且转向相同的场合。 链传动组成：主动链轮、从动链轮、环形链构成
142.斩波器调速系统 143.生产机械对调速装置的要求 144.调速范围 145.静差率 146有转速负反馈闭环直流调速系统的组成147.转速反馈 148.转速微分负反馈 149.转速反馈系数 150.电流反馈系数 151.直流电动机静态模型 152.无静差系统 153.有静差系统 154.静特性 155.静特性方程 156.静特性曲线 157.转速降落 158.最大转速 159.额定转速 160.理想空载转速 161.开环放大倍数 162.闭环放大倍数 163.数字调节器 164.可控直流电源静态放大倍数和静态模型164.直流电动机调速原理 166.G-M调速系统 167.有转速反馈直流调速系统静特性 168.有转速反馈直流调速系统静态结构图 169.开环调速系统与闭环调速系统的不同 170.转速负反馈闭环系统静态参试计算 171.晶闸管装置供电转速负反馈单闭环系统的调试
172.电流截止负反馈 173.电流截止负反馈环节 174.电流截止负反馈系统的静态结构图175.带电流截止负反馈闭环系统的静特性176.电流截止环节参数的计算 177.电压负反馈 178.电压负反馈环节 179.电压负反馈闭环系统的静态结构图180.电压负反馈系统的静特性 181.电压负反馈系统静参数计算 182.电流补偿控制 183.电流补偿控制的作用 184.电流补偿控制与转速反馈控制的不同185.前向通道 186.前向通道放大倍数 187.检测反馈元件 188.滤波元件 189.反馈通道 190.反馈通道放大倍数 191.开环前馈补偿 192.给定信号 193.给定元件 194.转速给定信号 195.电流给定信号 196.数字斜波给定 197.扰动信号 198.负载扰动 199.电源电压扰动 200.不可预见扰动 201.跟随性能
第4单元学时数：学时教案目的与要求： 理解运动链的可动性及运动确定性的条件； 能正确计算平面机构的自由度。 教案重点与难点： 重点：平面机构自由度的计算 难点：自由度计算时应注意的特殊结构 教案手段与方式： 课堂讲授， 教案内容： 第一章机械传动系统的运动分析 第三节平面机构的自由度 一、平面机构自由度的计算 二、机构具有确定运动的条件 三、计算平面机构的自由度时应注意的特殊结构 第四节机械传动系统的运动分析实例 第一章机械传动系统的运动分析 第三节平面机构的自由度 一、平面机构自由度的计算 1．平面机构自由度 机构中各构件相对于机架所能有的独立运动的数目。 构件的自由度
两构件用运动副联接后，彼此的相对运动受到某些约束。 低副引入两个约束！（图形见课件） 高副引入一个约束！（图形见课件） 2．机构自由度计算的一般公式 F ＝3n －2P L －P H n —活动构件数；P L —低副数；P H —高副数 例1：计算曲柄滑块机构的自由度（动画见课件） 解：活动构件数n=3 低副数PL=4 高副数PH=0 F ＝3n － 2PL － PH ＝3×3 － 2×4 ＝1 例2：计算五杆铰链机构的自由度 解：活动构件数n ＝4 低副数PL ＝5 F ＝3n － 2PL － PH ＝3×4 － 2×5 ＝2 例3：计算图示凸轮机构的自由度（动画见课件） 解：活动构件数n ＝2 低副数PL ＝2 高副数PH ＝1 F ＝3n － 2PL － PH ＝3×2 － 2×2 －1 ×1 ＝1 F = 3×2 – 2×3= 0 (桁架)F = 3×3 – 2×5 = -1(超静定桁架) 1．机构自由度数2 1．复合铰链 S 3 1 2 3 1 2 3 4 θ1 1 2 3
目录 (2) ................................................ .2 内容................................................. .2 要求................................................. .2 .. (3) (3) (3) (4) (4) (4) (5)
一、课程设计要求 1.设计参数 直流他励电动机：功率Pe ＝145KW ，额定电压Ue=220V ，额定电流Ie=733A,磁极对数P=2，ne=430r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻Ra=Ω,主电路总电阻R ＝Ω，Ks=，电磁时间常数TL=，机电时间常数Tm=，滤波时间常数Ton=Toi=， 过载倍数λ＝，电流给定最大值 8V U im =*，速度给定最大值 10V U n =* 2.设计内容 1）根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构形式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图。 2） 调速系统主电路元部件的确定及其参数计算。 3）驱动控制电路的选型设计。 4）动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR 调节器与ACR 调节器的结构形式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。 5） 绘制V —M 双闭环直流不可逆调速系统电器原理图，并研究参数变化时对直流电动机动态性能的影响。 3.设计要求： 1）该调速系统能进行平滑地速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽地转速调速范围（10D ≥），系统在工作范围内能稳定工作。 2）系统静特性良好，无静差（静差率2S ≤）。
机械传动系统设计 第一节概述 一台机器是由原动机、传动系统、工作机构和操纵控制四个部分组成，在这里只讲传动系统设计。它是将电动机的运动和动力传递给工作机构的中间传动装置，用来实现减速（或增速）、变速、转换运动形式等。 机械传动系统设计的一般程序是： 1．机构选型：根据机器的功能要求，工作机构对动力、传动比或速度变化的要求，以及原动机的工作特性，选择机械传动系统所需的机构类型。 2．拟定传动系统总体布置方案：根据空间位置、运动和动力传递路线及所选传动机构的特点和适用条件，合理拟定传动路线，安排各传动机构的先后顺序，以完成原动机到工作机构之间的传动系统的总体布置方案。 3．选择电动机，确定传动系统的总传动比。 4．总传动比分配：根据传动系统的组成方案，将总传动比合理分配到各级传动机构。 5．传动系统的运动和动力参数计算：机械传动系统的运动和动力参数主要指各级传动比、各轴的转速、转矩、功率等。 6．确定机械传动系统的主要参数和几何尺寸：通过各级传动机构的承载能力计算，确定主要参数。在此基础上，进行传动零件及传动系统主要几何尺寸计算，最后绘制出传动系统运动简图及总装配图。
第二节机械传动系统方案设计 机械传动系统的方案设计是机械设计工作中的一个重要组成部分，是最具创造性的设计环节。正确合理地设计机械传动系统，对提高机械的性能和质量、降低机械的制造成本和使用费用等都是至关重要的。 任何机械其传动系统设计方案都不是唯一的，在相同设计条件下，可以有不同的传动系统方案，最后确定的应是其中最佳方案。 传动系统方案设计首先应满足工作机的工作要求（如功率及转速），另外结构简单紧凑、加工方便、成本低、传动效率高、使用维护方便等特点。见图表2－1和2－2 减速器类型和传动系统方案。 在做课程设计时，如果设计任务书已给定传动方案，表中传动方案设计就不必做了，只要按设计任务书要求选电动机，计算有关参数。 第三节选择电动机 1．选择电动机的类型和结构 电动机的类型很多，常用的Y系列电动机属于一般用途的全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机。由于三相异步电动机具有结构简单、工作可靠、价格便宜、效率高、使用方便等特点，所以现代机器中应用最广泛。 2．选择电动机的容量（功率） 电动机的功率选择是否合适，对电动机的工作和经济性都有影响。 功率小于工作要求则不能保证工作机的正常工作，或使电动机因长期超载运行而过早损坏；功率选得过大，电动机价格过高，传动能力又不能
第十七单元晶闸管直流调速系统 第二节单闭环直流调速系统 一、转速负反馈直流调速系统 转速负反馈直流调速系统得原理如图l7-40所示。 转速负反馈直流调速系统由转速给定、转速调节器ASR、触发器CF、晶闸管变流器U、测速发电机TG等组成。 直流测速发电机输出电压与电动机转速成正比。经分压器分压取出与转速n成正比得转速反馈电压Ufn。 转速给定电压Ugn与Ufn比较,其偏差电压ΔU=Ugn-Ufn送转速调节器ASR输入端。 ASR输出电压作为触发器移相控制电压Uc,从而控制晶闸管变流器输出电压Ud。 本闭环调速系统只有一个转速反馈环,故称为单闭环调速系统。 1.转速负反馈调速系统工作原理及其静特性 设系统在负载T L时,电动机以给定转速n1稳定运行,此时电枢电流为Id1,对应转速反馈电压为Ufn1,晶闸管变流器输出电压为Udl。 当电动机负载T L增加时,电枢电流Id也增加,电枢回路压降增加,电动机转速下降,则Ufn也相应下降, 而转速给定电压Ugn不变,ΔU=Ugn-Ufn增加。 转速调节器ASR输出电压Uc增加,使控制角α减小,晶闸管整流装置输出电压Ud增加,于就是电动机转速便相应自动回升,其调节过程可简述为: T L↑→Id↑→Id(R∑+Rd)↑→n↓→Ufn↓→△U↑→Uc↑→α↓→Ud↑→n↑。 图17-41所示为闭环系统静特性与开环机械特性得关系。
图中①②③④曲线就是不同Ud之下得开环机械特性。 假设当负载电流为Id1时,电动机运行在曲线①机械特性得A点上。 当负载电流增加为Id2时,在开环系统中由于Ugn不变,晶闸管变流器输出电压Ud也不会变,但由于电枢电流Id增加,电枢回路压降增加,电动机转速将由A点沿着曲线①机械特性下降至B’点,转速只能相应下降。 但在闭环系统中有转速反馈装置,转速稍有降落,转速反馈电压Ufn就相应减小,使偏差电压△U增加,通过转速调节器ASR自动调节,提高晶闸管变流器得输出电压Ud0由Ud01变为Ud02,使系统工作在随线②机械特性上,使电动机转速有所回升,最后稳定在曲线②机械特性得B点上。 同理随着负载电流增加为Id3,Id4,经过转速负反馈闭环系统自动调节作用,相应工作在曲线③④机械特性上,稳定在曲线③④机械特性得C,D点上。 将A,B,C,D点连接起来得ABCD直线就就是闭环系统得静特性。 由图可见,静特性得硬度比开环机械特性硬,转速降Δn要小。闭环系统静特性与开环机械特性虽然都表示电动机得转速-电流(或转矩)关系,但两者就是不同得, 闭环静特性就是表示闭环系统电动机转速与电流(或转矩)得静态关系,它只就是闭环系统调节作用得结果,就是在每条机械特性上取一个相应得工作点,只能表示静态关系,不能反映动态过程。 当负载突然增加时,如图所示由Idl突增到Id2时,转速n先从A点沿着①曲线开环机械特性下降,然后随着Ud01升高为Ud02,转速n再回升到B点稳定运行,整个动态过程不就是沿着静特性AB直线变化得。 2.转速负反馈有静差调速系统及其静特性分析 对调速系统来说,转速给定电压不变时,除了上面分析负载变化所引起得电动机转速变化外,还有其她许多扰动会引起电动机转速得变化,例如交流电源电压得变化、电动机励磁电流得变化等,所有这些扰动与负载变化一样都会影响到转速变化。对于转速负反馈调速系统来说,可以被转速检测装置检测出来,再通过闭环反馈控制减小它们对转速得影响。也就就是说在闭环系统中,对包围在系统前向通道中得各种扰动(如负载变化、交流电压波动、电动机励磁电流得变化等)对被调量(如转速)得影响都有强烈得抑制作用。但就是对于转速负反馈调速系统来说,转速给定电压Ugn得波动与测速发电机得励磁变化引起得转速反馈电压Ufn变化,闭环系统对这种给定量与检测装置得扰动将无能为力。为了使系统有较高得调速精度,必须提高转速给定电源与转速检测装置得精度。
2.2 稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性 2 2.2.1 转速控制的要求和稳态调速性能指标 任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。 归纳起来，对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面： 3 1. 调速系统转速控制要求 1）调速——在一定的最高转速和最低转速范围内，有级或无级调节转速； 2）稳速——以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量； 3）加、减速——频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。 4 2. 稳态性能指标 调速范围 稳态性能指标 静差率 5 (1) 调速范围 生产机械要求电动机提供的最高转速n max 和最低转速n min 之比叫做调速范围，用字母D 表示，即 （2-25） min max n n D = 其中n max 和n min 一般都指电动机额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的转速。 eN e T T =6 (2) 静差率 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落Δn N ，与理想空载转速n 0 之比，称作静差率s ，即 N n n s Δ= 用百分数表示 %1000 N ×Δ= n n s （2-26）（2-27） 式中Δn N = n 0 -n N ，显然，s 用于衡量调速系统在负载变化时转速稳定度。
7 T eN T e n 0a n 0b a b ?n Na ?n Nb n 图2-14 不同转速下的静差率 (3) 静差率与机械特性硬度的区别 一般调压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的。 对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。 8 –例如：在1000r/min 时降落10r/min ，只占1%；在100r/min 时同样降落10r/min ，就占10%；如果在只有10r/min 时，再降落 10r/min ，就占100%，这时电动机已经停止转动，转速为0。 因此，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。 调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。 9 3. 调速范围、静差率和额定速降之间的关系 设：电动机额定转速n N 为最高转速，额定负载下转速降落为Δn N ，系统的静差率应该是最低速时的静差率，即 N min N min 0N n n n n n s Δ+Δ= Δ=于是，最低转速为 s n s n s n n N N N min )1(Δ?=Δ?Δ= 10 而调速范围为 min N min max n n n n D == 将上面的式代入n min ，得 ) 1(N N s n s n D ?Δ= （2-28） 该式表示调压调速系统的调速范围D 、静差率s 和额定速降Δn 之间所应满足的关系。对于同一个调速系统，Δn N 值一定，如果对静差率s 要求越严，即要求s 值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。 11 ?结论1 一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。 12 例题2-1 某直流调速系统电动机额定转速为n N =1430r/min ，额定速降Δn N =115r/min ，(1)如果要求s ≤30%，则D =？(2)如果要求s ≤20%，则D =？(3)如果要求D =10，则s =？ 额定负载下最高转速
常用机械传动系统的基础知识（一） 机械传动的作用是传递运动和力，常用的机械传动类型有齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、带传动、链传动、轮系。 1．齿轮传动：齿轮传动的原理是依靠主动轮依次拨动从动轮来实现的。 （1）分类： A、按传动时相对运动为平面运动或空间运动分：①平面齿轮传动（常见的有直齿圆柱齿轮传动、斜齿圆柱齿轮传动、人字齿轮传动，根据齿向，还分为外啮合、内啮合及齿轮与齿条的啮合）②空间齿轮传动（圆锥齿轮传动、交错轴齿轮传动）。 B、按齿轮传动的工作条件分：闭式传动（封闭在刚性的箱体内）、开式传动（齿轮是外露的）。 （2）特点：优点：①适用的圆周速度和功率范围广 ②传动比准确、稳定、效率高。 ③工作可靠性高、寿命长。 ④可实现平行轴、任意角相交轴和任意角交错轴之间的传动 缺点：①要求较高的制造和安装精度、成本较高。 ②不适宜远距离两轴之间的传动。
（3）渐开线标准齿轮基本尺寸的名称有：①齿顶圆②齿根圆③分度圆④摸数⑤压力角等。 （4）轮齿失效形式有以下五种：轮齿折断、齿面点蚀、齿面胶合、齿面磨损、齿面塑性变形。 2．蜗轮蜗杆传动： 适用于空间垂直而不相交的两轴间的运动和动力。 （1）分类：A、根据蜗杆螺旋面分为阿基米德螺旋面蜗杆、渐开线螺旋面蜗杆、延伸渐开线螺旋面蜗杆；B、根据蜗杆螺旋线的头数分为单头、双头、多头蜗杆；C、根据螺旋线的旋转方向分为左旋和右旋两种。 （2）特点：优点①传动比大。②结构尺寸紧凑。 缺点①轴向力大、易发热、效率低。②只能单向传动。 （3）涡轮涡杆传动的主要参数有：①模数②压力角③蜗轮分度圆④蜗杆分度圆⑤导程⑥蜗轮齿数⑦蜗杆头数⑧传动比等。 （4）蜗杆蜗轮传动正确啮合的条件是蜗杆轴向模数和轴向压力角应分别等于蜗轮的端面模数和端面压力角。 3．带传动： 通过中间挠性件（带）传递运动和力，包括①主动轮②从动轮③环形带
双闭环直流调速系统电路原理 随着调速系统的不断发展和应用，传统的采用 PI 调节器的单闭环调速系统既能实现转速的无静差调节，又能较快的动态响应只能满足一般生产机械的调速要求。为了提高生产率，要求尽量缩短起动、制动、反转过渡过程的时间，最好的办法是在过渡过程中始终保持电流（即动态转矩）为允许的最大值，使系统尽最大可能加速起动，达到稳态转速后，又让电流立即降低，进入转矩与负载相平衡的稳态运行。要实现上述要求，其唯一的途径就是采用电流负反馈控制方法，即采用速度、电流双闭环的调速系统来实现。在电流控制回路中设置一个调节器，专门用于调节电流量，从而在调速系统中设置了转速和电流两个调节器，形成转速、电流双闭环调速控制。双闭环调速控制系统中采用了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实现串级连接。 图1－1.1为转速、电流双闭环直流调速系统的原理图。图中两个调节器ASR 和ACR分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。电流环在内，称之为内环；转速环在外，称之为外环。 两个调节器输出都带有限幅，ASR的输出限幅什U im决定了电流调节器ACR的给定电压最大值U im，对就电机的最大电流；电流调节器ACR输出限幅电压U cm限制了整流器输出最大电压值，限最小触发角α。
1.6.1ADC0809的引脚及其功能 ADC0809有28个引脚，其中IN0---IN7接8路模拟量输入。ALE是地址锁 存允许， + REF V、- REF V接基准电源，在精度要求不太高的情况下，供电电源就可以作为基准电源。START是芯片的启动引脚，其上脉冲的下降沿起动一次新的A/D 转换。EOC是转换结束信号，可以用于向单片机申请中断或者供单片机查询。OE是输出允许端。CLK是时钟端。DB0---DB7是数字量的输出。ADDA、ADDB、ADDC接地址线用以选定8路输入中的一路，详见下图。 ADDC ADDB ADDA 选通输入通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3
控制系统时域与频域性能指标的联系 经典控制理论中，系统分析与校正方法一般有时域法、复域法、频域法。时域响应法是一种直接法，它以传递函数为系统的数学模型，以拉氏变换为数学工具，直接可以求出变量的解析解。这种方法虽然直观，分析时域性能十分有用，但是方法的应用需要两个前提，一是必须已知控制系统的闭环传递函数，另外系统的阶次不能很高。 如果系统的开环传递函数未知，或者系统的阶次较高，就需采用频域分析法。频域分析法不仅是一种通过开环传递函数研究系统闭环传递函数性能的分析方法，而且当系统的数学模型未知时，还可以通过实验的方法建立。此外，大量丰富的图形方法使得频域分析法分析高阶系统时，分析的复杂性并不随阶次的增加而显著增加。 在进行控制系统分析时，可以根据实际情况，针对不同数学模型选用最简洁、最合适的方法，从而使用相应的分析方法，达到预期的实验目的。 系统的时域性能指标与频域性能指标有着很大的关系，研究其内在联系在工程中有着很大的意义。 一、系统的时域性能指标 延迟时间t d 阶跃响应第一次达到终值h (∞)的50%所需的时间 上升时间 t r 阶跃响应从终值的10%上升到终值的90%所需的时间；对有振荡的系 统，也可定义为从0到第一次达到终值所需的时间 峰值时间t p 阶跃响应越过终值h (∞)达到第一个峰值所需的时间 调节时间 t s 阶跃响应到达并保持在终值h (∞)的±5%误差带内所需的最短时间 超调量%σ 峰值h( t p )超出终值h (∞)的百分比，即 %σ= () ()() ∞∞-h h h t p ?100% 二、系统频率特性的性能指标 采用频域方法进行线性控制系统设计时，时域内采用的诸如超调量，调整时间等描述系统性能的指标不能直接使用，需要在频域内定义频域性能指标。
直流调速系统的调速原理 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广范围内平滑调速，所以由晶闸管—直流电动机(V —M)组成的直流调速系统是目前应用较普遍的一种电力传动自动化控制系统。它在理论上实践上都比较成熟，而且从闭环控制的角度看，它又是交流调速系统的基础[1，6]。 从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统（伺服系统）、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此，调速系统是最基本的电力拖动控制系统。直流电动机的转速和其它参量的关系和用式（2—1）表示 Φ-= e K IR U n （2—1） 式中 n ——电动机转速； U ——电枢供电电压； I ——电枢电流； R ——电枢回路总电阻，单位为Ω e K ——由电机机构决定的电势系数。 在上式中， e K 是常数，电流I 是由负载决定的，因此，调节电动机的转速可以有三种方法： （1）调节电枢供电电压U ； （2） 减弱励磁磁通Φ； （3） 改变电枢回路电阻R 。 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最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱励磁磁通虽然能够平滑调速，但调速的范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上做小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以改变电压调速为主。 双闭环调速的工作过程和原理 双闭环调速系统的工作过程和原理: 电动机在启动阶段,电动机的实际转速(电压)低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号,经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器, 此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值, 电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电流(堵转电流)可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。在电动机转速上升到给定转速后, 速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动,速度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压,使整流桥输出的直流电压相应变化,从而校正和补偿电动机的转速偏差。另外电流调节器的小时间常数, 还能够对因电网波动引起的电动机电枢电流的变化进行快速调节,可以在电动机转速还未来得及发生改变时,迅速
第六章系统的性能指标与校正 本章目录 6.1 控制系统设计的基本思路 6.2 串联校正装置的结构与特性 6.3 基于频率法的串联校正设计 6.4 基于根轨迹的串联校正设计 小结 本章简介 在本书第一章，曾指出控制理论学习的两大任务是系统的分析和系统的设计。在第二章到第五章，我们从时域和频域两个角度分析了控制系统的稳定性、相对稳定性和及其性能指标。本章考虑如何根据系统的要求或预定的性能指标对控制系统进行分析。 一个控制系统一般可分解为被控环节、控制器环节和反馈环节三个部分，其中被控部分和反馈部分一般是根据实际对象而建立的模型，不可变的，因此根据要求对控制器进行设计是控制系统设计的主要任务。同时需要指出，由于系统设计的目的也是对系统性能的校正，因此控制器（又称补偿器或调节器）的设计有时又称控制系统的校正。 本章内容包括了无源控制器设计、有源控制器设计（PID控制器）两个内容，重点介绍控制器的结构、校正原理和设计方法。 6.1 控制系统设计的基本思路
一般的控制系统均可表示为如图6－1的形式， 是控制系统的不可变部分，即被控对象， 为反馈环节。未校正前，系统不一定能达到理想的控 制要求，因此有必要根据希望的性能要求进行重新设 计。在进行系统设计时，应考虑如下几个方面的问题： （1）综合考虑控制系统的经济指标和技术指标，这 是在系统设计中必须要考虑的。 （2）控制系统结构的选择。对单输入、单输出系统，一般有四种结构可供选择：前馈校正、串联校正、反馈校正和复合校正，其框图如图6－2。考虑到串联校正比较经 济，易于实现，且设计简单，在实际应用中大多采用此校正方法，因此本章只讨论 串联校正，典型的校正装置有超前校正、滞后校正、滞后－超前校正和PID校正等 装置。 （3）控制器或校正装置的选择。校正装置的物理器件可以有电气的、机械的、液压的和气动的等形式，选择的一般原则是根据系统本身结构的特点、信号的性质和设计 者的经验，并综合经济指标和技术指标进行选择。本书我们以电气校正装置作为控 制器，详述有源和无源装置的工作原理和设计方法。其思想方法同样适用于其它类 型的校正装置设计。 （4）校正手段或校正方法的选择。究竟采用时域还是频域方法，须根据控制系统性能指标的表达方式选择。控制系统的性能指标通常包括动态和静态两个方面。动态性 能指标用于反应控制系统的瞬态响应情况，它一般可用时域性能指标和频域指标两 个方面：1）时域性能指标：调整时间、上升时间、峰值时间和最大超调量 等；2）频域性能指标：开环指标包括相位裕量、增益裕量；闭环指标包括谐 振峰值、谐振频率和频带宽度等。 在进行系统设计时，若所使用的指标是时域指标，则一般宜用根轨迹法进行设计，使闭环系统的极点重新配置；若所使用的指标是频域指标，宜用频率法（如伯德图或极坐标）进行设计。 最后需要指出，由于电子技术和计算机技术的发展，目前实际系统中大量采用的控制器是有源校正装置，如典型的PID调节器，但正如下文大家将看到的，无源校正与有源校正尽管组成形式有差别，但它们的工作原理是相同的。
直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多 需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来 看，直流调速还是交流拖动系统的基础。该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终 消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转 速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负 载电流。并通过 Simulink 进行系统的数学建模和系统仿真，分析双闭环直流调速 系统的特性。 自 70 年代以来，国外在电气传动领域内，大量地采用了“晶闸管直流电动机调速”技术（简称 KZ—D 调速系统），尽管当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中 KZ—D系统的应用还是占有相当的比重。在工程设计与理论学习过程中，会接触到大量关于调速控制系统的分析、综合与设计问题。传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有 各自优点的同时也存在着不同的局限性。双闭环（电流环、转速环）调速系统是一 种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能 力强等优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环 的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和 PI 调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对 系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止至负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保
题目： 机械传动系统概述: （1）机械传动系统类型及特点; （2）机械传动系统典型应用简介(不少于3个); （3）机械传动系统新技术简介(不少于3个). 答:（1）机械传动系统类型及特点 1）带传动：利用张紧在带轮上的柔性带进行运动或动力传递的一种机械传动。其特点有： 优点：传动平稳、结构简单、成本低、使用维护方便、有良好的挠性和弹性、过载打滑 缺点：传动比不准确、带寿命低、轴上载荷较大、传动装置外部尺寸大、效率低。 因此，带传动常适用于大中心距、中小功率、带速v=5～25m/s，i≤7的情况 2）链传动：通过链条将具有特殊齿形的主动链轮的运动和动力传递到具有特殊齿形的从动链轮的一种传动方式。 特点与带传动相比，链传动没有弹性滑动和打滑，能保持准确的平均传动比；需要的张紧力小，作用于轴的压力也小，可减少轴承的摩擦损失；结构紧凑；能在温度较高、有油污等恶劣环境条件下工作。 与齿轮传动相比，链传动的制造和安装精度要求较低；中心距较大时其传动结构简单。瞬时链速和瞬时传动比不是常数，因此传动平稳性较差，工作中有一定的冲击和噪声。 链传动平均传动比准确,传动效率高，轴间距离适应范围较大，能在温度较高、湿度较大的环境中使用；但链传动一般只能用作平行轴间传动，且其瞬时传动比波动，传动噪声较大。由于链节是刚性的，因而存在多边形效应（即运动不均匀性），这种运动特性使链传动的瞬时传动比变化并引起附加动载荷和振动，在选用链传动参数时须加以考虑。链传动广泛用于交通运输、农业、轻工、矿山、石油化工和机床工业等。 3）齿轮传动：利用特定齿形的链板与链轮相啮合来实现传动的。
齿轮传动的特点是：齿轮传动平稳，传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大。例如传递功率可以从很小至几十万千瓦；速度最高可达300m/s；齿轮直径可以从几毫米至二十多米。但是制造齿轮需要有专门的设备，啮合传动会产生噪声。 4）蜗杆传动：由蜗杆和蜗轮组成，一般蜗杆为主动件。蜗杆和螺纹一样有右旋和左旋之分，分别称为右旋蜗杆和左旋蜗杆。蜗杆上只有一条螺旋线的称为单头蜗杆，即蜗杆转一周，蜗轮转过一齿，若蜗杆上有两条螺旋线，就称为双头蜗杆，即蜗杆转一周，蜗轮转过两个齿。 蜗杆传动特点： 传动比大，结构紧凑。蜗杆头数用Z1表示（一般Z1=1~4），蜗轮齿数用Z2表示。从传动比公式I=Z2/Z1可以看出，当Z1=1，即蜗杆为单头，蜗杆须转Z2转蜗轮才转一转，因而可得到很大传动比，一般在动力传动中，取传动比I=10-80；在分度机构中，I可达1000。这样大的传动比如用齿轮传动，则需要采取多级传动才行，所以蜗杆传动结构紧凑，体积小、重量轻。 传动平稳，无噪音。因为蜗杆齿是连续不间断的螺旋齿，它与蜗轮齿啮合时是连续不断的，蜗杆齿没有进入和退出啮合的过程，因此工作平稳，冲击、震动、噪音小。 具有自锁性。蜗杆的螺旋升角很小时，蜗杆只能带动蜗轮传动，而蜗轮不能带动蜗杆转动。 蜗杆传动效率低，一般认为蜗杆传动效率比齿轮传动低。尤其是具有自锁性的蜗杆传动，其效率在0.5以下，一般效率只有0.7～0.9。 发热量大，齿面容易磨损，成本高。 5）轮系、减速器及机械无级变速传动： 可获得大的传动比； 实现分路传动； 实现变速与换向传动； 实现连续，不停车，平稳变速。 6）螺旋传动：利用螺旋副来传递运动和力的一种运动，可以方便地把主动件的回转运动变成从动件的直线运动。其特点有：结构简单，工作连续，传动平
双闭环直流调速系统特性与原理
摘要 直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。并通过Simulink进行系统的数学建模和系统仿真，分析双闭环直流调速系统的特性。 自70年代以来，国外在电气传动领域内，大量地采用了“晶闸管直流电动机调速”技术（简称KZ—D调速系统），尽管当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中KZ—D系统的应用还是占有相当的比重。在工程设计与理论学习过程中，会接触到大量关于调速控制系统的分析、综合与设计问题。传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。双闭环（电流环、转速环）调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速