课题八调速装置
目的要求：
1．了解调速器的作用、分类。
2．掌握机械调速器的结构和工作原理。
3．掌握调速器的静态、动态性能指标。
4．熟悉液压调速器、电子调速器的工作原理。
5．熟悉液压调速器的典型结构。
6．掌握液压调速器的调节。
重点难点：
1．调速器的静态、动态性能指标。
2．液压调速器稳定调速率的调节。
教学时数：4学时
教学方法：多媒体讲授
课外思考题：
1．按调速范围可将调速器分成几种？简述其调速特点及应用场合？
2．为什么船舶发电柴油机必须装定速调速器？
3．调速器中的哪些参数反映灵敏性、稳定性、准确性？
4．调速器的动态性能指标与静态性能指标是什么？我国有关规定对它们有什么具体要求？
5．什么叫调速器标定工况的稳定调速率δ2？它的作用是什么？
6．试述Woodward UG-8型液压调速器面板上四个旋钮的名称及作用是什么？
7．什么叫电子调速器？与普通的调速器相比有哪些优点？
课题八调速装置
第一节柴油机转速的调节
一、调速器的作用
柴油机的不同转速是通过改变每一循环的喷油量获得的。在一定的外界负荷条件下，供给柴油机一定燃油量，使柴油机发出的功率与外界负荷相平衡，柴油机就在某一转速下稳定运行。
船用柴油机的外界负荷是经常变动的，欲使柴油机的功率与新的外界负荷相适应，就应及时改变喷油量。为了使柴油机在选定的转速下稳定运行，必须装有专门的调速装置─一调速器，通过它自动地改变柴油机喷油泵的喷油量，以适应外界负荷的变化。
发电柴油机要求在外界负荷（用电量）变化时能保持恒定的转速，以保证发电机输出的电压和频率恒定，满足并车及供电需要。所以发电柴油机必须装设定速调速器，确保外界负荷变化时，柴油机的转速基本不变。
用作船舶推进的柴油机，受装载、风力、波浪及水流等影响，外负荷（船舶阻力）会忽大忽小。但为了保证主机在特殊航行条件下（风浪中螺旋桨露出水面、断轴、掉桨）的安全，根据我国有关规定必须装“极限调速器”（简称限速器），当主机转速增至115％标定转速时自动切断燃油供给。另外，为了避免海况变化造成的主机转速上下波动，提高柴油机的工作可靠性和工作寿命，通常都在主机上装设“全制式调速器”，使转速不随外界负荷变化而产生波动。
二、调速器的分类
1．接转速调节范围分类
（1）极限调速器（限速器）
（2）定速调速器（单制式调速器）
（3）双制式调速器
（4）全制式调速器
2．按作用原理分类
（1）机械调速器（直接作用式）：它直接利用飞铁（飞重）产生的离心力与调速弹簧张力之间的不平衡力去移动油量调节机构来稳定柴油机的转速。其结构简单、工作可靠、维修方便，广泛用于中、小型柴油机。其缺点是工作能力较小，不能实现恒速调节。
（2）液压调速器（间接作用式）：它利用飞铁产生的离心力与调速弹簧张力之间的不平衡力去操纵液压伺服器（油压放大器），利用液压作用产生更大的动力去移动油量调节机构来调节柴油机的转速。液压调速器转速调节范围广、调节精度高、稳定性好、通用性强，但其结构复杂、调试及维护所要求的技术较高，它广泛用于大、中型柴油机。
（3）电子调速器：信号监测或执行机构采用电气方式的调速器称电子调速器。
三、超速保护装置
此种超速保护装置是一种运转安全装置，它与调速器不同，它只能限制柴油机转速，本身无调速特性，在柴油机正常运转范围内不起作用，只在柴油机转速达到规定限值时才发生动作
使柴油机立即停车或降速。按规定，超速保护装置必须与调速器分开设立而独立工作，无论柴油机的操纵机构处于什么状态，该装置的保护性动作必须迅速而准确。
第二节机械式调速器
一、机械式调速器的结构和工作原理（图8-1）
图8-1 机械式调速器原理图
柴油机运转时，飞铁座架和转轴一同旋转，飞铁便产生离心力，通过推脚向上作用在滑动套筒下端，滑套的上端受调速弹簧向下的张力作用。当柴油机发出的功率与外界负荷刚好平衡时，其转速稳定，飞铁的离心力与弹簧张力相等，柴油处于稳定运转。
若外界负荷减小，则柴油机发出的功率会大于外界负荷而使转速增加，这时飞铁离心力将大于弹簧的预紧力而使滑动套筒上移，通过直角形杠杆迫使油量调节机构向减油方向（右）移动（图中虚线所示）。随着喷油量减少，柴油机转速便下降，飞铁离心力也减小了，直到其离心力与调速弹簧张力又平衡为止，此时柴油机又重新稳定运行。从图中虚线可以看出，新的滑动套筒位置稍高于原来位置，调速弹簧又稍被压缩。说明：外负荷减小后，在新的稳定位置，飞铁的离心力比原先的大，经调速器自动调速后的转速比原来稍高，出现“转速差”。这是机械式调速器所固有的特性，是避免不了的。
同理，当外界负荷增加时，调速器的动作与上述相反，飞铁离心力与弹簧作用力在彼此都减小的情况下重新稳定的转速比原转速稍低。
另外，若想提高柴油机的转速，可以将调整螺钉向下旋动，加大调速弹簧5的张力，使油量调节机构左移加油。同理也可通过调整螺钉降低柴油机的转速。
二、调速器的性能指标（图8-2）
1．调速器的静态指标
1）稳定调速率δ 2
调速器标定工况下的稳定调速率δ2是根据标定工况突卸全部负载求得的。它是指当操纵手柄在标定供油位置不变，柴油机在标定工况稳定运行时突卸全部负载，调速器起作用使柴油机重新稳定运行后，其最高空载转速（空车稳定转速）n 0max 与标定转速n b 之差同标定转速n b 比值的百分比，即
稳定调速率δ2用来衡量调速器的准确性。调速器存在调速率（也称速度降）说明当外界负荷变化时，柴油机的转速会有少量波动，其值较小就表示准确性好；如果δ2过大，不仅对被带动的工作设备的稳定工作不利，即便对空转时柴油机零件的磨损也是有害的。
稳定调速率的大小应根据柴油机的用途和要求而定，我国海船建造规范规定，船用主机调速器的稳定调速率应不超过10％，船用发电柴油机调速器的稳定调速率应不超过5％。对于单台柴油机允许δ2＝0，它表示柴油机的转速不会随外界负荷变化而保持恒速运转。但在几台柴油机并联工作时，为了按比例均衡分配负载，各柴油机的稳定调速率δ2必须相等且不为零。
图8-2 突卸、突增负载时转速调节过渡过程
2）转速波动率Φ或转速变化率?
柴油机在稳定运转时，转速也会产生微小的波动，转速的变化程度可用“转速波动率Φ”或“转速变化率?”来评价，两者定义不同，均用来衡量调速器的稳定性。一般让柴油机在某转速稳定运行15min ，测定其间的转速波动情况。
转速波动率Φ表征稳定工况下转速波动的大小，转速变化率?表征其转速变化的大小。为保证柴油机可靠运转，一般规定在标定工况时，Ф≤0.25％～0.5％，?≤0.5％～1％。如果超过规定范围，就表示调速系统的工作不正常。
%100max 02?-=b
b n n n δ%100)(min max ?-=Φm
m c c n n n n %100min max ?-=
m c c n n n ?
3）不灵敏度ε
调速器在工作时，因为调速器内的运动元件之间存在摩擦阻力，从调速器到喷油泵之间的传动件（拉杆、杠杆、销轴等）之间有间隙，各零件运动时有摩擦阻力和惯性力。因此当柴油机外界负荷有点变化并引起转速微量增加或减少时，调速器不会立即作出反应去改变供油量，而要到转速变化量足够大时，调速器才开始起到喷油量的调节作用。这种现象称为调速器的不灵敏性，通常用不灵敏度ε来表示不灵敏性的大小：
不灵敏度过大会引起柴油机转速不稳定，严重时会导致调速器失去作用，甚至产生飞车事故。不灵敏度ε随柴油机转速高低会有差异，当柴油机转速较低时，因调速器预紧力较小，产生张力也小，而传动机构的阻力却反而增大，造成不灵敏度加大。
一般规定在标定转速时ε≤1.5％～2％，在最低稳定转速时ε≤10％～13％。
2．调速器的动态指标
由一个平衡转速过渡到另一个平衡转速之间所反应的调速系统的特性，称为调速器的动态特性，用作评定调速系统调节过渡过程性能的动态指示，通常采用下列二项。
1）瞬时调速率1δ
根据试验时负荷的突卸与突加，可分为突卸负荷瞬时调速率+1δ和突加负荷瞬时调速率_1δ两种。
①突卸负荷瞬时调速率+1δ：指柴油机先在标定工况下稳定运行，然后突然卸去全部负荷，测定转速随时间的变化关系。
②突加负荷瞬时调速率_1δ：与突卸负荷情况相似，当柴油机在最高空载转速n max 下稳定
运转时，突加全部负荷，转速也会突然下降，最低瞬时转速为n min ，再经几次收敛性的波动后，才会稳定在标定转速n b 运行。
船用主机一般要求1δ≤10％～12％，对船用发电柴油机要求1δ≤10％。
2）稳定时间t s
%10012?-=m
n n n ε%100max 0min 1?-=-b
n n n δ%100max 1?-=+b
b n n n δ
过渡过程的稳定时间是指突卸（或突加）全负荷后，转速开始波动到转速达到新的稳定范围（指转速波动率Ф不大于规定值）为止的时间，表明消除过渡过程中波动现象的快慢，以秒计。
稳定时间t s越短，说明转速消除得快，调速器的稳定性越好。t s一般限制在5s～10s，对于船用柴油发电机，要求t s≤5s。
一个好的调速系统，其调速过程应满足三个条件：一是过渡过程的转速波动是收敛的，即转速波动的幅度随时间增长而减小；二是过渡中转速瞬时波动的幅度不应过大，以免柴油机超速而影响其可靠性；三是过渡时间不应过长，转速应迅速达到稳定。
第三节液压调速器
对于大功率柴油机，移动油量调节机构需要较大的力，为此在感应元件和油量调节机构之间插入一个液压放大元件（液压伺服器），利用放大了的动力去拉动油量调节机构；为了改善调节性能，在感应元件和驱动机构之间还设有“反馈装置”。
一、液压调速器的工作原理
1．无反馈简单的液压调速器（图8-3）
在稳定运行时，飞重3的离心力和调速弹簧4的张力平衡，滑阀7处于图示位置，正好切断伺服器油缸的工作通路，齿轮油泵8产生的压力油经溢流阀9回流。
当外负荷减小时，柴油机转速增高，飞重3的离心力增加，推动速度杆2右移，于是摇杆5以A点为中心逆时针摆动，使节点B带动滑阀7右移，控制孔打开，压力油进入油缸6的右腔；同时油缸6的左腔与低压油路相通，在压差作用下，伺服活塞带动油泵齿条10左移，减少供油，使柴油机转速回降至原来转速。速度杆2和滑阀7又回到原来平衡（中央）位置，切断伺服油缸的工作油通路。此时，动力活塞停止在新的位置，调节过程结束。
当外负荷增加时，柴油机转速降低，调节过程按相反方向进行。
这种无反馈装置的简单调速器，在调速过程中，由于惯性使滑阀和动力活塞的运动总是滞后于发动机转速的变化，因而其油量的增减不可能根据负荷的变化而做到“适可而止”，调节总是位移过度，而又总是企图维持原速，最终使转速连续波动而不能稳定工作，甚至有可能发生急剧波动而根本不能工作。
图8-3 无反馈简单的液压调速器工作原理图图8-4 刚性反馈液压调速器简图
2．刚性反馈液压调速器（图8-4）
要想使液压调速器能稳定调节，在调速器中还要加一个“反馈机构”（又称补偿装置），其作用是：在伺服活塞移动的同时，对滑阀产生一个反作用，使其向平衡位置方向移动，防止油量调节过度，使增减油“适可而止”，提高调速系统的稳定性。
与前述无反馈的简单液压调速器不同的是杠杆AC上端A不安装在固定的铰链L，而是改为用销轴与伺服活塞3的活塞杆相连。这样动力活塞的位移就通过杠杆反馈至滑阀6上，反馈环节采用机械连接，故称为“刚性反馈”。
但是这种调速器调速终了时，滑阀回到原位，伺服活塞（连同油量调节杆）移到了一个新的平衡位置，故A点已不在原位而随着外负荷大小而变动。与滑阀6相连的B点在任何稳定工况下均回到原来位置，因而C点就稳定在新的位置，此时调速弹簧的新张力就不同于原来的张力，故柴油机不能回复到原有的转速。从图8-4的情况分析可知：当外负荷减小时（弹簧又稍被压缩），新的稳定转速将比原来转速升高；反之当外负荷增加时，新的稳定转速将比原速稍有降低。其结论是：刚性反馈液压调速器不能实现“无差调速”，其稳定调速率δ2不能为零。
3．弹性反馈液压调速器（图8-5，P203）
这种反馈形式是在刚性反馈的基础上增
加了一个弹性环节，它由缓冲器5、补偿活塞
6、补偿弹簧
7、节流针阀8组成。缓冲器油
缸内充满了工作油，左右两空间通过管道及针
阀8接通。当缸体5受力后左右移动时，缸内
液体从一空间经针阀流到另一空间，由于针阀
的节流使活塞6的移动比缸体5的移动滞后，
起到缓冲作用。
由于被压缩的补偿弹簧7有弹性复原的
功能，使A点带动补偿活塞6在缓冲器油缸内
向右移动，回到原来位置，补偿活塞右方油缸
中的油经节流针阀8回流至左方，最后弹簧7及杠杆AC均恢复到原来位置，使速度杆也回到起始位置。这样，调速过程结束后的发动机转速能保持原速不变，稳定调速率δ2可以为零。
4．双反馈液压调速器（图8-6）
当柴油机并车运行时，除了要求调速器应有良好的稳定性外，还应按正确的比例分配各机承担的负荷。由此，调速器应具有弹性反馈机构以保证调节稳定性；同时还应具有刚性反馈机构以使调节过程中具有一定的稳定调速率，保证各机按比例分配负荷。图中刚性反馈杠杆EFG和弹性反馈机构（缓冲器K、补偿弹簧S、节图8-5 弹性反馈液压调速器原理图
图8-6 双反馈液压调速器简图
流针阀C）由动力活塞杆带动。当外界负荷降低，柴油机转速升高时，飞重向外飞开，带动杠杆AB以A点为支点逆时针转动，使滑阀杆D上移，工作压力油进入伺服器动力活塞的下方而由其上方泄回低压空间。由此，动力活塞上行减油。一方面使刚性反馈杠杆EFG绕G点顺时针转动，由F点增加弹簧预紧力，使其稳定后转速较原转速稍有提高（即δ2＞0）；另一方面通过弹性反馈机构保证恒速稳定调节。通常在这种双反馈调速器中，可通过弹性反馈中节流针阀的开度大小调节其稳定性。通过刚性反馈EFG的两臂比例调节稳定调速率的大小，如使F与G 重合，则δ2＝0。
这种调速器具有广阔的转速调节范围，且稳定性好，调节精度高，灵敏度高，在船用柴油机中得到了广泛使用。
二、液压调速器的典型结构
船用柴油机使用的液压调速器大多为双反馈全制式。其中以 Woodward UG和 Woodward PGA型液压调速器应用最普遍。其UG型分为杠杆式（The lever option）和表盘式（The dial option）两种；PGA型为气动遥控式，多用于遥控主机。
1．Woodward UG8表盘式液压调速器
在其正面的表盘上有四个旋钮：调速旋钮、静速差旋钮、负荷限制旋钮、转速指示器。它的结构原理如图8-8所示。
图8-8 UG-8电表盘式液压调速器原理图
当柴油机在某一负荷下稳定运转时，飞重39的离心力与调速弹簧8的预紧力相平衡，滑阀38处于图示中间位置将控制孔27封闭，使动力活塞23下方空间封闭。由此动力活塞固定不动，输出轴12和油量调节杆13等均固定在某一位置，使柴油机有一个相应于外负荷的供油量。柴油机在由弹簧8所设定的转速下稳定运转。
当柴油机负荷增大时，转速下降，这时飞重的离心力小于调速弹簧的弹力，使飞重向内收拢，调速弹簧推动调速杆38向下移动，使浮动杆35以右端C为支点向下摆动，推动滑阀36下移并打开套筒上的控制孔27，让高压油进入动力活塞23的下腔。由于动力活塞下部面积为上部面积的两倍，即为差动式，高压油向上的作用力大于向下的作用力，使动力活塞向上移动，带动输出轴12朝加油方向（逆时针方向）旋转，使柴油机供油量增加，转速回升。当动力活塞上移转动输出轴12的同时，使反馈杠杆45左端上移，右端下移，带动大反馈活塞33下移，压缩反馈油路中的滑油，迫使一部分滑油从补偿针阀31的小孔流出。由于针阀的节流作用，反馈油路中的油压仍有上升，克服反馈弹簧29的弹力，使小反馈活塞30上移。这时浮动杆35以左端A点为支点逆时针转动，带动滑阀36上移，使其提前返回原来的平衡位置，重新封闭控制孔27，切断压力油，使动力活塞23停止加油。此后，由于反馈弹簧29的作用，使小反馈活塞30逐渐下移复位，多余的滑油经针阀31排出。此下移速度与调速杆38的上行速度相适应，使滑阀36处在中央位置不动，柴油机恒速转动。这一恒速反馈机构的作用是防止调速器加油过量。此时，飞重39、调速杆38、滑阀36和小反馈活塞30回到原先的平衡位置，而动力活塞23、输出轴12和大反馈活塞33就停在对应于负荷增加后所需的供油量位置上，柴油机在原先的转速下稳定运转，获得新的平衡。这样实现了恒速反馈调节。为了保证调速过程有一定的静态速差，即调速器具有一定的稳定调速率δ2，调速器中设有静速差机构（即刚性反馈机构）。当外负荷增加时，输出轴12向加油方向（逆时针）转动的同时，静速差杆7绕支持销6也按逆时针方向转动，其右端上移，调速齿轮44和中心螺杆随即一起上移，并将调速弹簧8稍微放松。由于调速弹簧的预紧力减少了，要使飞重、滑阀回复原来位置就必须降低柴油机的转速，即存在所谓“静速差”。也就是当负荷增加时，使柴油机在稍低于原来的转速下运转。反之，当负荷减小时，则稍高于原来转速。
当柴油机负荷减小时，调速器的调节过程与上述相反。
2．Woodward PGA调速器
PGA调速器是由原PG型调速器与遥控气动速度设定机构组合而成的一种调速器。它是一种双反馈、气动速度设定的全制式液压调速器。它的速度降仍由刚性反馈机构实现，而弹性反馈机构改用一种阻尼补偿系统（由阻尼活塞、弹簧和针阀组成）。
1）调速器主体部分
当柴油机的输出功率与外负荷平衡时，柴油机以恒速运转，此时飞重30产生的离心力与调速弹簧29的预紧力平衡，飞重处于图示垂直位置，滑阀柱塞8的控制环带6封闭套筒9上通向阻尼活塞12左方的油路，伺服油缸17内的动力活塞固定不动，输出轴16固定。柴油机稳定恒速运转。
当柴油机的外负荷增大时，柴油机转速下降，飞重产生的离心力减小，滑阀柱塞8下行。
其控制环带6开启通向阻尼活塞12左方的油路，压力油进入阻尼活塞左侧并推动它向右移动，并将右侧的油压入伺服油缸17内动力活塞的下部，推动动力活塞上行，加大油门使柴油机加速。与此同时阻尼活塞12左右两侧的油压同时作用在位于滑阀上部的补偿环带7的两侧，且作用在下侧的油压大于上侧油压，产生向上的补偿力，使滑阀8上移提前复位，即由补偿力产生负反馈作用。由此，滑阀8可在柴油机转速达到原转速之前提前回复至中央位置，关闭控制孔，避免了因调速系统的惯性而形成的过分加油。在此后柴油机的加速过程中，此补偿力将由阻尼活塞的缓慢左移复位而通过补偿针阀进行调节，使之逐渐减小。如果补偿针阀开度适当，则可使此补偿力的减小速度与飞重离心力的增加速率相同，使滑阀在中央位置不动。最后当转速恢复至原设定转速稳定运转时，补偿力消失，飞重回复至垂直位置，滑阀与阻尼活塞均回复到原中央位置，而动力活塞稳定在新的位置上，柴油机在增大的供油量下稳定运转。
如果柴油机外负荷大幅度增减，滑阀柱塞8移动较大，则阻尼活塞12迅速移向其极端位置，开启旁通口使高压油直接进出动力活塞下部空间，可大幅度加减油量。而且此时在补偿环带上下不产生压差，无补偿力，可减少调速器的瞬时调速率δ1，使调速过程能与外负荷的大幅度变化相适应。
2）速度设定部分
PGA调速器的速度设定机构由气压设定与手动设定机构两部分构成。前者使用的控制空气压力范围为（0.49～0.50）MPa，允许的最低压力为0.021 MPa，允许的最高压力为0.71MPa，速度设定值与控制空气压力值成正比；后者，使用手动旋钮可在切断控制空气的情况下任选一速度值。
3）速度降机构
本机构即为前述双反馈中的刚性反馈机构。该机构可在增加燃油量的同时，使柴油机的稳定转速成比例地降低以补偿负荷的增加。其反馈作用的实质是在负荷增加的同时，稍微降低调速弹簧的预紧力。本调速器的速度降机构由动力活塞上的尾杆18、速度降杆20以及速度降凸轮23等组成。当动力活塞上移增加供油量时，尾杆18上行推动速度降杆20通过速度降凸轮23的锁紧螺钉使速度降凸轮转动，从而速度降柱塞24稍微上移放松调速弹簧29的预紧力，以保证一定的稳定调速率。反之当动力活塞下行减油时，速度降凸轮稍许增大调速弹簧的预紧力。显然，调节凸轮的安装位置可调节稳定调速率的大小。
三、液压调速器的调节
1．稳定调速率的调节
1）几种调速器的稳定调速率δ2
机械式调速器由于本身的结构特点，其调速的准确性差，只能进行有差调速，它的稳定调速率δ2≠0。除非更换调速弹簧或飞重等零件，其δ2值一般不能调节。
具有弹性反馈装置的液压调速器，具有很高的调速准确性，可以实现恒速无差调速。可使柴油机转速非常稳定，在单机运行时可以采用。
为了柴油机并联运行的需要，在液压调速器内人为地增设一套速度降机构，使它具有可调节的静态速度差（稳定调速率δ2），满足在加油的同时稍稍降速的要求。通常是通过调节其刚
性反馈作用的大小来获得所需的δ2值。
2）并联运行的柴油机对稳定调速率δ2的要求（图8-10）
图8-10 柴油机的调速特性曲线图8-11 δ2相同负荷均匀分配图a)表示稳定调速率见δ2=0的调速特性，为恒速无差调节，调速前后无论工作点在1、2、3点，其转速均为n b。
图b）表示稳定调速率δ2＞0的调速特性，为有差调速，特性线斜率越大，调节后转速的差别也越大。
对于并联运行的多台柴油机，要求每台机承担的负荷份额与其标定功率（或转矩）之比均相同。若标定功率相同，则每台机承担的负荷亦相同。若彼此的标定功率不同，则承担的负荷与标定功率之值成比例，即标定功率大者多承担负荷，小者少承担负荷。当总负荷增加至全负荷时，大小两者应同时达到全负荷。
图8-11表示两台柴油机并联运行，其δ2值相等并都大于零。两台机有重合的调速特性，M合为两台机合成的调速特性线。当n=n1时，每台机都在2点运行，合成工作点为1，两机负荷均匀分布。当外负荷增加时，两机同时加油，但两者转速也同时下降到n2，每台机运行点为2’，合成工作点为1’。其负荷分配仍然均匀。
图8-12 δ2不同负荷分配不均匀图8-13 并联运行负荷分配的特性曲线
图8-12表示若两台机的δ2不等，设(δ2)1＜(δ2)2,两条调速特性曲线具有不同的倾斜度，δ2小者陡峭。若此时调节调速器的设定转速，使两台机同时运行在点2（见图8-13），即让其
调速特性曲线沿n轴平移后的两线交点2，这时两机负荷虽然相同，但这种均衡只是暂时的，严重时会一台机超负荷而使全船失电。
综上所述，调速器的δ2决定了并联运行的柴油机间的负荷分配情况，对于单台运行的柴油机δ2可以为零。但并联运行的各台柴油机的δ2值必须相等且均大于零，在满足调速系统稳定性要求的前提下，尽量选用小的δ2值。
3）稳定调速率δ2的调节
表盘式调速器可通过静速差旋钮进行调节。如将旋钮刻度旋转至“30～50”）之间，则表示相应的δ2值约为3％～5％。实践中应通过并联运行柴油机的负荷分配比例进行调节，如果并联机承担负荷小，则应减少该机的δ2数值。
杠杆式PGA型调速器其外部无δ2调节机构。如需调节δ2值，应打开调速器顶盖旋松速度降凸轮上的锁紧螺钉，则速度降凸轮可沿支架销L的槽道滑动。若将速率降凸轮沿槽道向右移动，即朝动力活塞尾杆18的方向移动凸轮，则δ2值增加；反向移动凸轮则δ2值减小，若使凸轮中心线与支点销中心线重合，则δ2值为零。决不允许使速度降凸轮移动超过“0”稳定调速率的位置，因为此时发生负的速度降而使调速器动作非常不稳定。在这些调速器中δ2的调节约为0～12％。
机械调速器的δ2值与其结构参数有关，除非更换调速弹簧（刚度）或飞重等零件，一般是不可调整的。若调速弹簧换用刚度小行，则其δ2变小，准确性提高，但稳定性降低。
2．稳定性调节
为了保证调速过程稳定，在液压调速器中设有反馈系统，以使调速器具有良好的稳定性。通常在调速器换新或修理后装机时应对反馈系统进行综合调节，以获得尽可能小的瞬时调速率δ1和尽可能短的稳定时间t s。
反馈系统调节的环节主要有两个（见图8-8）：一是扳动反馈指针46，借以改变活动支点47的位置，用以调节反馈行程的大小；二是调节补偿针阀31的开度，用以调节反馈速度的快慢。如果反馈指针的位置和补偿针阀的开度调节得正确，控制滑阀36提前复位后，在飞重和小反馈活塞30的复位过程中，控制滑阀36在中央位置上一直保持不动。
3）速度设定的调节（ PGA调速器）
速度设定的调节主要包括气动低速设定值调节，控制空气压力与相应转速范围调节，以及手动设定旋钮的最高转速调节。
第四节电子调速器
电子调速器是一种电子控制系统，凡转速感测元件或执行机构采用电气方式的调速器。通常包括三种：①全电子调速器；②电一液或电一气调速器；③液一电双脉冲调速器。
电子调速器不使用机械机构，动作灵敏，响应速度快，响应时间只有液压调速器的1/10～1/2；动态和静态精度很高；无调速器驱动机构，装置简单安装方便，便于实现遥控和自动控制，是近代发展起来的精密调速器。
一、电子调速器的工作原理（图8-14）
工作时，先通过转速设定器，利用可调节的电位器设定所需的转速，将其产生的转速设定信号以直流电的形式作为“正信号”输入放大器；柴油机起动运转后，速度传感器（或负载传感器）将磁性测速头感应的转速情况转化成直流电的形式作为“负信号”输入放大器，在放大器内将两种信号相加，当两者之和为零时，不向执行器输出控制信号，柴油机即在设定的转速运行。
图8-14 电子调速器原理框图
当外负荷变化使柴油机转速增加时，磁性测速头感应产生的交流电压频率立即增加，经速度传感器转换后的直流电压也随之增加。在放大器内它与转速设定信号之和变为“负值”，此时放大器即向执行器输出“减油”的信号，通过执行器使柴油机的燃油量减少，转速随之下降。同理，当柴油机转速减小时，放大器会立即向执行器输出“加油”的信号，通过执行器使柴油机加油，提升其转速。
放大器在工作时，根据转速变化不断地输出“加油”或“减油”信号，由于其反应极为灵敏，很难做到根据转速变化“适可而止”地改变喷油泵的供油量，柴油机转速不易很快稳定而产生转速的波动。为此，在放大器中专门设置了“增益控制单元”和“复位单元”，使电子调速器能稳定地工作。“增益控制单元”用来控制反馈信号的大小，如果增大增益，则执行器的输出轴转角随放大器输入偏差而增大。“增益控制单元”在这里起着液压调速器中的“补偿机构”的作用。“复位单元”用来给定放大器的复位时间常数，用以改变放大器的响应时间，如果增大复位的给定值，复位时间常数将增大。只要通过合理的调节就能提高控制回路的稳定性，满足柴油机稳定运行的要求。“复位单元”在这里起着液压调速器中的“针阀”作用。
二、典型电子调速器简介
Woodward 2301型电子调速器是一种使用广泛的电子调速器，它属于电一液调速器，其测速传感器采用磁电式，控制单元采用2301型电子控制器，控制机构采用EG3P液压执行器。它有单纯调频型（单脉冲）和调频调载型（双脉冲）两种。前者用于单机运行，其瞬时调速率δ1一般在5％～7％，稳定时间t s在3s～5s范围内；后者用于并联运行机组，其瞬时调速率一般不大于2％，稳定时间t s不大于1s。
图8-15系单脉冲2301型电子控制器外形图。其正面面板上有四个调节旋钮，自左而右分别有：
怠速(Low idle speed)调节旋钮──用于调节滑油低压，保护运转时的最低转速；设定转速（Rated speed）调节旋钮──用于调节设定转速；
稳定度（Stability）调节旋钮──用于稳定性调节；
增益量如（Gain）调节旋钮──用于稳定性调节。
图8-15 单脉冲2301型电子控制器外形图
天津恒康机械设备有限公司 HENGKANG Machinery Co.,Ltd
前言 EFC电子调速器用于PT（G）型燃油系统中。调速器可以调成同步运行，或有转速降的运行。调速器有常开和常闭两种系统。本书包括了发电机组或其驱动机上的康明斯电子调速器EFC 的安排、调整和故障诊断方面的操作规程。 内容 调速器EFC概况2～4 电磁传感器的安装4～11 电源12～13 执行器概况13～14 通过油泵的燃料流量15 执行器的鉴别16～18 EFC燃油泵壳体18 从EFC壳体中拆出执行器18～19 在EFC壳体中安装执行器19～26 系统调整—仪表板安装控制26～41 系统调整—远程安装控制41～42 负荷分配控制线路43 二台发电机组线路图44 图形标记45～46 零部件规格47～49 EFC故障诊断50～56 线路图英汉名词对照57～58
电子调速器概况 如下图，调速器包括电磁传感器、调速控制器、执行器和安装件。调速器具有常开或常闭两种调速器.
如下图，电磁传感器飞轮齿圈上感觉到发动机转速，并把交流电讯号送到调速控制器上。 如下图，调速控制器把来自电磁传感器的电讯号与现有的参考点相比较，如两个讯号不同，控制器将会改变送到执行器的电流。
如下图，改变执行器中的电流将使得执行器的轴旋转，当此轴旋转时，燃油流量和发动机的转速或功率将会改变。 电磁传感器的安装 如下图，电磁传感器是一个电磁铁装置。传感器装在飞轮壳上，有两种形式的电磁传感器。
如下图，从飞轮壳上拆下堵塞。它是和飞轮齿圈上的齿对正的，如果必要的话，转动飞轮，使一个齿的中心在电磁传感器孔之上。 如下图，如果飞轮壳上没有螺堵，就在飞轮壳上，在对正飞轮齿圈之处钻一个孔，攻丝。 注：必须从飞轮壳中去除铁屑。为了清理干净壳体的铁屑，可能需要拆下主电机。
中国计量学院 课程设计设计报告书 题目：PWM控制的直流电 动机调速系统设计 二级学院现代科技学院 专业电气工程及自动化 班级电气062 姓名***** 学号********** 同组同学姓名****** ******* 同组同学学*********** ********* 2009年12月23日
设计题目：PWM控制的直流电动机调速系统设计 1、前言 近年来，随着科技的进步，电力电子技术得到了迅速的发展，直流电机得到了越来越广泛的应用。直流它具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广; 过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；需要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，从而对直流电机的调速提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速，改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求，这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法应运而生。 采用传统的调速系统主要有以下缺陷：模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而在用了PWM技术后，避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗。另外，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可获得平稳的直流电流,低速特性好；同样，由于开关频率高，快速响应特性好，动态抗干扰能力强可以获得很宽的频带；开关器件只工作在开关状态，主电路损耗小，装置效率高。PWM具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。 2、设计要求及组内分工 2.1设计要求 （1）根据电机与拖动实验室提供的直流电动机，设计基于PWM的电动机 调速方案。 （2）选用合适的功率器件，设计电动机的驱动电路。 （3）设计PWM波形发生电路，使能通过按键对电机转速进行调节，要求至少有两个速度控制按键，其中一个为加速键（每按一次，使电机转速增 加）；另一个为减速键，功能与加速键相反。 （4）撰写课程设计报告。 2.2组内分工 （1）负责直流电动机调速控制硬件设计及电路焊接：主要由胡佳春和叶秋 平完成
摘要：提出一个基于PWM控制的直流电机控制系统，从硬件电路和软件设计两方面进行系统设计，介绍了调速系统的整体设计思路、硬件电路和控制算法。下位机采用MPC82G516实现硬件PWM的输出，从而控制电机的电枢电压，并显示电机调速结果。上位机采用LABVIEW软件，实现实时跟踪与显示。最后对控制系统进行实验，并对数据进行分析，结果表明该系统调速时间短，稳定性能好，具有较好的控制效果。 随着计算机控制技术的发展，微处理器已经广泛使用于直流传动系统，实现了全数字化控制。电机采用微处理器控制的电压、电流、转矩、转速、转角等，实现全数字直流调速，控制精度、可靠性、稳定性、电机的性能得到提高。目前，PWM 调速成为电机调速的新方式，并凭借开关频率高、低速运行稳定、动态 [1-6][5-6]性能优良、效率高等优点，在电机调速中被普遍运用。但很多文献提到的 PWM 信号，多采用软件 PWM调速，即通过单片机的中断实现，缺点是占系统资源，易受系统中断影响和干扰，造成系统不稳定。本文将针对这一点，设计一种基于硬件 PWM 控制，调速时间更短的电机调速系统，并具有较好的稳定性能。 一、电机控制系统的整体设计 1.1 系统整体设计原理图 系统整体设计如图1所示，主要原理框图包括：LCD显示、按盘输入、测速模块、PWM调速模块四部分。电路原理图如图2所示： 图 1
图2 1.2 PWM信号 PWM信号的产生采用硬件PWM信号，即不采用中断实现PWM信号，而是利用单片机MPC82G516的PCA模式，PCA设置成PWM模式直接产生PWM信号。频率取决于PCA定时器的时钟源，占空比取决于模块捕获寄存器CCAPNL与扩展的第9位ECAPNL的值。由于使用9位比较，输出占空比可以真正实现0%到100%可调，占空比计算公式为: 占空比=1-{ ECAPnH，[CCAPnH]}/256 在电源电压 Ud 不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比η 的大小。通过改变η 的值可以改变电枢端电压的平均值，从而达到调速的目的。 1.3 测速模块 测速模块采用自带霍尔传感器并具有整形功能的直流电机调速板 J1，该模块能实现电机正反转、测速、调速功能，并自带整形芯片，调试效果较好。通过霍尔传感器把测速脉冲信号送单片机 P3.2，由单片机 P1.0送到测速模块第 5 脚，控制电机正反转。PWM 信号由 P1.2 送到测速模块第 3 脚，实现电机的调速。 1.4 I/O接口电路 输入模块采用 4 个按键 S1、S2、S3、S4，接在单片机 P1.4、P1.5、P1.6、P1.7，分别实现启动、加速、扩展功能、减速功能。电机正反转控制由 P1.0 送到测速模块第 1 脚。输出显示模块采用 LCD1602，是一种内置 8192 个 16*16
柴油机发电机组电子调速安全操作规程 操作人员必须认真阅读使用保养说明书，熟悉本机结构，严格遵守所规定的技术操作。 一、开机前的检查工作： 1、检查水箱是否满水（冬季要加防冻液）； 2、检查机油是否在规定的油面位置； 3、检查柴油箱是否有充足柴油，供油阀门是否已打开，并确认柴油管道 内无空气； 4、检查柴油机各部分是否正常，机械上有无妨碍运转杂物； 5、检查电起动系统电路接线是否正常、牢固，蓄电池液面高度是否正常， 是否已充足电； 6、检查各电力室变压器低压总柜断路器要在分闸位置，变压器高压电进 线开关柜要在分闸位置； 7、低压电房发电机进线开关以及由发电机供电的所有分路负荷是否都 在分闸位置； 8、检查柴油发电机各仪表初始值是否正常。 二、开机步骤及运行： 1、打开电源开关，顺时针旋转钥匙开关至“启动”位置，机组启动后应 即检查柴油机各仪表指示是否正常，机组运转声音、振动等情况是否正常； 怠速运转2-3分钟后将柴油机油门自动提向“高速”，频率调制50-52.5Hz 之间、转速不低于1500转/分，机组即启动完成进入运行状态。 2、机组运转一切正常后即可合上发电机开关并进行待负荷操作，首先合 上发电机进线开关，然后再合上各分路负荷开关。
3、发电机带负荷后应立即检查机组运行情况，并检查各配电屏开关、仪 表、信号灯、电缆、接头等是否正常，并在运行中不断进行监视。 4、为了柴油机发电机安全运行，柴油机机油压力应保持在2.5kg/cm2， 冷却水出水温度不得高于95摄氏度。 5、每隔半小时记录一次发电机的电流、电压、频率以及柴油机的机油压 力和冷却水出水温度值。 三、停机步骤： 1、当总降来电，柴油机发电机停车前，应首先通知各大型用电设备暂时 停止工作，然后才进行机组的卸载拉闸操作，先逐个切开发电机供电的各路负荷开关；再进行恢复总降供电的操作。 2、按停止按钮一次，将柴油机油门降至“低速”，怠速运转2-3分钟后， 再次按停止按钮一次，发电机关机，逆时针旋转钥匙开关至“OFF”。 3、停车后，若环境温度低于+5摄氏度时，而没加入防冻液，应将水箱、 水泵、柴油机及机油冷却器内的水放净。 四、注意事项； 柴油发电机组空载运行不能超过15分钟；发电机投入使用停机后，要对发电机的水位、机油位、柴油位、蓄电池电压、蓄电池液位等进行一次检查，如长期不使用，可将电瓶零线拆下，以节省电。保证正常状态。 运行在半小时以上必须进行全面检查。每次投入运行均要做好运行记录。 五、紧急状况停机： 如发电机遇紧急情况，而发电机的自身保护系统拒动时，应按急停按钮紧急停机，将钥匙开关至“OFF”。 生产一部 二〇一一年四月十六日
PWM ft流脉宽调速系统设计 1 PWM调速系统的主要问题 1.1什么是PWM 脉冲宽度调制（PWM）,是英文“ Pulse Width Modulation ”的缩写，简称脉 宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅 极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变， 这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数 字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。 PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点?由于当今科学技术的发展已经没有了 学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM 控制技术发展的主要方向之一。 1.2 PWM的优越性 自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关 控制方式，形成了脉宽调制变换器一直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系 统，或直流PWM S速系统。与V-M系统相比，PWM S统在很多方面有较大的优越性：1）主电路线路简单，需用的功率器件少。 2）开怪频率咼，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。 3）低速性能好，稳速精度高，调速围宽，可达 1 : 10000左右。 4）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。 5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当的时候，开关损耗也不大，因而装置效率较高 6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。 由于有上述优点，直流PWM S速系统的应用日益广泛，特别是在中、小容量 的高动态性能系统中，已经完全取代了V-M系统。 1.3 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形 脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压
柴油发电机调速器的分类介绍 (1)柴油机调速器按工作原理可分为机械离心式调速器、气动式调速器、液压式调速器和电子式调速器四种。 1)机械离心式调速器。所有机械式调速器的工作原理大致相同，它们都具有被曲轴驱动旋转的飞锤(或飞球)，当转速变化时飞锤的离心力也随着变化，然后利用离心力的作用，通过一些杆件来调节发动机的供油量，使供油量与负载大小相适应，从而保持发动机的转速稳定。 在中小功率柴油机上，应用最广泛的是机械离心式调速器。 机械离心调速器有卧式和立式两种，主要构件是钝盘、飞铁、调速弹簧、调整螺钉和传动拉杆等。转速在额定值时，飞铁的离心力与调速弹簧的张力平衡。当转速高于额定值时，飞铁离心力增大超过弹簧的张力，使飞铁张开带动拉杆减少油门，柴油机自动恢复额定转速。相反，当转速低于额定值时，飞铁向内靠拢，带动拉杆增大油门，使柴油机增速。 机械离心式调速器结构简单，维护比较方便，但是灵敏度和调节特性较差。 2)气动式调速器。气动式调速器的感应元件用膜片等气动元件来感应进气管压力的变化，以便调节柴油机转速。 3)液压式调速器。液压式调速器是利用飞铁的离心作用来控制一个导阀，再由导阀控制压力油的流向，通过油压来驱动调节机构增大或减小油门，完成转速自动调节的目的。 液压调速器的优点是输出转矩大，调速特性和灵敏度比机械离心式调速器好，缺点是结构较复杂，维护技术的水平要求较高。 4)电子式调速器。电子式调速器是近年来研究应用的较先进的调速器，它的感应元件和执行机构主要使用电子元件，可接受转速信号和功率信号，通过电子电路的分析比较，输出调节信号来调节油门。 电子调速器的调速精度高，灵敏度也高，主要缺点是需要工作电源，并要求电子元器件具有很高的可靠性。
基于PWM勺电机调速系统 实验目的： 1. 学会并掌握可keil软件的使用； 2. 学会并掌握protues软件的使用； 3. 通过实验巩固单片机相关知识和检验自身动手能力 实验要求： 掌握单片机相关知识，利用调PWm空比的方式来控制直流电机的转速，并且在led 数码管上显示转速。 实验设备和仪器： 单片机最小系统 2. 直流电机 3. 示波器 实验内容： 本次实验设计是由小组五个成员共同完成基于PWM勺电机调速系统并完成实物搭建和撰写实验报告。本次实验小组共提供了两个方案，方案一和方案二，两个方案各自具有优缺点，详细内容会在下面给出。 方案一实验步骤：
1.利用protues画电路图，电路图如图1所示: 图1:方案一电路图 2.根据电路图编写C语言'代码： 代码如下： #include <> sbit PWM=P2A7; sbit CS3=P2A3; sbit CS2=P2A2; sbit CS1=P2A1； sbit CS0=P2A0； sbit key1=P1A。； sbit key2=P1A1； sbit key3=P1A2; sbit key4=P1A3; unsigned char timer1; unsigned char tab[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};
void Time1Config(); void main(void) ( Time1Config(); while(1) ( if(timer1>100) 验仿真，部分仿真结果如图2图3所示： 图2:仿真结果图(1) 图3:仿真结果图(2) 4. 实物验证结果如图4所示： 图4:方案一实物验证结果 实物验证可以明显感觉到电机转速的变化，由于每个开发板不同，相比仿真程序，对实物验证程序进行了略微的修改，最终能达到要求。
说明PWM调速系统的工作原理
说明PWM调速系统的工作原理 脉冲宽度调制脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。 脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。 多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载)
需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。 许多微控制器内部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67内含两个PWM 控制器，每一个都可以选择接通时间和周期。占空比是接通时间与周期之比；调制频率为周期的倒数。执行PWM操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作： * 设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期 * 在PWM控制寄存器中设置接通时间 * 设置PWM输出的方向，这个输出是一个通用I/O管脚 * 启动定时器 * 使能PWM控制器 PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将
直流PWM-M可逆调速系统的设计与仿真 摘要 当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。本文主要研究直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分、直流电动机。长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。 微机技术的快速发展，在控制领域得到广泛应用。本文对基于微机控制的双闭环可逆直流PWM 调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了双闭环直流PWM调速系统的数学模型，用微机硬件和软件发展的最新成果，探讨一个将微机和电力拖动控制相结合的新的控制方法，研究工作在对控制对象全面回顾的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨，控制策略和控制算法的探讨等内容。在硬件方面充分利用微机外设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件相结合的措施，实现对转速、电流双闭环调速系统的控制。 论文分析了系统工作原理和提高调速性能的方法，研究了IGBT模块应用中驱动、吸收、保护控制等关键技术.在微机控制方面，讨论了数字触发、数字测速、数字PWM调制器、双极式H型PWM变换电路、转速与电流控制器的原理,并给出了软、硬件实现方案。 关键词：PWM调速、直流电动机、双闭环调速
目录 前言 (1) 第1章直流PWM-M调速系统 (2) 第2章UPE环节的电路波形分析 (4) 第3章电流调节器的设计 (6) 3.1 电流环结构框图的化简 (6) 3.2 电流调节器参数计算 (7) 3.3 参数校验 (8) 3.3.1 检查对电源电压的抗扰性能： (8) 3.3.2 晶闸管整流装置传递函数的近似条件 (9) 3.3.3 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 (9) 3.3.4 电流环小时间常数近似处理条件 (9) 3.4 计算调节器电阻和电容 (9) 第4章转速调节器的设计 (11) 4.1 电流环的等效闭环传递函数 (11) 4.2 转速环结构的化简和转速调节器结构的选择 (11) 4.3 转速调节器的参数的计算 (14) 4.4 参数校验 (14) 4.4.1 电流环传递函数化简条件 (15) 4.4.2 转速环小时间常数近似处理条件 (15) 4.5 计算调节器电阻和电容 (15) 4.6 调速范围静差率的计算 (16) 第5章系统仿真 (17) 5.1 仿真软件Simulink介绍 (17) 5.2 Simulink仿真步骤 (17) 5.3 双闭环仿真模型 (17) 5.4 双闭环系统仿真波形图 (18) 结论 (19) 参考文献 (20)
直流电机PWM调速控制系统
摘要：为了验证控制策略和电机参数设计的合理性，基于matlab/simulink平台，从无刷直流电机的基本原理出发，详细介绍电机各个模块的组成，构建了无刷直流电机pwm调速控制系统的建模与仿真模型，给出仿真曲线并验证该模型的正确性。 关键词：无刷直流电机模型仿真 1、引言 随着无刷直流电机（bldcm）应用领域的不断扩大，要求控制系统设计简易、成本低廉、控制算法合理、开发周期短。本文主要研究反电势近似梯形波的永磁无刷直流电机模型的建立与仿真，根据电机的参数和实际运行状况，通过matlab软件的simulink和psb 模块，快捷地创建一些电机控制系统模型，并与simulink结合，实现电机控制算法的仿真。文章介绍了如何创建无刷直流电动机的动态数学模型和pwm调速控制系统模型，并利用该模型，进行了pwm 调速控制系统的仿真试验。 2、无刷直流电机的数学模型 以两相导通三相六状态的无刷直流电机为例。方波无刷直流电动机的主要特征是反电动势为梯形波，包含有较多的高次谐波，这意味着定子和转子的互感是非正弦的，并且无刷直流电动机的电感为非线性[1]。采用直、交变换理论己经不是有效的分析方法，因此应该利用电机本身的相变量来建立数学模型。为简化数学模型的建立，在电动机模型建立时，认为电动机气隙是均匀的。并作以下假设[2]：
(1)电动机的气隙磁感应强度在空间呈梯形(近似为方波分布)； (2)定子齿槽的影响忽略不计； (3)电枢反应对气隙磁通的影响忽略不计； (4)忽略电动机中的磁滞和涡流损耗； (5)三相绕组完全对称。 无刷直流电动机在运行过程中，每相绕组通过的不是持续不变的电流，该电流和转子作用产生的转矩，以及绕组上的感应电动势也都不是持续的。因此转矩和反电动势都采用平均值的概念。由以上假设，根据无刷直流电动机的特性，可建立其电压方程、转矩方程、状态方程以及等效电路结构。 对于三相无刷直流电机，其电压平衡方程可表示为[3] 式中：为定子相绕组电压（v）；为定子相绕组电流（a）；为定子相绕组反电动势（v）；r为每相绕组的电阻（）； l为每相绕组的电感（h）；m 为每相绕组间的互感（h）。 在通电期间，无刷直流电机的带电导体处于相同的磁场下，各相绕组的反电动势为理想梯形波，其幅值为 式中：为反电动势系数；为转子的机械角速度。 无刷直流电动机的电磁转矩方程为： 式中：为电磁转矩；转子的机械角速度。 无刷直流电动机的运动方程为：（4） 式中：为负载转矩；f为粘滞阻尼系数；j为转子与负载的转动惯量。
目录 前言 (1) 一、设计目的 (2) 二、设计要求 (2) 三、直流调速系统整体设计 (2) 四、系统参数选取 (7) 五、各部分设计 (8) 六、双闭环系统设计 (14) 七、系统仿真 (17) 八、设计总结 (18) 参考文献 (19)
前言 由于直流电机具有良好的起动、制动和调速性能，已广泛应用于工业、航天领域等各个方面。随着电力电子技术的发展，脉宽调制（PWM）调速技术已成为直流电机常用的调速方法，具有调速精度高、响应速度快、调速范围宽和功耗低等特点。而以H桥电路作为驱动器的功率驱动电路，可方便地实现直流电机的四象限运行，包括正转、正转制动、反转、反转制动，已广泛应用于现代直流电机伺服系统中。本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用SIMULINK对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路的具体实现。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。采用MATLAB软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计，并用SIMULINK进行动态数字仿真,同时查看仿真波形,以此验证设计的调速系统是否可行。
一、设计目的 通过对一个实用控制系统的设计，综合运用科学理论知识，提高工程意识和实践技能，使学生获得控制技术工程的基本训练，培养学生理论联系实际、分析解决实际问题的初步应用能力。 二、设计要求 完成所选题目的分析与设计，进行系统总体方案的设计、论证和选择；系统单元主电路和控制电路的设计、元器件的选择和参数计算 三、直流调速系统整体设计 1、直流电机PWM调速控制原理 直流电动机转速公式为： n=(U-IR)/Kφ 其中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，φ为每极磁通量，K为电动机结构参数。 直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法用得很少，大多数应用场合都使用电枢电压控制法。随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中脉冲宽度调制(PWM)便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。其方法是通过改变电机电枢电压接通时间与通电周期的比值(即占空比)来调整直流电机的电枢电压U，从而控制电机速度。 PWM的核心部件是电压-脉宽变换器，其作用是根据控制指令信号对脉冲宽度进行调制，以便用宽度随指令变化的脉冲信号去控制大功率晶体管的导通时间，实现对电枢绕组两端电压的控制。在本次课程设计采用双闭环直流调速系统进行调速控制。 2、双闭环直流调速系统 A.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
学号：0 课程设计 直流双环系统（二）的设计及仿真分析题目 （六） 学院自动化学院 专业自动化卓越工程师 班级自动化zy1101 姓名周青 指导教师刘芙蓉
2014 年 7 月 2 日 课程设计任务书 学生姓名： 周青 专业班级： 自动化zy1101 指导教师： 刘芙蓉 工作单位： 自动化学院 题 目: 直流双环系统（二）的设计及仿真分析（六） 初始条件： 有一转速、电流双闭环控制的H 形双极式PWM 直流调速系统，电动机参数为： 200,48, 3.7,200/min N N N N P W U V I A n r ====，电枢电阻 6.5a R =Ω，电枢回路总电阻 8R =Ω，允许电流过载倍数2λ=，电势系数0.12min/e C V r =?，电磁时间常数 0.015l T s =，机电时间常数0.2m T s =，电流反馈滤波时间常数0.001oi T s =，转速 反馈滤波时间常数0.005on T s =，调节器输入输出电压** 10nm im cm U U U V ===，调节器输入电阻040R k =Ω，电力晶体管的开关频率1f kHz =，PWM 环节的放大倍数 4.8s K =。 要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 试对该系统进行动态参数设计。设计指标：稳态无静差，电流超调量 5%i σ≤；空载起动到额定转速时的转速超调量20%n σ≤，过渡过程时间 0.1s t s ≤。画出系统结构框图并计算： (1) 电流反馈系数β和转速反馈系数α； (2) 设计电流调节器，计算电阻和电容的数值（取040R k =Ω）； (3) 设计转速调节器，计算电阻和电容的数值（取040R k =Ω）；
课题八调速装置 目的要求： 1．了解调速器的作用、分类。 2．掌握机械调速器的结构和工作原理。 3．掌握调速器的静态、动态性能指标。 4．熟悉液压调速器、电子调速器的工作原理。 5．熟悉液压调速器的典型结构。 6．掌握液压调速器的调节。 重点难点： 1．调速器的静态、动态性能指标。 2．液压调速器稳定调速率的调节。 教学时数：4学时 教学方法：多媒体讲授 课外思考题： 1．按调速范围可将调速器分成几种？简述其调速特点及应用场合？ 2．为什么船舶发电柴油机必须装定速调速器？ 3．调速器中的哪些参数反映灵敏性、稳定性、准确性？ 4．调速器的动态性能指标与静态性能指标是什么？我国有关规定对它们有什么具体要求？ 5．什么叫调速器标定工况的稳定调速率δ2？它的作用是什么？ 6．试述Woodward UG-8型液压调速器面板上四个旋钮的名称及作用是什么？ 7．什么叫电子调速器？与普通的调速器相比有哪些优点？
课题八调速装置 第一节柴油机转速的调节 一、调速器的作用 柴油机的不同转速是通过改变每一循环的喷油量获得的。在一定的外界负荷条件下，供给柴油机一定燃油量，使柴油机发出的功率与外界负荷相平衡，柴油机就在某一转速下稳定运行。 船用柴油机的外界负荷是经常变动的，欲使柴油机的功率与新的外界负荷相适应，就应及时改变喷油量。为了使柴油机在选定的转速下稳定运行，必须装有专门的调速装置─一调速器，通过它自动地改变柴油机喷油泵的喷油量，以适应外界负荷的变化。 发电柴油机要求在外界负荷（用电量）变化时能保持恒定的转速，以保证发电机输出的电压和频率恒定，满足并车及供电需要。所以发电柴油机必须装设定速调速器，确保外界负荷变化时，柴油机的转速基本不变。 用作船舶推进的柴油机，受装载、风力、波浪及水流等影响，外负荷（船舶阻力）会忽大忽小。但为了保证主机在特殊航行条件下（风浪中螺旋桨露出水面、断轴、掉桨）的安全，根据我国有关规定必须装“极限调速器”（简称限速器），当主机转速增至115％标定转速时自动切断燃油供给。另外，为了避免海况变化造成的主机转速上下波动，提高柴油机的工作可靠性和工作寿命，通常都在主机上装设“全制式调速器”，使转速不随外界负荷变化而产生波动。 二、调速器的分类 1．接转速调节范围分类 （1）极限调速器（限速器） （2）定速调速器（单制式调速器） （3）双制式调速器 （4）全制式调速器 2．按作用原理分类 （1）机械调速器（直接作用式）：它直接利用飞铁（飞重）产生的离心力与调速弹簧张力之间的不平衡力去移动油量调节机构来稳定柴油机的转速。其结构简单、工作可靠、维修方便，广泛用于中、小型柴油机。其缺点是工作能力较小，不能实现恒速调节。 （2）液压调速器（间接作用式）：它利用飞铁产生的离心力与调速弹簧张力之间的不平衡力去操纵液压伺服器（油压放大器），利用液压作用产生更大的动力去移动油量调节机构来调节柴油机的转速。液压调速器转速调节范围广、调节精度高、稳定性好、通用性强，但其结构复杂、调试及维护所要求的技术较高，它广泛用于大、中型柴油机。 （3）电子调速器：信号监测或执行机构采用电气方式的调速器称电子调速器。 三、超速保护装置 此种超速保护装置是一种运转安全装置，它与调速器不同，它只能限制柴油机转速，本身无调速特性，在柴油机正常运转范围内不起作用，只在柴油机转速达到规定限值时才发生动作
设计报告书 4.1.3、采用PWM 控制的调速方法 图1为PWM 降压斩波器的原理电路及输出电压波形。在图1a 中，假定晶体 管V 1先导通T 1，秒(忽略V 1的管压降，这期间电源电压Ud 全部加到电枢上)，然后关断T 2秒(这期间电枢端电压为零)。如此反复，则电枢端电压波形如图1b 中所示。电动机电枢端电压Ua 为其平均值。
图1 PWM 降压斩波器原理电路及输出电压波形 a) 原理图 b)输出电压波形 1112a d d d T T U U U U T T T α= ==+ (3) 式(3)中 1112T T T T T α= =+ （4） α为一个周期T 中，晶体管V1导通时间的比率，称为负载率或占空比。使用下面三种方法中的任何一种，都可以改变α的值，从而达到调压的目的： (1)定宽调频法：T1保持一定，使T2在0～∞范围内变化； (2)调宽调频法：T2保持一定，使T1在0～∞范围内变化 (3)定频调宽法：T1+T2=T 保持一定，使T ，在0～T 范围内变化。 不管哪种方法，α的变化范围均为0≤α≤l ，因而电枢电压平均值Ua 的调节范围为0～Ud ，均为正值，即电动机只能在某一方向调速，称为不可逆调速。当需要电动机在正、反向两个方向调速运转，即可逆调速时，就要使用图1—2a 所示的桥式(或称H 型)降压斩波电路。 在图2a 中，晶体管V 1、V 4是同时导通同时关断的，V 2、V 3也是同时导通同时关断的，但V 1与V 2、V 3与V 4都不允许同时导通，否则电源Ud 直通短路。设V 1、V 4先同时导通T1秒后同时关断，间隔一定时间(为避免电源直通短路。该间隔时间称为死区时问)之后，再使V 2、V 3同时导通T2秒后同时关断，如此反复，则电动机电枢端电压波形如图2b 所示。 图2 桥式PWM 降压斩波器原理电路及输出电压波形 a)原理图 b)输出电压波形 电动机电枢端电压的平均值为 12112(21)(21)a d d d T T T U U U U T T T α-= =-=-+ (4) 由于0≤α≤1，Ua 值的范围是 -Ud ～+Ud ，因而电动机可以在正、反两个
摘要 本论文主要介绍了PWM波直流调速系统的设计过程,介绍了直流伺服系统的发展及趋势。本调速系统是包括硬件和软件部分，由转速调节器和电流调节器构成双闭环调速系统。基于8031单片机的控制，使电路简单可靠。 关键词 PWM 单片机集成芯片
PWM D.C.Speed Regulation System Abstract The thesis mostly introduce know clearly PWM D.C. speed regulation system’s design process. The thesis incorporation actuality introduce know D.C. Servo System’s develop and trend. The contents includes hardware parts and software parts. The speed regulation system adoption 8031 Microprocessor.It makes system simple and dependable. Keywords PWM microprocessor integrated chip
目录 摘要 (1) 第一章绪论 (4) 1.1国外发展概况 (4) 1.2国内发展概况 (4) 第二章方案论证 (6) 2.1技术指标 (6) 2.2方案论证 (6) 第三章系统设计 (7) 3.1系统框图 (7) 3.2 PWM技术原理 (7) 3.3 硬件设计 (7) 3.3.1 硬件组成 (8) 3.3.2 最小应用系统 (8) 3.3.3 脉冲发生电路 (17) 3.3.4 功率放大电路 (19) 3.3.5 测速电路 (21) 本节小结 (23) 3.4 数学模型 (23) 第四章软件设计 (25) 结论 (34) 谢辞 (35) 参考文献 (36)
学号：0 课程设计 题 直流双环系统（二）的设计及仿真分析（六） 目 学 自动化学院 院 专 自动化卓越工程师 业 班 自动化zy1101 级 姓周青
名 指导 教师 刘芙蓉 2014 年7 月2 日 课程设计任务书 学生姓名： 周青 专业班级： 自动化zy1101 指导教师： 刘芙蓉 工作单位： 自动化学院 题 目: 直流双环系统（二）的设计及仿真分析（六） 初始条件： 有一转速、电流双闭环控制的H 形双极式PWM 直流调速系统，电动机参数为： 200,48, 3.7,200/min N N N N P W U V I A n r ====，电枢电阻 6.5a R =Ω，电枢回路总电阻8R =Ω，允 许电流过载倍数2λ=，电势系数0.12min/e C V r =?，电磁时间常数0.015l T s =，机电时间常数0.2m T s =，电流反馈滤波时间常数0.001oi T s =，转速反馈滤波时间常数0.005on T s =， 调节器输入输出电压** 10nm im cm U U U V ===，调节器输入电阻040R k =Ω，电力晶体管的开 关频率1f kHz =，PWM 环节的放大倍数 4.8s K =。 要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等 具体要求） 试对该系统进行动态参数设计。设计指标：稳态无静差，电流超调量5%i σ≤；空载起动到额定转速时的转速超调量20%n σ≤，过渡过程时间0.1s t s ≤。画出系统结构框图并计算：
(1)电流反馈系数β和转速反馈系数α； (2)设计电流调节器，计算电阻和电容的数值（取 040 R k =Ω）； (3)设计转速调节器，计算电阻和电容的数值（取 040 R k =Ω）； (4)让电机空载启动到额定转速，稳定运行后转速反馈断开，观察并录下电机的 转速、电流等的波形，并进行分析。 时间安排：布置课程设计题目 - 完成课程设计 ．28 - 撰写课程设计报告 答辩并上交报告 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日
说明PW碉速系统的工作原理 说明PWM调速系统的工作原理脉冲宽度调制脉冲宽度调制(PWM )是英文“ Pulse Width Modulation 的缩写，简称脉宽调制。它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。 脉冲宽度调制(PWM )是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无
(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM 进行编码。 多数负载(无论是电感性负载还是电容性负载) 需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为 1kHz 到200kHz 之间。 许多微控制器内部都包含有PWM控制器。例如 ‘Microchip公司的PIC16C67内含两个PWM 控制器，每一个都可以选择接通时间和周期。占空比是接通时间与周期之比；调制频率为周期的倒数。执行PWM操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作：*设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期*在PWM控制寄存器中设置接通时间 *设置PWM输出的方向，这个输出是一个通用I/O 管脚 *启动定时器 *使能PWM控制器 PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形
PWM直流脉宽调速系统设计 1 PWM调速系统的主要问题 什么是PWM 脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。 PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点.由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM 控制技术发展的主要方向之一。 PWM的优越性 自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器—直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系统。与V-M系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性： 1）主电路线路简单，需用的功率器件少。 2）开怪频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。 3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1：10000左右。 4）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。 5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当的时候，开关损耗也不大，因而装置效率较高 6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。 由于有上述优点，直流PWM调速系统的应用日益广泛，特别是在中、小容量的高动态性能系统中，已经完全取代了V-M系统。 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形 脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可以改变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的
中国地质大学长城学院本科毕业设计 题目PWM控制的直流电动机 调速系统的设计 系别信息工程系 学生姓名 专业电气工程及其自动化 学号04309139 指导教师 职称讲师 2013 年 5 月20 日
PWM控制的直流电动机调速系统设计 摘要 直流电机具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，启动转矩大，能在宽广的范围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。 转速是直流电机运行中的一个重要物理量，如何准确、快速测量出电机转速，并且实现对电机的调速在实际工作中具有非常大的使用价值。直流电机具有非常好的调速性能，目前，在一些对调速性能要求比较严格的场合中，主要使用的还是直流调速系统。 本设计是以单片机AT89C51和L298控制的直流电机PWM调速系统。利用AT89C51芯片进行低成本直流电动机控制系统的设计，能够简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。系统实现对电机的正转、反转、急停、加速、减速的控制，以及PWM的占空比在LED上的实时显示。 关键词：直流电机；转速；AT89C51；L298；PWM调速
ABSTRACT DC motor has a good startup performance and speed characteristics, it is characterized by starting torque, maximum torque, in a wide range of smooth, economical speed, speed, easy control, speed control after the high efficiency. Speed is an important physical quantity in the operation of the DC motor, how to accurately and quickly measure the motor speed, and to achieve in practical work with a very large value in use of the motor speed control. DC motor has very good speed performance, in some occasions more stringent requirements on the speed performance, the main use of the DC speed control system. This design is DC motor PWM speed control system which is based on single chip microcomputer AT89C51 and L298 to control. Using AT89C51 chip to design the low-cost dc motor control system, which can simplify the system structure, reduce the system cost, enhance the system performance, meet the needs of more applications. System control the move forward, reverse, stop, acceleration and deceleration of the motor, and PWM duty ratio in real-time display on LED. Keywords：DC Motor；Speed；AT89C51；L298；PMW Speed Automatic