机械设备电气控制
9
南通工学院机械工程系
4 直流调速系统
4.1 机床的速度调节
一、机床对调速的要求及实现
1、要求
? 对于不同的工件材料、不同的刀具，应选
择不同的切削速度；（加工精度、表面粗
糙度要求）
? 机床的快速进刀、快速退刀和对刀调整等
辅助工作，也需要不同的运动速度。（生
产率要求）
2、实现
? 机械有级调速
? 电气 -机械有级调速
? 电气无级调速
? 调速,用人为的办法有目的地改变机床工作机
构的转速。
? 电气调速,根据生产工艺要求，人为地改变电
动机转速，以满足产品质量和生产率的要求。
? 稳速,电动机应尽量不受各种干扰因素的影响，
按要求以一定的精度稳定在某一速度下运转。
min
max
n
nD ?
二、调速指标
1,调速范围（ D）, 电动机在额定负载下，最高转
速 nmax与最低转速 nmin之比。
?系统要求的调速范围 D越大越好
2,静差度（ S）, 电动机在额定负载时的转速降落
Δ ned与理想空载转速 n0之比。
?系统要求的静差度 S越小越好
%1 00
0
???
n
nS ed
Δn ed=n0-n1
n0 — 理想空载转速
n1 — 实际运行转速
? 静差度 S用来衡量调速系统在负载变化下转速相
对稳定的程度。
? 静差度与机械特性硬度的关系：
机械特性硬度：单位负载下转速降落的程度，
即转速 — 负载曲线的斜率。斜率越小，机械特性
硬度越大。
?机械特性越硬，静差度越小，稳定精度越高；
?机械特性相同，静差度不一定相等。
?系统静差度通常指最低额定转速时的静差度。
（低速时能满足要求，高速时也就一定能满足要求）
01
1
1 n
nS ed??
02
2
2 n
nS ed??
21
0201
21
SS
nn
nn eded
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3,调速的平滑度（ φ ）
1?
?
i
i
n
n
?
以上为调速的静态性能指标
4,调速的动态性能指标
阶跃信号作用下的超调量，调节时间，上升时间，
振荡次数等。
5,经济性,投资，效益
三、恒功率负载、恒转矩负载的速度调节
? 恒功率调速,在输出功率不变情况下的的调速。
机床主运动、龙门刨床工作台的运动等属
于恒功率负载。
? 恒转矩调速,在输出转矩不变情况下的的调速。
机床的进给运动属于恒转矩负载。
?他励直流电动机的调速
?
?
?
?
?
?
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DMD
eD
DDD
ICM
nCE
RIEu
?
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C
MnCu
M
D
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即
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CC
RM
C
u
n
Me
D
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0
2
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（ 电动机的机械特性 ）
?e
D
C
un ?
0 2?
Me
D
CC
RMn ???
? 调速方法
1、调压调速 （恒转矩调速）
?保持磁通 φ 和电阻 RΣ 不变，改变电枢电压 uD
nn
CC
RM
C
un
Me
D
e
D ????? ?
02??
? 调速方法
2、调磁调速 （恒功率调速）
?保持电枢电压 uD和电阻 RΣ 不变，改变励磁 φ
（ 只能减小）
nn
CC
RM
C
un
Me
D
e
D ????? ?
02??
? 调速方法
3、调阻调速
?电枢回路中串联电阻
nn
CC
RM
C
un
Me
D
e
D ????? ?
02??
? 他励直流电动机与双速异步电动机 调速
方法比较
调速方式
电机类型
恒功率调速 恒转矩调速
双速异步
电动机
Δ→YY Y→YY
他励直流
电动机
改变励磁 φ 改变电枢
电压 uD
4.2 反馈控制的基本概念
一、调速范围 D与静差度 S的关系
)1(
m a xm a x
m i n0
m a x
m i n
m a x
Sn
Sn
n
S
n
n
nn
n
n
n
D
ed
ed
eded ??
?
??
?
?
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??
? 同一个调速系统的特性硬度或 Δned是相同的；
? 一般调速系统总是希望 D大,S小；
? 上式表明静差度 S与调速范围 D两项指标是相互
制约的。如果对静差度要求越严，即 S越小时，
系统能允许的调速范围 D也越小。
二、扩大调速范围的途径
? 通常采用转速负反馈闭环调速系统，减小转速
降落 Δned,从而扩大调速范围 D。
nn
CC
RM
C
un
Me
D
e
D ????? ?
02??
4.3 转速负反馈自动调速系统
一、转速负反馈调速系统的组成及工作原理
1、组成,SCR-M调压调速系统
2、工作原理：
?稳态工作时，电动机在额定转速 n下运行；
?负载 ↑→n↓→uTG↓→Δu↑→uk↑→α↓→Edα↑
n↑
?负载 ↓→n↑→uTG↑→Δu↓→uk↓→α↑→Edα↓
n↓
nC
RR
R
u
EE
u
uu
uuu
TGe T GTG
dd
k
k
TGg
?
?
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?
21
2
0
c os
1
?
?
?
?
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???
2、特点：
?有差调节。根据给定量与反馈反馈量之差（误差）
进行调节，以维持速度近似不变。（电动机电枢回
路总电阻 R∑的存在会消耗一部分压降）
?系统的总放大倍数越大，调节的准确度（静态精度）
越高。
?静特性：稳态时电动机转速 n与负载电流 ID
之间的关系。即
?分析静特性的目的：找出减小静态速降、
扩大调速范围、改善系统调速性能的措施。
)( DIfn ?
二、转速负反馈调速系统静特性分析
假设放大器、触发器、晶闸管、测速发电
机的特性均为近似线性
? 电动机电枢回路
? 晶闸管整流装置
二、转速负反馈调速系统静特性分析
ERInCE Ded ???? ???
kkzd
dd
uKE
EE
?
?
?
? ?c o s0
? 放大器
? 转速反馈回路
其中，速度反馈系数
反馈电压比例系数
)( TGgppk uuKuKu ????
nKnCRR RERR Ru nTGe T GTGTG ????? ?
21
2
21
2
TGe T GTGTGe T Gn CCRR
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2
21
2
RR
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? 闭环系统静特性方程：
式中
BBD
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gG
e
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Dgpkz
kznpe
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KC
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? 开环系统静特性方程：
? 比较：
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作 业
P.105
4-1
4-3
4-5
三、静特性计算举例
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南通工学院机械工程系
4 直流调速系统
4.1 机床的速度调节
一、机床对调速的要求及实现
1、要求
? 对于不同的工件材料、不同的刀具，应选
择不同的切削速度；（加工精度、表面粗
糙度要求）
? 机床的快速进刀、快速退刀和对刀调整等
辅助工作，也需要不同的运动速度。（生
产率要求）
2、实现
? 机械有级调速
? 电气 -机械有级调速
? 电气无级调速
? 调速,用人为的办法有目的地改变机床工作机
构的转速。
? 电气调速,根据生产工艺要求，人为地改变电
动机转速，以满足产品质量和生产率的要求。
? 稳速,电动机应尽量不受各种干扰因素的影响，
按要求以一定的精度稳定在某一速度下运转。
min
max
n
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二、调速指标
1,调速范围（ D）, 电动机在额定负载下，最高转
速 nmax与最低转速 nmin之比。
?系统要求的调速范围 D越大越好
2,静差度（ S）, 电动机在额定负载时的转速降落
Δ ned与理想空载转速 n0之比。
?系统要求的静差度 S越小越好
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Δn ed=n0-n1
n0 — 理想空载转速
n1 — 实际运行转速
? 静差度 S用来衡量调速系统在负载变化下转速相
对稳定的程度。
? 静差度与机械特性硬度的关系：
机械特性硬度：单位负载下转速降落的程度，
即转速 — 负载曲线的斜率。斜率越小，机械特性
硬度越大。
?机械特性越硬，静差度越小，稳定精度越高；
?机械特性相同，静差度不一定相等。
?系统静差度通常指最低额定转速时的静差度。
（低速时能满足要求，高速时也就一定能满足要求）
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以上为调速的静态性能指标
4,调速的动态性能指标
阶跃信号作用下的超调量，调节时间，上升时间，
振荡次数等。
5,经济性,投资，效益
三、恒功率负载、恒转矩负载的速度调节
? 恒功率调速,在输出功率不变情况下的的调速。
机床主运动、龙门刨床工作台的运动等属
于恒功率负载。
? 恒转矩调速,在输出转矩不变情况下的的调速。
机床的进给运动属于恒转矩负载。
?他励直流电动机的调速
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（ 电动机的机械特性 ）
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? 调速方法
1、调压调速 （恒转矩调速）
?保持磁通 φ 和电阻 RΣ 不变，改变电枢电压 uD
nn
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? 调速方法
2、调磁调速 （恒功率调速）
?保持电枢电压 uD和电阻 RΣ 不变，改变励磁 φ
（ 只能减小）
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? 调速方法
3、调阻调速
?电枢回路中串联电阻
nn
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02??
? 他励直流电动机与双速异步电动机 调速
方法比较
调速方式
电机类型
恒功率调速 恒转矩调速
双速异步
电动机
Δ→YY Y→YY
他励直流
电动机
改变励磁 φ 改变电枢
电压 uD
4.2 反馈控制的基本概念
一、调速范围 D与静差度 S的关系
)1(
m a xm a x
m i n0
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m i n
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Sn
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n
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? 同一个调速系统的特性硬度或 Δned是相同的；
? 一般调速系统总是希望 D大,S小；
? 上式表明静差度 S与调速范围 D两项指标是相互
制约的。如果对静差度要求越严，即 S越小时，
系统能允许的调速范围 D也越小。
二、扩大调速范围的途径
? 通常采用转速负反馈闭环调速系统，减小转速
降落 Δned,从而扩大调速范围 D。
nn
CC
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4.3 转速负反馈自动调速系统
一、转速负反馈调速系统的组成及工作原理
1、组成,SCR-M调压调速系统
2、工作原理：
?稳态工作时，电动机在额定转速 n下运行；
?负载 ↑→n↓→uTG↓→Δu↑→uk↑→α↓→Edα↑
n↑
?负载 ↓→n↑→uTG↑→Δu↓→uk↓→α↑→Edα↓
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2、特点：
?有差调节。根据给定量与反馈反馈量之差（误差）
进行调节，以维持速度近似不变。（电动机电枢回
路总电阻 R∑的存在会消耗一部分压降）
?系统的总放大倍数越大，调节的准确度（静态精度）
越高。
?静特性：稳态时电动机转速 n与负载电流 ID
之间的关系。即
?分析静特性的目的：找出减小静态速降、
扩大调速范围、改善系统调速性能的措施。
)( DIfn ?
二、转速负反馈调速系统静特性分析
假设放大器、触发器、晶闸管、测速发电
机的特性均为近似线性
? 电动机电枢回路
? 晶闸管整流装置
二、转速负反馈调速系统静特性分析
ERInCE Ded ???? ???
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? ?c o s0
? 放大器
? 转速反馈回路
其中，速度反馈系数
反馈电压比例系数
)( TGgppk uuKuKu ????
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? 闭环系统静特性方程：
式中
BBD
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P.105
4-1
4-3
4-5
三、静特性计算举例
