武汉科技大学2011届机电与控制工程学院学士论文（设计）
械特性变硬。稳定运行时，忽略电抗器L的绕线电阻后，
Ua?Ud （2-3）
n?Ua?IaRa?Ke?Ua?TLRake?(kr?)?UaRT?aL2ke?krke?
从上式可知，稳定后的转速n与负载阻力矩TL成线性关系，负载阻力矩TL引起的转速变化部分为：
?n?IaRaTR?La2?TL (2-4) Ke?KTKe?Ua，Ke?当TL=0即理想空载的情况下，其转速为理想空载转速n0，则n0?n?n0??n。?n也就称为负载引起的转速降。
许多需要调速的生产机械常常对静差率有一定的要求。例如龙门刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工时负载大小常有波动，但是，为了保证工件的加工精度和加工后的表面光洁度，加工过程中的速度却必须基本稳定，也就是说，静差率不能太大，一般要求，调速范围D=20～40，静差率s≤5%。又如热连轧机，各机架轧辊分别由单独的电动机拖动，钢材在几个机架内连续轧制，要求各机架出口线速度保持严格的比例关系，使被轧金属的每秒流量相等，才不致造成钢材拱起或拉断，根据工艺要求，须使调速范围D=3～10时，保证静差率s≤0.2%～0.5%。在这些情况下，开环调速系统往往不能满足要求。 2.3.2 直流调速系统的控制要求和调速指标
何一台需要控制调速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。例如，最高转速与最低转速之间的范围，是有级调速还是无级调速，再稳态运行时允许转速波动的大小，从正转运行变到反转运行的时间间隔，突加或突减负载时允许的转速波动，运行停止时要求的定位精度等等。归纳起来，对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面：
1）调速。在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地（有级）或平滑地(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速度波动，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。
为了进行定量的分析，可以针对前两项要求定义两个调速指标，叫做“调
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速范围”和“静差率”。这两个指标合称调速系统的稳态性能指标。
1）调速范围
生产机械要求电动机提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比叫调速范围，用字母D表示，即
D=
nmax （2-5） nmin其中的nmax和nmin一般都是指电动机额定负载时的最高和最低转速，对于少数负
载很轻的机床，例如精密磨床，也可以用实际负载时的最高和最低转速。
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对应的转速降落△nN，与理想空载转速n0之比，称作静差率s，即 s=
?nN （2-6） n0显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的。它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。
3 转速单闭环直流电机调速系统
3.1单闭环控制的直流调速系统
开环调速系统不能满足较高的性能指标要求。根据自动控制原理，为了克服开环系统的缺点，提高系统的控制质量，必须采用带有负反馈的闭环系统。 转速单闭环直流调速系统可以提高调速系统的稳态性能。闭环系统是把反映输出转速的电压信号反馈到系统输入端，与给定电压比较，形成一个闭环。由于反馈的作用，系统可以自行调整转速，这种方式也称为反馈控制。闭环系统的原理图如图3.1所示。在闭环系统中，把系统的输出量通过检测装置（传感器）引向系统的输入端，与系统的输入量进行比较，从而得到反馈量与输入量之间的偏差信号。利用此偏差信号通过控制器（调节器）产生控制作用，自动纠正偏差。因此，带输出量负反馈的闭环控制系统具有提高系统抗扰性，改善控制精度的性能，广泛用于各类自动调节系统中。
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图3.1 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图
3.1.1 单闭环系统的组成
对于调速系统来说，输出量是转速，通常引入转速负反馈构成闭环调速系统。在电动机轴上安装一台测速发电动TG，引出与输出量转速成正比的负反馈电压Un，与转速给定电压
进行比较，得到偏差电压
，经过放大器A，产生驱动
或触发装置的控制电压Uct，去控制电动机的转速，这就组成了反馈控制的闭环调速系统。图3.2所示为采用晶闸管相控整流器供电的闭环调速系统，因为只有一个转速反馈环，所以称为单闭环调速系统。由图可见，该系统由电压比较环节、放大器、晶闸管整流器与触发装置、直流电动机和测速发电机等部分组成。
图3.2 采用转速负反馈的单闭环调速系统 3.2 转速单闭环直流电机调速系统的静特性 （1） 定量分析
为突出主要矛盾，先作如下假定：
忽略各种非线性因素，各环节的输入输出关系都是线性的； 工作在V-M系统开环机械特性的连续段； 忽略直流电源和电位器的等效电阻。
这样，图3.2所示单闭环调速系统中各环节的静态关系为 电压比较环节：
（3-1）
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放大器： （3-2）
晶闸管整流器与触发装置：
V-M系统开环机械特性： 测速发电机： 以上各关系式中：
Kp——放大器的电压放大系数；
（3-3）
（3-4）
Ks——晶闸管整流器与触发装置的等效电压放大倍数； ——转速反馈系数，单位为V·min/r； Ce——电机反电势系数；
根据上述各环节的静态关系可以画出图3.2所示系统的静态结构图如图3.3所示。
图3.3 转速负反馈单闭环调速系统静态结构图
图中各方块中的符号代表该环节的放大系数，或称传递系数。运用结构图的计算方法，可以推导出转速负反馈单闭环调速系统的静特性方程式：
式中，
（3-5）
——闭环系统的开环放大系（倍）数。
闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系，它在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大不同，因此称为“静特性”，以示区别。
(2) 从前面对于闭环系统静特性的分析中可以看出，闭环系统的开环放大系数K值对系统的稳态性能影响很大。K越大，稳态速降越小，静特性就越硬，在一定静差率要求下的调速范围越宽。但是，当放大器只是比例放大器（Kp为常数），稳态速降只能减少而不可能消除，因为
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