直流电机及调速系统工作原理
直流电机工作原理及调速
直流电机的基本工作原理直流励磁的磁路在电工设备中的应用，除了直流电磁铁（直流继电器、直流接触器等）外，最重要的就是应用在直流旋转电机中。
在发电厂里，同步发电机的励磁机、蓄电池的充电机等，都是直流发电机；锅炉给粉机的原动机是直流电动机。
此外，在许多工业部门，例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车、电缆设备要求严格线速度一致的地方等，通常都采用直流电动机作为原动机来拖动工作机械的。
直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；直流电动机则是作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。
在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。
虽然直流发电机和直流电动机的用途各不同，但是它们的结构基本上一样，都是利用电和磁的相互作用来实现机械能与电能的相互转换。
直流电机的最大弱点就是有电流的换向问题，消耗有色金属较多，成本高，运行中的维护检修也比较麻烦。
因此，电机制造业中正在努力改善交流电动机的调速性能，并且大量代替直流电动机。
不过，近年来在利用可控硅整流装置代替直流发电机方面，已经取得了很大进展。
包括直流电机在内的一切旋转电机，实际上都是依据我们所知道的两条基本原则制造的。
一条是：导线切割磁通产生感应电动势；另一条是：载流导体在磁场中受到电磁力的作用。
因此，从结构上来看，任何电机都包括磁场部分和电路部分。
从上述原理可见，任何电机都体现着电和磁的相互作用，是电、磁这两个矛盾着的对立面的统一。
我们在这一章里讨论直流电机的结构和工作原理，就是讨论直流电机中的“磁”和“电”如何相互作用，相互制约，以及体现两者之间相互关系的物理量和现象（电枢电动势、电磁转矩、电磁功率、电枢反应等）。
一、直流发电机的基本工作原理直流发电机和直流电动机具有相同的结构，只是直流发电机是由原动机（一般是交流电动机）拖动旋转而发电。
可见，它是把机械能变为电能的设备。
直流电动机则接在直流电源上，拖动各种工作机械（机床、泵、电车、电缆设备等）工作，它是把电能变为机械能的设备。
直流电动机调速系统
直流电动机调速系统的能耗分析
能效比
直流电动机的能效比通常较高，可以在较高的效率下运行，减少 能源浪费。
功率因数
直流电动机的功率因数较高，可以减少无功损耗，提高电网效率。
热效率
直流电动机的热效率也较高，可以在长时间运行下保持稳定的性 能。
直流电动机调速系统的稳定性分析
抗干扰能力
直流电动机的调速系统通常具有较强的抗干扰能力，可以在复杂 的工作环境下稳定运行。
直流电动机调速系统的调速性能
调速范围
直流电动机的调速范围通常较大，可以在较 宽的转速范围内实现平滑调节，满足不同工 况下的需求。
调速精度
直流电动机的调速精度较高，可以通过精确的控制 算法实现转速的精确控制，提高生产过程的稳定性 和产品质量。
动态响应
直流电动机的动态响应较快，可以在短时间 内达到稳定转速，满足动态负载变化的需求 。
输标02入题
调压调速是通过改变电枢电压来控制电动机的转速， 具有调节方便、平滑性好等优点，但调速过程中能量 损失较大。
01
03
串级调速是通过改变转子回路的电阻来控制电动机的 转速，具有调节方便、能量损失较小等优点，但调节
范围较小且对电机结构有特殊要求。
04
调磁调速是通过改变励磁电流来控制电动机的转速， 具有调节方便、能量损失较小等优点，但调节范围较 小。
系统调试
在系统集成完成后，进行全面的 调试，确保各部分工作正常，满 足设计要求。
性能测试
对系统的性能进行测试，包括调 速范围、动态响应、稳态精度等 指标，确保系统性能达标。
优化改进
根据测试结果和实际应用情况， 对系统进行必要的优化和改进， 提高系统的稳定性和可靠性。
04
直流电机开环调速系统工作原理
直流电机开环调速系统工作原理1. 什么是直流电机？直流电机，顾名思义，就是那种靠直流电供电的电机。
就像我们日常生活中常见的玩具车、电风扇一样，这些电机在我们生活中可谓是随处可见。
它们能把电能转化为机械能，帮我们完成各种各样的工作。
而开环调速系统，听上去很高大上，但其实就是一种简单的控制方式。
它不像闭环控制那样复杂，所以咱们今天就来聊聊这个“简单明了”的开环调速系统到底是怎么工作的。
2. 开环调速系统的基本原理2.1 电机与电源的关系直流电机的运行离不开电源。
就像人需要吃饭才能有力气一样，电机也需要电源才能转动。
开环调速系统主要是通过调节电机供电电压来实现转速的变化。
简单来说，就是你把电压调高，电机转得快；调低，转得慢。
这个过程就像是给一辆车加油，油加得多，车跑得快，油加得少，车就慢吞吞的。
2.2 转速的变化转速变化的原理其实很简单。
当你给电机输入不同的电压时，电流也会随之改变。
电流越大，产生的磁场越强，电机转动得也就越快。
就像小朋友们在游乐场上玩秋千，推得越用力，秋千摆得越高，乐趣也就越多。
而电机转速的变化也能影响到它的输出功率，就像我们跑步的速度不同，消耗的体力也不一样。
3. 开环调速系统的优势与局限3.1 优势开环调速系统的最大好处就是简单易用，成本低。
对于一些不需要精确控制转速的场合，比如说风扇、玩具车，开环系统就像一位好管家，负责把电源和电机的关系打理得妥妥当当，省去不少麻烦。
而且，系统的设计也比较简单，不需要太多复杂的传感器和控制器，这样可以大大降低维护成本，简直就是一劳永逸。
3.2 局限不过，开环调速系统也有它的不足之处。
最大的局限在于它缺乏反馈机制。
想象一下，如果你的车子没有速度表，你怎么知道自己开得快还是慢？开环系统在负载变化时，无法实时调整电机的转速，可能导致转速不稳定，尤其是在负载变化较大的情况下，电机可能会出现过载或运行不平稳的情况。
这就像一场马拉松，选手们虽然都拼劲十足，但如果没有教练的实时指导，很可能会出现偏离轨道的情况。
直流电机的调速方法
电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。 但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎 没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。
二、直流电动机调速的种类与方法
直流电机调速的种类分别有： 1.调节电枢供电电压U
改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定 转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑 调速的系统来说，这种方法最好。变化遇到的时间常数较小，能快速 响应，但是需要大容量可调直流电源。 2.改变电动机主磁通
1.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ节电枢供电电压U
三、直流电动机调速方法的特点
直流电动机三种调速方法的特点： 不同的需要，采用不同的调速方式 1.调电枢电压，适合应用在0~基速以下范围内调速。不能达
到电动机的最高转速。 2.在电枢全电压状态，调激磁电压，适合应用在基速以上，
弱磁升速。 不能得到电动机的较低转速。 3.在全磁场状态，调电枢电压，电枢全电压之后，弱磁升速。
适合应用在调速范围大的情况。这是直流电动机最完善的 调速方式，但设备复杂，造价高。
直流电机的调速方法
• 一组：韩爽 刘磊 刘畅 韩玉迪
目录
一、直流电动机调速的定义与工作原理 二、直流电动机调速的种类与方法 三、直流电动机调速方法的特点
一、直流电动机调速的定义与工作原理
• 定义：直流电机调速器就是调节直流电动机速度 的设备。
• 工作原理:是通过改变输出方波的占空比使负载上 的平均电流功率从0-100%变化、从而改变负载、 灯光亮度/电机速度。利用脉宽调制(PWM)方式、 实现调光/调速、它的优点是电源的能量功率、能 得到充分利用、电路的效率高。
直流电机调速原理
直流电机调速原理
直流电机调速原理主要是通过控制电机的电压和电流来改变电机的转速。
直流电机调速可以分为电压调速和电流调速两种方法。
1. 电压调速：
电压调速是通过改变直流电机的供电电压来实现的。
当电机的电压降低时，电机的转速会相应降低；当电压增加时，电机的转速也会增加。
这是因为电机内部的电流与电压成正比关系，而电机的转速又与电机内部的电流成正比关系。
2. 电流调速：
电流调速是通过改变直流电机的电流来实现的。
电机的转速与电机的电流成正比关系，在一定电压的情况下，增大电机的电流可以提高电机的转速。
通过改变电机的电流大小，可以实现直流电机的调速。
在实际应用中，调速控制器会根据需要调整电机供电的电压或电流，以达到期望的转速。
常见的调速方法包括电压调制调速、PWM调速和编码器反馈调速等。
需要注意的是，直流电机调速原理中还涉及到调速控制系统中的反馈机制和控制算法。
例如，通过编码器等传感器对电机的转速进行实时测量，并将测量值与期望值进行比较，并根据比较结果进行调速控制。
通过不断调整电机供电的电压和电流，使电机的实际转速逐渐接近期望转速，从而实现直流电机的精确调速。
直流电机PWM调速基本原理
直流电机PWM调速基本原理
PWM方式是在大功率开关晶体管的基极上，加上脉冲宽度可调的方波电压，控制开关管的导通时间t，改变占空比，达到控制目的。
图3.3是直流PWM系统原理框图。
这是一个双闭环系统，有电流环和速度环。
在此系统中有两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即以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作为PWM的控制电压。
核心部分是脉冲功率放大器和脉宽调制器。
控制部分采用AT89S52（脉宽调制芯片AT89S52具有欠压锁定、故障关闭和软起动等功能,因而在中小功率电源和电机调速等方面应用较广泛。
AT89S52是电压型控制芯片,利用电压反馈的方法控制PWM信号的占空比,整个电路成为双极点系统的控制问题,简化了补偿网络的设计。
）集成控制器产生两路互补的PWM脉冲波形，通过调节这两路波形的宽度来控制H 电路中的GTR通断时间，便能够实现对电机速度的控制。
为了获得良好的动、静态品质，调节器采用PI调节器并对系统进行了校正。
检测部分中，采用了霍尔片式电流检测装置对电流环进行检测，转速还则是采用了测速电机进行检测，能达到比较理想的检测效果。
图3.3 直流电动机PWM系统原理图。
直流有刷电机调速原理
直流有刷电机调速原理一、引言直流有刷电机是一种常见的电动机类型，广泛应用于工业生产和家用电器等领域。
调速是电机运行过程中非常重要的功能之一，本文将介绍直流有刷电机的调速原理。
二、直流有刷电机的结构和工作原理直流有刷电机主要由定子、转子、电刷和换向器等组成。
定子是不可移动的部分，上面绕有线圈，称为定子线圈。
转子是电机的旋转部分，由磁铁或电磁铁组成。
电刷则负责与转子上的换向器接触，以便改变电流的方向。
当直流电流通过定子线圈时，会在定子上产生一个磁场。
根据洛伦兹力的作用原理，当转子上的磁场与定子上的磁场相互作用时，会产生一个力矩，使转子开始旋转。
此时，电刷通过换向器将电流反向，并继续流过定子线圈，使转子保持旋转。
三、直流有刷电机的调速方法直流有刷电机的调速方法主要有电压调速和电流调速两种。
1. 电压调速电压调速是通过改变电源的电压来控制电机的转速。
当电机负载增加时，转子的转速会下降。
此时，通过增加电源电压，可以使电机继续保持额定转速。
相反，当负载减少时，可以降低电源电压，以避免电机过速运行。
电压调速简单易行，但是对电机的负载变化响应较慢，无法实现精确的调速。
2. 电流调速电流调速是通过改变电机的电流来控制转速。
在电机运行过程中，通过控制电流的大小，可以实现对转速的精确调节。
当电机负载增加时，电流会增加，从而提供更大的转矩以应对负载变化。
当负载减少时，电流会减小，以避免电机过速运行。
电流调速具有响应速度快、调速范围广的优点，但需要较为复杂的电路和控制系统。
四、直流有刷电机调速原理直流有刷电机的调速原理是通过改变电机的电源电压或电流，来控制电机的转速。
1. 电压调速原理在电压调速中，通过改变电源电压来调节电机的转速。
当降低电源电压时，电机的转速会下降；当增加电源电压时，电机的转速会提高。
这是因为电机的转矩与电源电压成正比，在电源电压降低时，转矩也相应减小，导致转速下降。
2. 电流调速原理在电流调速中，通过改变电机的电流来调节转速。
直流电机调速的基本工作原理
直流电机调速的基本工作原理？直流电机的调速方案常用的有3种方式：1、改变电枢电压；2、改变激磁绕组电压；3、改变电枢回路电阻。
最常用的是调压调速：即：改变电枢电压（特别说明：改变励磁电压一般要同时改变电枢电压，这样在负载增加的情况下能保持输出钮力矩不会有太大变化）直流电机调速器的工作原理一、什么是直流调速器? 直流调速器就是调节直流电动机速度的设备, 由于直流电动机具有低转速大力矩的特点,是交流电动机无法取代的, 因此调节直流电动机速度的设备—直流调速器,具有广阔的应用天地。
二、什么场合下要选择使用直流调速器? 下列场合需要使用直流调速器:1．需要较宽的调速范围。
2. 需要较快的动态响应过程。
3. 加、减速时需要自动平滑的过渡过程。
4. 需要低速运转时力矩大。
5. 需要较好的挖土机特性，能将过载电流自动限止在设定电流上。
以上五点也是直流调速器的应用特点。
三、直流调速器应用: 直流调速器在数控机床、造纸印刷、纺织印染、光缆线缆设备、包装机械、电工机械、食品加工机械、橡胶机械、生物设备、印制电路板设备、实验设备、焊接切割、轻工机械、物流输送设备、机车车辆、医设备、通讯设备、雷达设备、卫星地面接受系统等行业广泛应用。
四、直流调速器工作原理简单介绍：直流调速器就是调节直流电动机速度的设备，上端和交流电源连接，下端和直流电动机连接，直流调速器将交流电转化成两路输出直流电源，一路输入给直流电机砺磁（定子），一路输入给直流电机电枢（转子），直流调速器通过控制电枢直流电压来调节直流电动机转速。
同时直流电动机给调速器一个反馈电流，调速器根据反馈电流来判断直流电机的转速情况，必要时修正电枢电压输出，以此来再次调节电机的转速。
五、直流电机的调速方案一般有下列3种方式：1、改变电枢电压；2、改变激磁绕组电压；3、改变电枢回路电阻。
最常用的是调压调速系统，即1（改变电枢电压）.六、一种模块式直流电机调速器，集电源、控制、驱动电路于一体，采用立体结构布局，控制电路采用微功耗元件，用光电耦合器实现电流、电压的隔离变换，电路的比例常数、积分常数和微分常数用pid适配器调整。
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电机调速系统实例_1 (A)
直流伺服电机控制系统 速度负反馈闭环调速系统的结构
右图为一数控 机床进给部件 中的电机调速 系统接线图 它是一个速度
电源
控制
驱动
电源
负反馈闭环 调速系统
电机
电机调速系统实例_1 (B)
直流伺服电机控制系统
速度负反馈闭环调速系统的结构
电机调速系统实例_1 (C)
测速电机
系统的稳态设计也要分步骤进行，首先要根据被控对象运动的特点， 选择系统的执行电机和相应的机械传动机构；接着可以选择或设计驱动 执行电机的功率放大装置；再根据系统工作精度的要求，确定检测装置 具体的组成形式，选择元件的型号规格，设计具体的线路参数。然后根 据已确定的执行电机、功率放大装置和检测整置，设计前置放大器、信 号转换线路等。在考虑各种部件相互联接时，要注意阻抗的匹配、饱和 界限、分辨率、供电方式和接地方式。为使有用信号不失真的、不失精 度地有效传递，耍设计好福合方式。同时也要考虑必要的屏蔽、保护、 滤波……等抗干扰措施。
控制1
控制2
测量2
电机调速系统实例_2
CNC系统
驱动系统
伺服电机
机床本体
传感器
CNC中的伺服系统
系统实例
数控系统+驱动单元+伺服电机
系统实例
伺服系统设计实例_1
设计条件
最大纵向进给力 工作台质量 工件等质量 定位精度 导轨形式及材料
设计条件转化成 分析条件 ？ ？ ？ ？ ？
电机调速基本概念
转速降 理想转速
Ia
直流电机调速的基本概 念： 什么是恒转距调速？ 什么是恒功率调速？ 什么是动态平衡方程？ 什么是静态平衡方程？ 这两类方程的应用场合。
直流电机的控制方法
工业PC 可编程控制器
单片机
电机调速系统的作用
机床在加工过程中、需要按不同的加工要求，调整主轴的转速、 进给速度。为保证工件表面质量和精度．求调速系统调速稳 定．能迅速消除扰动(主要是负载和电枢电压波动)而引起的转速 波动。要求系统具有足够的动态稳定性和快速性，使起动、制动、 调速过程平稳迅速。
建立系统的动态数学模型 经过系统的稳态设计，系统主回路各部分均己确定。但稳态设 计依据的主要是系统的稳态性能指标，因此所构成的系统还不能 保证满足系统动态性能的要求，为系统的动态设汁作准备，需要 对稳态设计所确定的系统作定量计算(或辅助实验测试)，建立它 的动态数学模型，称之为原始系统的数学模型。
直流伺服电机调速驱动单元 结构实例
速度单元
速度指令 电机
测速电机
直流伺服电机调速驱动单元 结构实例
速度指令 电机 速度环
测速电机
直流伺服电机调速驱动单元 结构实例
电压— 脉冲变换
速度指令 电机 速度环
电流环
测速电机
直流伺服电机调速驱动单元 结构实例
电压— 脉冲变换
速度指令 电机 速度环
电流环
系统的动态设计 根据被控对象对系统动态性能的要求，结合以上获得的原始系统数学 模型，进行动态设计，要确定采用什么校正(补偿)形式，Q定校正(补偿) 装置具体线路和参数，确定校正装置在原始系统中具体联接的部位和联 接方式。使校正(补偿)后的系统能满足动态性能指标要求
直流电机转速负反馈 闭环控制系统分析
设计目标
拟定其传动系统 选择伺服电机 确定反馈控制结构 选择伺服系统的参 数
伺服系统设计实例_分析1
解决问题的方法 通过数学建模来分析整个系统的问题
驱动单元数学模型
信号 电机单元数学模型 机械单元数学模型 目标运动
伺服系统设计实例_分析2
数学建模来分析整个系统的问题 数学模型应解决什么问题 数学模型如何来实现互联
直流电机工作原理
随着转子的转动，线圈边位置互换，这时要使转子连续转动．则应使线圈 边中的电流方向也加以改变．要进行换向。由于换向器与静止电刷的相互配合 作用，线圈不论转到何处，B刷h始终与运动到N极下的线圈边相接触，而电极 A始终与运动到S极下的线圈边相接触．这就保证了电流总是经电刷经N极下导 体流入，再沿S极导体经电刷B流出。因而电磁力和电磁转矩的方向始终保持不 变，使电机沿逆时针方向连续转动。
直流电机及调速系统
直流电机工作原理
从图中可以看出，接入直流电源以后，电刷A为正极性，电刷B为负极性。 电流从正电刷A经线圈ab、cd，到负电刷B流出。根据电磁力定律，在载流导体 与磁力线垂直的条件下，线圈每一个有效边将受到一电磁力的作用。电磁力的 方向可用左手定则判断，伸开左手，掌心向着N极，4指指向电流的方向，与4 指垂直的拇指方向就是电磁力的方向。在图示瞬间，导线ab与dc中所受的电磁 力为逆时针方向，在这个电磁力的作用下，转子将逆时针旋转．即图中S的方向。
直流伺服电机的基本特性_2
启动特性曲线
启动电压
启动电压的物理意义？
电机调速基本概念
P
恒功率调速
n
M
n
电机调速基本概念
P
恒转矩调速
n
M
n
电机调速基本概念
在额定电压，额定负载条件下 （电机铭牌上所给出的数据）
调速范围
额定转速
电机调速基本概念
在额定电压，额定负载条件下 （电机铭牌上所给出的数据）
调速范围
额定转速
静差度
电机调速基本概念
调速范围
在额定电压，额定负载条件下 （电机铭牌上所给出的数据）
额定转速
静差度
由静差度许可值 求调速范围
直流电机的基本特性_1
转速降 理想转速
Ia
Ia
普通直流电机的铭 牌数据 额定工作转速 额定工作转矩 额定工作电压 额定工作电流 电机线圈直流内阻
直流伺服电机控制系统
速度负反馈闭环调速系统的结构
电机调速系统实例_1 (D)
控制
电源
驱动
电源
电机
电机调速系统实例_1 (E)
控制
电源
驱动 电源
电机
电机调速系统实例_1 (F)
控制
电源
驱动 电源
电机
电机调速系统实例_1 (G)
控制
电机调速系统实例_1 (H)
位置控制实现原理
控制
电机调速系统实例_1 [总结]
电磁式直流电机的种类
电磁式直流电机的种类
永磁式直流伺服电机结构
直流伺服电机构成 直流伺服电机的电源特点 直流伺服电机的类型
直流电机的基本方程_1
静态方程
Ia
静态方程是指电机稳态下的 机械平衡方程，电压平衡方 程。
直流电机的基本方程_1
动态方程
I
过渡状态—— 停止/启动、加速、 减速、加载、减载
直流电机的基本方程_1
动态方程
I(t)
过渡状态—— 停止/启动、加速、 减速、加载、减载
直流电机的基本方程_2
电流
直流电机的调速原理
电压调速
直流电机的速度控制原理_1
Ia
机械特性方程的推导
直流电机的基本特性_1
转速降 理想转速
Ia
机械特性曲线
K值的大小反映了什么？ KM 也被称为转速降△n，其物理意义是负栽对转速的影响
以下将对一个简易的直流电机转速负反馈调速 系统进行分析，通过该例掌握电机调速系统的 工作原理、分析方法。
系统结构模型
电机建模
换流装置建模
放大器建模
测量传感器建模
系统综合建模
闭环系统与开环系统比较
开环系统稳态方程
闭环系统稳态方程
系统性能改善的分析式
系统性能改善的分析式
系统性能改善的分析式
电机调速系统的基本结构_1
直流电机调速系统 开环调速系统
速度控制
控制
驱动
电机
机械
电机调速系统的基本结构_2
直流电机调速系统 速度负反馈闭环调速系统（半闭环）
速度控制
控制
驱动
电机 测量
机械
电机调速系统实例_1 (A)
直流伺服电机控制系统 速度负反馈闭环调速系统的结构
右图为一数控 机床进给部件 中的电机调速 系统接线图 它是一个速度
驱动单元数学模型
信号 电机单元数学模型 机械单元数学模型 目标运动
伺服系统设计实例_分析3
数学建模来分析整个系统的问题 数学模型应解决什么问题 数学模型如何来实现互联
信号
输入 驱动单元数学模型 输出 输入 电机单元数学模型 输入 机械单元数学模型 输出
信号
输出
目标运动
电机调速系统的一般结构形式
电源
控制
驱动
电源
负反馈闭环 调速系统
电机
电机调速系统的基本结构_3
直流电机调速系统 速度负反馈闭环调速系统（闭环）
速度控制
控制
驱动
电机 测量
机械Hale Waihona Puke 电机调速系统的基本结构_4
直流伺服电机控制系统 速度负反馈闭环控制系统的结构 位置—速度双闭环控制系统的结构
位置控制 驱动 电机 测量1 机械
1. 2.
3.
4.
通过以上的实例，同学应掌握如下内容 电机调速系统结构的一般形式和工作原理 电机调速系统中速度闭环和位置闭环的区别 电机调速系统系统中速度指令的形式 电机调速系统系统中的位置控制实现原理
直流伺服电机调速驱动单元 结构实例
直流伺服电机调速驱动单元 结构实例