直流电动机V-M不可逆调速系统详述

1、第第2章章 直流电动机直流电动机V-M不可逆调速系统不可逆调速系统 2.1 直流调速系统概述直流调速系统概述 l 直流调速系统的优缺点：直流调速系统的优缺点：缺点缺点带有机械换向装置，即有换向器和电刷，运行时会产生火化带有机械换向装置，即有换向器和电刷，运行时会产生火化和电磁干扰，电刷易磨损需维护、更换。和电磁干扰，电刷易磨损需维护、更换。 1)直流调速系统仍有应用；直流调速系统仍有应用；2）直流电机各参数、变量之间的关系几乎都是简单明了的线性函）直流电机各参数、变量之间的关系几乎都是简单明了的线性函数关系数关系 ，数学模型较为简单、准确，控制系统在理论上和实践上都，数学模型较为简单、准确，控

2、制系统在理论上和实践上都比较成熟、经典比较成熟、经典 ，是拖动控制的基础。，是拖动控制的基础。 优点优点调速性能好、控制性能好、起制动性能好；调速性能好、控制性能好、起制动性能好；l学习直流调速系统的理由：学习直流调速系统的理由：2.1.1 直流调速系统的类型直流调速系统的类型 1直流调速系统的主导调速方法直流调速系统的主导调速方法 (1) 改变电枢回路电阻改变电枢回路电阻电枢回路串电阻调速；电枢回路串电阻调速；自控系统不用自控系统不用(2) 调节电抠供电电压调节电抠供电电压变压调速；变压调速； 主导调速方法主导调速方法 (3) 减弱励磁磁通减弱励磁磁通-弱磁调速。弱磁调速。 辅助调速方法辅助

3、调速方法 2直流调速系统主电路直流调速系统主电路可调压的直流电源可调压的直流电源 常用的有：常用的有： (1) G-M系统系统 (发电机发电机-电动机系统电动机系统) (2) V-M系统系统 (可控整流器可控整流器 -电动机系统电动机系统) (3) 直流脉宽调制（直流脉宽调制（PWM）系统）系统 (斩波器斩波器 -电动机系统电动机系统)ejaaK)RR(IUn3直流调速系统的控制方式直流调速系统的控制方式 l 主电路构成不同，控制方法不同主电路构成不同，控制方法不同 ：移相控制、：移相控制、PWM控制等控制等l 闭环闭环控制方式控制方式开环控制开环控制 闭环控制闭环控制单闭环单闭环 速度环速度

4、环双闭环双闭环 速度环和电流环速度环和电流环多环控制多环控制 加位置环等加位置环等 电机调速系统电机调速系统中通常为：中通常为：4工作象限工作象限 0Tn0Tn0 0Tn0Tn)a)b)c)da）单象限运行）单象限运行 b)电压可反向的二象限运行电压可反向的二象限运行 c) 电流可反向的二象限运行电流可反向的二象限运行2.1.2 G-M系统系统 l 系统原理图系统原理图 l 控制原理、控制思路控制原理、控制思路l 制动时的能量传递关系制动时的能量传递关系l 工作原理工作原理l 工作象限工作象限l 优点：特性好，平稳优点：特性好，平稳MG+(-)-(+)生产机械n励磁电源放大装置+fiGEM3+

5、UgnaI12+1n2n4n3n5n6nLTTTL-0正向电动状态正向制动状态反向电动状态反向制动状态Tnn系统原理图系统原理图l 50年代曾广泛地使用，目前仍有应用年代曾广泛地使用，目前仍有应用l 缺点：缺点：设备多、体积大、费用高、效率低设备多、体积大、费用高、效率低l 机械特性机械特性2.1.3 V-M系统系统 l 系统构成系统构成 l 控制思路控制思路l 制动时的能量传递关系制动时的能量传递关系l 控制原理控制原理l 工作象限工作象限l 优点：静止装置、经济、可靠优点：静止装置、经济、可靠0TnMdUV+-LGT+l 触发装置触发装置GT l 缺点：功率因数低、对电网谐波污染缺点：功率

6、因数低、对电网谐波污染 V-M系统系统l 是是7090年代直流调速系统的主要形式年代直流调速系统的主要形式 2.1.4 直流脉宽调制（直流脉宽调制（PWM）系统）系统 驱动dU0iVDVTaE0u0UdU0uonTT0t)b)aa）原理电路图）原理电路图 b）斩波器输出电压波形）斩波器输出电压波形 dtdonUUTTuU00l原理电路图原理电路图 l制动时的能量传递关系制动时的能量传递关系l工作象限工作象限l优缺点优缺点0Tn0Tn0 0Tn0Tn)a)b)c)da)单管电路单管电路 b)双管电路双管电路 c)双管电路双管电路 d)H型桥式电路型桥式电路l 控制思路控制思路l 控制原理控制原理

7、2.2 V-M系统的机械特性系统的机械特性 2.2.1 电流连续时的机械特性电流连续时的机械特性 1可控整流装置的输出电压可控整流装置的输出电压 cosUcosmsinUm)(UdommdomUmUd0m单相桥式 20.9U2三相半波 31.17U2三相桥式 62.34U2l 不计换流时不计换流时l 计及计及LC换流及内阻影响时换流及内阻影响时aedoaacdodI )RR()(UIRIL)msinm()(U)(U002电压平衡方程式电压平衡方程式 dtdiLRiE)(Uadaado1VaI)(udo+ +- -+ +- -dUdLLReRaRaE0R等效电路等效电路 22U22U26 U3V

8、-M系统电流连续时的机械特性系统电流连续时的机械特性 l 机械特性方程式为：机械特性方程式为：TCCRcosCUTCCRCUCRIUnTeedomTeedoeado 理想空载转速理想空载转速n0，控制角增大时，控制角增大时n0下降下降 控制角变化时控制角变化时斜率不变斜率不变， 为：为： /eTR C C01n02n03n04n0234TaIaeICRn 4320n00nnT是一组平行下移的直线是一组平行下移的直线记作：记作：2.2.2 电流断续时的机械特性电流断续时的机械特性 以三相半波整流电路为例以三相半波整流电路为例 1理想空载转速理想空载转速 eCaUancos17. 1)(2060：

9、输出电压的峰值相同，有同一个实际理想空载转速：输出电压的峰值相同，有同一个实际理想空载转速 )cos(CUne32230022/enUC 2电流断续时机械特性曲线的斜率电流断续时机械特性曲线的斜率 3电流断续区域范围电流断续区域范围 4电流断续时的机械特性曲线电流断续时的机械特性曲线 与电抗器电感量的大小有关与电抗器电感量的大小有关 工程上一般取工程上一般取 时，时，随着电流减小，回路的等效电阻增大，斜率增大随着电流减小，回路的等效电阻增大，斜率增大l 电流连续时电流连续时l 电流断续时电流断续时60：输出电压的峰值随：输出电压的峰值随增大增大而下降，空载转速下降而下降，空载转速下降aNmin

10、aI ).(I10050/22.3 开环开环V-M调速系统及调速指标调速系统及调速指标 2.3.1 开环开环V-M调速系统调速系统给定部件 放大变换部件 执行部件 被控对象控制指令生成部件给定量触发装置可控整流主电路滤 波(平波电抗器)负 载(工作机械)直流电动机GTV*nULoad+E1dLdoUaIM- -naEl 系统的最终控制对象是电动机系统的最终控制对象是电动机转轴上的转速转轴上的转速n。该电力拖动系统。该电力拖动系统是一个开环控制的调速系统。是一个开环控制的调速系统。 1系统原理图系统原理图MdUV+-LGT+l “ ”符号的含意符号的含意 l 同步移相触发电路同步移相触发电路 G

11、T*nU 2稳态结构图稳态结构图 稳态结构图稳态结构图表明自动控制系统在稳态运行时，其表明自动控制系统在稳态运行时，其各个环节之间的输入量与输出量之间数学关系的结构框图各个环节之间的输入量与输出量之间数学关系的结构框图 RIa*nUn0dUaEsK1eC*ns*nmdommkdomdomdoUKUUU)UU(UcosUU)UU(cosUcosUUm*ndomdomdo12在在30120的范围内的范围内对触发装置与可控整流桥整体来说，看成是一个线性放大环节，放大系数是对触发装置与可控整流桥整体来说，看成是一个线性放大环节，放大系数是 。 sK1) 求求 与与 的关系的关系*nU0dUl 对同步移

12、相信号为正弦波（正弦波幅值为对同步移相信号为正弦波（正弦波幅值为Um）的触发电路）的触发电路对直流电动机，稳态时有对直流电动机，稳态时有 doaaaeUEI REC n2) 求求 与与 n 的关系的关系0dU稳态结构图稳态结构图 l 对同步移相信号为锯齿波的触发电路对同步移相信号为锯齿波的触发电路 （锯齿波起点幅值（锯齿波起点幅值-Um，终点幅值，终点幅值Um，宽度为，宽度为180）*nSdoUKU2.3.2 调速系统的稳态指标调速系统的稳态指标1对调速系统的要求对调速系统的要求(1)调速调速(2)稳速稳速(3)加、减速加、减速2调速系统的稳态指标调速系统的稳态指标(1)(1)调速范围调速范围

13、DminNminmaxnnnnD(2)(2)静差率静差率S S 0nnSN额定转矩下提供的最高、最低转速额定转矩下提供的最高、最低转速 当系统在某一给定转速下当系统在某一给定转速下运行时，负载由空载增加运行时，负载由空载增加到额定负载时所对应的转到额定负载时所对应的转速降落速降落 与该给定转速与该给定转速下理想空载转速下理想空载转速n0之比，之比，称作静差率称作静差率S min0nTNnNTminnmaxn0Nnmaxnn0开环开环V-MV-M系统的机械特性系统的机械特性Nn机械特性曲线平行时，如果低速时的静差率能满足要求，机械特性曲线平行时，如果低速时的静差率能满足要求，则高速时的静差率自然

14、就满足要求了。故静差率可表示成：则高速时的静差率自然就满足要求了。故静差率可表示成： NminNminNnnnnnS0 静差率是用来衡量调速系统在负载变静差率是用来衡量调速系统在负载变化时的转速稳定度的。化时的转速稳定度的。机械特性越硬则静差率越小，转速稳定度就越高。机械特性越硬则静差率越小，转速稳定度就越高。 3调速范围与静差率的关系调速范围与静差率的关系(1)NNS nDSn调速范围调速范围D、静差率、静差率S 和转速降和转速降 ，三者之间的关系式为：，三者之间的关系式为： 显然，当系统的机械特性硬度一定，即显然，当系统的机械特性硬度一定，即 一定时，若对静差率要求一定时，若对静差率要求越

15、高（越高（S值越小），则允许的调速范围就越小。值越小），则允许的调速范围就越小。 l 例如，某一开环例如，某一开环V-MV-M调速系统，额定调速系统，额定转速转速n nN N =1000=1000r r/ /min min ，额定负载下的稳态速，额定负载下的稳态速降降 n nN N 5050r r/ /minmin，当要求静差率，当要求静差率S=0.33 S=0.33 时，允许的调速范围为：时，允许的调速范围为：0.33 100010(1)(1 0.33) 50NNSnDSn如果要求如果要求S=0.1，则调速范围只有：，则调速范围只有：0.1 10002.22(1)(1 0.1) 50NNSn

16、DSnNnNn4开环开环V-M调速系统的主要问题调速系统的主要问题l 无法克服的缺点无法克服的缺点转速波动大、调速范围小。远远不能满足生产实际的要求转速波动大、调速范围小。远远不能满足生产实际的要求 。l 原因：当原因：当S与与D都一定时，要满足要求的唯一途径是降低都一定时，要满足要求的唯一途径是降低nN ，但对已制成的，但对已制成的 系统是无法减小的，对新设计的系统也很难达到能大幅度降低的要求。系统是无法减小的，对新设计的系统也很难达到能大幅度降低的要求。l 解决办法：闭环控制调速系统。解决办法：闭环控制调速系统。 2.4 单闭环单闭环V-M调速系统及静特性调速系统及静特性2.4.1 有静差

17、转速单闭环有静差转速单闭环V-M调速系统调速系统1系统原理图系统原理图与开环与开环V-M系统系统比，增加了速度比，增加了速度闭环控制环节：闭环控制环节： 测速装置、测速装置、 速度比较、速度比较、 速度调节器。速度调节器。 l 测速装置：直流测速发电机测速装置：直流测速发电机 TG，输出电压与转速，输出电压与转速n成正比，转速反馈值成正比，转速反馈值Unl 速度比较。速度比较。 （ Un* 的定标将取决于的定标将取决于 Un的定标）的定标） l 速度调节器速度调节器ASR。 调节器调节器对误差信号进行运算、调节（如比例对误差信号进行运算、调节（如比例P、积分、积分I、微分、微分D等）的单元等）

18、的单元 2稳态结构图稳态结构图RIa*nUnnUctUdoU+ +- -+ +- -aEsK1eCPK 速度比较环节：速度比较环节： 速度调节器速度调节器( (放大环节放大环节) )： 直流电动机转速：直流电动机转速： 晶闸管触发装置与可控整流桥：晶闸管触发装置与可控整流桥： 测速发电机：测速发电机： n*nnUUUnPctUKUctSdoUKUeadoeaCRIUCEnnUn各环节的稳态关系如下：各环节的稳态关系如下： 稳态结构图稳态结构图 系统原理图系统原理图2.4.2 闭环闭环V-M系统的静特性系统的静特性)K(CRI)K(CUKKneae*nSP11静特性方程：静特性方程： eSPC/

19、KKKRIa*nUnnUctUdoU+ +- -+ +- -aEsK1eCPK电动机的转速与电动机的电流（或转矩）之间的关系电动机的转速与电动机的电流（或转矩）之间的关系 。1静特性静特性 （可理解为闭环系统的机械特性）（可理解为闭环系统的机械特性） 式中，式中， 2开环系统与闭环系统的比较开环系统与闭环系统的比较 开环系统（开环系统（OPOP）：）： 闭环系统（闭环系统（CLCL）：）： ;ICRn,nnnaeOPOPOP0aeCLCLCLIC)K(Rn,nnn10 空载转速空载转速n0 n0 、负载、负载Ia Ia 相同的情况下，有相同的情况下，有 u 闭环系统加载后的转速降只是开环系统的

20、闭环系统加载后的转速降只是开环系统的1/(1+K)1/(1+K)u 只要把只要把KP取得足够大，使取得足够大，使K很大，就可以使很大，就可以使n nCLCL 非常小非常小, ,静差率静差率S S大大减小大大减小 u 同一静差要求下大大提高了系统的调速范围同一静差要求下大大提高了系统的调速范围D D KnnCLOP1稳态结构图稳态结构图 开环系统机械特性与闭环系统静特性的比较开环系统机械特性与闭环系统静特性的比较CLnOPn闭环静特性开环机械特性0aNIaI0nn闭环系统静特性和开环机械特性的关系闭环系统静特性和开环机械特性的关系闭环静特性开环机械特性0n04dU03dU02dU01dUABCD

21、1aI2aI3aI4aIaI 只有放大环节的转速闭环系统的只有放大环节的转速闭环系统的稳态转速降稳态转速降 只能减小而不能只能减小而不能消除消除. .为为 “有静差有静差”调速系统调速系统。 CLn2开环系统与闭环系统的比较开环系统与闭环系统的比较(续）续） l 闭环系统能减少稳态速降决不是闭环系统能减少稳态速降决不是闭环后电枢回路电阻能自动减小，闭环后电枢回路电阻能自动减小，而是在于它的自动调节作用。而是在于它的自动调节作用。 RIa*nUnnUctUdoU+ +- -+ +- -aEsK1eCPK稳态结构图稳态结构图 3扰动对系统的影响扰动对系统的影响 引起电机转速变化的因素：引起电机转速

22、变化的因素： 1 1）负载变化）负载变化 2 2）交流电源电压波动）交流电源电压波动 5 5）温升引起系统参数的变化）温升引起系统参数的变化3 3）电动机励磁的变化）电动机励磁的变化 4 4）放大器放大系统的漂移）放大器放大系统的漂移 u 在转速闭环系统中，负载扰动及前向通道的扰动最终都要影响转速变在转速闭环系统中，负载扰动及前向通道的扰动最终都要影响转速变化而被测速装置检测出来，再通过反馈控制来减小它们对转速的影响。化而被测速装置检测出来，再通过反馈控制来减小它们对转速的影响。都都能被有效地加以抑制。能被有效地加以抑制。u 但是对于转速给定环节及转速检测环节本身的误差所引起的转速偏差，但是对

23、于转速给定环节及转速检测环节本身的误差所引起的转速偏差，反馈调节则无能为力。反馈调节则无能为力。 自动调速系统的给定作用与扰动作用自动调速系统的给定作用与扰动作用 aI*nUaEnUctUdoU+ +- -nU变化电源波动R励磁变化被测量给定nsK1eCPKPKu 从稳态精度来看，从稳态精度来看，K K值越大越好，然而，从后面对动态稳定性分析中值越大越好，然而，从后面对动态稳定性分析中可知，可知，K K值不能随意增大。值不能随意增大。 名名 称称比例（比例（P P）积分（积分（I I）比例积分（比例积分（PIPI）积分比例（积分比例（IPIP）2.5 单闭环单闭环V-M调速系统的动态分析调速系

24、统的动态分析l 调速系统进行动态分析方法及步骤：调速系统进行动态分析方法及步骤： 1 1）推导出调速系统各环节的微分方程和传递函数）推导出调速系统各环节的微分方程和传递函数2）建立系统的动态数学模型，得到系统的动态结构图）建立系统的动态数学模型，得到系统的动态结构图3）进行稳定性分析）进行稳定性分析4）动态性能的分析）动态性能的分析 2.5.1 闭环闭环V-M调速系统各环节的动态数学模型调速系统各环节的动态数学模型1几个常用环节的传递函数几个常用环节的传递函数-+R2R1Vout-+CRVin电路图电路图VinVoutttVinVoutttVinVoutttacbVinVouttt阶跃响阶跃响

25、应应12RRKK)s(WPPRCTsT)s(Wii1sTK)s(WiP1sTK)s(WiP1传递传递函数函数Vout-+VinR1R2CVin-+VoutCR1R2比例积分（比例积分（PI）211,PiRKTR CR电路图电路图 2221111( )1/1( )( )ZsRCsRW sZ sRRRC s阶跃响应阶跃响应 传递函数传递函数 1( )PiW sKT sl 垂直线段垂直线段a 比例比例l 斜线段斜线段b积分积分 l水平直线段水平直线段c 饱和饱和式中，式中，2晶闸管触发和整流装置的传递函数晶闸管触发和整流装置的传递函数 l 把触发电路把触发电路GT和可控整流桥和可控整流桥V合并，当作

26、一个环节来看待合并，当作一个环节来看待 输入量输入量Uct 输出量输出量Udo l 是一个放大系数为是一个放大系数为Ks的纯滞后的放大环节，滞后是由装置的失控时间引起的。的纯滞后的放大环节，滞后是由装置的失控时间引起的。 l 触发装置两个触发脉冲的间隔时间是触发装置两个触发脉冲的间隔时间是1/(mf)秒，秒，m脉波脉波 数，数，f电源频率。电源频率。l 设滞后的时间是设滞后的时间是Ts 秒，则秒，则Ts是一个从是一个从0至至1/(mf)之间的一个随机值。之间的一个随机值。 原因原因是是， 取其统计平均值，有：取其统计平均值，有：1( )2sTsmf电电 路路 形形 式式单相半波单相半波单相桥式

27、单相桥式三相半波三相半波三相桥式三相桥式一周内脉波数一周内脉波数m1236延时时间延时时间TS/ms1053.331.67( )( )( )sT sdosctUsW sK eUs( )( )( )1dosctsUsKW sUsT sl 整流装置的传递函数为整流装置的传递函数为 b）近似的）近似的sTsseK)(sUct)(sUdo1ssKT sa)b)(sUct)(sUdoa）准确的）准确的 3直流电动机的传递函数直流电动机的传递函数 假定：假定：1 1） 励磁为额定，且保持不变。励磁为额定，且保持不变。 Ea Ea = = C Ce en n，T T = = C CT TI Ia a； 2

28、2） 电动机本身的运动阻力，都归并到电动机本身的运动阻力，都归并到T TL L中去。中去。 T TL L = =C CT TI IaLaL； 3 3） 主电路电流连续。主电路电流连续。 在此假定条件下，直流电动机的电势微分方程和运动微分方程为：在此假定条件下，直流电动机的电势微分方程和运动微分方程为：2375adoadaLdIURILEdtGDdnTTdt整理得：整理得：RLTdeTemCCRGDT3752机电时间常数机电时间常数电磁时间常数电磁时间常数上式两侧进行拉氏变换得：上式两侧进行拉氏变换得：整理成输出比输入的传递函数的形式：整理成输出比输入的传递函数的形式：( )( )( ) (1)

29、( )( )( )doaaemaaLaUsE sIs RT sTIsIsE s sR()adoaaemaaaLdIUER ITdtTdEIIRdt( )1/( )( )1( )( )( )adoaeaaaLmIsRUsE sT sE sRIsIsT s)s(EaaIaI)s(Ia1/1sTRe)s(IaLsTRmeC1)s( n+ +- -)s(Udo- -+ +对两个等式分别画出它们的动态结构图，对两个等式分别画出它们的动态结构图，并考虑到并考虑到n n = = E Ea a / C/ Ce e，即可得到额定励磁下直流电动机的动态结构图：即可得到额定励磁下直流电动机的动态结构图： 输入量：输

30、入量： 理想空载电压理想空载电压U Udo do （控制输入量）（控制输入量） ，负载电流，负载电流I IaLaL（扰动输入量）。（扰动输入量）。 输出量：输出量： 转速转速n n 利用右图动态结构图的等效利用右图动态结构图的等效变换方法，消去变换方法，消去E Ea a(s)(s)、I Ia a(s) (s) 变变量，可得到直流电动机动态结构量，可得到直流电动机动态结构图。（见下页）图。（见下页）WRaIQWRaIQ1/ WCa)+ + - -RaIRCb)W1W2C2111WWW+ +- -C+ +- -a)综合节点前移综合节点前移 b)反馈连接的合并反馈连接的合并( )1/( )( )1(

31、 )( )( )adoaeaaaLmIsRUsE sT sE sRIsIsT saI)s(IaL)(sn+ +- -a)(sUdo1/12sTsTTCmeme)sT(Re11/12sTsTTCmeme)(sUdob)(sna) a) 变换后的形式变换后的形式b) b) I IaL aL = 0 = 0 时简化形式时简化形式直流电动机的动态结构图直流电动机的动态结构图)s(EaaIaI)s(Ia1/1sTRe)s(IaLsTRmeC1)s( n+ +- -)s(Udo- -+ +等效等效变换变换后得后得 此图由于没有内部反馈环节，在分此图由于没有内部反馈环节，在分析单闭环系统时将带来许多方便。析

32、单闭环系统时将带来许多方便。 此图把电枢电流此图把电枢电流Ia显露出来了，显露出来了，在电流闭环的系统中得到应用。在电流闭环的系统中得到应用。 2.5.2 单闭环单闭环V-M调速系统的动态结构图调速系统的动态结构图 带比例放大器的速度单闭环带比例放大器的速度单闭环V-MV-M调速系统是一个三阶线性系统。调速系统是一个三阶线性系统。 系统的开环传递函数为：系统的开环传递函数为： 设设I IaLaL = 0 = 0，从给定输入作用上看，该系统的闭环传递函数为：，从给定输入作用上看，该系统的闭环传递函数为：eSPC/KKK1111123sKTTsK)TT(TsKTTTKC/KK)s(WSmSemSe

33、meSP把各单元组合起来，得到单闭环把各单元组合起来，得到单闭环V-M调速系统的动态结构图：调速系统的动态结构图： ( ),(1)(1)SmemKW sT sT T sT s2.5.3 稳定条件稳定条件l 大于零的条件显然满足稳定条件就是大于零的条件显然满足稳定条件就是 ，即，即l 把系统闭环传递函数式的分母写成一般表达式并令其等于零，可得到把系统闭环传递函数式的分母写成一般表达式并令其等于零，可得到 单闭环调速系统的特征方程为：单闭环调速系统的特征方程为：l 根据三阶系统的劳斯根据三阶系统的劳斯- -古尔维茨判据，系统稳定的充分必要条件是：古尔维茨判据，系统稳定的充分必要条件是：000003

34、0213210aaaaa,a,a,a及KTTTKTTK)TT(TSemSmSem111l 整理后得系统稳定的充要条件是：整理后得系统稳定的充要条件是： 2()messesT TTTKTT0322130asasasa3021aaaa3210aaaa、K超出此值，系统将不稳定超出此值，系统将不稳定 静特性分析中，为了减小静差、扩大调速范围，希望静特性分析中，为了减小静差、扩大调速范围，希望K值越大越好。值越大越好。从动态的稳定性来看，把从动态的稳定性来看，把K值取得过大会造成系统的不稳定。值取得过大会造成系统的不稳定。 要求是矛盾的要求是矛盾的 l 解决办法：增加校正环节，一般把解决办法：增加校正

35、环节，一般把P调节器改为调节器改为PI调节器或调节器或 PID调节器。调节器。2.6 无静差单闭环无静差单闭环V-M调速系统调速系统2.6.1 无静差单闭环无静差单闭环V-M调速系统调速系统1系统原理图系统原理图 在有静差系统的基础上，在前向通道串入一个积分环节在有静差系统的基础上，在前向通道串入一个积分环节 比例放大环节与积分环节可合并使用同一个运算放大器比例放大环节与积分环节可合并使用同一个运算放大器 与有静差系统比较仅仅增加了一个电容与有静差系统比较仅仅增加了一个电容C C1 1 速度调节器速度调节器ASRASR由原来的由原来的P P调节器改成了调节器改成了PIPI调节器调节器 2稳态结

36、构图稳态结构图 发生阶跃变化后，发生阶跃变化后，U Uctct的响应是的响应是“先比例，后积分，再饱和先比例，后积分，再饱和”的动态变化的过程的动态变化的过程 只要只要Un 不等于零，则稳态时，不等于零，则稳态时，ASRASR输出的输出的U Uctct必定是运放正必定是运放正( (或负或负) )饱和限幅值饱和限幅值 在在ASRASR积分过程中的某一时刻积分过程中的某一时刻 =0 =0 而进入稳态，则运放将停止积分而进入稳态，则运放将停止积分 ASR ASR的输入与输出信号之间是无法用一个确切数学关系来描述，也无法画出的输入与输出信号之间是无法用一个确切数学关系来描述，也无法画出 它输入输出特性

37、曲线，一般用其阶跃响应曲线来表示，它输入输出特性曲线，一般用其阶跃响应曲线来表示，比例积分环节的输入比例积分环节的输入 与输出之间的关系是一个动态调节的过程与输出之间的关系是一个动态调节的过程 nURIa*nUnnUctUdoU+ +- -+ +- -aEsK1eCPK有静差系统有静差系统无静差系统无静差系统PI调节器的阶跃响应调节器的阶跃响应3动态结构图动态结构图aI)(sn+ +- -)(sUdo1/12sTsTTCmeme1sTKss)(sUct)(sUnaI+ +- -)(*sUn)(sUn)s(IaL)1(sTResTKiP1各个环节的传递函数按前面推导得到各个环节的传递函数按前面推

38、导得到aI)s(IaL)(sn+ +- -)(sUdo1/12sTsTTCmeme) 1(sTRe1sTKes)(sUct)(sUnaI+ +- -)(*sUn)(sUnPK有静差系统有静差系统无静差系统无静差系统1数学分析数学分析2.6.2 稳态抗扰分析稳态抗扰分析)(sn1/12sTsTTCmeme1sTKssaI+ +- -sTKiP1)s(IaL) 1(sTRe 根据系统动态结构图，当根据系统动态结构图，当 =0 =0时，系统的输入就时，系统的输入就 只有扰动量只有扰动量I IaLaL，这时的输，这时的输 出量即为负载扰动引起的出量即为负载扰动引起的 转速偏差，可将动态结构转速偏差，可

39、将动态结构 图改画成右图图改画成右图C C*nU 根据结构图等效变换原理，得根据结构图等效变换原理，得sT)sT)(sTsTT(C/)sTK(KsTsTTC/)sT(R)s(I)s( nismemeiPSmemeeaL111111122整理得整理得)sTK(K)sTsTT)(sT( sTC)sT)(sT(RTI)s(niPSmemsieesiaL111112 稳态转速偏差为稳态转速偏差为 结论：结论：1 1）比例积分控制的系统是无静差调速系统比例积分控制的系统是无静差调速系统 2）静特性是一组平行的水平直线）静特性是一组平行的水平直线 0lim( )0sns n s 2调节过程调节过程以突加负

40、载为例来分析以突加负载为例来分析l t1前，原稳态。前，原稳态。l t1时，突加负载，时，突加负载，TL1 TL2。l t1t3，调节过程。，调节过程。l t1后，转速下降，后，转速下降，n增加，增加， PI PI调节器的输出调节器的输出增加，如增加，如曲线曲线3 3， 电机电流增大、转矩增大。电机电流增大、转矩增大。 p 曲线曲线3 3（调节器输出）（调节器输出） 曲线曲线1 1（比例部分）（比例部分） 曲线曲线2 2（积分部分）（积分部分）l t2时，时，T TL2， n为最大。为最大。l t3时，时，T TL2， n0，到达新稳态。，到达新稳态。l t2后，因后，因n0，Uct继续增加，

41、继续增加， T TL2，转速回升，转速回升 。 稳态时稳态时，反馈电容相当于断路，其放大系数即为运放开环放大系数，反馈电容相当于断路，其放大系数即为运放开环放大系数， 数值很大（在数值很大（在10105 5以上），使以上），使系统的稳态误差大大减小。系统的稳态误差大大减小。 动态时动态时，反馈电容则相当于短路，其放大系数，反馈电容则相当于短路，其放大系数 KPR1/R0 ，数值不大，保证了系统的稳定性。，数值不大，保证了系统的稳定性。 调节过程后期，积分部分起主导作用，并依靠它最终消除稳态误差。调节过程后期，积分部分起主导作用，并依靠它最终消除稳态误差。u PI调节器在系统中起的作用调节器在系

42、统中起的作用 调节过程初、中期，比例部分起主导作用，调节过程初、中期，比例部分起主导作用， 保证了系统的快速响应。保证了系统的快速响应。 突加负载时的调节过程突加负载时的调节过程2.6.3 2.6.3 限流截止负反馈限流截止负反馈会产生过流现象会产生过流现象 2电流截止负反馈电流截止负反馈 *nU+aInUVdoUctU-+TGnUTVC11RaaovII1nn2nNn0zViUTAa)b)GT3n当电流大到一定程度时才起作用的电流负反馈叫电流截止负反馈。当电流大到一定程度时才起作用的电流负反馈叫电流截止负反馈。 带有电流截止负反馈的无静差带有电流截止负反馈的无静差V-M调速系统调速系统 a)

43、系统原理图系统原理图 b)静特静特性性以起动过程为例说明原因以起动过程为例说明原因 1速度单闭环系统存在的问题速度单闭环系统存在的问题2.6.4 2.6.4 电流检测电路电流检测电路 1用采用采样电阻直样电阻直接在直流接在直流侧采样侧采样 2用电流互感器用电流互感器在交流侧采样在交流侧采样 dIM- -LEMbiaiciAiBiCi2aI1R1aIVDiUiU1E1E1TAa)b)c)3R2R2TAiU3用零磁通电流传感用零磁通电流传感器在直流侧采样器在直流侧采样 序号序号采样采样大小大小方向方向电隔离电隔离电源电源价格价格1直流侧直流侧有有有有无无无无低低2交流侧交流侧有有无无有有无无中中3

44、直流侧直流侧有有有有有有有有高高3用零磁通电流传感器在直流侧采样用零磁通电流传感器在直流侧采样 2211NINIaa0当时，有22RIUai2.7 双闭环直流电动机双闭环直流电动机V-M调速系统调速系统2.7.1 转速电流双闭环转速电流双闭环V-M系统的构成及原理系统的构成及原理1系统构成系统构成 *nU+VdoU-+TGnUTAa)-+-naIVdoUTGnUTAb)n*nUASRaInUACRaI*iU+ +iUiUctUaIASRACRGTGT转速电流双闭环转速电流双闭环V-MV-M调速系统的系统原理图调速系统的系统原理图a)用硬件电路表示用硬件电路表示 b)用框图表示用框图表示2.7.

45、2 2.7.2 稳态结构图及静特性稳态结构图及静特性RIa*nU1/CeaEaIaInUKsdoU+ +- -nUtASRn*iUaIiUtACRiUctUR+ + +- - -aI 是电流反馈系数是电流反馈系数稳态中若出现了稳态中若出现了电流调节器稳定在饱和电流调节器稳定在饱和，则说明控制角已经移到尽头，输出电压则说明控制角已经移到尽头，输出电压UdoUdo已经到达最大值而无法再调，整个系已经到达最大值而无法再调，整个系统处于统处于“失控失控”的不可调状态。的不可调状态。2 2静特性静特性 两个调节器都不饱和两个调节器都不饱和 转速调节器饱和转速调节器饱和。这时，。这时，转速调节器转速调节器ASRASR的输出是限幅值，的输出是限幅值，系统后面部分是一个定电流控系统后面部分是一个定电流控制系统。制系统。 n0A A斜线斜线 n0A A线段下方、线段下方、ABAB线段左方的区域内线段左方的区域内是系统的可调节工作是系统的可调节工作区域。在区域。在该区域内系该区域内系统的静特性是一组水统的静特性是一组水平直线平直线。 A AB B垂直线垂直线是转速调是转速调节器饱和而