直流调速控制系统

1、第第7 7章章 直流调速控制系统直流调速控制系统7.1 7.1 机床的速度调节机床的速度调节7.2 7.2 转速负反馈自动调速系统转速负反馈自动调速系统 7.3 7.3 电压负反馈和电流正反馈调速系统电压负反馈和电流正反馈调速系统7.4 7.4 直流电动机双闭环调速系统直流电动机双闭环调速系统 7.5 7.5 直流电机可逆调速系统直流电机可逆调速系统 7.6 7.6 直流电动机的脉宽调制调速系统直流电动机的脉宽调制调速系统 7.7 7.7 直流调速的应用直流调速的应用 7.1 7.1 机床的速度调节机床的速度调节7.1.1 现代机床调速系统现代机床调速系统7.1.2 现代机床控制技术现代机床控

2、制技术7.1.3 直流调速简介直流调速简介7.1.4 直流调速的发展趋势直流调速的发展趋势 调速系统是现代机床电气控制系统的重要组调速系统是现代机床电气控制系统的重要组成部分。成部分。 机床拖动系统主要有直流拖动系统与交流拖机床拖动系统主要有直流拖动系统与交流拖动系统两大类，采用直流电动机的称之为直流动系统两大类，采用直流电动机的称之为直流拖动系统。拖动系统。 本章要求在了解自动调速系统的组成和调速本章要求在了解自动调速系统的组成和调速性能指标的基础上，性能指标的基础上，掌握掌握自动调速系统中各个自动调速系统中各个基本环节，各种反馈环节的作用及特点；基本环节，各种反馈环节的作用及特点；掌握掌握

3、常用的自动调速系统的原理、特点与适用场所常用的自动调速系统的原理、特点与适用场所，正确选择和使用直流调速控制系统正确选择和使用直流调速控制系统。7.1.1 现代机床调速系统现代机床调速系统 机床调速系统的分类机床调速系统的分类* 按照调速装置的主体，分为机械调速与电气调按照调速装置的主体，分为机械调速与电气调速；速；* 按照速度是否连续可调，分为有级调速与无级按照速度是否连续可调，分为有级调速与无级调速；调速；* 按照电机驱动电源的类型，分为直流调速与交按照电机驱动电源的类型，分为直流调速与交流调速等等。流调速等等。 机械有级调速系统机械有级调速系统 在机械有级调速系统中，电动机一般采用不调在

4、机械有级调速系统中，电动机一般采用不调速的笼型异步电动机，通过改变齿轮箱的变速比速的笼型异步电动机，通过改变齿轮箱的变速比来实现速度调节。负载转矩是通过机械传动机构来实现速度调节。负载转矩是通过机械传动机构传到电动机轴上，电动机轴上转矩只是负载转矩传到电动机轴上，电动机轴上转矩只是负载转矩的传动比的数倍，因此可以选择转矩较小的交流的传动比的数倍，因此可以选择转矩较小的交流电动机。电动机。 该调速方式使机械系统变得复杂，影响了机床该调速方式使机械系统变得复杂，影响了机床的加工精度。的加工精度。 在普通的车床、钻床、铣床等加工精度要求不在普通的车床、钻床、铣床等加工精度要求不高的场合，一般采用此类

5、调速系统。高的场合，一般采用此类调速系统。电气电气机械有级调速系统机械有级调速系统 用多速鼠笼式异步电动机代替不能调速的鼠笼用多速鼠笼式异步电动机代替不能调速的鼠笼式异步电动机，以便简化机械传动机构。式异步电动机，以便简化机械传动机构。 多速电动机一般采用双速电动机，少数机床采多速电动机一般采用双速电动机，少数机床采用三速、四速电动机。用三速、四速电动机。 中小型镗床的主拖动系统多采用双速异步电动中小型镗床的主拖动系统多采用双速异步电动机。机。交直流无级调速系统交直流无级调速系统 通过改变电枢电压（或激磁电流）直接改变电通过改变电枢电压（或激磁电流）直接改变电动机转速，从而实现机床工作机构转速

6、的无级调动机转速，从而实现机床工作机构转速的无级调节的拖动系统。节的拖动系统。 该调速系统满足机床的主运动和进给运动均有该调速系统满足机床的主运动和进给运动均有调速要求的场合，具有调速范围宽、实现平滑调调速要求的场合，具有调速范围宽、实现平滑调速、调速精度高、控制灵活等优点，还可能取消速、调速精度高、控制灵活等优点，还可能取消或大大简化电动机与机械运动部件之间的齿轮变或大大简化电动机与机械运动部件之间的齿轮变速箱，简化了机械传动机构，因而广泛应用于机速箱，简化了机械传动机构，因而广泛应用于机床的主拖动和进给拖动系统中。床的主拖动和进给拖动系统中。 7.1.2 现代机床控制技术现代机床控制技术控

7、制系统的分类控制系统的分类按照有无反馈测量装置，控制系统可以分为开按照有无反馈测量装置，控制系统可以分为开环控制系统和闭环控制系统。环控制系统和闭环控制系统。按照闭环控制系统中控制器结构，可以分为串按照闭环控制系统中控制器结构，可以分为串联的反馈控制系统、串并联反馈控制系统以及复联的反馈控制系统、串并联反馈控制系统以及复合控制系统等。合控制系统等。按照信号处理技术，可以分为模拟控制系统和按照信号处理技术，可以分为模拟控制系统和数字控制系统。数字控制系统。 开环控制系统是没有输出反馈的一类控制系统。开环控制系统是没有输出反馈的一类控制系统。开环控制系统的主要优点是简单、经济、容易维开环控制系统的

8、主要优点是简单、经济、容易维修以及价格便宜。主要缺点是精度低，对环境变修以及价格便宜。主要缺点是精度低，对环境变化和干扰十分敏感。化和干扰十分敏感。 闭环控制系统亦称为反馈控制系统，采用反馈闭环控制系统亦称为反馈控制系统，采用反馈原理将系统输出的全部或部分被负反馈到输入端。原理将系统输出的全部或部分被负反馈到输入端。闭环控制系统与开环控制系统相比，具有精度高，闭环控制系统与开环控制系统相比，具有精度高，动态性能好，抗干扰能力强等等优点。它的主要动态性能好，抗干扰能力强等等优点。它的主要缺点是结构比较复杂、价格比较昂贵等。缺点是结构比较复杂、价格比较昂贵等。由可编程序控制器（简称由可编程序控制器

9、（简称PLC）为核心的控制系）为核心的控制系统称为统称为PLC的控制系统，采用微处理机作为控制的控制系统，采用微处理机作为控制器的控制系统称为计算机（或微机）控制系统。器的控制系统称为计算机（或微机）控制系统。几种常见控制系统的比较几种常见控制系统的比较PLC控制系统控制系统 微机控制系统微机控制系统 计算机集成制造系统计算机集成制造系统 PLC 、继电器控制系统、微机控制的比较、继电器控制系统、微机控制的比较功能功能用程序可以实现各种用程序可以实现各种复杂控制复杂控制用大量继电器布线用大量继电器布线逻辑实现顺序控制逻辑实现顺序控制用程序可以实现用程序可以实现各种复杂控制、各种复杂控制、功能最

10、强功能最强改变控改变控制内容制内容修改程序较简单修改程序较简单改变硬件接线逻辑、改变硬件接线逻辑、工作量大工作量大修改程序、技术修改程序、技术难度较大难度较大可靠性可靠性 平均无故障工作时间平均无故障工作时间长长受机械触点寿命限受机械触点寿命限制制一般比一般比PLC差差工作工作方式方式顺序扫描顺序扫描顺序控制顺序控制中断处理、响应中断处理、响应最快最快接口接口直接与生产设备连接直接与生产设备连接 直接与生产设备连直接与生产设备连接接要设计专门的接要设计专门的接口口环境适环境适应性应性可适应一般工业生产可适应一般工业生产现场环境现场环境环境差，会降低可环境差，会降低可靠性和寿命靠性和寿命要求有较

11、好的环要求有较好的环境境PLC 、继电器控制系统、微机控制的比较、继电器控制系统、微机控制的比较抗干抗干扰性扰性一般不用专门考虑一般不用专门考虑抗干扰问题抗干扰问题能抗一般电磁干扰能抗一般电磁干扰要专门设计抗干扰要专门设计抗干扰措施，否则易受干措施，否则易受干扰扰维护维护现场检查、维修方现场检查、维修方便便定期更换继电器，定期更换继电器，维修费时维修费时技术难度较高技术难度较高系统系统开发开发设计容易、安装方设计容易、安装方便、调试周期短便、调试周期短图样多、安装接线图样多、安装接线工作量大、调试周工作量大、调试周期长期长系统设计较复杂、系统设计较复杂、调试难度大、需专调试难度大、需专门计算机

12、知识门计算机知识通用通用性性较好，适应面广较好，适应面广一般是专用一般是专用要进行软硬件改造要进行软硬件改造才能作其他用才能作其他用硬件硬件成本成本比微机系统高比微机系统高少于少于30个继电器的个继电器的系统成本低系统成本低一般比一般比PLC低低计算机集成制造系统计算机集成制造系统 计算机群控系统是由一台计算机控制多台数控机计算机群控系统是由一台计算机控制多台数控机床，又称为床，又称为“直接数控系统直接数控系统”。 柔性制造系统（柔性制造系统（FMS）是由一中心计算机控制）是由一中心计算机控制的机械加工自动线，上世纪的机械加工自动线，上世纪90年代后，逐步取代年代后，逐步取代“直接数控系统直接

13、数控系统” 。 柔性制造系统加上计算机辅助设计柔性制造系统加上计算机辅助设计CAD、计算、计算机辅助制造机辅助制造CAM、计算机辅助质量检测、计算机辅助质量检测CAQ及计算及计算机信息管理系统，将构成计算机集成制造系统机信息管理系统，将构成计算机集成制造系统CIMS，它是当前机械加工自动化发展的最高形式。它是当前机械加工自动化发展的最高形式。7.1.3 直流调速简介直流调速简介 直流调速的方法直流调速的方法降压调速降压调速变阻调速变阻调速弱磁调速弱磁调速调压调磁调速调压调磁调速TCCRCUn2Tee 直流调速的主要性能指标直流调速的主要性能指标 稳态性能指标主要有静差、静差率、调速范稳态性能指

14、标主要有静差、静差率、调速范围等等；围等等；动态性能指标主要有随动性能指标、抗干扰动态性能指标主要有随动性能指标、抗干扰性能指标等。性能指标等。 静差、静差率静差、静差率 静差静差n ，是指理想空载转速，是指理想空载转速no与额定负载与额定负载转速转速nN之间的差值。之间的差值。 nnonN 静差、静差率静差、静差率 静差率静差率S是指静差与理想空载转速的比值，是指静差与理想空载转速的比值，它反映了电动机转速稳定程度。它反映了电动机转速稳定程度。 %1000ooNnnnnns 图图7.1 不同转速下的静差、静差率不同转速下的静差、静差率s注意：注意：机械特性硬度与静差率的区别，同一机械特机械特

15、性硬度与静差率的区别，同一机械特性，在不同转速下静差性，在不同转速下静差n可以是相同的，而静差可以是相同的，而静差率却不相同，如图率却不相同，如图7.1所示所示 。 调速时要求静差率小于规定的数值，静差率调速时要求静差率小于规定的数值，静差率S过大，过大，将导致被加工工件表面质量降低。在实际应用过程中将导致被加工工件表面质量降低。在实际应用过程中必须用最小允许转速来校验静差率。在采用电枢回路必须用最小允许转速来校验静差率。在采用电枢回路降压调速时，为了保证静差率不超过规定的指标，转降压调速时，为了保证静差率不超过规定的指标，转速不能调得过低。速不能调得过低。 在弱磁调速时，静差率可能变化。如果

16、电动机拖在弱磁调速时，静差率可能变化。如果电动机拖动恒功率负载，转速升高后，静差率保持自然机械特动恒功率负载，转速升高后，静差率保持自然机械特性时的值基本不变。如果电动机拖动恒转矩负载，从性时的值基本不变。如果电动机拖动恒转矩负载，从固有机械特性开始，通过减弱磁通向上调速时，静差固有机械特性开始，通过减弱磁通向上调速时，静差率将会变大。率将会变大。调速范围调速范围D 电动机在额定负载下进行调速时，在满足静差电动机在额定负载下进行调速时，在满足静差率要求的前提下，所能达到的最高转速与最低转率要求的前提下，所能达到的最高转速与最低转速之比称为调速范围。速之比称为调速范围。)1 (maxmaxmax

17、minmaxsnsnnnD式中 nmax 额定负载下的最高转速（即nN）； nmin 额定负载下的最低转速； Smax 最大允许静差率。提高调速范围的方法提高调速范围的方法 在调速系统中在调速系统中引入反馈控制构成闭环控制系统引入反馈控制构成闭环控制系统，提高系统机械特性的硬度，减小静差，才能够扩大提高系统机械特性的硬度，减小静差，才能够扩大调速范围。调速范围。 一般机床的调速范围见表一般机床的调速范围见表7.2。表表7.2 部分机床的调速范围部分机床的调速范围机床类型机床类型D（主运动）（主运动）D（进给运动）（进给运动）一般车床一般车床205050200立式车床立式车床40604080中型

18、和重型车床中型和重型车床4010050150数控车床数控车床100以上以上1000以上以上摇臂钻床摇臂钻床20100540铣床铣床20602560中型卧式镗床中型卧式镗床256030150中、小型龙门刨床中、小型龙门刨床41010150大型龙门刨床大型龙门刨床103010150随动性能指标随动性能指标 是指控制系统对阶跃扰动响应时转速、电是指控制系统对阶跃扰动响应时转速、电流等参数的上升时间流等参数的上升时间tr、峰值时间、峰值时间tp、调节时间、调节时间ts、超调量、超调量等阶跃响应性能指标。等阶跃响应性能指标。抗干扰性能指标抗干扰性能指标 动态速降是指控制系统对阶跃扰动响应的动态速降是指控

19、制系统对阶跃扰动响应的动态最大速度降。动态最大速度降。 恢复时间恢复时间t是指从阶跃扰动开始，直到输出是指从阶跃扰动开始，直到输出达到新的稳定状态对应的误差允许范围的所需达到新的稳定状态对应的误差允许范围的所需的时间，即过渡过程时间。的时间，即过渡过程时间。 在阶跃扰动下，动态速降越小，恢复时间在阶跃扰动下，动态速降越小，恢复时间越短，则控制系统抗干扰能力越强。越短，则控制系统抗干扰能力越强。 7.1.4 直流调速的发展趋势直流调速的发展趋势 提高直流电机的单机容量。提高直流电机的单机容量。提高电力电子器件与控制单元的生产水平。提高电力电子器件与控制单元的生产水平。加强传动控制装置的功能，进一

20、步提高可靠性，加强传动控制装置的功能，进一步提高可靠性，形成标准模块化的结构，使设计、维护更加方便。形成标准模块化的结构，使设计、维护更加方便。 7.2 转速负反馈自动调速系统转速负反馈自动调速系统7.2.1 速度负反馈自动调速系统组成速度负反馈自动调速系统组成 7.2.2 系统的静态特性系统的静态特性7.2.3 直流调速系统的动态特性直流调速系统的动态特性7.2.4 速度闭环调速系统的基本特性速度闭环调速系统的基本特性7.2.5 带电流截止负反馈的单闭环调速系统带电流截止负反馈的单闭环调速系统7.2.6 单闭环无静差调速系统单闭环无静差调速系统 l 直流电机的励磁一般采用单独整流桥供电，即电

21、直流电机的励磁一般采用单独整流桥供电，即电动机工作在他励工作方式，以此保持主磁通的基本动机工作在他励工作方式，以此保持主磁通的基本恒定。恒定。l 直流电机的电枢由可控整流器供电，改变电枢电直流电机的电枢由可控整流器供电，改变电枢电压实现转速的调节。压实现转速的调节。 开环调速系统是最简单的直流电动机不可逆调速系开环调速系统是最简单的直流电动机不可逆调速系统。统。 由于开环调速系统调速精度差，只能适用于调速要由于开环调速系统调速精度差，只能适用于调速要求不高的场合。为了保证一定的调速精度，可采用求不高的场合。为了保证一定的调速精度，可采用转速负反馈构成单闭环直流调速系统。转速负反馈构成单闭环直流

22、调速系统。7.2.1 速度负反馈自动调速系统组成速度负反馈自动调速系统组成RP2RP1RP3R1R2RfMUgnUc+Ufn Un+-UdId3_+A1LdTGUn图图7.3 直流调速系统原理图直流调速系统原理图 触发触发装置装置可控可控整流桥整流桥速度检速度检测装置测装置速度速度调节器调节器平波平波电抗电抗R1R2R3R4RfCf_+A1TGUfnR1UTGRP1fn图图7. 2 转速检测电路转速检测电路Ufn携带有纹波，携带有纹波，可能影响控制可能影响控制的精度。的精度。 低通滤波器的目的是削弱低通滤波器的目的是削弱直流测速发电机的纹波电直流测速发电机的纹波电压，以及振动带来的多种压，以及

23、振动带来的多种杂波信号。杂波信号。7.2.2 系统的静态特性系统的静态特性 在不影响控制精度的情况下，为了简化传递函在不影响控制精度的情况下，为了简化传递函数，假设如下：数，假设如下：各典型环节，输入与输出之间为线性关系；各典型环节，输入与输出之间为线性关系；控制系统工作在电流连续段；控制系统工作在电流连续段；忽略晶闸管整流装置和电抗器的内阻。忽略晶闸管整流装置和电抗器的内阻。fngnnnnnUUUUUKndVUUKnUfneddeddKRIUCRIUneeCK 一、各环节传递函数的系数一、各环节传递函数的系数 放大器的比例放大系数放大器的比例放大系数Kn 速度反馈系数速度反馈系数直流电动机静

24、态时输入输出关系直流电动机静态时输入输出关系式中：式中： 直流电机电势常数。直流电机电势常数。 触发装置与晶闸管整流装置的电压放大系数触发装置与晶闸管整流装置的电压放大系数KV二、直流单闭环调速系统静态特性二、直流单闭环调速系统静态特性 静态结构图静态结构图 静态结构图，如图静态结构图，如图7.4所示。利用叠加原理所示。利用叠加原理将给定电压和扰动分别单独作用，求得相应的将给定电压和扰动分别单独作用，求得相应的输出量再进行叠加，从而求出静态方程。输出量再进行叠加，从而求出静态方程。 图图7.4 直流调速系统静态结构直流调速系统静态结构 给定电压给定电压Ugn单独作用下的转速单独作用下的转速n1

25、 图图7.5 7.5 Ugn单独作用下的单独作用下的静态结构静态结构ObgneVngneVneVnnUKKKKUKKKKKKn)1 (1111速度闭环控制系速度闭环控制系统理想空载转速统理想空载转速 为速度闭环为速度闭环控制系统的开控制系统的开环放大系数，环放大系数，即速度反馈回即速度反馈回路增益。路增益。 给定电压给定电压Ugn单独作用下的转速单独作用下的转速n1 -I-Id dR R单独作用下的转速单独作用下的转速n n2 2 -I -Id dR R单独作用下的静态结构图如单独作用下的静态结构图如图图7.67.6所示。所示。图图7.6 7.6 -IdR单独作用下的单独作用下的静态结构静态结

26、构beddeVnenKKRIRIKKKKn)1 ()(1112，速度闭环控制系统速度闭环控制系统的静态速度降的静态速度降 -I-Id dR R单独作用下的转速单独作用下的转速n n2 2给定电压给定电压Ugn和和-IdR共同作用下的转速共同作用下的转速n bObedegnVn21nn)K1 (KRI)K1 (KUKKnnn（7.10）三、直流调速系统开环静态特性三、直流调速系统开环静态特性 在图在图7.4中，断开速度反馈回路，即中，断开速度反馈回路，即0，通过，通过公式公式7.10可以导出开环时的机械特性。可以导出开环时的机械特性。 kOkedegnVnnnKRIKUKKn开环系统理想开环系统

27、理想空载转速空载转速 开环系统的静开环系统的静态转速降态转速降四、直流调速系统开环与闭环静特性比较四、直流调速系统开环与闭环静特性比较 闭环静特性硬。在相同的负载扰动的情况下，两闭环静特性硬。在相同的负载扰动的情况下，两者的速度降之比为者的速度降之比为 （1K） 。 闭环系统静差率小闭环系统静差率小 。当开环系统和闭环系统的空。当开环系统和闭环系统的空载转速相同时，两者的静差率之比为载转速相同时，两者的静差率之比为 （1K） 。 闭环系统调速范围大闭环系统调速范围大 。当闭环与开环静差率一定。当闭环与开环静差率一定时，两者的调速范围之比为时，两者的调速范围之比为 （1K） 。 7.2.3直流调

28、速系统的动态特性直流调速系统的动态特性 一、直流调速系统的动态结构一、直流调速系统的动态结构 他励直流电动机的传递函数他励直流电动机的传递函数他励直流电动机的基本方程组他励直流电动机的基本方程组 dttdnJTdttdJtTtTtiCtTtnCtEdttdiLtitEtULLateaaaaaa)()()()()()()()()()()()(0)()()()()()()()()()()(sJsnsTsTsICsTsnCsEssILRsIsEsULateaaaaaaa图图7.7 他励直流电动机精确模型传递函数框图他励直流电动机精确模型传递函数框图 综合考虑了机电与电磁的过渡过程，因而相综合考虑了机

29、电与电磁的过渡过程，因而相应的动态结构图是一个带反馈的闭环二阶系统。应的动态结构图是一个带反馈的闭环二阶系统。 1/1)()()(2sTsTTKsUsnsWmameam1/ )1 ()()(2sTsTTJsTTsTsnmamamL1)()(2sTsTTsTKsusimammaaau转速与电枢电压之间的传递函数为：转速与电枢电压之间的传递函数为：u转速与负载转矩之间的传递函数为：转速与负载转矩之间的传递函数为：u电枢电压与电枢电流之间的传递函数为：电枢电压与电枢电流之间的传递函数为： 晶闸管触发与整流装置的传动函数晶闸管触发与整流装置的传动函数sTvcdVVeK) s (U) s (U) s (

30、WsT1KsT! 21sT1KVV22VVV )()()(snsUsHfnsTsnsUsHfnfn1)()()(测速反馈回路的传递函数测速反馈回路的传递函数 测速回路采用电阻分压取样电路：测速回路采用电阻分压取样电路： 在测速反馈回路加入滤波环节时：在测速反馈回路加入滤波环节时： 速度比例控制器的传递函数速度比例控制器的传递函数nnnnKsUsUsW)()()(速度负反馈调速系统的动态结构图速度负反馈调速系统的动态结构图 图图7.8 速度负反馈调速系统的动态结构图速度负反馈调速系统的动态结构图二、系统稳定性分析二、系统稳定性分析 速度负反馈闭环调速系统的传递函数速度负反馈闭环调速系统的传递函数

31、1sK1)TTsK1)TT(TsK1TTTK1K/KKK) 1sTsTT)(sT1 (K/KK) 1sTsTT)(sT1 (K/KK1) 1sTsTT)(sT1 (K/KK) s (U) s (n) s (WVm2Vam3VameVnm2amVeVnm2amVeVnm2amVeVngnb速度闭环调速系统的特征方程为：速度闭环调速系统的特征方程为：01sK1)TT(sK1)TT(TsK1TTTVm2Vam3Vam控制系统稳定的条件为：控制系统稳定的条件为：maaVVmTTTTTTK K超过此值，系统将会不稳定。超过此值，系统将会不稳定。 在设计的过程中，首先按照静态调速指标确定在设计的过程中，首

32、先按照静态调速指标确定K的值，然后按照动态稳定性进行校验。如果两者发的值，然后按照动态稳定性进行校验。如果两者发生冲突，只能采取动态校正实施改造。生冲突，只能采取动态校正实施改造。 （7.30） 7.2.4速度闭环调速系统的基本特性速度闭环调速系统的基本特性速度调节器采用比例调节器时控制系统有静差速度调节器采用比例调节器时控制系统有静差控制系统绝对服从给定输入控制系统绝对服从给定输入抗扰动的能力差抗扰动的能力差7.2.5带电流截止负反馈的单闭环调速系统带电流截止负反馈的单闭环调速系统采用电流截止负反馈的目的采用电流截止负反馈的目的 解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过解决反馈闭环调速系统的

33、起动和堵转时电流过大的问题，从而保护整流装置。大的问题，从而保护整流装置。 电流截止负反馈环节电流截止负反馈环节 电流截止负反馈环节如图电流截止负反馈环节如图7.9所示。系统中引入截所示。系统中引入截止环节，它由电流信号检测与电压比较两部分构成。止环节，它由电流信号检测与电压比较两部分构成。RPRcLdM+_UsUd+_UfiRcLdMUd+_Ufi3U+_fiVSVSD1图图7.9 截流负反馈环节截流负反馈环节 图图7.11 带电流截止负反馈的单闭环调速系统的静态结构带电流截止负反馈的单闭环调速系统的静态结构 在电流负反馈的作用下，转速方程式为：在电流负反馈的作用下，转速方程式为： nnI)

34、K1 (KRKK)K1 (K)UU(KK)K1 (KRI)K1 (K)UI(KK)K1 (KUKKnodeVnebjgnVnedebjdVnegnVn截流反馈环节投截流反馈环节投入时对应的理想入时对应的理想空载转速空载转速 截流反馈环节投入时截流反馈环节投入时对应的转速降对应的转速降 带截流环节的单闭环调速系统比较好地解决了负带截流环节的单闭环调速系统比较好地解决了负载限流问题，但对于起动过程而言，它所能维持最载限流问题，但对于起动过程而言，它所能维持最大电流的时间有限（与电枢回路时间常数有关），大电流的时间有限（与电枢回路时间常数有关），影响控制系统的动、静态特性。所以该系统只适用影响控制系

35、统的动、静态特性。所以该系统只适用于小容量，且对起动特性要求不高的场合。于小容量，且对起动特性要求不高的场合。7.2.6 单闭环无静差调速系统单闭环无静差调速系统单闭环无静差系统单闭环无静差系统 R1R2R3RfCfMUUn+3_+A1LdUfngnTGUc图图7.14 单闭环无静差调速电路的原理图单闭环无静差调速电路的原理图速度比例积分（速度比例积分（PI）调节器的传递函数）调节器的传递函数 nnnnnKKsG1)11 ()(单闭环无静差调速系统的动态结构图单闭环无静差调速系统的动态结构图 单闭环调速系统的动态过程单闭环调速系统的动态过程 （a）起动时的动态过程）起动时的动态过程 （b）阶跃

36、转矩扰动时的动态过程）阶跃转矩扰动时的动态过程图图7.167.3 电压负反馈和电流正反馈自动调速系统电压负反馈和电流正反馈自动调速系统 7.3.1 带电流正反馈的电压负反馈调速系统组成带电流正反馈的电压负反馈调速系统组成RP2RP1RP1R1R2RfMUgnUc-UfuIdR3RcUfuUfi3_+A1Ld+系统组成系统组成电枢电流检测电枢电流检测 电阻采样电阻采样霍尔电流传感器霍尔电流传感器 电流互感器电流互感器 R5R3R1R2RcR4Us1Us2Id_+A1_+A2UfiOPTOISO1OPTOISO2图图7.18 带光电隔离的电流检测带光电隔离的电流检测a*b*c*R1*R2*R3*R

37、4KP1Ufi+电流检测信号ABVD1VD2VD4VD3VD5VD6图图7.19电流互感器取样电路电流互感器取样电路7.3.2 带电流正反馈的电压负反馈调速静特性带电流正反馈的电压负反馈调速静特性电压负反馈调速系统静特性电压负反馈调速系统静特性 图图7.20 电压负反馈调速系统静态电路结构电压负反馈调速系统静态电路结构210)1 ()1 (nnnIKRIKKRKKUKKndeaderegnVn由晶闸管整流装由晶闸管整流装置内阻置内阻Rr引起的引起的静态速度降静态速度降 由电枢电阻由电枢电阻Ra引起的静态速引起的静态速度降度降 VnKKK 电压反馈电压反馈回路增益回路增益电流正反馈调速系统静特性

38、电流正反馈调速系统静特性图图7.21 带电流正反馈的电压负反馈调速系统的静态电路结构带电流正反馈的电压负反馈调速系统的静态电路结构 静态转速方程：静态转速方程： 3210)1 ()1 ()1 (nnnnIKKKKIKRIKKRKKUKKndeVndeaderegnVn电流正反馈补偿电流正反馈补偿的静态速度降的静态速度降 全补偿系数全补偿系数 0 只要选择合适的电流反馈系数只要选择合适的电流反馈系数，便能够在一定，便能够在一定的条件下实现全补偿，即的条件下实现全补偿，即n3n1n20 。此。此时的时的为全补偿系数为全补偿系数 0 。Vnar0KKR)K1 (R 由于全补偿系数由于全补偿系数0受制

39、于受制于Rr与与Ra，当温度变化时，当温度变化时，0并不是恒定的常数。而电流反馈系数并不是恒定的常数。而电流反馈系数由电路的结由电路的结构决定，不能实现时实调节。当构决定，不能实现时实调节。当0时，称为过补时，称为过补偿，控制系统处于不稳定运行状态。当偿，控制系统处于不稳定运行状态。当0时，称时，称为欠补偿，存在静态转速降（为欠补偿，存在静态转速降（n的值较小），控制系的值较小），控制系统处于稳定状态。统处于稳定状态。7.4直流电动机双闭环调速系统直流电动机双闭环调速系统 为了改善系统的静态特性，避免速度与电流输入为了改善系统的静态特性，避免速度与电流输入值的突变给系统带来的冲击，直流调速系统

40、设置了值的突变给系统带来的冲击，直流调速系统设置了两个两个PI控制器，即控制器，即速度调节和电流调节速度调节和电流调节，二者串联，二者串联连接，构成双闭环调速系统。连接，构成双闭环调速系统。7.4.1 双闭环调速系统的组成双闭环调速系统的组成图图7.22 双闭环调速系统原理图双闭环调速系统原理图电流内环电流内环 电流环的组成电流环的组成 由电流调节器由电流调节器ACR、晶闸管移相触发器、晶闸管移相触发器CF、晶闸、晶闸管整流器和电动机电枢回路组成。管整流器和电动机电枢回路组成。 电流环的工作过程电流环的工作过程 转速调节器转速调节器ASR的输出的输出Un作为电流调节器作为电流调节器ACR的的给

41、定信号，给定信号，Un与电流反馈信号与电流反馈信号Ufi比较后，将差值送比较后，将差值送入电流调节器入电流调节器ACR，经过比例积分处理，电流调节，经过比例积分处理，电流调节器的输出移相电压器的输出移相电压Uc，通过晶闸管移相触发器，通过晶闸管移相触发器CF控控制晶闸管整流器的输出电压制晶闸管整流器的输出电压Ud，在，在Ud的作用下电动的作用下电动机的电枢电流和电磁转矩将相应地发生改变。机的电枢电流和电磁转矩将相应地发生改变。速度环的组成速度环的组成 由速度调节器由速度调节器ASR、电流内环组成。、电流内环组成。速度环的工作过程速度环的工作过程 Ugn作为速度调节器作为速度调节器ASR的给定信

42、号，的给定信号，Ugn与电动与电动机同轴连接的测速发电机输出的速度反馈信号机同轴连接的测速发电机输出的速度反馈信号Ufn比比较后，将差值送入速度调节器较后，将差值送入速度调节器ASR，经过比例积分，经过比例积分处理，速度调节器的输出移相电压处理，速度调节器的输出移相电压Un，作为，作为ACR的的给定信号，通过电流内环控制作用调节电枢电流给定信号，通过电流内环控制作用调节电枢电流Id和和电磁转矩电磁转矩T，最终达到调速的目的。，最终达到调速的目的。 7.4.2双闭环调速系统的静态特性双闭环调速系统的静态特性 图图7.23 双闭环调速系统静态结构图双闭环调速系统静态结构图一、静态结构图一、静态结构

43、图二、系统静态特性分析二、系统静态特性分析系统处于正常负载运行状况时，电枢电流一般系统处于正常负载运行状况时，电枢电流一般不大于额定值，即不大于额定值，即IdIdmax，ASR处于不饱和状态，处于不饱和状态，即即 Un=0，速度无静差。，速度无静差。ASR起辅助作用，保证起辅助作用，保证了系统具有硬的机械特性。了系统具有硬的机械特性。当负载增大，电枢电流达到当负载增大，电枢电流达到Idmax后，转速下降，后，转速下降，Un增大，使增大，使ASR饱和，速度外环呈开环状态，双饱和，速度外环呈开环状态，双闭环系统变成电流无静差的单闭环系统，系统稳定闭环系统变成电流无静差的单闭环系统，系统稳定时电枢电

44、流最大值不超过时电枢电流最大值不超过Idmax ，起到过流保护作，起到过流保护作用。用。7.4.3双闭环调速系统的动态特性双闭环调速系统的动态特性一、系统的动态结构图一、系统的动态结构图 图图7.24 双闭环调速系统的动态结构双闭环调速系统的动态结构电流内环电流内环代表电流代表电流PI调节器，调节器，其中其中Ki为放大系数，为放大系数， 为电流为电流PI环节时间环节时间常数。常数。 代表晶闸管代表晶闸管整流装置整流装置 代表电枢回路，为一个惯性代表电枢回路，为一个惯性环节。由于电枢回路平波电环节。由于电枢回路平波电抗抗Ld的存在，电枢回路时间的存在，电枢回路时间常数常数Ta较大，为几十至几百较

45、大，为几十至几百毫秒。毫秒。 对应电流反馈回路的传对应电流反馈回路的传递函数（没有滤波电容递函数（没有滤波电容则直接用则直接用表示），表示），Tfi为为电流反馈回路的滤波时电流反馈回路的滤波时间常数，其值较小，一间常数，其值较小，一般为几毫秒。般为几毫秒。 电流环输入端电流环输入端的滤波（缓冲）的滤波（缓冲）环节。环节。 代表速度代表速度PI调节器。调节器。 对应速度输入端滤波对应速度输入端滤波（缓冲）环节，目的（缓冲）环节，目的在于减小给定突变时，在于减小给定突变时，转速调节过程中可能转速调节过程中可能出现的超调量。出现的超调量。 对应速度反馈回路的传递对应速度反馈回路的传递函数（没有滤波电

46、容则直函数（没有滤波电容则直接用接用表示），表示），Tfn为速度为速度反馈回路的滤波时间常数，反馈回路的滤波时间常数，其值较小，一般为几毫秒。其值较小，一般为几毫秒。 二、双闭环调速系统的动态跟随性能二、双闭环调速系统的动态跟随性能 以直流电机起动时的过渡过程说明双闭环调速系统动以直流电机起动时的过渡过程说明双闭环调速系统动态跟随性能。态跟随性能。图图7.25 双闭环调速系统起动时的过渡过程双闭环调速系统起动时的过渡过程 双闭环调速系统起动过程如图双闭环调速系统起动过程如图7.25所示，速度调节所示，速度调节器器ASR经历了经历了不饱和、不饱和、饱和饱和与与退出饱和退出饱和三个阶段，三个阶段，

47、整个过渡过程相应地被分为整个过渡过程相应地被分为电流上升阶段、电流上升阶段、恒流转恒流转速直线上升阶段速直线上升阶段、速度调节阶段速度调节阶段。电流上升阶段电流上升阶段 在系统输入端突加给定电压在系统输入端突加给定电压Ugn时，由于电动机的时，由于电动机的转动惯量影响，速度反馈电压转动惯量影响，速度反馈电压Ufn0。速度调节器。速度调节器ASR中输入信号和反馈信号的差值中输入信号和反馈信号的差值UnUgn相当大，相当大，经速度经速度PI调节器的放大作用后输出将达到调节器的放大作用后输出将达到ST的饱和的饱和限幅值限幅值Unmax，使晶闸管整流桥的移相角前移，整流，使晶闸管整流桥的移相角前移，整

48、流输出电压增加，电枢电流就急剧上升，电机电磁转矩输出电压增加，电枢电流就急剧上升，电机电磁转矩T随之迅速增大，电机就很快起动起来。随之迅速增大，电机就很快起动起来。 由于电流由于电流PI调节器经过优化设计后，使得电流反馈调节器经过优化设计后，使得电流反馈回路的等效时间常数比较小，电枢电流的增长很快就回路的等效时间常数比较小，电枢电流的增长很快就会达到速度调节器输出限定值会达到速度调节器输出限定值Idmax(通常就是电枢回通常就是电枢回路和晶闸管所允许的最大电流路和晶闸管所允许的最大电流)，于是就进入下一阶，于是就进入下一阶段段恒流转速直线上升阶段。恒流转速直线上升阶段。 恒流转速直线上升阶段恒

49、流转速直线上升阶段 由于电枢电流已达到了限定值，整流桥的移相角由于电枢电流已达到了限定值，整流桥的移相角保持在某一数值上。随着转速的升高，电机的反电保持在某一数值上。随着转速的升高，电机的反电势将增大，电枢电流势将增大，电枢电流Id稍微下降。但是，只要稍微下降。但是，只要Id有所有所下降，电流反馈信号也将变小，电流调节器的输入下降，电流反馈信号也将变小，电流调节器的输入信号差值信号差值Ui就会增加，就会增加，ACR的输出的输出Uc也将随之上也将随之上升，通过控制整流桥的移相角，使电枢电流又回到升，通过控制整流桥的移相角，使电枢电流又回到Idmax。 在转速直线上升阶段，由于实际转速一直小于速在

50、转速直线上升阶段，由于实际转速一直小于速度给定值，速度调节器始终处于饱和输出状态，实度给定值，速度调节器始终处于饱和输出状态，实际上系统中只有电流调节器在起作用，使电动机始际上系统中只有电流调节器在起作用，使电动机始终以最大转矩加速，转速直线上升。终以最大转矩加速，转速直线上升。 速度调节阶段速度调节阶段 电机的转速达到并超过了速度给定值，使速度电机的转速达到并超过了速度给定值，使速度反馈电压反馈电压UfnUgn，Un0，速度调节器将退出饱，速度调节器将退出饱和，和，Un值减小。当值减小。当Un减小，导致电枢电流下降，电减小，导致电枢电流下降，电动机的电磁转矩也将下降。当电磁转矩小于负载转动机

51、的电磁转矩也将下降。当电磁转矩小于负载转矩时，电动机减速，回到速度给定值。此时速度调矩时，电动机减速，回到速度给定值。此时速度调节器的输入为零，即节器的输入为零，即Un0。由于采用。由于采用PI调节器，调节器，通过积分作用，通过积分作用，Un0，即电流调节器的给定输入不，即电流调节器的给定输入不等于零，这样使等于零，这样使Uc、Ud均保持某一数值，保证电动均保持某一数值，保证电动机稳定运行于和给定信号相对应的转速。机稳定运行于和给定信号相对应的转速。三、双闭环调速系统的动态抗干扰性能三、双闭环调速系统的动态抗干扰性能 对于直流双闭环调节系统而言，电网电压扰动对于直流双闭环调节系统而言，电网电压

52、扰动和负载扰动是两个主扰动（电网电压扰动和负载和负载扰动是两个主扰动（电网电压扰动和负载扰动），如果系统能够有效地抑制动态转速降，扰动），如果系统能够有效地抑制动态转速降，缩短恢复时间，则说明系统具有较强的动态抗干缩短恢复时间，则说明系统具有较强的动态抗干扰的能力。扰的能力。电网电压扰动电网电压扰动 交流电网电压波动（假设此时负载转矩不变），交流电网电压波动（假设此时负载转矩不变），直接影响晶闸管输出电压直接影响晶闸管输出电压Ud，引起电机电枢电流波，引起电机电枢电流波动，由于电流内环运行于不饱和状态，动，由于电流内环运行于不饱和状态，Ui0，电，电流环马上起调节作用，维持电流的恒定。流环马上

53、起调节作用，维持电流的恒定。负载扰动负载扰动 负载扰动，系统动态波形图如图负载扰动，系统动态波形图如图7.26所示。负载所示。负载突然增加时，转矩平衡被破坏，电磁转矩小于负载转突然增加时，转矩平衡被破坏，电磁转矩小于负载转矩，转速矩，转速n下降，转速反馈信号下降，下降，转速反馈信号下降，UfnUgn，Un出现正偏差，经过速度调节器使出现正偏差，经过速度调节器使Un的绝对值增大，的绝对值增大，经过电流调节器使经过电流调节器使Uc增加，整流桥移相角前移，增加，整流桥移相角前移，Ud增加，电枢电流增加，电枢电流Id增大，经过一、二次振荡，电枢电增大，经过一、二次振荡，电枢电流上升至新的静态特性工作点

54、，转速回到原来值。流上升至新的静态特性工作点，转速回到原来值。图图7.26 双闭环调速系统负载突变时的过渡过程双闭环调速系统负载突变时的过渡过程四、总结四、总结速度调节器速度调节器ASR的主要作用为的主要作用为:系统稳定时，系统稳定时，ASR控制转速跟随控制转速跟随Ugn的变化，实现静态无转差；的变化，实现静态无转差；ASR输出限幅值决定了允许的电枢电流最大值，电流环进输出限幅值决定了允许的电枢电流最大值，电流环进行恒流控制；行恒流控制；对负载扰动起抗干扰作用。对负载扰动起抗干扰作用。电流调节器电流调节器ACR的主要作用为的主要作用为:起动时，保证电动起动时，保证电动机获得最大起动电流，使控制

55、系统具有良好的动态特机获得最大起动电流，使控制系统具有良好的动态特性；性；直流电机过载等故障时，直流电机过载等故障时，ACR输出限幅值决定输出限幅值决定了电枢电流最大值，起到安全保护作用，故障消失后了电枢电流最大值，起到安全保护作用，故障消失后系统自动恢复正常工作状态；系统自动恢复正常工作状态；对电网电压扰动起抗对电网电压扰动起抗干扰作用。干扰作用。7.5 直流电机可逆调速系统直流电机可逆调速系统 7.5.1 直流电机可逆有环流调速系统直流电机可逆有环流调速系统 7.5.2 逻辑无环流可逆调速系统逻辑无环流可逆调速系统7.5.1 直流电机可逆有环流调速系统直流电机可逆有环流调速系统 晶闸管可逆

56、调速系统晶闸管可逆调速系统(有环流与逻辑无环流有环流与逻辑无环流 调速系统调速系统)可逆脉宽调制调速系统可逆脉宽调制调速系统 一、有环流调速系统组成一、有环流调速系统组成 图图7.27 晶闸管反并联连接的直流可逆调速系统的主电路晶闸管反并联连接的直流可逆调速系统的主电路 MLLLLLd正组 VF反组 VR 两组可控整流桥构成可逆调速电路，分别提供两组可控整流桥构成可逆调速电路，分别提供两个方向的电枢电流。两个方向的电枢电流。 电磁转矩的方向由电枢电流和主磁通的方向决电磁转矩的方向由电枢电流和主磁通的方向决定，改变主磁通（励磁电流）或者改变电枢电流定，改变主磁通（励磁电流）或者改变电枢电流的方向

57、（两者只能选其一），才能改变电机电磁的方向（两者只能选其一），才能改变电机电磁转矩的方向，即改变转速的方向。转矩的方向，即改变转速的方向。 由于励磁回路时间常数较大，直接影响系统的由于励磁回路时间常数较大，直接影响系统的快速性，且改变励磁电流方向时易出现快速性，且改变励磁电流方向时易出现“飞车飞车”现象，故现在主要采用改变电枢电流的方向和大现象，故现在主要采用改变电枢电流的方向和大小实现可逆调速。鉴于励磁回路的功率远远小于小实现可逆调速。鉴于励磁回路的功率远远小于电枢回路的功率，对于快速反应性能要求不高，电枢回路的功率，对于快速反应性能要求不高，转向切换不频繁的大容量直流可逆系统，如卷扬转向切

58、换不频繁的大容量直流可逆系统，如卷扬机、矿井提升机、电力机车等可考虑采用励磁绕机、矿井提升机、电力机车等可考虑采用励磁绕组极性反接的可逆调速系统。组极性反接的可逆调速系统。 二、环流二、环流定义：定义：是指不经过直流电机（或其他负载），直接在两组整是指不经过直流电机（或其他负载），直接在两组整流桥之间流通的电流。流桥之间流通的电流。性质：性质： 在可逆调速系统中，环流具有两重性。在可逆调速系统中，环流具有两重性。一方面利用小环流作为晶闸管的基本负载，即使电动一方面利用小环流作为晶闸管的基本负载，即使电动机工作在空载或轻载状态时，晶闸管装置仍然能工作机工作在空载或轻载状态时，晶闸管装置仍然能工作

59、在电流连续区，减少了电流断续引起的非线性现象对在电流连续区，减少了电流断续引起的非线性现象对系统静、动态性能的影响；同时可以消除电流反向过系统静、动态性能的影响；同时可以消除电流反向过程中的死区，加快反向时的过渡过程。程中的死区，加快反向时的过渡过程。 另一方面环流明显增加了晶闸管的负担，浪费有功功另一方面环流明显增加了晶闸管的负担，浪费有功功率，环流太大时甚至会损坏晶闸管。率，环流太大时甚至会损坏晶闸管。分类：分类：环流可分为静态环流和动态环流两大类。环流可分为静态环流和动态环流两大类。静态环流静态环流，是指可逆系统中晶闸管装置在一定的控，是指可逆系统中晶闸管装置在一定的控制角下稳定工作时所

60、出现的环流，它可分为脉动环制角下稳定工作时所出现的环流，它可分为脉动环流与直流环流。流与直流环流。动态环流动态环流，是指晶闸管触发相位突然改变时，系统，是指晶闸管触发相位突然改变时，系统处于过渡过程时出现的环流，因而系统稳定运行时处于过渡过程时出现的环流，因而系统稳定运行时不存在动态环流。不存在动态环流。三、直流环流及其抑制三、直流环流及其抑制 VFVRMLLLLId环流Ld+-Udof+-Udor图图7.28 直流环流示意图直流环流示意图VdordofcR2UUIVdordofcR2UUI正组晶闸管正组晶闸管VF与与反组晶闸管反组晶闸管VR均均处于整流状态处于整流状态 VF工作于整流状态，工