交直流传动控制系统(第版)全套课件

1、交直流传动控制系统（第4版）第1章绪论1.1 直流电动机调速技术概况 用直流电动机作为原动机的传动方式称为直流 调速。由于直流调速系统具有良好的起/制动、 正/反转及调速等性能，特别适合混合动力及纯 电动汽车的推广和中小型风力发电机的使用， 永磁无刷等直流电动机目前在传动领域中仍占 重要地位。 晶闸管供电的直流调速系统具有良好的技术经济指标，目前国内大功率的调速系统还是沿用晶闸管电动机传动结构，由于晶闸管存在着控制的非线性及较低的功率因数等缺点，难于实现高精度、宽范围的速度控制。 随着全控型功率器件GTO、GTR、 IGBT 、P-MOSFET和MCT等的出现，PWM变流器逐步取代了晶闸管相控

2、变流器，成为可控直流电源的主流。 采用PWM变流器，明显地扩大了电动机的调速范围，提高了调速精度，改善了快速性、效率和功率因数，简化了电路结构，缩小了电力电子装置的体积和重量。1.2 交流电动机调速技术概况 由于传统直流电动机存在机械换向问题，其最大电压及转速受到了限制，同时结构的影响使其不适于腐蚀性、易爆性和含尘气体的特殊场合。而交流电动机体积小、重量轻、没有电刷和换向器、转动惯量小、制造简单、结构牢固、工作可靠、易于维修。由于长期以来一直没有理想的调速方案，只被应用于恒速拖动领域。 晶闸管元件的出现使交流电动机调速的发展出现了一个飞跃，使得采用半导体变流技术的交流调速得以实现。由于交流电动

3、机调速系统的控制比较复杂和调速性能差、装置价格高、效率低、使交流调速先前未能大规模推广。 微处理机出现后，国外在绕线型异步电动机串级调速、无换向器电动机调速、笼型异步电动机的矢量控制以及PWM技术方面，获得重大突破，进入工业应用阶段。目前交流电动机调速系统已具备了较宽的调速范围、较高的稳态精度、较快的动态响应、较高的工作效率以及可以四象限运行等优异性能，其静、动态特性均可以与直流电动机调速系统相媲美。 在中大功率传动领域，交流调速已取代直流调速。特别是“节能型”交流调速技术，已得到很快发展。约占工业电力拖动总量一半的风机、水泵等拖动系统，依赖挡板和阀门来调节流量，消耗了大量的电能。如采用交流电

4、动机调速来改变风量或流量的话，效率将会大大提高。资料显示，改造恒速电动机为交流调速电动机，每台约可节能20%以上，总的节能效益是很可观的。1.2.1 交流异步电动机发展趋势 全封闭低压笼型三相大功率异步电动机作为动力机械，在大型工业装备场合存在巨大市场需求，特别是随着我国大力发展电力建设以及高效变频调速系统的推广应用，使低压大功率电动机拥有较大市场需求。1.2.2 永磁同步电动机发展趋势 由于稀土永磁电动机不需要励磁绕组，结构比较简单，磁场部分没有发热源，不需要冷却装置，材料的矫顽力高，气隙长度可以取较大值，从而使大幅度提高转速成为可能。目前已制造出每分钟二三万转的电动机，而每分钟几十万转的电

5、动机也正在研制中。 在高温、高真空度或狭小空间等特殊场合，如宇航设备、宇宙空间的机械手、原子能设备的检查机器人等，传统电动机很难满足要求，需用高温电动机或高真空电动机，而稀土永磁电动机(钐钴永磁)可耐高温，且体积小，故能满足这些特殊要求。 国内外十分重视开发实用的电动汽车，以解决大气污染问题。对于电动汽车用电动机，既要求体积小、重量轻、效率高，又要求在高温和严酷条件下可靠运行。目前发展趋势之一是在车轮轮箍中置入外转子稀土永磁电动机,以直接驱动电动汽车或电车。 永磁同步电动机在25% 120%额定负载范围均可保持较高的效率和功率因数，轻载运行的节能效果更为显著。目前主要应用于石油、纺织化纤、陶瓷

6、玻璃行业及年运行时间长的风机、水泵等场合。 钕铁硼永磁材料具有较高的最大磁能积，能制成超薄型的永磁体，从而使过去难以做到的超微型和低惯量电动机得以实现。日本东芝公司开发的起动转矩为2 10- 5 Nm、转速为100 000r /min、外径为3mm、长为5mm的微型永磁电动机。该电动机经进一步改造后，已制成外径为0. 8 mm、长为1. 2 mm 的世界上最小的永磁电动机。1.3 交-直流电动机调速数字控制系统概况 随着微电子技术、电力电子技术、计算机控制技术的发展，电气传动领域出现了以嵌入式微处理机为核心的数字控制系统。 微处理机的采用不仅极大地推动了作为研究热点的交流调速的迅猛发展，也给直

7、流调速的发展注入了新的活力，使电气传动进入了更新的发展阶段。 对于小功率系统，末级驱动电路已集成化（称功率集成电路）。它将高电压、大电流、大功率的多个半导体开关器件做在同一芯片上，同时还包括逻辑、控制、检测、自诊断及保护电路，从而使功率器件注入了智能，故又称为智能功率集成电路。 使系统体积缩小、成本降低、性能改善、调整简便，而且大大提高了系统的可靠性和抗干扰能力。1.4 电动机控制技术发展趋势电动机控制是电动机技术、电力电子技术、传感器技术、微电子技术、自动控制技术等多学科的交叉应用技术。这些学科的发展促进了运动控制技术的发展，提高了整个运动控制系统的性能。现代运动控制系统包含了多种学科的技术

8、领域，发展趋势为智能化、模块化、网络化、微型化、通用化等。1.4.1 智能化 智能化是指在控制理论的基础上,吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。1.4.2 模块化电动机驱动控制产品种类繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的产品单元是一项十分复杂的事, 需要制定各项标准。模块化对电气产品的标准化、系列化将给生产电动机驱动控制产品的企业带来美好的前程。 1.4.3 网络化 网络的普及使基于网络的各种远程控制和监 视技术方兴未艾。而远程控制的

9、终端设备本 身就是电动机驱动控制产品。因此, 电动机 驱动控制产品无疑正朝着网络化的方向发展。 1.4.4 微型化 电动机驱动控制产品向微型机器和微观领域 发展，并向微米、纳米级发展。微电动机驱 动控制产品体积小、耗能少、运动灵活，在 生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟 的优势。1.4.5 通用化通用型驱动器配置有大量的参数和丰富的菜单功能，便于用户在不改变硬件配置的条件下方便地设置多种控制方式驱动不同类型的电动机。1.4.6 从故障诊断到预测性维护随着机器安全标准的不断发展，传统的故障诊断和保护技术已经落伍，最新的产品嵌入了预测性维护技术, 使人们通过Internet便可及时了解重要技术

10、参数的动态趋势，并采取预防性措施。1.4.7 一体化和集成化电动机、反馈、控制、驱动、通信的纵向一体化已成为当前小功率伺服系统的发展方向。这种集成了驱动和通信的电动机称智能化电动机( Smart Motor) ,集成了运动控制和通信的驱动器称智能化伺服驱动器。电动机、驱动和控制的集成，使三者从设计、制造，到运行、维护更紧密地融为一体。1.4.8 其他动向 绿色化、发热抑制、静音化、清洁技术等。1.5 本课程的任务掌握交直流调速系统的基本组成原理，能结合工程实际，根据生产工艺的技术指标要求组成或选择控制系统；掌握合理正确地整定控制系统静、动态参数的方法和手段；能从工程实用的角度提出问题、分析问题

11、和解决问题；通过本课程的学习，能胜任对电气传动控制系统的选择、使用、维护、管理等工作。练习题1-1 交直流电动机调速系统能解决什么问题？1-2 交直流电动机调速系统的特性、结构如何？1-3 交直流电动机调速系统的发展前景怎样？1-4 学习本课程的任务有哪些？第2章直流调速系统2.1 概述 直流电动机具有良好的起、制动和调速性能。 G-M系统 由交流电动机拖动直流发电机（G）给直流电动 机（M）供电，通过调节G的励磁电流以改变其 输出电压，达到直流电动机调速的目的。 G-M系统需两台与直流电动机容量相当的电机， 故设备多，体积大，费用高，噪声大，维护不 方便。V-M系统 以静止变流装置-晶闸管变

12、流器（V）替代旋转机 组供电向直流电动机供电（M）。 随着GTO、GTR、P-MOSFET、IGBT等全控式 电力电子器件功率驱动装置的发展，直流脉冲宽 度调制（PWM）型的调速系统的应用越来越广。2.1.1 调速的定义 所谓调速，是指在某一负载下，通过改变电动机或电源参数的方法，使机械特性曲线得以改变，从而使电动机转速发生变化或保持不变。 调速包含两个方面： 在一定范围内“变速”，如图2.1.1所示，当电动机负载不变时，转速可由na变到nb或nc。 保持“稳速”，在某一速度下运行的生产机械受到外界干扰（如负载增加），为了保证电动机工作速度不受干扰的影响而下降，需要进行稳速，使速度接近或等于原

13、来的转速，如图2.1.1中nd与na 基本一致。2.1.2 直流电动机的调速方法 直流电动机转速表达式为： （2.1.1） 式中，n 为电动机转速（r/min）； 为电枢电压（V）； 为电枢电流（A）； 为电枢回路电阻（）； 为励磁磁通（Wb）； 为电动机结构决定的电势常数。由式2.1.1可知，直流电动机有三种调速方法：(1) 调节电枢电压。(2) 调节励磁磁通。(3) 改变电枢附加电阻。三种调速方法的机械特性如图2.1.2所示。 改变电枢电压 所得的机械特性是一组平行变 化的曲线，如图2.1.2（a）所示。 采用此种方法调速一般在额定转速以下调速， 最低转速取决于电机低速时的稳定性。 调压调

14、速具有调速范围宽，机械特性硬，无级 调速、动态性能好的特点。直流电动机在额定磁通下运行时，磁路已接近饱和，若降低励磁回路供电电压（电流），可减弱磁通实现升速，特性曲线如图2.1.2（b）所示。采用此种方法，一般以额定转速为最低转速，最高速受电动机换向条件和电枢机械强度的限制。弱磁调速调速范围较小，需与调压调速方法结合，以扩大调速范围。改变电枢电阻即在电枢回路串接不同附加电阻，以调节转速。观察图2.1.2（c）可发现，外接电阻越大，电阻功耗越大，特性越软，调电阻调速稳定性越差，为有级调速。此法在实际中已很少应用。2.1.3 调速指标 不同的生产机械，其工艺要求电气控制系统具 有不同的调速性能，其

15、指标分为静态和动态调 速指标。1.静态调速指标（1）调速范围电动机在额定负载下，运行的最高转速与最低转速之比称为调速范围，用D表示，即 （2.1.2） 注意：对非弱磁的调速系统，电动机的最高转速 即为额定转速 。 （2）静差率静差率是指电动机稳定运行时，当负载由理想空载增加至额定负载时，对应的转速降落 与理想空载转速 之比，用百分数表示为静差率反映了电动机转速受负载变化的影响程度，它与机械特性硬度有关，还与理想空载转速有关。如图2.1.3所示，A点静差率1%，B点静差率10%，那么能满足最低转速时的静差率，其它转速时也必然能满足。（3）调速范围与静差率的关系 在调压调速系统中，额定转速为最高转

16、速，静差 率为最低转速时的静差率，则最低转速为调速范围与静差率应满足下列关系式：由以上公式可知，当一个调速系统机械特性硬度（ ）一定时，对静差率要求越高，即静差率越小，允许的调速范围也越小。例2.1.1 一直流电动机调速系统，电动机额定转速 ，额定速降 ，求：（1）要求 ，允许的调速范围？ （2）当最低允许速度为500r/min，S、D 各为多少？ 解：（1）调速范围（2）当以最低转速运行时，其理想空载转速为 静差率 调速范围 2. 动态调速指标 动态性能指标包括跟随性能和抗干扰性能两类。（1）跟随性能指标 通常以输出量初始值为零、给定信号阶跃变化 下的过渡过程作为典型的跟随过程，即阶跃响 应

17、。跟随性能指标有下列各项： 上升时间 ：在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值 所经过的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性，如图2.1.4所示。 超调量 ：在典型的阶跃响应过程中，输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示，称为超调量： 超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，则相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。 调节时间 ：调节时间又称过渡过程时间，它衡量系统整个调节过程的快慢。原则上应从给定量阶跃变化起到输出量完全稳定下来为止的时间。实际系统一般在阶跃响应曲线的稳态值附近，取 (或 )的范围作为允许误差带，以响应曲线达到并不再超出该误差带所需的最短时

18、间，定义为调节时间，如图2.1.4所示。（2）抗扰性能指标 一般是以系统稳定运行中，突加负载的阶跃扰动后的动态过程作为典型的抗扰过程，并由此定义抗扰性能指标，如图2.1.5所示。 动态降落 ：系统稳定运行时，突加一定数值的扰动后引起转速的最大降落值 叫做动态降落，用输出量原稳态值 的百分数来表示。输出量在动态降落后逐渐恢复，达到新的稳态值 ，（ ）是系统在该扰动作用下的稳态降落。动态降落一般都大于稳态降落（即静差）。调速系统突加额定负载扰动时的动态降落称作动态速降 。 恢复时间 ：从阶跃扰动作用开始，到被调量进入离稳态值的 或 的区域内为止所需要的时间。 震荡次数N：震荡次数为在恢复时间内被调

19、量在稳态值上下摆动的次数，它代表系统的稳定性和抗扰能力强弱。2.1.4 直流电动机开环调速系统及特性 V-M系统由主电路和控制电路两部分组成，其原理如图2.1.6所示。 图中，VT是晶闸管可控变流器（单相、三相或多相），通过调节触发装置GT 的控制电压来改变触发脉冲的相位，从而改变变流器输出电压，以实现平滑调速。由于晶闸管整流装置相位控制的特点，V-M系统主回路须串接足够大电感量的电抗器L。当电动机的负载电流也足够大时，整流电流波形是连续的，如图2.1.7所示；当电感较小且负载较轻时，电流出现断续情况，如图2.1.8所示。 电流连续时，整流器电压瞬时值 仅由 角决定。它是各相电压波形的一部分。

20、 而电流断续时， 除由 决定外，还与导通角大小有关，在 为零期间， 等于电动机反电势E。这将引起机械特性发生变化，下面分别讨论两种不同情况的机械特性。 整流电路形式不同，晶闸管整流电路每周期内电流脉动的波头数m也不同，但总为有限值，m=2,3,6,12等，这使交流侧电流中含有较多的谐波分量，对电网运行不利。同时，脉动电流也产生脉动转矩，对传动机械不利，一般可采用增加相数以达到减少谐波分量的方法。 表2.1列出了不同整流电压波形峰值、波头数及平均整流电压的数值。（1） 电流连续时V-M系统的机械特性以三相零式整流电路为例，如图2.1.9（a）所示。图中整流器用理想空载值 表示，其中内阻压降，元件

21、压降，漏抗压降移至作为负载压降的一部分，可得等效电路图2.1.9（b）所示。当电流连续时，V-M系统机械特性方程 （2.1.6）对于一般全控整流电路 （2.1.7） 式中， 为时整流电压波形峰值；m为交流电源一周内整流电压波头数。将式（2.1.7）代入式（2.1.6）可得: (2.1.8) 由式(2.1.8)，当控制角 一定时，转速n与电流 成线性关系。改变控制角，可得到一簇彼此平行的直线，如图2.1.10中实线部分，虚线为假定电流连续时的延长线。(2) 电流不连续时V-M机械特性当电流断续时，可用图2.1.9(b)电路进行分析。因为R较小，当小电流时可忽略。在 时刻触发 ，回路电压平衡方程式

22、： （2.1.9）解上述微分方程得： （2.1.10）考虑初始条件 时， ，并经导通角后， 又降至零。得 （2.1.11）又由于所以 （2.1.12）由上式可知，当确定后，给出不同的 ,可得对应n及 ，便得出电流断续时的机械特性，如图2.1.10所示。 电流断续时，机械特性的两大特点：理想空载转速升高电动机机械特性显著变软2.2 单闭环直流调速系统的组成及其特性 当生产机械对调速性能要求不高时，可采用开环调速系统，方框图如图2.2.1所示。改变参考电压 的大小，即可改变触发脉冲的控制角，从而使直流电动机的电枢电压 变化，以达到改变电动机转速的目的。但开环调速系统调速范围不大。 例2.2.1 某

23、调速系统额定转速 r/min，额定速降 r/min，要求静差率s0.3时，求允许的调速范围；要求静差率 时，求最低运行转速。 解：当s0.3，调速范围 当要求s=0.2时，最低空载转速为 r/min最低运行转速为 r/min 此时调速范围只有2.2.1 单闭环有静差调速系统根据自动控制原理，为满足调速系统的性能指标，在开环系统的基础上，通过测速发电机TG引入速度反馈，以构成转速单闭环调速系统， 反馈信号 与给定电压信号 比较，所得差值电压 ，经放大器产生控制电压 ，用以控制电动机转速，从而构成了转速负反馈调速系统，其控制原理图如图2.2.2所示。2.2.2 单闭环调速系统的稳态特性1. 静特性

24、和稳态结构图为分析系统的静特性，作如下假定:各典型环节输入输出呈线性关系。系统在电流连续段工作。忽略直流电源和电位器内阻。系统各环节输入输出量的静态关系如下：电压比较环节： 比例放大器： 晶闸管整流与触发装置： 转速检测环节： V-M系统开环机械特性： 以上各式中： 为速度调节器（放大器）放大系数； 为晶闸管整流与触发装置的电压放大系数；为转速反馈系数 ； 为电枢回路总电阻； 为整流器内阻+电抗器电阻； 为电动机电枢电阻。根据上式关系，得系统静态结构图如图2.2.3所示。 利用叠加原理，可得系统的静特性方程为 式中, 称闭环系统的开环放大系数。2. 开环系统机械特性与闭环系统静特性比较断开测速

25、反馈回路，可得上述系统开环机械特性方程为 （2.2.2） 式中， 为开环理想空载特性； 为开环系统的静态速降。闭环静特性 （2.2.3）式中， 为闭环理想空载转速； 为闭环稳态速降。 上述两式形式相似，但本质却不同，图2.2.4将两者作一比较。在开环系统中，当负载电流增大时，电枢回路压降增大，静态速降增大，电动机转速下降。闭环系统中有转速反馈信号，当转速稍有降落，反馈电压 便反应出来。通过比较和放大，提高了晶闸管整流装置的输出电压 ，使系统在新的机械特性下工作，转速因此而回升。 在闭环系统中，每次增加（或减少）负载，就相应提高（或降低）整流电压，改变一条机械特性，这样在众多开环特性上各取一个相

26、应的工作点（A，B，C，D）即可连接成闭环系统的静特性。就此也看出闭环系统较开环系统具有下列优点： （1）静态速降小，特性硬 在同样负载下，两者的转速降落分别为 它们之间关系为 （2.2.4）在同一负载下，闭环速降减小到开环时的 倍,因而闭环静特性硬度大大提高。 （2）系统的静差率减小，稳速精度高 空载转速相同时，开环与闭环系统的静差率分别为： 当 时， （2.2.5）闭环时的静差率较开环时降低至 倍。（3）系统的调速范围大大提高如果电动机的最高转速均为 ，且开、闭环系统要求的静差率相同，则调速范围分别为且将式(2.2.4)代入，得 （2.2.6） 为使以上优点充分显现，关键是提高闭环系统的放

27、大系数K，须设置检测与反馈装置和足够放大系数的调节器，这样闭环系统便能获得较开环系统硬得多的静特性。例2.2.2 图2.2.5所示转速闭环系统，已知（1）直流电动机额定参数： =22KW, =220V， =116A， =0.1， =1500r/min。 （2）V-M系统，主回路总电阻R=0.3。 （3）可控硅整流装置移相控制电压 从07V变化时，晶闸管整流电压 从0230V变化，整流变压器Y/Y接法，二次线电压 =230V。（4） 测速发电机，ZYS231/110型永磁式，额定数据：23.1W，110V，0.21A, 1900r/min（5）生产机械要求：D=10，S=0.05解: 根据已知技

28、术数据，系统静态参数计算如下：（1）为了满足静态调速指标，电动机在额定负载 时静态速降为： （2）根据 ，确定系统的开环放大倍数K其中所以 （3）计算测速反馈系数 根据测速发电机参数 直流稳压电源为 15V，最大转速时给定电压为10V，对应的电动机转速为额定值1500转/分， 电动机与测速机硬轴连接。 当系统处于稳态时，近似认为 转速反馈系数 分压系数直流测速发电机的负载电阻 不能太小，不然负载电流太大会引起测速机的过强电枢反应，影响测量精度，也同时使 电阻自身容量增大，一般取测速发电机的负载电流为其额定电流的20%，则 电阻的功耗 因此 分压电阻可选用2.2K、10W的电位器来担任，且可使

29、大小可调。（4）确定比例调节器的放大倍数 由于其中 可控硅及触发装置的电压放大倍数可据已知参数估算： 所以由于若取 =22， ，则 3. 单闭环调速系统的基本性质 单闭环调速系统具有反馈控制的基本规律如下：（1）采用比例调节器的闭环系统为有静差系统有静差系统的实际转速不等于给定转速，因为从闭环静特性得静态速降为：（2）闭环系统对于给定输入绝对服从 给定电压 是和反馈电压 相比较的量，又可称作参考输入量。显然给定电压的一些微小变化，都会直接引起输出量转速的变化。在调速系统中，改变给定电压就是在调整转速。（3）转速闭环系统的抗扰动性能 在闭环系统中，当给定电压 不变时，使电 动机转速发生变化（即系

30、统稳态转速偏离设定 值）的所有因素统称为系统的扰动。如图2.2.6所示，标出了各种扰动因素对系统的作用。扰动输入的作用点不同，它对系统的影响程度也不同，而转速负反馈能抑制或减小被包围在反馈环内作用在控制系统主通道上的扰动，这是开环系统无法完成的，也是闭环系统最突出的特征。 现以交流电源电压波动为例，定性说明闭环 系统对扰动作用的抑制过程： 通过调节，使转速回升并接近原来值，但由于 是有静差调速系统，转速不可能恢复至原稳态 转速。 闭环系统对检测和给定环节本身的扰动无抑制能力，若测速发电机磁场不稳定，引起反馈电压 变化，使转速偏离原值，这种由测速发电机本身误差引起的转速变化，闭环系统无抑制调节能

31、力。 由此可见，转速闭环系统，只能抑制被反馈环包围的加在系统前向通道上的扰动作用，而对诸如给定电源，检测元件或装置中的扰动无能为力。所以对测速电机选择及安装必须特别注意，确保反馈检测元件的精度是对闭环系统的稳速精度至关重要的。2.2.3 单闭环调速系统的动态特性 在单闭环有静态差调速系统中，引入转速负反馈且有了足够大放大系数K后，就可以满足系统的稳态性能要求。由自动控制理论可知，系统开环放大系数太大时，可能会引起闭环系统的不稳定，须采取校正措施才能使系统正常工作。另外，系统还必须满足各种动态性能指标。为此，必须进一步分析系统的动态特性。1. 转速闭环调速系统的动态数学模型（1）直流电动机传递函

32、数直流电动机等效电路如图2.2.7所示，在额定磁通，且电枢电流连续的条件下，电动机电枢回路电压平衡方程式为 （2.2.7）式中，R为电枢回路总电阻；L为电枢回路总电感； 为电枢回路电动势时间常数；E为电动机反电动势。将式（2.2.7）两边取拉氏变换，整理得到整流电压与电枢电流之间的传递函数 （2.2.8）忽略粘性摩擦，电动机转矩与转速之间的力矩平衡方程式 （2.2.9） 设表示负载转矩的电枢电流分量为则式（2.2.9）可简化为令 为电动机的机电时间常数上式两边取拉氏变换整理得电势与电流间的传递函数 （2.2.10） 由式（2.2.8）和（2.2.10）可得直流电动机在额定励磁下的动态结构图，如

33、图2.2.8所示。（2）晶闸管触发器和整流器的传递函数全控型整流器在稳态下，触发器控制电压 与整流输出电压关系为 （2.2.11）式中，A为整流器型式系数； 为整流器输入交流电压有效值； 为整流器触发控制角； 为触发电路相移控制电压；K为触发器移相斜率。 由式（2.2.11）可知，触发器与整流器输入输出关系是非线性余弦关系。由于一般控制角在 范围内非线性偏差不大，在工程上常常用线性环节来近似处理，即触发与整流环节放大倍数 （2.2.12） 触发与整流环节可看成是一个具有纯滞后的放大环节，其滞后作用是晶闸管装置的失控时间引起的。失控时间是指当某一相晶闸管触发导通后，至下一相晶闸管触发导通之前的一

34、段时间，也称滞后时间，用 表示。图（2.2.9）表示了这种滞后引起的“失控”现象。 Ts 滞后时间的大小与整流电路具体形式有关，与电源频率有关，最大滞后时间 （2.2.13）式中，f 为交流电源频率；m为一周内整流电压的波头数。一般情况下，相对于整个系统的响应时间来说，Ts是不大的，且可近似为常数，工程上常取其统计平均值： （2.2.14）各种整流电路在 情况下的失控时间见表 2.1 。 晶闸管触发和整流装置的输入输 出关系为 应用拉氏变换定理，晶闸管整流装置的传递函 数为 (2.2.15) 将式(2.2.15)式按泰勒级数展开，得忽略其高次项，则晶闸管触发和整流装置的传递函数可近似成一阶惯性

35、环节: (2.2.16) 其动态结构图如图2.2.10所示。（3）放大器及转速反馈环节 放大器为比例调节器 输入信号 输出信号 测速发电机反馈信号 则该环节传递函数为 (2.2.17)其动态结构如图2.2.11所示。（4）单闭环调速系统的动态结构图和传递函数 按各环节在系统中的相互关系，得到图2.2.12 所示的单闭环调速系统的动态结构图。 把直流电动机等效成一个环节，其输入与输出 关系： 图2.2.12可简化成图2.2.13 由图2.2.13可见，单闭环系统就是一个三阶线性 系统，其开环传递函数为 （2.2.18） 式中则闭环传递函数为 （2.2.19） 2. 转速负反馈单闭环系统的稳定性分

36、析 由式（2.2.19）得单闭环调速系统的特征方程 根据劳斯稳定判据，得到系统稳定的充分必要条件为 即 （2.2.21） 由上式表明，当系统参数 已定的情 况下，为保证系统稳定，其开环放大系数K值 不能太大, 必须满足式（2.2.21）的稳定条件。 在前面的稳态分析中得知，为提高静特性硬度，希望开环放大倍数K大些，但K大到一定值时会引起系统的不稳定。因此由系统稳态误差要求所计算的K值还必须按系统稳定性条件进行校核。例2.2.3 某V-M系统，电动机采用Z2-93型直流电动机， 主要参数： 电枢电阻 ，整流器内阻和平波电抗器电阻为 。要求 ，问系统能否满足要求？ 解:由静态指标求闭环系统开环放大

37、倍数 系统开环额定转速降 r/min 满足静态指标的闭环系统转速降 r/min 所以从系统稳定性条件，计算K 显然，若满足静态性能指标，系统将不稳定。静态精度与动态稳定性是相互矛盾的。2.2.4 单闭环无静差调速系统 在单闭环有静差调速系统中，由于采用比例调节器，所以提高增益只能减小静差而不能消除静差。为了完全消除静差，实现转速无静差调节，根据自动控制理论，可以在调速系统中引入积分控制规律，用积分调节器，实现静态的无偏差。1积分（I）调节器积分调节器电路如图2.2.14（a）所示。其传递函数为： （2.2.22） 式中 ，为积分时间常数。积分环节的阶跃响应是随时间线性增长的直线，但输出量受输出

38、限幅电路限制。 积分调节器特点： 只要 逐渐递增, 增长速率由 控制。 ， 保持为某一固定值，具有记忆或 保持作用，曲线如图2.2.14（b）所示。2比例-积分（PI）调节器（1）比例-积分电路比例-积分电路如图2.2.15(a)所示。传递函数为： （2.2.23） 式中， 为PI调节器的积分时间常数； 为PI调节器的超前时间常数； 为PI调节器的比例部分放大常数。当输入阶跃函数，其输出 如图2.2.15(b)所示。（2）带输出限幅电路的PI调节器输出限幅电路分内限幅和外限幅两种。图2.2.16(a)为外限幅电路。正、负限幅电压分别为： 式中， 为电位器M、N点电位， 为二极管正向管压降。电路

39、缺点：仅限制输出电压，而运算放大器仍进入深度饱和，动态过程受到影响。 图2.2.16(b)为内限幅电路又称反馈限幅电路。采用两个对接的稳压管并接在反馈阻抗两端，输出限幅电压由稳压管反向击穿电压提供，线路简单，稳压效果好。3. 采用积分和比例积分调节器的单闭环无静差 调速系统（1）由积分调节器构成的无静差系统 若在转速负反馈有静差调速系统中，以积分调节器代替比例调节器，便构成了无静差调速系统，其原理图如图2.2.17所示，对应的系统结构图如图2.2.18所示。 积分调节器固然能使系统在稳态时无静差，但其动态响应却太慢了。因为积分增长需要时间，控制作用只能逐渐表现出来，与此相反，采用比例调节器虽然

40、有静差，动态反应却较快。如果既要静态准，又要动态响应快，可将两者结合起来，构成比例积分调节器。（2）由比例积分调节器构成的无静差系统 比例-积分调节器的输出由比例和积分两部分叠加而成。在PI调节器突加给定信号时，由于 电容两端电压不能突变，相当于电容瞬间短路，瞬间作用是比例控制，系数为 ，其输出电压 ，实现了快速响应。此后随着电容被充电，输出电压不断增长，直到稳态，实现了无静差。 系统的结构图如图2.2.20所示，系统中的主要 扰动是负载扰动 ，其次是电网电压扰动 。比例-积分调节器构成的无静差调速系统的抗负载扰动过程如图2.2.21 所示。 实际工程中，无静差系统动态是有静差的，严格的讲“无

41、静差”只是理论上的。因为积分或比例积分调节器在稳态时电容两端电压不变，相当于开路，运放处于开环状态，其放大倍数很大，但还是有限值。因此仍然存在很小 ，也就是说仍有很小的静差 ，只是一般精度要求下可略去。（3）带电流截止保护的无静差调速系统很多生产设备需要直接加阶跃给定信号，以实现快速起动目的。由于系统的机械惯性较大，电动机转速不能立即建立起来，尤其起动初期转速反馈信号 =0，调节器输入偏差信号 造成直流电动机满压起动，其起动电流达额定电流的几十倍，过电流保护继电器会使系统跳闸，电机无法起动。此外电流上升率过大，对直流电动机换向及晶闸管元件来讲是不允许的。因此须引入电流自动控制，使其不超出电动机

42、过载能力的允许限度。 要限制电流，则在系统中引入电流负反馈。但由于电流负反馈在限流的同时，使系统的特性变软。为解决限流保护与静特性变软之间出现矛盾，系统可采用电流负反馈截止环节，即需增设两个环节：其一为反映电枢电流的检测环节（直流电流互感器），构成电流反馈闭环；其二反映电流允许值的门坎电平检测环节（稳压管），使电流反馈信号 与 进行比较，其比较差值 送比例积分调节器，从而构成电流反馈截止环节，原理图如图2.2.22所示。 系统中的电流检测反馈信号 ，为检测环节的比例系数；允许电枢电流截止反馈的门坎值 ， 为稳压二极管稳压值。当 (即 )时，电流反馈被截止，不起作用，此时系统仅存在转速负反馈。

43、当负载电流增大使 （即 ），稳压管被反向击穿，允许电流反馈信号通过，转速反馈信号与电流反馈同时起作用，使调节器输出 下降，迫使 迅速减小，限制了电枢电流随负载增大而增加的速度，有效抑制了电枢电流增加。系统的静特性分析：系统在正常工作时，电流截止负反馈不起作用 即 ，系统为以转速单闭环的调速系统。在稳态时由于PI调节器的作用，调节器综合输入电压： 即稳态时一定有 ，稳态时电动机转速为 。在转速反馈系数 一定的情况下，电动机转速只跟随给定电压 变化而变化，而与负载电流等扰动量无关。系统的静特性方程为 （2.2.24） 式中， 为转速反馈系数； 为临界电流（系统允许最大电流）。由式（2.2.24）可

44、知，系统的静特性在电流小于临界电流时是一条水平线如图2.2.23所示。即 时，转速由给定电压控制，系统完全按照给定电压的变化“无差”地跟随，而不受负载变化等影响。当负载电流 增加时，其调节过程如下：直到 时停止调节，保证了 。 当负载电流 时，电流截止负反馈起作用，稳态时调节器的综合输入为零，即得系统的静特性方程为：（2.2.25）式中， 二极管稳压值； 电流反馈系数由式(2.2.25)可见, 当负载电流大于临界电流时，由于 和 为常数，必使电动机转速下降，下降的斜率取决于 大小。动态性能分析如下： a稳定性分析：当 ，电流反馈不起作用，系统为转速负反馈调节系统。调节器的传递函数： 式中， 为

45、比例放大倍数； 为积分时间常数。 系统的动态结构图如图2.2.24所示 系统的开环传递函数为 若取 ，则式中 。闭环系统的特征方程式为 根据劳斯稳定判据，系统稳定的充要条件为 且即 （2.2.26） b.具有限幅输出的PI调节器的动态响应：在调速系统中，速度调节器ASR一般都采用具有限幅电路的PI调节器，在动态过程中，PI调节器的输出电压饱和与否，直接影响系统的动态过程。下面结合系统的动态结构图，讨论有限幅的PI调节器的动态响应。 如图2.2.24，PI调节器输出的动态响应波形与转速偏差电压 直接有关。当速度给定电压 一定时，速度偏差电压 的变化规律便取决于速度反馈电压 ，而 的响应快慢直接与

46、被调对象的惯性大小有关。 突加阶跃给定起动时，由于机械惯性，电动机转速不能立即建立起来。故转速偏差 信号为 。此时PI调节器的比例输出 ，积分输出 。由于这 段时间很短，故PI调节器输出电压达不到限幅。在起动过程中，电动机转速上升使 增加。随着 的增长，转速偏差 逐渐减小，其变化规律和调节器的动态响应如图2.2.25所示。 如果调节对象的滞后时间常数远大于调节器的积分时间常数 ，则 衰减较慢。由于调节器的积分输出 增长，尽管 减小，但 仍继续增大， 在未衰减到零之前， 值已升到限幅值 如图2.2.25（a）所示。如果调节对象的滞后时间常数较小，速度响应较快，则 衰减较快，当调节器输出电压 还未

47、达到 ， 已经衰减到零， 就不再增加, 调节器便不能饱和，如图2.2.25（b）所示。 由此可见，在系统起动过程中，PI调节器输出的比例控制作用（ ）由强逐渐变弱，其积分控制（ ）由弱渐强，所以 对系统起强激作用； 起消除静差的作用，使转速稳定在给定值上。如果在系统起动过程中ASR出现饱和，电动机转速必然出现超调现象。2.3 双闭环直流调速系统由PI调节器组成的单闭环调速系统，虽然能保证动态稳定性，又可消除静差，但单环系统在充分利用电动机过载能力的条件下获得快速的动态响应，及对扰动的抑制能力较差，使其在应用时受到一定限制。为了使系统在起制动的动态过程中，在最大电流约束条件下，获得最佳速度调节过

48、程，根据自控原理，对那些希望获得最佳控制的物理量也实行负反馈控制。2.3.1 转速、电流双闭环调速系统的特点 为充分利用电机的过载能力，加快起动过程，专门设置一个电流调节器，构成电流、转速双闭环调速系统，实现在最大电枢电流约束下的转速过渡过程最快的“最优”控制。 在双闭环调速系统中，设置了两个调节器，分别控制转速和电流，并且将两个调节器实行串级连接。转速负反馈的闭环在外面称外环，电流负反馈的闭环在里面，称内环。其原理图如图2.3.1所示。图中，ASR为速度调节器，ACR为电流调节器，两调节器作用互相配合，相辅相成。 为了使转速，电流双闭环调速系统具有良好的静、动态性能，电流、转速两个调节器一般

49、采用PI调节器。考虑触发装置的控制电压为正电压，运算放大器又具有倒向作用。图中标出了相应信号的实际极性。 转速调节器ASR的输出限幅电压值 决定了 电流调节器ACR的给定电流的最大值，该值取 决于电动机的过载能力和系统对最大加速度的 需要。电流调节器ACR输出正限幅值 则表 示触发装置最小控制角 限制或对晶闸管装 置输出电压最大值 的限制。 2.3.2 转速、电流双闭环调速系统的工作原理1.双闭环调速系统静态特性 双闭环系统采用PI调节器，则其稳态时输入偏差信号一定为零，即给定信号与反馈信号的差值为零，属无静差调节。（1）电流调节环电流环的给定信号是速度调节器的输出信号 ,电流环的反馈信号采自

50、交流电流互感器及整流电路或霍尔电流传感器，其值 ， 为电流反馈系数，则： (2.3.1) (2.3.2) 在 一定的条件下，在电流调节器的作用下，输出电流保持为 值，而由电网电压波动引起电流波动将被有效抑制。此外，由于限幅的作用，速度调节器的最大输出只能是限幅值 ,调整反馈环节的反馈系数，可使电动机的最大电流对应的反馈信号等于输入限幅值，即 。取值应考虑电动机允许过载能力和系统允许最大加速度，一般为额定电流的（1.5-2）倍。（2）速度调节环速度环给定信号 ，反馈信号 则稳 态时， 即 (2.3.3) ASR调节器的给定输入由稳压电源提供，其幅值不可能太大，一般在十几伏以下，当给定为最大值时

51、，电动机应达到最高转速，一般为电动机的额定转速 。ACR调节器输出为触发装置的控制电压 (2.3.4) 当 为定值时，由ASR调节器可使电动机转速恒定，克服负载扰动的影响，其调节过程如下： 双闭环系统的正常工作段静特性如图2.3.1中的 段 当负载过大时，其负载转矩比电动机电流最大允许值 所产生的电磁力矩还大，电动机拖不动负载，发生堵转，转速下降至零，速度调节器输入偏差 为最大值，ASR饱和，输出为限幅值 , ASR失去调节作用，系统仅靠电流调节器的限流作用，使 恒流调节，呈下垂特性，如图2.3.2 中AB段。 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于 时转速无静差，转速负反馈起主要调节作用，工作

52、段静特性很硬，而在负载达到 时，转速调节器饱和，系统表现为电流无静差调节系统，具有过电流的自动保护，静特性为下垂特性。双闭环系统的静特性比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。双闭环系统的稳态结构图如图2.3.3所示。2. 双闭环系统起动过程分析 双闭环调速系统突加给定电压 后，其转速和电流在起动过程中的波形如图2.3.4 如示，其中 I、II阶段速度调节器饱和，第III阶段速度调节器退出饱和发挥线性调节作用。 第I阶段（0- ）电流上升阶段： 系统突加给定电压 后，由于电动机的机械惯性较大，转速和转速反馈量增长较慢，则速度调节器ASR的输入偏差电压 的数值较大，转速调节器的放大倍数较大，其输

53、出很快达到饱和输出限幅值 。 ACR为最大电流给定，使ACR的输出 在比例部分 的作用（ ）迅速增大，触发脉冲从 初始位置快速前移，强迫电枢电流 迅速上升。随着电流反馈信号 的上升， 逐渐减小，ACR的输出信号 的比例部分随之减少，而积分部分逐渐积累增加。在比例、积分两部分共同作用下，形成了如图2.3.4中所示的 波形。 的上升使整流电压 成比例增加，从而保证电流 迅速增大，直到 。当 ，ACR的作用使 不再增加，保持动态平衡。这一阶段的特点是转速调节器ASR因阶跃给定作用而迅速饱和, 而电流调节器ACR一般为不饱和，以保证电流环的调节作用，强迫电流 上升，并达到 。 第阶段（ ）为恒流升速阶

54、段： 该阶段从电流上升到 开始，直至转速上升到 给定值对应的转速额定值为止，是起动的主要 阶段。在此阶段， ，ASR一直处于饱和 状态，输出限幅 不变，相当于转速环开环，系统表现为在恒值最大电流给定 作用 下的电流调节系统。在 的恒值控制下，内环恒定 的自动调节过程是：调节作用使 略小于 而维持不变，转速线性上升，相应的E、 、 也都是线性上升， 时刻 n上升达给定转速（见图2.3.4）。 第阶段（ ） 转速调节阶段： 时刻，转速已达给定值，转速调节器的给定 电压与反馈电压相平衡， =0，但其输 出由于PI的积分作用还维持在限幅值 ，电 动机仍在最大电流下继续加速， 电动机仍在最大电流下继续加

55、速，使转速产生超调，同时ASR的输入端出现负偏差电压（ ），使转速调节器退出饱和状态，ASR输出电压也为ACR电流调节器的给定电压 从限幅值降下来，主电路电流 也随之迅速减小。 但是，由于 仍大于负载电流 ，转速继续 上升，直至 = ，转矩 ， ， 转速n 达到峰值 。此后在负载力矩作用 下，电动机开始减速。当n达到给定值 ， 系统进入稳态运行状态。 在这一阶段中，转速调节器ASR和电流调节器ACR都不饱和，共同担当调节作用。转速调节处于外环，起主导作用，促使转速迅速趋于给定值，并使系统稳定；电流调节器的作用则是力图使 尽快跟随转速调节器ASR的输出 的变化，也就是电流内环的调节过程是由速度外

56、环支配，形成了一个电流随动系统。系统起动后进入稳态时，转速等于给定值，电流等于负载电流，ASR和ACR的输入偏差电压均为零。综上所述，双闭环系统起动过程的特点： 转速环出现饱和开环和退饱和闭环两种状态。转速开环时，系统为恒值电流调节单环系统。转速闭环时，系统为无静差调速系统，电流内环为电流随动系统。 转速环从开环到闭环发挥调节作用，其转速一定出现超调，只有靠超调才能使ASR退饱和，才能进行线性调节。 恒电流转速上升阶段，取 为 ，充分发挥了电动机的过载能力，实现了电流受限制条件下的最短时间控制即“时间最优控制”。3. 双闭环调速系统的动态抗扰动性能 单闭环调节系统对于被包在反馈环内的一切扰动量

57、都有抑制作用。这些扰动量最终要反映到被调量，由测出被调量的偏差而进行调节，根据系统的静态特性，扰动才会被抑制。但从系统的动态特性上看，对于作用点离被调量较远的扰动量，还存在不能及时调节的问题。 单闭环调速系统的动态抗扰图如图2.3.5所示。由于电网电压波动所引起的扰动作用，先要经受电磁惯性的阻挠才能影响电枢电流，再经过机电惯性的滞后才能反映到转速上来，等到转速反馈产生调节作用，时间已经比较晚。而在双闭环调速系统中，由于电网电压扰动被包围在电流环之内（见图2.3.6），当电压波动时，可以通过电流反馈得到及时调节，不必等到影响到转速后才在系统中有所反应。因此，在双闭环调速系统中，由电网电压波动引起

58、的动态速降会比单闭环系统中小得多。 至于负载变化引起的扰动，从图2.3.6可见负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器来产生抗扰动作用。因此，在突加（减）负载时，必然会引起动态速降（升）。为了减小动态速降（升），必须在设计转速调节器ASR时，要求系统具有良好的抗扰动指标。双闭环系统原已稳定运行，其转速 。在突加 时，系统的调节过程为： 对于双闭环系统，扰动对系统的影响与扰动的作用点有关，扰动作用于内环的主通道中，将不会明显地影响转速，如电网电压扰动；扰动作用于外环主通道中，则必须通过转速调节器调节才能克服扰动引起的影响，如负载扰动；扰动如果作用于反馈通道中，如测速发电机励磁电流变化引起的扰动

59、，调节系统（包括单闭环）是无法克服它引起的偏差的。4. 双闭环调速系统中两个调节器的作用1）转速调节器的作用 使转速n跟随给定电压Un变化，实现转速 无静差调节； 对负载变化起抗扰作用； 其饱和输出限幅值作为系统允许最大电流 的给定，起饱和非线性控制作用，以实现 系统在最大电流约束下起动过程。2）电流调节器的作用 起动时，实现最大允许电流条件下的恒流升速调节 -时间最优； 在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压Un变化； 对电网电压波动及时起抗扰动作用； 当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值， 从而起到快速的安全保护作用。如果故障消失，系 统能自动恢复正常。 5. 双闭环调速系统工程设

60、计方法的基本思路 一般直流调速系统动态参数的工程设计，包括确定预期典型系统，选择调节器形式，计算调节器参数。设计结果应满足生产机械工艺要求提出的静态与动态性能指标。双环系统的动态结构如图2.3.8所示。设计方法由内向外，一环一环设计。对双闭环调速系统：先设计内环（电流环） 根据电流控制要求，确定把电流环校正为哪种典型系统，按照调节对象选择调节器及其参数。再设计外环（转速环） 电流环等效成小惯性环节，作为转速环的一个组成部分，用同样方法完成转速环设计。练习题2-1. 什么叫调速范围？什么叫静差率？调速范围、静态 速降和最小静差率有什么关系？2-2. 某调速系统的调速范围是（1501500）r/m