电力拖动自动控制系统第三版陈伯时课后答案

第一章闭环控制的直流调速系统

1-1为什么PWM—电动机系统比晶闸管一电动机系统能够获

得更好的动态性能？答:PWM—电动机系统在很多方面有较

大的优越性：

(1)主电路线路简单,需用的功率器件少。

(2)开关频率高,电流容易连续，谐波少,电机损耗及发热都较

小。

(3)低速性能好,稳速精度高,调速范围宽,可达1:10000左右。

(4)若与快速响应的电动机配合,则系统频带宽,动态响应快,动

态抗扰能力强。

(5)功率开关器件工作在开关状态,导通损耗小,当开关频率适

当时,开关损耗也不大,因而装置效率较高。

(6)直流电源采用不控整流时,电网功率因数比相控整流器高。

1-2试分析有制益通路的不可逆PWM变换器进行制动时,两个VT

是如何工作的。

答:在制动状态中,以为负值,V我就发挥年用了。这种情况发生在

电动运行过程中需要降速的时候。这时，先减小控制电压，使Ugl

的正脉冲变窄,负脉冲变宽,从而使平均电枢电

压降低。可是,由于机电|贯性,转速和反电动势还来不及变化，

因而造成E>"/,很快使电流打反向,外截止，在"vT时,U

g2变正，于是V々导通，反向电流沿回路

3流通,产生能耗制动作用。在TVvT+b及时，吟关断，-〃沿回

路4经丫功续流，向

电源回馈制动，与此同时,VD1两端压降钳住UH使它不能导通。在制

动状态中,和V71

轮流导通,而以1始终是关断的。

在轻载电动状态，这时平均电流较小，以致在V71关断后口经丫以

续流时，还没有达到

周期T,电流已经衰减到零这时VD2两端电压也降为零W为便提前

导通了，使电流反向，产生局部时间的制动作用。

1-3调速范围和静差率的定义是什么？调速范围、静差速降和

最小静差率之间有什么关

系？为什么说”脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得

多了“？答:生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比

叫做调速范围，用字母D表示，即

D=

—其中，和一般都指电动机额定负载时的最高和最低转

“max

“max〃min速，对于少数负

〃m

in

载很轻的机械,能够用实际负载时的最高和最低转速。

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所

对应的转速降落，与理

想空载转速之比,称作静差s二A〃N

率s,即或用百分比表⑷

示5=A，WxlOO%

〃0

在直流电动机变压调速系统中,一般以电动机的额定转速〃N作

为最高转速

则$二的二

nQ力min+

••"min二__(1-5)A/?7V

△nNJC

s

D-"max二nNS

"minQ-S)

由上式可看出调速系统的调速范围、静差速降和最小静差率之

间的关系。对于同一个调

速系统,b〃N值一定,如果对静差率要求越严,即要求s值越小时，

系统能够允许的调速

范围也越〃\。一个调速系统的调速范围,是指在最低速时还能满足所

需静差率的转速可调范

围。

1-4某一调速系统,测得的最高转速特性为〃Omax二1500〃

min,最低转速特性为_

nOmin=150//min,带额定负载时的速度降落二15"min,且在

不同转速下额定速降

A〃N不变,试问系统能够达到的调速范围有多大？系统允许的静差

率是多少？

解系统能够达到的调速范11

围为1500—

。二”max150-

^min-

DA/i^xlOO%llxlxl00%=10%

系统允许的静s—

差率+=5

DbnN1500+

11x15

1-5某闭环调速系统的调速范围是1500〜150r/min,要求系统的

静差率sS2%，那么系

统允许的静态速降是要而厢果开环系统的静态速降是100"min则

闭环系统的开环放太倍

数应有多大？

解因"二、nN

为△〃*"min

n

0

A〃々/

△n=1m11i1n11s=150x0.02=3.06r/min•

因此1一和

1-0.02

因为二△%〃

1+K

100

K=°P-1=-1=31.7

因此3.06

cl

1一6某闭环调速系统的开环放大倍数为15时,额定负载下电动机的

速降为8r/min,如果

将开环放大倍数提高到30,它的速降为多少？在同样静差率要求下,

调速范围能够扩大多少倍？

_Rid

解(1)因卜A〃=-----

为dai+K)

因此四二1+K)=8*1+15)=128

C

A/X

e

RI12S

贝!]△〃二_d_==4.13/7min

Q1+K)1+30

中n./ws句不变的情况下,口只与4川有关

(2)田〃-，可知在s和

△恤(1一恤

S)

调速范围扩大1.94倍。

1-7某调速系统的调速范围D=20,额定转速〃N=1500r/min,

开环转速降落

△〃Nop=240r/min,若要求系统的静差率由10%减少到5%,则系

统的开环增益将如何变

化？二1500x=8.33r/min

解；当s=10%时,0.J

s

N皎")20*1-0.1)

240

此时K=--1=--1=27.8

8.331500x=3.95r/min

当s=5%〃N3=0.05

------------------------

时，_

N份1-s)20^1-0.05)

&〃OP240

此时K二——-1=——-1=59.8

3.95

则若要求系统的静差率由10%减少到5%,则系统的开环

增益揩变大。

1-8转速单闭环调速系统有那些特点？改变给定电压能否改变电

动机的转速？为什么？如果给定电压不变,调节测速反馈电压

的分压比是否能够改变转速？为什么？如果测速发电机的励

磁发生了变化,系统有无克服这种干扰的能力？

答（1）转速单团坏调速系统有以下二个基本特征

①只用比例放大器的反馈控制系统,其被被调量仍是有静差的。

②反馈控制系统的作用是:抵抗扰动，服从给定。扰动性能是反

馈控制系统最突出的特征之一。

③系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。

(2)改变给定电压会改变电动机的转速,因为反馈控制系统完全服

从给定作用。

(3)如果给定电压不变,调节测速反馈电压的分压比或测速发电

机的励磁发生了变化，它不能得到反馈控制系统的抑制反而会噌大

被调量的误差。反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向

通道上的扰动。

1-9在转速负反馈调速系统中,当电网电压、负载转矩、电动机励

磁电流、电枢电阻、测速发电机励磁各量发生变化时，都会引起转

速的变化,问系统对上述各量有无调节能力？为什么？答:当电网电

压发生变化时，系统对其有调节能力。因为电网电压是系统的给定

反馈控制系统完全服从给定。

负载转矩、电动机励磁电流、电枢电阻变化时系统对其有调节

能力。因为她们的变化最终会影响到转速，都会被测速装置检测出

来。再经过反馈控制作用，减小它们对稳态转速的影响。

测速发电机励磁各量发生变化时，它不能得到反馈控制系统的抑

制，反而会增大被调量的误差。反馈控制系统所能抑制的只是被反

馈环包围的前向通道上的扰动。

1—10有一V—M调速系统。电动机参数为：PN=2.2HV,UN=220V//V

二12.5A

nN二1500〃min,电枢电阻6二1.2Q,整流装置内阻以叱=L5C,

触发整流环节的放

大倍数Ks二35。要求系统满足调速范围D=20,静差率sS10%。

(1)计算开环系统的静态速降△〃呐和调速要求所允许的闭环静态

速降。

(2)采用转速负反馈组成闭环系统,试画出系统的原理图和静态结

构框图。

(3)调整该系统参数，使当U*二15V时，/=/,n=n,则转速负反馈

..JA7

系数a应该是

多少？

(4)计算放大器所需的放

大倍数。解(1)先计算电动

机的电动势系数

C=UN-，N=220-12.5x1.2=°」367Hmin/r

Ra1500

〃N

则开环系数额定速降为

(1.2+1.5)

AnOp_INR=12.5=246.9r/min

Ce0.1367

额定负载时的稳态速降应为

An=<150°x=8.33r/min

s0.1

cl小)20X1-0.1)

(2)系统的静态结构框图如下所示

-Un

a

转速负反馈系统的原理图

+万

+

+n〃AmicGT

笛

tg

（3）当u*二时，=3,n=nN，则转速负反馈系数a

15V应该是

*

i二如—OOI

15

n〃N1500

(4)闭环系统的开环放大

系数应为

△〃246.9

K二°P-1=-1=28.64

\nci8.33

运算放大器所需的放大倍数

Kp二K二28.64=11.19

8Ks/0.01x35/

Q0.1367

1-11在题1-10的转速负反馈系统中增设电流截止环节,要求堵转电

流/仍/S2/N，临界

截止电流2L2/N，应该选用多大的比较电压和电流反馈采样电

阻？要求电流反馈采样

电阻不超过主电路总'电阻的1/3,如果做不到,需要增加电流反馈放

大器,试画出系统的原

理图和静态结构框图，并计算电流反馈放大系数。这时电流反馈采

样电阻和比较电压各为多少?

u*+u-2I

A

/=nco

m

解：因dbl

为

N

S

j=U_>\.2I

com

klcr

N

S

且U*=15V,计算“50，=22.5V

可得RU

nscom

U*+US2/

j=nco

m

Abi

N

S

/二Lcom

>1.2/

devKRN

1-12某调速系统原理图如图1-58所示已知数据如下电动机当v

=\8kWUN=220V,

IN二94AnN=1000〃/min,=0.15。，整流装置内阻/?WC=(L3Q,

触发整流环节

的放大倍数K二40o最大给定电压U*二15V,当主电路电流达到

最大值时,整定电流

反馈电压U加二10V

设计指标要求系统满足调速范围D=20静差率s<10%Jdb!=15/

N。Ider:1.11N。

试画出系统的静态结构框图，

并计算：

(1)转速反馈系数a。

(2)调节器放大系数K〃。

(3)电阻佝的数值。(放大器输入电阻Ro二20左Q)

(4)电阻/?2的数值和稳压管VS的击穿电压值。

解(1)转速负反馈系数a应该是

**

UnUn—=0.015

15

nnN1000

(2)先计算电动机的电动势系数

「220-94x0.15八・/

C=U7NVT==0.2059V-minzr

NRa1000

〃N

则开环系数额定速降为

(0.15+0.3)

Anop_INR-~205.4"min

~CE205

94x

An=<1000x0.1=5.56r/min

cl20*1-0.1)

川1-s)

闭环系统的开环放大系数应为

205.4

K=°P-1=-1=35.9

\nci5.56

运算放大器所需的

放大倍数

Kp二K=35.9=12.3

/0.015x40/

Ce0.2059

1-13在电压负反馈单闭环有静差调速系统中，当下列参数发生

变化时系统是否有调节作

用,为什么？

(1)放大器的放大系数Kp；

(2)供电电网电压；

(3)电枢电阻后;

(4)电动机励磁电流；

(5)电压反馈系数y。

答:在电压负反馈单闭环有静差调速系统中,当放大器的放大系数K〃

发生变化时系统有调

节作用再经过反馈控制作用，因为她们的变化最终会影响到转速减

小它们对稳态转速的影响。

电动机励磁电流、电枢电阻⑹发生变化时依然和开环系统一

样,因为电枢电阻处于反馈环外。

当供电电网电压发生变化时系统有调节作用。因为电网电压是系

统的给定反馈控制系统

完全服从给定。

当电压反馈系数y发生变化时,它不能得到反馈控制系统的抑制，

反而会增大被调量的

误差。反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的

扰动。

1-13有一个V—M系统，已知:电动机:PN=2.8WUN=220V；1N二

15.6A

nN=1500〃min,Ra=1.5Q，整流装置内阻曷"=1。，触发整流

环节的放大倍数

Ks二35。

(1)系统开环工作时，试计算调速范围D=30时的静差率s值。

(2)当D=30,s=10%,计算系统允许的稳态速降。

(3)如组成转速负反馈有静差调速系统，要求D=3O,s=10%，在

U木二10V时，

Id二1N，n』N,计算转速负反馈系数a和放大器放大系数。

(4)如将上述调速系统改为电压负反馈有静差调速系统,仍要

求U*二10V时,

Id二，N，n=nN并保持系统原来的开环放大系数K不变,

试求在D=30时静

差率。

解(1)系统开环工作时，

C=UN-/N=220-15.6x1.5=013ny.min/r

Rcl1500

〃N

则开环系数额定速降为

(1.5+1)

AnOp_INR-15.6=297.5r/min

x

一Ce0.1311

D\n30x297.5

贝I」s二----匕100%=xl00%=85.6%

〃N+DA〃N1500+30X297.5

(2)当D=30,s=10%,系统允许的稳态速降

△〃=nN_1500x=5.56〃/min

s0.1

NRLS)3041-0.1)

(3)当U*二时，二W，，则转速负反馈系数a

10Vn二nN应该是

**

一11nrt二11nTV一

10

0.007

n1500

〃闭环系统的开环放大系数应为

N4

△R297.5

K=°P-1=-1=52.51

\nci5.56

运算放大器所需的放大倍数

Kp=K=52.51=30.6

aKS/0.007x35/

Ce0.1311

(4)在电压负反馈有静差调速系统中,开环与闭环的速降是一

样的，

因此~^nop=297.5r/min

D\nxlOO%30xxl00%=85.6%

s----------N---

nN+二297.5

15OO+30x

297.5

1・15在题MO的系统中，若主电路电感L=50mH,系统运动部

分的飞轮惯量

GD2;L6M机2,整流装置采用三相零式电路，试判断按题1.

10要求设计的转速负

反馈系统能否稳定运行？如果保证系统稳定运行,允许的最大

开环放大系数K是多

少？解:计算系统中各环节

的时间常数：

L0.05

电磁时间T===0.0185s

常数

1R1.2+1.5

机电时间GD2二1.6X(L2+1.5)二0.065S

常数R375X0,I367X30X

第;375c0.1367

C兀

三相桥式整流电路,晶闸管装置的滞Ts=0.001675

后时间常数为

为保证系统稳定,开环放大系数应满足的稳定条件：

7(7+T)+0.065x(0.0185+0.00167)+0.001672

T2

K<"2Is=42.5

________J«-0.00167

T/T

因为23.1>28.75,因此该系统不能够稳定运行，

如果保证系统稳定运行,允许的最大开环放大系数K最大为

23.1.

1-16为什么用积分控制的调速系统是无静差的？在转速单闭环调速

系统中当积分调节器

的输入偏差电压AU二0时,调节器的输出电压是多少？它取决于那些

因素？答;在动态过程中,当△"〃变化时,只要其极性不变,积分调节

器的输出便一直噌长；

只有达到U*二U二。时。才停止上升不到变负夕不会

下降。当AU=0

时，Ue并不是零,而是一个终值;如果不再变化,这个终值便保

持恒定而不再变化，

这是积分控制的特点。因此，积分控制能够使系统在无静差的情况下

保持恒速运行，实现无

静差调速。比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状,而积

分调节器的输巴则包含了输入偏

差量的全部历史。虽然现在:0,但历史上有过AU〃，其积分就有一

定数值，足以产

生稳态运行时需要的控制电压Uco

1・"在无静差转速单闭环调速系统中转速的稳态精度是否还受给定

电源和测速发电机精

度的影响？并说明理由。答:系统的

精度依赖于给定和反馈检测的精

度。

因此转速的稳态精度还受给定电源和测速发电机精度的影响。

1-18采用比例积分调节器控制的电压负反馈调速系统稳态运行时

的速度是否有静差？为什么？试说明理由。

答:采用比例积分调节器控制的电压负反馈调速系统,稳态运行时

的速度是无静差的。电压负反馈实际是一个自动调压系统只有

被包围的电力电子装置内阻引起的稳态速降被减小到1/(1+K)它

的稳态性能比带同样放大器的转速负反馈系统要差。但基本控制

原理与转速负反馈类似。它与转速负反馈一样能够实现无静差

调节。

第二章转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方

法

2-1在转速、电流双闭环调速系统中，若要改变电动机的转速，应调

节什么参数？改变转速调节器的放大倍数K九行不行？改变电

力电子变换器的放大倍数小行不行？改变

转速反馈系数a行不行？若要改变电动机的堵转电流,应调节

系统中的什么参数？

答:双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时,各变

量之间有下列关系

U.-V-an-ftn

因此转速〃是由给定电压U*决定的;改变转速反馈系数也能够改

变电动机转速。改变转

速调节器的放大倍数和电力电子变换不能够。

器的放大倍数小

2-2转速、电流双闭环调速系统稳态运行时,两个调节器的输入偏

差电压和输出电压各是

多少？为什么？答:当两个调节器都不饱和

时,它们的输入偏差电压都是零

转速调节器ASR的输出限幅电压U*决定了电流给定电压的

最大值;电流调节器ACR

的输出限幅电压UCTT?限制了电力电子变换器的最人输出电压U

dm°

2-3如果转速、耳流双闭环调速系统中的转速调节器不是PI调节

器,而改为P调节器，对

系统的静、动态性能将会产生

什么影响？

答：改为P调节器时其输出量总是正比于输入量，PI调节器的输出

量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时,输入为零,输出

的稳态值与输入无关而是由它后面环节的需要决定的。

2-4试从下述五个方面来比较转速、电流双闭环调速系统和带电流

截止环节的转速单闭环调速系统：

(1)调速系统的静态特性；

(2)动态限流性能；

(3)起动的快速性；

(4)抗负载扰动的性能；

(5)抗电源电压波动的性能。答(1)转速、电流双闭环调速系统

在稳态工作点上,转速〃是由给定电压U*决定的。

ASR的输出量U*i是由负载电流/dL决定的。控制电压Uc的大小

则同时取决于〃和/d,或者说，同时取决于U〃和/dL。双闭环调速

系统的稳态参数计算是和无静差系统的稳态计算相似。

带电流截止环节的转速单闭环调速系统静态特性特点电流负反

馈的作用相当于在主电

路中串入一个大电阻KpKsRs,因而稳态速降极大,特性急剧下垂;

比较电压Ucom与给定电压Un*的作用一致，好象把理想空载转

速提高了。这样的两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性。

(2)

(3)双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点:饱和非线

性控制、转速超调、准时间最优控制。

(4)由动态结构图中能够看出，负载扰动作用在电流环之后,因此

只能靠转速调节器

ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时,应要求有较

好的抗扰性能指标,

(5)在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调

节作用受到多个环

节的延滞,因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。双

闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动能够经过电流反馈得到

比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来,抗扰性能

大有改进。

2-5在转速、电流双闭环调速系统中,两个调节器均采用PI调节

器。当系统带额定负载运

行时，转速反馈线突然断线，系统重新进入稳态后，电流调节器的输

入偏差电压AUj是否

为零？为什

么？

2・6在转速、电流双闭环调速系统中,转速给定信号U*未改变若

增大转速反馈系数a,

系统稳定后转速反馈电压U〃是增加还是减少？为什么？

2-7在转速、电流双闭环调速系统中，两个调节器ASR、ACR均采

用PI调节器。已知参

数：电动机:PN=3TW,UN=220V,I=204,几N=1000r/min,电枢

回路总电阻

R=1.5Q,设U*.二U*二U二8V,电枢回路最大电

流/二40A,电力电子变换器的

放大系数=40o试求：

(1)电流反馈系数。和转速反馈系数a;

(2)当电动机在最高速发生堵转时的U'、U*、U、U

值。

解(1)稳态时

因为/而2

m

P

因此加8=0.2V/A

二40

Idm

U*8=0.008V-min/r

a=nm100

"max0

(2)电动机在最高速发生堵转时n-0

Udo=5〃+/dR=40x1.5=60V

I)i二-。i呻二8V

Ui=8V

U二RO」。二15V

Ks40

2・8在转速、电流双闭环调速系统中,调节器ASR、ACR均采用PI

调节器。当ASR输出

达到p*二8V时主电路电流达到最大电流80A。当负载电流由40A

增加到70A时试问：

(1)U*应如何变化？

(2)Uc应如何变化？

(3)Uc值由哪些条件决定？

2-9在转速、电流双闭环调速系统中，电动机拖动恒转矩负载在额

定工作点正常运行,现因某种原因使电动机励磁电源电压突然下降

一半，系统工作情况将会如何变化？写出U*、

Uc、UdO、及n在系统重新进入稳定后的表示式。

2・10某反馈控制系统已校正成典型I型系统。已知时间常数T=0.1s,

要求阶跃响应超调量

o<10%o

(1)求系统的开环增益；

(2)计算过度过程时间为和上升时间左；

(3)给出开环对数幅频特性。如果要求上升时间/<0.25s,贝!JK=?,

。二？

2-11有一个系统,其控制对象的传递函数为叱—⑸二K1二

10

,要求设计一

个

objis+10.01s+1

无静差系统,在阶跃输入下系统超调量。＜5%（按线性系统考虑》试

对该系统进行动态

校正,决定调节器结构,并选择其参数。

2・12有一个闭环系统，其控制对象的传统$）二治二10，要求

函数为心勿5（仆+1）s（°g+

1）

校正为典型II型系统，在阶跃输入下系统超调量。S30%（按线性系统

考虑》试决定调节

器结构，并选择其参数。

2.13调节对象的传递函⑸=18，要求用调节器分别将

兴…（0.255+1）（0.0055

数为以勿苴校

+1）'

正为典型I型和II型系统,求调节器的结构与参数。

2・14在一个由三相零式晶闸管整流装置供电的转速、电流双闭环调

速系统中，已知电动机

的额定数据为：6V二60攵W,UN-220V,//v=308A,〃N-WOOr/

min,电动势系数

Ce=0.196V«min”，主回路总电阻R=0.18Q,触发整流环节的放大

倍数K$二35。电

磁时间常数〃二0.012s机电时间常数二0.12s电流反馈滤波时间

常数二0.0025s,

转速反馈滤波时间常数〃〃二0.015s。额定转([/*)二10V调节

速时的给定中压器ASR、

ACR饱和输出电压U*二8V,U=6.5V。

系统的静、动态指标为:稳态无静差,调速范围D=10,电流超调

量45%,空载起

动到额定转速时的转速超调量＜10%0试求：

(1)确定电流反馈系数B(假设起动电流限制在339A以内)和转

速反馈系数a；

(2)试设计电流调节器ACR,计算其参数&、@、Coi.画出

其电路图,调节器输

入回路电阻R0二40k。；

(3)设计转速调节器ASR,计算其参数即、金、Cono(/?0=

4om)

(4)计算电动机带40%额定负载起动到最低转速时的转速超调量

a/?°

(5)计算空栽起动到额定转速的时间。

解：1.电流反馈系数0和转速反馈系数a分别为

U*二8二0.0236V/A

P=加339

1dm

U*_10=0.01V-min/r

a=nm100

“max0

2.(1)确定时间常数

①整流装置滞后时间常数Ts.按表1-2,三相零式电路的平均失控时间

Ts-O.OO33s.

②电流滤波时间常数Toi.三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms,

为了基本滤平波头，应有(1-2)Toi=3.33ms,因此取

Toi=2.5ms=0.0025s.

③电流环小时间常数.按小时间常数近似Ty=TS^Toi=0.00585

之和T处理，取

刀

(2)选择电流调节器结构

根据设计要求⑴<5%,并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设

计电流调节器,电流

环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数见

式(2-57).

T

0.012

检查对电源电压的抗_L二二2.07渗照表2.3的典型I型系统动态

扰性能：

T0.0058s

抗扰性能，各项指标都是能

够接受的.

(3)计算电流调节器参数

电流调节器超前时T/=TI=0.012S.

间常数：

电流环开环增益：要＜5%时，按表2-2,应取二0.5,因此

KT

求标

Ki=0.5_0.5=86$T

T0.0058

TJs

KiR86x0,012x0.18

于是,ACR的比例K=_l—L_==0.225

系数为：

Ks35x0.0236

(4)校验近似

条件B

电流环截止频二K二86$T

率：3_

ciI

①晶闸管整流装置传递函数的近似条件

1二1=lOls1>co

满足近似3T3x

条件§

本50.0033s

②忽略反电动势变化对对电流环动态影响的条件

31=3x____1____=79.06A_1<CD

JTV0.12sx-

满足近似vhn

条件Tf0.0⑵

③电流环小时间常数近似处理条件

-1

>0)

满足近似

30.0033sx0.00255ci

(5)计算调节器电阻电容

由图2-25,按所用运算放大器=40k。，各电阻和电容

取Ro值为

Ri=KiRQ=0.225x4Om=%Q

C二五二°・012/二i33xio—6月二13311a取］33以产

m9xl03

=4X0,00256

Coi一=F=0.25x10-F=0.25gF,取0.2|iF

4TUoIiQ

40xl0J

R

0

按照上述参数，电流环能够达到的动态跟随性能指标为oi=4.3%<5

%(见表2-2),满足设计

要求.

3.(1)确定时间常数

J_=2T=2x0.00585=0.01165

①电流环等效时间常数1/K/.品取K"”

i=0.5,

K

I

②转速滤波时间常数〃〃.根据所用测速发电机纹波情况,取〃〃

=0.01s.

③转速环小时间常2〃

数T

.按小时间常数近似处理，取

T--+

=0.0116s+0.015s=0.0Tns+l)

Z七屯2266s

n

(2选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，S)=Tns

其传递函数卬44

(3)计算转速调节器参数按跟随和抗扰鞋能都较后的原则，取h=3,则

ASR的超前时间常数

为工=3x0.0266s=0.0798s

=hT〃

z

42

由式(2-75)可得转速环开KN上L=-2=3i4,ir

环增益：:2庐722)：32x

2

0.02662

n

于是，由式(2-76)可得ASP的比例系数为:

4x0.0236x0.196x=7.73

A.---------------------------------------------------------

CeTm二0.12

2x3x0.01x0.18x

"2/?aRT

0.0266

日

(4)检验近似条件3c,二版二叱二3141XO.O798ST二25.小

由式(2.33)得转速环截止〃3〃

频率为：1

①电流环传递函数简化

条件为：

1K=Ix86「二

，满足简化条件.

/_.406$T>CO

3VT3%.0058cn

②转速环小时间常数近似处理条件为：

1幽386s-l="

■v，满足近似条件.

14572sT>3

33"(MHcn

To

n

(5)计算调节器电阻=40kQ,则

和电容

根据图2-27,取Ro

R/i二K〃Ro=7.73x40攵。二309.2攵。,取310攵。

C二5.二F=0.257x10~6F=0.257gF,W.257|iF

D0.0798

310

xlO3

C；—=4x0-015F=1.5x10-6F=1.5pF,IX1.5|iF

&

n40x1(?

R

0

(6)校核转速超=52.6%,不能满足设计要求.实际上,由于表2-6

调量是按线性系统

当h=3时，由表2-6

查得，

计算的，而突加阶跃给定时,ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该

按ASR退饱和的情况重新计算超调量。

(7)由表2-7查得，由〃二3得，/二72.2%

△Qnax

Cb

九A二/〃UzL-3——39=iJ.i]

308x0.18

IN308

T

o二2K"则)AnZ九二2x72.2%xl.lx_Qd^_x()6266=9.96%

(X<10%

ncr10000.12

bm

4.如果只起动

5.空载起动到额定转速的时间

III

，〜L*I6L7.73X0.0266=0.3865

r~一、二x

2hInn-x40--------

T

2I人+Ju-0/I4I8-0.0236x308

Kr

*1111

\1imdL-

2・15有一转速、电流双闭环调速系统主电路采用三相桥式整流电

路。已知电动机参数为：

PN二555八匕UN=750匕/N=76(M/N:375/7min,电动势系数=

1.82V-min//,电呕回路总电阻R-0.14C,允许电流过载倍数九二

L5,触发整流环节的放大倍数

Ks二75。电磁时间常数7)=0.037,机电时间常数加二0.1⑵，电流

反馈滤波时间常数

Toi=,转速反馈滤波时间常数为〃。设调节器输入输出

0.002s二o.O2s电压

U*.二U*…二U=10V,调节器输入电阻R二40攵Q。

设计指标:稳态无静差,电流超调量皿・S5%,空载起动到额定转

速时的转速超调量

。几＜10%o电流调节器已按典型I型系统设计，并取参数KT=0.5。

(1)选择转速谪节器结构，并计算其参数；

(2)计算电流环的截止频率①日和转速环的截止频率①的，并考虑

它们是否合理。

2・16在一个转速、电流双闭环V—M系统中，转速调节器ASR,电流

调节器ACR均采用

PI调节器。

(1)在此系统牛，当转速给定信号最大值U*二15V时,〃二〃=

1500r/min;电

流给定信号最大值U*二10V时,允许最大电流/二30A,电枢回路

总电阻火二2Q,品

闸管装置的放大倍数Ks=30

,电动机额定电流，N二，电动势系数

20A

C=O.128V-min/r现系统在U*=5V,/=20A时稳定运行。求此时的稳

态转速n=?

ACR的输出电压=?

(2当系统在上述情况下运行时电动机突然失磁①二0系统将会发

生什么现象？

试分析并说明。若系统能够稳定下来,则稳定后二?1d二？W二？

n=?U=?{/*

(3)该系统转速环按典型H型系统设计,且按Mmin准则选择参

数，取中频宽h=5,

己知转速环小时间常数T二0.055，求转速环在跟随给定作用下的开

环传递函数,并计算

出放大系数及各时间常数。

(4)该系统由空载(/也;0)突加额定负鼓时，电流口和转速n的动态过

程波形是

怎样的？已知机电时间常数加二0.05s,计算其最大动态速降A“max

和恢复时间Wo

2・17有一转速、电流双闭环控制的H性形双极式PWM直流调速系统,

已知电动机参数为：

弧二200郴,UN=48匕=3.7A,〃N二200」min,电枢电阻％=6.5Q,

电枢回路总电阻R二8Q,允许电流过载倍数九二2,电势系数金二

0.12V-min/人电磁时间常数

Ti=0.015s,机电时间常数加二0.2s,电流反馈滤波时间常数出;

0.001s,转速反馈

滤波时间常数丁…---=0.0055o设调

节器输入输出电压U*:U*=U=10V,调节器输

入

电阻R0二40ZQ。已计算出晶体管D202的开关频率f=lkHz,

PWM环节的放大倍数

Ks=4.8。

试对该系统进行动态参数设计，设计指标:稳态无静差，电流超调

量。i35%;空载起

动到额定转速时的转速超调量。〃S20%;过载过程时间大＜O.Lv0

第3章直流调速系统的数字控制

3-1直流电机额定转速〃N二375尸/min,电枢电流额定值为QN=760

4,允许过流倍数

入二1.5,计算机内部定点数占一个字的位置（16位）试确定数字控制

系统的转速反馈存

储系数和电流反馈存储系数,适当考虑余量。

解:定点数长度为1个字（16位）但最高位须用作符号位，只有15位

可表示量值,故最大存储值Dmax=215」。电枢电流最大允许值

为1.5IN,考虑到调节过程中瞬时值可能超过此值，故取

Imax=1.8lNo因此,电枢电流存储系数为

-1

015==23.95/1

3276

邳=8

1.8//V1.8x760

额定转速nN=375r/min,取nmax=L3nN,则转速存储系数为

215-132768

-min/r-67.21min/r

1.3〃N375

==

对上述运算结果取c二234-1,67min/ro

整得KK

3-2旋转编码器光栅数为1024,倍频系数为4,高频时钟脉冲频率为二

lM"z,旋转编码

器输出的脉冲个数和高频时钟脉冲个数均采用16位计数器M法和T

法测速时间均为0.01s,

求转速n=1500r/min和n=l50r/min时的测速分辩率和误差率最大值。

解:电动机每转一圈共产生Z=4x2048=4096个脉冲。

（DM法测速

）_

测速分辨率上-—60

60

6Q1Z"ZTC

ZTc“I

60r/

4096x0.01min二

L46r

/min

电动机的转速为*60"1

ZT

C

当n=1500r/min时，ZT(jn4096x=1024

M\==0.01x1500

60^0

测速误差率最8=1xlOO%」x100%n0.098%

大值

当n=150r/min时，M1024-102

%=工4096x

ZTcn0.01x150

=6(r

60-

测速误差率最8=1x100%二1x100%-0.98%

大值

M\102

(2)T法测

速

当n=1500r/min时,为

ZM

2

测速分4096X15002

剪辨率60/

Zn

60/

2

0_0_0--------------r/ininh171/7min

IM-1)ZMZKM-1)60/-Z/160x106-4096x1500

22220

60/60xl06

M=-0_=-----------3取整数)

2Z"/l4096x1500

测速误差率最8=1xl00%=1xl00%-12.5%

大值maxM-19-1

当n=150r/min

时，

22

$则速分辨率Q____4096_____/7min-1.55r/min

Zn=xl50

607b-60X106-40双450

Zn

60760xl06

M=-0=----------x可取整数)

274096x150

Z/2

测速误差率最8=—!—X1OO%=1xl00%-1.04%

大值mdXM-I97-1

3-3将习题2-14设计的模拟电流调节器进行数字化，采样周期不〃〃

0.5ms，调节器输出

限幅及积分限幅均为±。〃2,写出位置式和增量式数字PI调节器的表示

式，并用已掌握的汇

编语言设计实时控制程序。

3-4根据习题2-15电流调节器的设计结果（电流调节器按典型I型系

统设计,KT=0.5）

按离散系统设计方法设计转速调节器要求转速无静差。已知电动机额

定功率PN=555MV,额定电压UN二750V,额定电枢电流/N=760A,

额定转速〃N二375”min,电动势系数

ce=1.82V-min〃，电枢回路总电阻R=0.14Q,允许过载倍数为二

1.5,机电时间常数

7m=0.112s,转速滤波时间常数七〃二0.02s,电流反馈存，转速反

储系数Kp=23A馈

存储系数K。二67min/r,转速调节器采样时间二0.01s,电流

环小惯性时间常数

T=T+T=0.0017s+0.002s=0.0037s

刀

第4章可逆直流调速系统和位置随动系统

4-1晶闸管■电动机系统需要快速回馈制动时，为什么

必须采用可逆线路？

答：当电动机需要回馈制动时，由于反电动势的极性未变，要回馈电

能必须产生反向电流，而反向电流是不可能经过VF流通的，这时，能

够经过控制电路切换到反组晶闸管装置VR,并使它工作在逆变状态,

产生逆变电压,电机输出电能实现回馈制动。

4-2试画出采用单组晶闸管装置供电的V-M系统在整流和逆变状态

下的机械特性并分析这种机械特性适合于何种性质的负载。

解；机械特性图

如下：

n提升

4-3解释待逆变、正组逆变和反组逆变，并说明这三种状态各出现

在何种场合下。

答:待逆变正组逆变电枢端电压为负，电枢电流为正,电动机逆向运

转，回馈发电，机械特性

在第四象限。反组逆变电枢端电压为正，电枢电流为负,电动机

正向运转，回馈发电，机械特性

在第二象限。

4-4分析配合控制的有环流可逆系统反向起动和制动的过程。画出

各参变量的动态波形，并说明在每个阶段中ASR和ACR各起什么

作用,VF和VR各处于什么状态。解:控制电路采用典型的转速、

电流双闭环系统,其中：

转速调节器ASR控制转速,设置双向输出限幅电路,以限制最

大起制动电流；

电流调节器ACR控制电流，设置双向输出限幅电路，以限制最

小控制角a