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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，运行时会产生火化和带有机械换向装置，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。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数）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比，数学模型较为简单、准确，控制
2、系统在理论上和实践上都比较成熟、经典较成熟、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 直流直流调调速系速系统统的的类类型型 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。辅助调速方法辅助调速方法 2直流调速系
3、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)3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
4、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 a）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系系统统 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
5、性机械特性2.1.3 V-M系系统统 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：功率因数低、对电网谐波污染 V-M系系统统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 直流脉直流脉宽调宽调制（制（PWM）系系统统 a）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 l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
6、限工作象限l优缺点优缺点a)单管单管电路电路 b)双双管电路管电路 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2.2 V-M系统的机械特性系统的机械特性 2.2.1 电电流流连续时连续时的机械特性的机械特性 1可控整流装置的输出电压可控整流装置的输出电压 mUmUd0m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2电压平衡方程式电压平衡方程式 等效电路等效电路 3V-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
7、式为：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：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 电电流断流断续时续时的机械特性的机械特性 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：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 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
8、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：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2.3 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l 系系统统的最的最终终控制控制对对象是象是电动电动机机转轴转轴上的上的转转速速n。该电该电力拖力拖动动系系统统是是一个开一个开环环控制的控制的调调速系速系统统。1系统原理图系统原理图l “”符号的含意符号的含意 l 同步移相触同步移相触发电发电路路 G
9、T 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 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 。1)求求 与与 的关系的关系l 对同步移相信号为正弦波（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 2)求求 与与 n 的关系的关系稳态结构图
10、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）2.3.2 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D(2)(2)静差率静差率S S 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
11、 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 开环开环V-MV-M系统的机械特性系统的机械特性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：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调速范围调速范围
12、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，若对静差率要求越一定时，若对静差率要求越高（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：
13、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：4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。转速波动大、调速范围小。远远不能满足生产实际的要求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
14、静特性调速系统及静特性2.4.1 有静差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系统比，系统比，增加了速度闭环增加了速度闭环控制环节：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
15、、微分D等）的单元等）的单元 2稳态结构图稳态结构图 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：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静特性方程：静特性方程：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
16、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）：）：空载转速空载转速n0 n0、负载、负载IaIa 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 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
17、系统静特性的比较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 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。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(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。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：引起电机转速变化的因素：1 1）负载变化）负
18、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，但是对于转速给定环节及转速检测环节本身的
19、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 u 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
20、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电路图电路图阶跃响阶跃响应应传递传递函数函数比例积分（比例积分（PI）电路图电路图 阶跃响应阶跃响应 传递函数传递函数 l 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
21、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，当作一个环节来看待合并，当作一个环节来看待 输输入量入量Uct 输输出量出量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 触触发发装置两个触装置两个触发发脉冲的脉冲的间间隔隔时间时间是是1/(mf)秒，秒，m脉波脉波 数，数，f电源频率。电源频率。l 设设滞后的滞后的时间时间是是Ts 秒，秒，则则Ts是一个从是一个从0至至1/(mf)之之间间的一个随机的一个随机值值。原因原因是是，取其统计平均值，有：取其统计平均值
22、，有：电电 路路 形形 式式单相半波单相半波单相桥式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/ms1053.331.67l 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a）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 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
23、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：整理得：整理得：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：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：输入量：理想空载电压理想空载电压U Udodo （控制输入量）（控制输入量），
24、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）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a)a)变换后的形式变换后的形式b)b)I IaLaL =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
25、将带来许多方便。析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：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
26、动态结构图：2.5.3 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：l 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：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
27、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
28、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
29、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 ASRASR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 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导得到有静差系统有静差系统
30、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 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，可将动态结构 图改画成右图图改画成右图C C 根据结构图等效变换原理，得根据结构图等效变换原理，得整理得整理得 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 2调节过程调
31、节过程以突加负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，PIPI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，继
32、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统中起的作用
33、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 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)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
34、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 3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电隔离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 当时，有2.7 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
35、1系统构成系统构成 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2.7.2 2.7.2 稳态结构图及静特性稳态结构图及静特性 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
36、。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节是转速调节器饱和而产生的限制工作点器饱和而产生的限制工作点向右的界线向右的界线 ACR饱和饱和ACR不饱和不饱和ASR饱和饱和ASR不饱和不饱和1稳态结构图稳态结构图 2.7.3 2.7.3 动态结构图及动
37、态性能动态结构图及动态性能 WASR(s)、WACR(s)分别表示分别表示ASR、ACR的传递函数的传递函数 两个调节器都采用常用的两个调节器都采用常用的PIPI调节器时，有调节器时，有 为了引出电流反馈，电动机的动态结构图中必须把电枢电流为了引出电流反馈，电动机的动态结构图中必须把电枢电流I Ia a显露出来显露出来1动态结构图动态结构图 2起动过程分析起动过程分析 双闭环调速系统起动时的转速和电流波形双闭环调速系统起动时的转速和电流波形 第一阶段：电流上升阶段第一阶段：电流上升阶段 第二阶段：恒电流升速阶段第二阶段：恒电流升速阶段 第三阶段：转速调节阶段第三阶段：转速调节阶段ASR 由不饱
38、和很快达到饱和由不饱和很快达到饱和ACR ACR 一般应该不饱和一般应该不饱和 ASR ASR 一直饱和一直饱和,输出输出 UimUim*ACR ACR 不饱和不饱和,IaIaIamIam 转转速呈速呈线线性增性增长长 电流电流IaIa迅速上升迅速上升 转速必然超调转速必然超调 ASR 负的偏差电压使它退出饱和状态负的偏差电压使它退出饱和状态 ACR 不饱和不饱和 3动态性能动态性能 动态性能：动态性能：指的是在电动机运行条件突变时，从一种运行状态到另一种运行状指的是在电动机运行条件突变时，从一种运行状态到另一种运行状态的过渡过程进行的情况。态的过渡过程进行的情况。动态性能动态性能通常以其在单
39、位阶跃输入或扰动信号作用下的动态响应曲线表通常以其在单位阶跃输入或扰动信号作用下的动态响应曲线表征之，可分为征之，可分为跟随性能跟随性能及及抗扰动性能抗扰动性能两种。一般来说，调速系统的要求以抗两种。一般来说，调速系统的要求以抗扰性能为主，随动系统的要求以跟随性能为主。扰性能为主，随动系统的要求以跟随性能为主。（1 1）给定阶跃输入时的）给定阶跃输入时的跟随性能指标跟随性能指标 上升时间上升时间t tr r 输出量从零输出量从零起到第一次达到稳态值所需的起到第一次达到稳态值所需的时间时间 超调量超调量(%)(%)输出量超出输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示之比，用百分数表示 调节时间调节时间t tS S 响应曲线到响应曲线到达并不再超出允许误差带所需达并不再超出允许误差带所需的最短时间，允许误差带的最短时间，允许误差带=（15%15%或或2%2%）稳态值。稳态值。（2 2）负载扰动时的）负载扰动时的抗扰性能指标抗扰性能指标 动态降落动态降落CCmaxmax%最最大动态降落大动态降落CCmaxmax与原稳态与原稳态值值C C11之比，用百分数表示之比，用百分数表示恢复时间恢复时间从阶跃扰动从阶跃扰动开始，到响应曲线到达并开始，到响应曲线到达并不再超出允许误差带所需不再超出允许误差带所需的最短时间的最短时间