2.3.1转速反馈控制直流调速系统的静特性[27页]
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转速反馈控制直流调速系统
图2-18 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图
3
稳态分析
下面分析闭环调速系统的稳态特性，以确定它如何能 够减少转速降落。为了突出主要矛盾，先作如下的 假定：
1）忽略各种非线性因素，假定系统中 各环节的输入输出关系都是线性的， 或者只取其线性工作段。 2）忽略控制电源和电位器的内阻。
4
稳态分析( Fig2-18)
2.3 转速反馈控制的直流调速系统
2.3.1 ~数学模型 2.3.2 比例控制的直流调速系统 2.3.3 比例积分控制的无静差直流调速系统 2.3.4 直流调速系统的稳态误差分析
1
闭环系统应该以什么量作为反馈量？ ➢ 系统组成，调节原理 ➢ 稳态分析(静特性) ➢ 闭环系统的稳态结构框图
2
系统组成，调节原理
（3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提 高调速范围。
如果电动机的最高转速都是nN，而对最低速
静差率的要求相同，那么：
开环时， 闭环时，
Dop
nNl(1s)
再考虑式（2-49），得
Dcl(1K)Dop
(2-50)
22
要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。
转速负反馈系统中各环节的稳态关系如下：
电压比较环节 放大器 电力电子变换器
调速系统开环机械特性 测速反馈环节
Un Un*Un
Uc KpUn
Ud0 KsUc
n Ud0 IdR Ce
Un n
以上各关系式中
Kp— 放大器的电压放大系数； Ks— UPE的电压放大系数；
— 转速反馈系数（V·min/r）；R— 电枢回路总电阻；
从静特性分析中可以看出，由于采用了比例放大
器，闭环系统的开环放大系数K值越大，系统的
3
稳态分析
下面分析闭环调速系统的稳态特性，以确定它如何能 够减少转速降落。为了突出主要矛盾，先作如下的 假定：
1）忽略各种非线性因素，假定系统中 各环节的输入输出关系都是线性的， 或者只取其线性工作段。 2）忽略控制电源和电位器的内阻。
4
稳态分析( Fig2-18)
2.3 转速反馈控制的直流调速系统
2.3.1 ~数学模型 2.3.2 比例控制的直流调速系统 2.3.3 比例积分控制的无静差直流调速系统 2.3.4 直流调速系统的稳态误差分析
1
闭环系统应该以什么量作为反馈量？ ➢ 系统组成，调节原理 ➢ 稳态分析(静特性) ➢ 闭环系统的稳态结构框图
2
系统组成，调节原理
（3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提 高调速范围。
如果电动机的最高转速都是nN，而对最低速
静差率的要求相同，那么：
开环时， 闭环时，
Dop
nNl(1s)
再考虑式（2-49），得
Dcl(1K)Dop
(2-50)
22
要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。
转速负反馈系统中各环节的稳态关系如下：
电压比较环节 放大器 电力电子变换器
调速系统开环机械特性 测速反馈环节
Un Un*Un
Uc KpUn
Ud0 KsUc
n Ud0 IdR Ce
Un n
以上各关系式中
Kp— 放大器的电压放大系数； Ks— UPE的电压放大系数；
— 转速反馈系数（V·min/r）；R— 电枢回路总电阻；
从静特性分析中可以看出，由于采用了比例放大
器，闭环系统的开环放大系数K值越大，系统的
(完整版)转速负反馈单闭环直流调速系统.
例2.2 对于例2.1所示的开环系统，采用转 速负反馈构成单闭环系统，且已知晶闸管
整流器与触发装置的电压放大系数 Ks = 30，
= 0.015V·min/r，为了满足给定的要求，
计算放大器的电压放大系数KP 。
IdR
U*n +
_
∆Unn
Uct Kp
Ud0 + _ E Kss
1/Ce
n
Un
解：在例2.1中已经求得
IdR
U*n +
_
∆Unn
Uct Kp
Ks
Ud0 + _ E
1/Ce
n
Un
n
开环机械特性
闭环静特性
B
C
A
A’
D
Ud4 Ud3 Ud2 Ud1
O
Id1
Id2
Id3
Id4
Id
图2.19 闭环系统静特性和开环机械特性的关系
由此看来，闭环系统能够减少稳态速 降的实质在于它的自动调节作用，在于它 能随着负载的变化而相应地改变电枢电压， 以补偿电枢回路电阻压降。
运动控制系统
第2 章
直流调速系统
2.3 转速负反馈单闭环直流调速系统
2.3.1 单闭环调速系统的组成及静特性 2.3.2 单闭环调速系统的动态分析 2.3.3 无静差调速系统的积分控制规律 2.3.4 单闭环调速系统的限流保护
2.3.1 单闭环调速系统的组网 功率驱动装置 电动机
3. 开环系统机械特性 和闭环系统静特性的关系
比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静 特性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。如
果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为
n Ud0 IdR Ce
电力拖动自动控制系统-运动控制系统(_阮毅_陈伯时)课后思考题答案 (2)
注意：这一段是程序题答案
int i,j;
for(i=0;p1[i];i++); for(j=0;p2[j];j++) p1[i++]=p2[j];
p1[i]='\0'; 注意：这三个是填空题 答案
if(t%2==0) x=10*x+t; n=n/10;
注意这两个是改成题答案 *t = 0; if (d%2 != 0) 2. 请编写函数fun,其功能是:计算并输出当x<0.97时下列多项式的值, 直到｜Sn-S(n-1)｜<0.000001为止。Sn=1+0.5x+0.5(0.51)/2!x(2)+...+ 0.5(0.5-1)(0.5-2) .....(0.5-n+1)/n!x(n) 输入0.21后,则输出为s=1.100000。 double s1=1.0,p=1.0,sum=0.0,s0,t=1.0; int n=1; do {s0=s1; sum+=s0; t*=n; p*=(0.5-n+1)*x; s1=p/t;n++;}while(fabs(s1-s0)>1e-6); return sum; t = x; t *= (-1.0)*x/n; while (fabs(t) >= 1e-6);
一、可以作为填空题或简答题的 2-1 简述直流电动机的调速方法。 答：直流调速系统常以（调压调 速）为主，必要时辅以（弱磁调速） ，以（扩大调速范围） ， 实现 （额定转速以上调速） 。
2-2 直流调压调速主要方案有（G-M 调速系统，V-M 调速系统，直流 PWM 调速系统） 。 2-3 V-M 调速系统的电流脉动和断续是如何形成的？如何抑制电流脉 动？ 11-12 答：整流器输出电压大于反电动势时，电感储能，电流上升，整 流器输出电压小于反电动势 时，电感放能，电流下降。整流器输出电 压为脉动电压，时而大于反电动势时而小于，从而导 致了电流脉动。 当电感较小或电动机轻载时，电流上升阶段电感储能不够大，从而导致 当电流下降时， 电感已放能完毕、电流已衰减至零，而下一个相却尚 未触发，于是形成电流断续。 2-4 看 P14 图简述 V-M 调速系统的最大失控时间。 14 答：t1 时刻某一对晶闸管被触发导通，触发延迟角为α1，在 t2>t1 时刻，控制电压发生变 化，但此时晶闸管已导通，故控制电压 的变化对它已不起作用，只有等到下一个自然换向点 t3 时刻到来时， 控制电压才能将正在承受正电压的另一对晶闸管在触发延迟角α2 后导 通。t3-t2 即为失控时间，最大失控时间即为考虑 t2=t1 时的失控时 间。 2-5 简述 V-M 调速系统存在的问题。16 答：整流器晶闸管的单 向导电性导致的电动机的不可逆行性。 整流器晶闸管对过电压过电流 的敏感性导致的电动机的运行不可靠性。 整流器晶闸管基于对其门极 的移相触发控制的可控性导致的低功率因数性。 2-6 简述不可逆 PWM 变换器 （无制动电流通路与有制动电流通路） 各个工作状态下的导通 器件和 电流通路。17-18 2-7 调速时一般以电动机的（额定转速）作 为最高转速。 2-8 （调速范围）和（静差率）合称调速系统的（稳态 性能指标） 。 2-8 一个调速系统的调速范围，是指（在最低转速时还 能满足所需静差率的转速可调范围） 。 2-9 简述转速反馈控制的直流 调速系统的静特性本质。 答：在闭环系统中，每增加（或减少）一点 负载，就相应地提高（或降低）一点电枢电压， 使电动机在新的机械 特性下工作。因此闭环系统的静特性本质上就是无数开环机械特性上各 取 一个相应的工作点连接而成的。 2-10 简述比例反馈控制的规律。 答：比例控制的反馈控制系统是（被调量有静差）的控制系统； 反馈 控制系统的作用是（抵抗前向通道的扰动，服从给定） ； 反馈1.编写 一个函数fun,它的功能是:实现两个字符串的连接(不使用库函数 strcat),即把p2所指的字符串连接到p1所指的字符串后。 实现两个字符串连接
int i,j;
for(i=0;p1[i];i++); for(j=0;p2[j];j++) p1[i++]=p2[j];
p1[i]='\0'; 注意：这三个是填空题 答案
if(t%2==0) x=10*x+t; n=n/10;
注意这两个是改成题答案 *t = 0; if (d%2 != 0) 2. 请编写函数fun,其功能是:计算并输出当x<0.97时下列多项式的值, 直到｜Sn-S(n-1)｜<0.000001为止。Sn=1+0.5x+0.5(0.51)/2!x(2)+...+ 0.5(0.5-1)(0.5-2) .....(0.5-n+1)/n!x(n) 输入0.21后,则输出为s=1.100000。 double s1=1.0,p=1.0,sum=0.0,s0,t=1.0; int n=1; do {s0=s1; sum+=s0; t*=n; p*=(0.5-n+1)*x; s1=p/t;n++;}while(fabs(s1-s0)>1e-6); return sum; t = x; t *= (-1.0)*x/n; while (fabs(t) >= 1e-6);
一、可以作为填空题或简答题的 2-1 简述直流电动机的调速方法。 答：直流调速系统常以（调压调 速）为主，必要时辅以（弱磁调速） ，以（扩大调速范围） ， 实现 （额定转速以上调速） 。
2-2 直流调压调速主要方案有（G-M 调速系统，V-M 调速系统，直流 PWM 调速系统） 。 2-3 V-M 调速系统的电流脉动和断续是如何形成的？如何抑制电流脉 动？ 11-12 答：整流器输出电压大于反电动势时，电感储能，电流上升，整 流器输出电压小于反电动势 时，电感放能，电流下降。整流器输出电 压为脉动电压，时而大于反电动势时而小于，从而导 致了电流脉动。 当电感较小或电动机轻载时，电流上升阶段电感储能不够大，从而导致 当电流下降时， 电感已放能完毕、电流已衰减至零，而下一个相却尚 未触发，于是形成电流断续。 2-4 看 P14 图简述 V-M 调速系统的最大失控时间。 14 答：t1 时刻某一对晶闸管被触发导通，触发延迟角为α1，在 t2>t1 时刻，控制电压发生变 化，但此时晶闸管已导通，故控制电压 的变化对它已不起作用，只有等到下一个自然换向点 t3 时刻到来时， 控制电压才能将正在承受正电压的另一对晶闸管在触发延迟角α2 后导 通。t3-t2 即为失控时间，最大失控时间即为考虑 t2=t1 时的失控时 间。 2-5 简述 V-M 调速系统存在的问题。16 答：整流器晶闸管的单 向导电性导致的电动机的不可逆行性。 整流器晶闸管对过电压过电流 的敏感性导致的电动机的运行不可靠性。 整流器晶闸管基于对其门极 的移相触发控制的可控性导致的低功率因数性。 2-6 简述不可逆 PWM 变换器 （无制动电流通路与有制动电流通路） 各个工作状态下的导通 器件和 电流通路。17-18 2-7 调速时一般以电动机的（额定转速）作 为最高转速。 2-8 （调速范围）和（静差率）合称调速系统的（稳态 性能指标） 。 2-8 一个调速系统的调速范围，是指（在最低转速时还 能满足所需静差率的转速可调范围） 。 2-9 简述转速反馈控制的直流 调速系统的静特性本质。 答：在闭环系统中，每增加（或减少）一点 负载，就相应地提高（或降低）一点电枢电压， 使电动机在新的机械 特性下工作。因此闭环系统的静特性本质上就是无数开环机械特性上各 取 一个相应的工作点连接而成的。 2-10 简述比例反馈控制的规律。 答：比例控制的反馈控制系统是（被调量有静差）的控制系统； 反馈 控制系统的作用是（抵抗前向通道的扰动，服从给定） ； 反馈1.编写 一个函数fun,它的功能是:实现两个字符串的连接(不使用库函数 strcat),即把p2所指的字符串连接到p1所指的字符串后。 实现两个字符串连接
第2章 2.3转速反馈
建立系统动态数学模型的基本步骤如下： （1）列出描述该环节动态过程的微分方程； （2）求出各环节的传递函数； （3）组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数。
（1）UPE环节的传递函数
Ks Ws ( s) 1 Ts s
（2） 直流电动机的传递函数
※主电路电流连续，则动态电压 方程为 电路方程
稳态关系
Kp—放大器的电压放大系数； 电压比较环节 Ks—电力电子变换器的电压 放大系数；
U n U U n
* n
放大器
U c Kp U n
U d0 KsUc
U d0 Id R n Ce
— 转 速 反 馈 系 数 （V· min/r）；
Ud0—UPE 的 理 想 空 载 输 出 电压； R—电枢回路总电阻。
I dL
TL 为负载电流。 Cm
传递函数
取等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间的传递函数
1 I d (s) R U d 0 ( s ) E ( s ) Tl s 1
电流与电动势间的传递函数
E ( s) R I d (s) I dL (s) Tm s
电枢回路动态结构图
控制输入量 IdL (s) Ud0(s) + E(s) 1/R Tl s+1 Id (s) +
因特征方程中各项系数显然都是大于零的，因此稳定条件就只有
Tm (Tl Ts ) Tபைடு நூலகம் Ts TmTlTs 0 1 K 1 K 1 K
整理后得
常用,理解记忆!!
Tm (Tl Ts ) T K TlTs
2 s
eg5
2.3.3 比例积分控制的无静差直流调速系统
22稳态调速性能指标及直流调速系统的机械特性
开环系统的静差率为 sop 当 n0op n0cl 时，
nop n0op
scl
sop 1 K
（2-49）
（3）如果所要求的静差率一定，则 闭环系统可以大大提高调速范围
如果电动机的最高转速都是nN，最低速静 差率都是s，可得 nN s 开环时， Dop nop (1 s)
假定主电路电流连续，动态电压方程为 dI U d 0 RI d L d E (2-34) dt 忽略粘性摩擦及弹性转矩，电动机轴上的动力学方程为
GD 2 dn Te TL 375 dt
(2-35)
额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为
E Ce n
Te Cm I d
1 I d (s) R U d 0 ( s ) E ( s ) T1 s 1
(2-40)
电流与电动势间的传递函数
E ( s) R I d ( s) I dL ( s) Tm s
(2-41)
图2-21 额定励磁下直流电动机 的动态结构框图
(a)电压电流间的结构框图 (b)电流电动势间的结构框图 (c）直流电动机的动态结构 框图
(2-46)
式中，n0op 表示开环系统的理想空载转速， nop 表示开环系统的稳态速降。
比例控制闭环系统的静特性为
n
* K p K sU n
Ce (1 K )
RI d n0cl ncl Ce (1 K )
(2-47)
式中， n0cl 表示闭环系统的理想空载转速， ncl 表示闭环系统的稳态速降。
图2-18 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图
电压比较环节
转速负反馈单闭环直流调速系统
为负载电流。
传递函数
在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得 电压与电流间的传递函数
Id(s) 1/ R Ud0 (s) E(s) Tls 1
电流与电动势间的传递函数
E(s) R Id (s) IdL (s) Tms
动态结构图
Ud0
+
- E(s)
1/R Tl s+1
Id (s)
Id (s)
检测精度——反馈检测装置的误差也是反馈控制 系统无法克服的，因此检测精度决定了系统输出 精度。
2.3.2 单闭环调速系统的动态分析
通过稳态性能的研究可知：引入转速负 反馈并使放大倍数 K 足够大，就可以减少稳 态速降，满足系统的稳态要求。但是放大系 数过大，会使闭环系统动态性能变差，甚至 造成不稳定，因此有必要对系统进行动态性 能的分析。
例2.2 对于例2.1所示的开环系统，采用转 速负反馈构成单闭环系统，且已知晶闸管
整流器与触发装置的电压放大系数 Ks = 30，
= 0.015V·min/r，为了满足给定的要求，
计算放大器的电压放大系数KP 。
IdR
U*n +
_
∆Unn
Uct Kp
Ud0 + _ E Kss
1/Ce
n
Un
解：在例2.1中已经求得
失控时间Ts的分析
u
2
O
ud
Ud01
t Ud02
O
Uc
Uc1
O
1
1
Ts
Uc2
t
2
2 t
O
t
图2.23 晶闸管触发与整流装置的失控时间
最大失控时间Tsmax的计算
显然，失控制时间是随机的，它的大小随发 生变化的时刻而改变，最大可能的失控时间就是 两个相邻自然换相点之间的时间，与交流电源频 率和整流电路形式有关，由下式确定
第2章 转速反馈控制的直流调速系统
2.1 直流调速系统用的可控直流电源
2.1.2 直流PWM变换器-电动机系统
PWM变换器
电源 电压
电枢 电压
主电路原理图
续流二极管
2.1 直流调速系统用的可控直流电源 2.1.2 直流PWM变换器-电动机系统（不可逆调速系统）
U d
ton T
Us
U s
电压和电流波形
改变占空比 ，即可改变直流电动机电枢平
275 1000 275
0.216
21.6%
这已大大超过了5%的要求，更不必谈调到最低 速了。
如果要求D = 20，s ≤ 5%，则可知
nN
nN s D(1 s)
1000 0.05 r / min 20 (1 0.05)
2.63r / min
由 上 例 可 以 看 出 ， 开 环 调 速 系 统 的 额 定 速 降 是 275 r/min，而生产工艺的要求却只有2.63r/min，相差几乎百 倍！
机械特性
负载机械特性 n f (Tl ) 电动机机械特性 n f (T )
固有机械特性
人为机械特性
转速n 、转矩T都有正、负值 ,要选定参考正方向。
n
正向制动
正向电动
T 0
T 0
n0
n0 T
0
反向电动
反向制动
T 0 n0
T 0 n0
电力拖动系统稳定运行条件
直流电动机的结构及其工作原理
直流电动机的开环稳态转速表达式
2.1 直流调速系统用的可控直流电源
➢发电机-电动机系统 （简称G-M系统）
➢晶闸管整流器-电动机系统 （简称V-M系统）
➢直流PWM变换器-电动机系统
G-M系统
运动控制 第3章 转速、电流反馈控制的直流调速系统
态的。
因此，对于静特性来说，
C
只有转速调节器饱和与 不饱和两种情况。
O
IdN
Idm
Id
额定电流 电流最大值
双闭环直流调速系统的静特性 21
第1篇 直流调速系统 3.1.2 稳态结构图与参数计算
➢ 当转速调节器不饱和
Id
U*n +
R
ASR U*i +
Ui -
ACR Uc UPE Ud0 +
-E
n
Ks
Un
ASR
U
i
内环
i GT
Ui
U ct
ACR
n
外环
TA
V Ud
转速、电流反馈控制直流调速系统原理图
Id
M
n
TG
38
第1篇 直流调速系统 3.2.2 动态过程分析
➢ 第I阶段：电流上升阶段( 0 ~ t1 )
➢突加给定电压 U*n 后，Id 上 升，当 Id 小于负载电流 IdL 时，
Id
I dm
U
* im
24
第1篇 直流调速系统 3.1.2 稳态结构图与参数计算
➢ 当转速调节器饱和
转速外环呈开环状态，转速的
变化对系统不再产生影响。双
闭环系统变成一个电流无静差
的单闭环电流调节系统。
稳态时：
Id
U
* im
Idm
n
A n0
B
C
O
IdN
Idm Id
双闭环直流调速系统的静特性
25
第1篇 直流调速系统 3.1.2 稳态结构图与参数计算
WASR
(s)
Kn
ns 1
第2章 转速反馈控制的直流调速系统(第三周)
1. 被调量有静差
从静特性分析中可以看出，由于采用了比例放大
器，闭环系统的开环放大系数K值越大，系统的稳 态性能越好。然而，Kp =常数，稳态速差就只能减 小，却不可能消除。因为闭环系统的稳态速降为
ncl
RI d Ce (I
K)
只有 K = ，才能使 ncl = 0，而这是不可能的。
因此，这样的调速系统叫做有静差调速系统。实际
式中: K KpKs 闭环系统的开环放大系数
Ce
系统的静特性方程式
n
K
p
KsU
* n
RId
Ce (1 K ) Ce (1 K )
2.3 转速反馈控制的直流调速系统
2.3.2 比例控制的直流调速系统
闭环系统静特性和开环系统机械特性
n op
n cl
n
K
p
KsU
* n
RId
(静特性方程)
n
K
p
K
sU
✓nmax和nmin是电动机在额定负载时的最高和最低转速
✓一般取nN≈nmax
2.2 稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性
2.2.1转速控制的要求和稳态调速性能指标
稳态性能指标：
调速范围 静差率
D= nmax n min
当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加
到额定值所对应的转速降落ΔnN与理想空载转速n0之比：
比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静特 性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。如果 断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为
n Ud0 IdR Ce
K
p
KsU
* n
Ce
RId Ce
n0op
转速负反馈单闭环直流调速系统PPT课件
运动控制系统
第2 章
直流调速系统
2.3 转速负反馈单闭环直流调速系统
2.3.1 单闭环调速系统的组成及静特性 2.3.2 单闭环调速系统的动态分析 2.3.3 无静差调速系统的积分控制规律 2.3.4 单闭环调速系统的限流保护
2.3.1 单闭环调速系统的组成及静特性
转速给定
控制器
电网 功率驱动装置 电动机
例2.2 对于例2.1所示的开环系统，采用转 速负反馈构成单闭环系统，且已知晶闸管
整流器与触发装置的电压放大系数 Ks = 30，
= 0.015V·min/r，为了满足给定的要求，
计算放大器的电压放大系数KP 。
IdR
U*n +
_
∆Unn
Uct Kp
Ud0 + _ E Kss
1/Ce
n
Un
解：在例2.1中已经求得
（2）V-M系统工作在开环机械特性的连续段； （3）忽略控制电源和电位器的等效电阻。
各环节静态关系
电压比较环节 放大器
U n
U
* n
Un
Uct KpUn
电力电子变换器
Ud0 KsUct
调速系统开环机械特性 测速反馈环节
n Ud0 IdR Ce
U n n
以上各关系式中
Kp — 放大器的电压放大系数； Ks — 电力电子变换器的电压放大系数；
n, Te
ud0
Rid
L
did dt
E
图2.21 直流电动机等效电路
(1) 额定励磁下直流电动机的传递函数
+
R
L
TL
id
+
Ud0
E MM
n, Te
第2 章
直流调速系统
2.3 转速负反馈单闭环直流调速系统
2.3.1 单闭环调速系统的组成及静特性 2.3.2 单闭环调速系统的动态分析 2.3.3 无静差调速系统的积分控制规律 2.3.4 单闭环调速系统的限流保护
2.3.1 单闭环调速系统的组成及静特性
转速给定
控制器
电网 功率驱动装置 电动机
例2.2 对于例2.1所示的开环系统，采用转 速负反馈构成单闭环系统，且已知晶闸管
整流器与触发装置的电压放大系数 Ks = 30，
= 0.015V·min/r，为了满足给定的要求，
计算放大器的电压放大系数KP 。
IdR
U*n +
_
∆Unn
Uct Kp
Ud0 + _ E Kss
1/Ce
n
Un
解：在例2.1中已经求得
（2）V-M系统工作在开环机械特性的连续段； （3）忽略控制电源和电位器的等效电阻。
各环节静态关系
电压比较环节 放大器
U n
U
* n
Un
Uct KpUn
电力电子变换器
Ud0 KsUct
调速系统开环机械特性 测速反馈环节
n Ud0 IdR Ce
U n n
以上各关系式中
Kp — 放大器的电压放大系数； Ks — 电力电子变换器的电压放大系数；
n, Te
ud0
Rid
L
did dt
E
图2.21 直流电动机等效电路
(1) 额定励磁下直流电动机的传递函数
+
R
L
TL
id
+
Ud0
E MM
n, Te
转速、电流反馈控制的直流调速系统
• 性能指标和系统参数之间的关系
超调量 上升时间 峰值时间
% e
tr
tp
(π / 1 2 )
2T
π
100%
1 2
(π arccos )
n 1 2
表3-1 典型I型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系
参数关系KT 阻尼比
0.25 1.0 0% 76.3° 0.243/T 0.39 0.8 1.5% 6.6T 8.3T 69.9° 0.367/T 0.5 0.707 4.3 % 4.7T 6.2T 65.5° 0.455/T 0.69 0.6 9.5 % 3.3T 4.7T 59.2 ° 0.596/T 1.0 0.5 16.3 % 2.4T 3.2T 51.8 ° 0.786/T
C(s)
1、典型I型系统
• 当 1 时 c
T
20 lg K 20(lg c lg 1 ) 20 lg c K C 180o 90o arctan CT 90o arctan CT CT 1 arctan CT 45o 45o
表3-2 典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系
T1 T m T2 T2
Cmax 100% Cb
tm / T
1 5
27.8%
1 10
16.6%
1 .4
3.8
4.0
tv / T
14.7
21.7
28.7
30.4
2、典型II型系统
h
T
2 1
图3-13 典型Ⅱ型系统 a)闭环系统结构图 b)开环对数频率特性
n
K T
—— 自然振荡角频率 —— 阻尼比
第2章转速反馈控制的直流调速系统
3. 输出电压计算
这样，电动机得到的平均电压为
Ud tTonUs Us
(1-2)
式中 其中
T — 晶闸管的开关周期； ton — 开通时间；
— 占空比， = ton / T = ton f ；
f 为开关频率。
为了节能，并实行无触点控制，现 在多用电力电子开关器件，如快速晶闸 管、GTO、IGBT等。
1、调速范围
生产机械要求电动机提供的最高转速nmax和最低
转速nmin之比称为调速范围，用字母D表示，即
D n max
（2-27）
n min
n速ma，x和nmin是电动机在额定负载时的最高和最低转
对于少数负载很轻的机械，也可用实际负载时的 最高和最低转速。
2、静差率s
当系统在某一转速下运行时，负载由理想
低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；
系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；
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；
直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相
控整流器高。
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2.2 稳态调速性能指标和 直流调速系统的机械特性
AC~ ///
+
Us + CCC
斩波器 DC
-
泵升电压产生的原因
对于PWM变换器中的滤波电容，其 作用除滤波外，还有当电机制动时吸收 运行系统动能的作用。由于直流电源靠 二极管整流器供电，不可能回馈电能， 电机制动时只好对滤波电容充电，这将 使电容两端电压升高，称作“泵升电 压”。
泵升电压限制
在电流连续区， 显示出较硬的机 械特性；
在电流断续区， 机械特性很软， 理想空载转速翘 得很高。
2.3.1转速反馈控制直流调速系统的静特性[27页]
![2.3.1转速反馈控制直流调速系统的静特性[27页]](https://img.taocdn.com/s3/m/2cc21ad016fc700aba68fcce.png)
① 电压比较环节的稳态关系
U n
U
* n
Un
（二）转速闭环调速系统的稳态关系 （1）转速闭环调速系统各环节稳态关系
+
U*n
+
∆Un A Uc GT
-
-
- Un +
+
Id
UPE Ud
-
+ MM
-
n
+
+
TG
Utg
-
-
② 比例放大器的稳态关系
Uc KpUn
（二）转速闭环调速系统的稳态关系 （1）转速闭环调速系统各环节稳态关系
（一）转速闭环调速系统的构成 转速闭环调速系统原理框图
+
U*n
+
∆Un A Uc GT
-
-
- Un +
+
Id
UPE Ud
-
+ MM
-
n
+
+
TG
Utg
-
-
UPE——电力电子变换器。比如晶闸管 整流器、PWM直流变换器。
（一）转速闭环调速系统的构成 转速闭环调速系统原理框图
+
U*n
+
∆Un A Uc GT
（四）转速闭环调速系统的调节过程 （2）转速闭环调速系统
n
开环机械特性
闭环静特性
A
B
C
D Ud4
A’
A’’
Ud3
A’’’
Ud2 Ud1
0
Id1
Id2
Id3
Id4
Id
闭环系统 Id nUn Un UcUd0 n
转速电流反馈控制的直流调速系统
典型Ⅰ型系统的闭环传递函数为
K K 2 n W ( s) s (Ts 1) T Wcl ( s ) 2 2 K 1 K 1 W ( s) s 2 n s n 2 1 s s s (Ts 1) T T （3-12） K 1 1 式中，n T ——自然振荡角频率； 2 KT ——阻尼比。
双闭环直流调速系统的起动过程有以下三 个特点： （1）饱和非线性控制 （2）转速超调 （3）准时间最优控制
2．动态抗扰性能分析
双闭环系统与单闭环系统的差别在于多了一个 电流反馈环和电流调节器。 调速系统，最主要的抗扰性能是指抗负载扰动 和抗电网电压扰动性能。
（1）抗负载扰动
负载扰动
图3-7 直流调速系统的动态抗扰作用
转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定的最大 值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变 换器的最大输出电压； 当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再 影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和； 当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其 作用是使输入偏差电压在稳态时为零。 对于静特性来说，为了实现电流的实时控制和快速跟随， 希望电流调节器不要进入饱和状态，因此只有转速调节 器饱和与不饱和两种情况，电流调节器不进入饱和状态 。
IdL 0 t1 t2 t3 t4 t
第Ⅲ阶段：转速调节阶段（t2以后）
n n
*
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
起始时刻是n上升 到了给定值n*。
t
0 Id Idm
IdL 0 t1 t2 t3 t4 t
在第Ⅲ阶段中， ASR和 ACR都不饱和，ASR起主 导转速调节作用，而ACR 力图使Id尽快地跟随给定值 Ui*，电流内环是一个电流 随动子系统。
第3章转速、电流反馈控制的直流调速系统
双闭环直流调速系统的起动过程有以下三 个特点： （1）饱和非线性控制 （2）转速超调 （3）准时间最优控制
2．动态抗扰性能分析
双闭环系统与单闭环系统的差别在于多了 一个电流反馈环和电流调节器。 调速系统，最主要的抗扰性能是指抗负载 扰动和抗电网电压扰动性能， 闭环系统的抗扰能力与其作用点的位置有 关。
ASR输出达到限幅值时，转速外环呈开环 状态，转速的变化对转速环不再产生影响。 双闭环系统变成一个电流无静差的单电流 闭环调节系统。稳态时
Id
U
* im
I dm
(3-2)
AB段是两个调 节器都不饱和 时的静特性， Id<Idm, n=n0。 BC段是ASR调 节器饱和时的 静特性，Id=Idm, n < n 0。
图3-8 典型的阶跃响应过程和跟随性能指标 超调量σ
C max C 100% C
上升时间
峰值时间
调节时间
2．抗扰性能指标
当调速系统在稳定运行中，突加一个使输 出量降低（或上升）的扰动量F之后，输出 量由降低（或上升）到恢复到稳态值的过 渡过程就是一个抗扰过程。 常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时 间。
（1）抗负载扰动
负载扰动
图3-7 直流调速系统的动态抗扰作用
负载扰动作用在电流环之后，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，要求有较好的抗扰性能指标。
（2）抗电网电压扰动
电网电压扰动
图3-7 直流调速系统的动态抗扰作用
电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节， 使抗扰性能得到改善。 在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速变 化会比单闭环系统小得多。
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转速反馈控制直流调速系统的静特性
主讲人：张敬南 副教授
主要内容
01 转速闭环调速系统的构成 02 转速闭环调速系统的稳态关系 03 转速闭环调速系统的静特性 04 转速闭环调速系统的调节过程
静特性的定义
转速闭环调速系统的静特性表示 了电动机转速与给定电压及负载电流 （或者转矩）间的稳态关系。
显然，静特性也就是转速闭环调 速系统的输入-输出关系。
（三）转速闭环调速系统的静特性 （2）转速闭环调速系统输入-输出关系
U*n +
∆Un Kp Uc
Ks Ud0 1/Ce
n
- Un
+
-IdR
E
+
1/Ce
n
- Ud0
Ks
Kp
线性叠加原理
（三）转速闭环调速系统的静特性 （2）转速闭环调速系统输入-输出关系 ①只考虑给定作用时的闭环系统
U*n +
∆Un Kp Uc
（四）转速闭环调速系统的调节过程 （2）转速闭环调速系统
n
开环机械特性
闭环静特性
A
B
C
D Ud4
A’
A’’
Ud3
A’’’
Ud2 Ud1
0
Id1
Id2
Id3
Id4
Id
闭环系统 Id nUn Un UcUd0 n
（四）转速闭环调速系统的调节过程 （3）减少稳态速降的实质
n
开环机械特性
闭环静特性
A
B
C
KK
K p s Ce
（三）转速闭环调速系统的静特性 （2）转速闭环调速系统输入-输出关系 ③线性叠加确定输入-输出关系
n
K
pK
sU
* n
Ce (1 K )
n RId Ce (1 K )
K KU* n p s n
RI d
Ce (1 K ) Ce (1 K )
（三）转速闭环调速系统的静特性 （3）静特性
D Ud4
A’
A’’
Ud3
A’’’
Ud2 Ud1
0
Id1
Id2
Id3
Id4
Id
闭环系统能随着负载的变化而改变电
枢电压，以补偿转速的降落。
主要内容
01 闭环调速系统的构成 02 闭环调速系统的稳态结构框图 03 闭环调速系统的静特性 04 闭环调速系统的调节过程
-
n
+
+
TG
Utg
-
-
④ 电动机开环机械（转速）特性
n Ud0 Id R Ce
（二）转速闭环调速系统的稳态关系 （1）转速闭环调速系统各环节稳态关系
+
U*n
+
∆Un A Uc GT
-
-
- Un +
+
Id
+
UPE Ud（Ud0） MM
-
n
+
+
TG
Utg
-
-
⑤ 测速反馈环节的稳态关系
Un n
（二）转速闭环调速系统的稳态关系 （1）转速闭环调速系统各环节稳态关系
-
-
- Un +
+
Id
UPE Ud
-
+ MM
-
n
+
+
TG
Utg
-
-
UPE——电力电子变换器。比如晶闸管 整流器、PWM直流变换器。
（二）转速闭环调速系统的稳态关系 （1）转速闭环调速系统各环节稳态关系
+
U*n
+
∆Un A Uc GT
-
-
- Un +
+
Id
UPE Ud
-
+ MM
-
n
+
+
TG
Utg
-
-
（二）转速闭环调速系统的稳态关系
（2）转速闭环调速系统的稳态结构框图 ④ 电动机开环机械（转速）特性
n Ud0 Id R Ce
- IdR
U*n + ∆Un Kp Uc
Ks
Ud0 +
E
1/Ce
nห้องสมุดไป่ตู้
- Un
（二）转速闭环调速系统的稳态关系 （2）转速闭环调速系统的稳态结构框图 ⑤ 测速反馈环节
Un n
（二）转速闭环调速系统的稳态关系 （2）转速闭环调速系统的稳态结构框图 ② 比例放大器
Uc KpUn
U*n + ∆Un Kp Uc - Un
（二）转速闭环调速系统的稳态关系 （2）转速闭环调速系统的稳态结构框图 ③ 电力电子变换器
Ud0 KsUc
U*n + ∆Un Kp Uc - Un
Ks Ud0
+
U*n
+
∆Un A Uc GT
-
-
- Un +
+
Id
+
UPE Ud（Ud0） MM
-
n
+
+
TG
Utg
-
-
③ 电力电子变换器的稳态关系
Ud0 KsUc
（二）转速闭环调速系统的稳态关系 （1）转速闭环调速系统各环节稳态关系
+
U*n
+
∆Un A Uc GT
-
-
- Un +
+
Id
+
UPE Ud（Ud0） MM
（一）转速闭环调速系统的构成 转速闭环调速系统原理框图
+
U*n
+
∆Un A Uc GT
-
-
- Un +
+
Id
UPE Ud
-
+ MM
-
n
+
+
TG
Utg
-
-
UPE——电力电子变换器。比如晶闸管 整流器、PWM直流变换器。
（一）转速闭环调速系统的构成 转速闭环调速系统原理框图
+
U*n
+
∆Un A Uc GT
n
K
p
K
sU
* n
RId
Ce (1 K ) Ce (1 K )
注意： 静特性在形式上与开环机械特性相
似，但本质上却有很大不同，一条静特 性是由一族机械特性上的工作点的合成。
（四）转速闭环调速系统的调节过程 （1）开环调速系统
n
开环机械特性
A
A’
A’’
A’’’
Ud1
0
Id1
Id2
Id3
Id4
Id
开环系统 Id n
① 电压比较环节 ② 比例放大器
U n
U
* n
Un
Uc KpUn
③ 电力电子变换器 U d 0 K s U c
④ 电动机 ⑤ 测速反馈环节
n Ud0 Id R Ce
Un n
（二）转速闭环调速系统的稳态关系 （2）转速闭环调速系统的稳态结构框图 ① 电压比较环节
U n
U
* n
Un
U*n + ∆Un - Un
- IdR
U*n + ∆Un Kp Uc
Ks
Ud0 +
E
1/Ce
n
- Un
转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图
（三）转速闭环调速系统的静特性 （1）静特性的定义 闭环调速系统的静特性表示闭环 调速系统电动机转速与给定电压及负 载电流（或转矩）间的稳态关系。
显然，闭环调速系统的静特性也 就是闭环调速系统输入-输出关系。
① 电压比较环节的稳态关系
U n
U
* n
Un
（二）转速闭环调速系统的稳态关系 （1）转速闭环调速系统各环节稳态关系
+
U*n
+
∆Un A Uc GT
-
-
- Un +
+
Id
UPE Ud
-
+ MM
-
n
+
+
TG
Utg
-
-
② 比例放大器的稳态关系
Uc KpUn
（二）转速闭环调速系统的稳态关系 （1）转速闭环调速系统各环节稳态关系
Ks Ud0 1/Ce
n
- Un
n
K
pK
sU
* n
Ce (1 K )
K K pK s
Ce
式中，K为闭环系统的开环放大系数。
（三）转速闭环调速系统的静特性 （2）转速闭环调速系统输入-输出关系 ②只考虑扰动作用时的闭环系统
-IdR
E
+
1/Ce
n
- Ud0
Ks
Kp
n RId Ce (1 K )
主讲人：张敬南 副教授
主要内容
01 转速闭环调速系统的构成 02 转速闭环调速系统的稳态关系 03 转速闭环调速系统的静特性 04 转速闭环调速系统的调节过程
静特性的定义
转速闭环调速系统的静特性表示 了电动机转速与给定电压及负载电流 （或者转矩）间的稳态关系。
显然，静特性也就是转速闭环调 速系统的输入-输出关系。
（三）转速闭环调速系统的静特性 （2）转速闭环调速系统输入-输出关系
U*n +
∆Un Kp Uc
Ks Ud0 1/Ce
n
- Un
+
-IdR
E
+
1/Ce
n
- Ud0
Ks
Kp
线性叠加原理
（三）转速闭环调速系统的静特性 （2）转速闭环调速系统输入-输出关系 ①只考虑给定作用时的闭环系统
U*n +
∆Un Kp Uc
（四）转速闭环调速系统的调节过程 （2）转速闭环调速系统
n
开环机械特性
闭环静特性
A
B
C
D Ud4
A’
A’’
Ud3
A’’’
Ud2 Ud1
0
Id1
Id2
Id3
Id4
Id
闭环系统 Id nUn Un UcUd0 n
（四）转速闭环调速系统的调节过程 （3）减少稳态速降的实质
n
开环机械特性
闭环静特性
A
B
C
KK
K p s Ce
（三）转速闭环调速系统的静特性 （2）转速闭环调速系统输入-输出关系 ③线性叠加确定输入-输出关系
n
K
pK
sU
* n
Ce (1 K )
n RId Ce (1 K )
K KU* n p s n
RI d
Ce (1 K ) Ce (1 K )
（三）转速闭环调速系统的静特性 （3）静特性
D Ud4
A’
A’’
Ud3
A’’’
Ud2 Ud1
0
Id1
Id2
Id3
Id4
Id
闭环系统能随着负载的变化而改变电
枢电压，以补偿转速的降落。
主要内容
01 闭环调速系统的构成 02 闭环调速系统的稳态结构框图 03 闭环调速系统的静特性 04 闭环调速系统的调节过程
-
n
+
+
TG
Utg
-
-
④ 电动机开环机械（转速）特性
n Ud0 Id R Ce
（二）转速闭环调速系统的稳态关系 （1）转速闭环调速系统各环节稳态关系
+
U*n
+
∆Un A Uc GT
-
-
- Un +
+
Id
+
UPE Ud（Ud0） MM
-
n
+
+
TG
Utg
-
-
⑤ 测速反馈环节的稳态关系
Un n
（二）转速闭环调速系统的稳态关系 （1）转速闭环调速系统各环节稳态关系
-
-
- Un +
+
Id
UPE Ud
-
+ MM
-
n
+
+
TG
Utg
-
-
UPE——电力电子变换器。比如晶闸管 整流器、PWM直流变换器。
（二）转速闭环调速系统的稳态关系 （1）转速闭环调速系统各环节稳态关系
+
U*n
+
∆Un A Uc GT
-
-
- Un +
+
Id
UPE Ud
-
+ MM
-
n
+
+
TG
Utg
-
-
（二）转速闭环调速系统的稳态关系
（2）转速闭环调速系统的稳态结构框图 ④ 电动机开环机械（转速）特性
n Ud0 Id R Ce
- IdR
U*n + ∆Un Kp Uc
Ks
Ud0 +
E
1/Ce
nห้องสมุดไป่ตู้
- Un
（二）转速闭环调速系统的稳态关系 （2）转速闭环调速系统的稳态结构框图 ⑤ 测速反馈环节
Un n
（二）转速闭环调速系统的稳态关系 （2）转速闭环调速系统的稳态结构框图 ② 比例放大器
Uc KpUn
U*n + ∆Un Kp Uc - Un
（二）转速闭环调速系统的稳态关系 （2）转速闭环调速系统的稳态结构框图 ③ 电力电子变换器
Ud0 KsUc
U*n + ∆Un Kp Uc - Un
Ks Ud0
+
U*n
+
∆Un A Uc GT
-
-
- Un +
+
Id
+
UPE Ud（Ud0） MM
-
n
+
+
TG
Utg
-
-
③ 电力电子变换器的稳态关系
Ud0 KsUc
（二）转速闭环调速系统的稳态关系 （1）转速闭环调速系统各环节稳态关系
+
U*n
+
∆Un A Uc GT
-
-
- Un +
+
Id
+
UPE Ud（Ud0） MM
（一）转速闭环调速系统的构成 转速闭环调速系统原理框图
+
U*n
+
∆Un A Uc GT
-
-
- Un +
+
Id
UPE Ud
-
+ MM
-
n
+
+
TG
Utg
-
-
UPE——电力电子变换器。比如晶闸管 整流器、PWM直流变换器。
（一）转速闭环调速系统的构成 转速闭环调速系统原理框图
+
U*n
+
∆Un A Uc GT
n
K
p
K
sU
* n
RId
Ce (1 K ) Ce (1 K )
注意： 静特性在形式上与开环机械特性相
似，但本质上却有很大不同，一条静特 性是由一族机械特性上的工作点的合成。
（四）转速闭环调速系统的调节过程 （1）开环调速系统
n
开环机械特性
A
A’
A’’
A’’’
Ud1
0
Id1
Id2
Id3
Id4
Id
开环系统 Id n
① 电压比较环节 ② 比例放大器
U n
U
* n
Un
Uc KpUn
③ 电力电子变换器 U d 0 K s U c
④ 电动机 ⑤ 测速反馈环节
n Ud0 Id R Ce
Un n
（二）转速闭环调速系统的稳态关系 （2）转速闭环调速系统的稳态结构框图 ① 电压比较环节
U n
U
* n
Un
U*n + ∆Un - Un
- IdR
U*n + ∆Un Kp Uc
Ks
Ud0 +
E
1/Ce
n
- Un
转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图
（三）转速闭环调速系统的静特性 （1）静特性的定义 闭环调速系统的静特性表示闭环 调速系统电动机转速与给定电压及负 载电流（或转矩）间的稳态关系。
显然，闭环调速系统的静特性也 就是闭环调速系统输入-输出关系。
① 电压比较环节的稳态关系
U n
U
* n
Un
（二）转速闭环调速系统的稳态关系 （1）转速闭环调速系统各环节稳态关系
+
U*n
+
∆Un A Uc GT
-
-
- Un +
+
Id
UPE Ud
-
+ MM
-
n
+
+
TG
Utg
-
-
② 比例放大器的稳态关系
Uc KpUn
（二）转速闭环调速系统的稳态关系 （1）转速闭环调速系统各环节稳态关系
Ks Ud0 1/Ce
n
- Un
n
K
pK
sU
* n
Ce (1 K )
K K pK s
Ce
式中，K为闭环系统的开环放大系数。
（三）转速闭环调速系统的静特性 （2）转速闭环调速系统输入-输出关系 ②只考虑扰动作用时的闭环系统
-IdR
E
+
1/Ce
n
- Ud0
Ks
Kp
n RId Ce (1 K )