全数字控制直流驱动器及通用变频器
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第1章 直流调速系统基础
1.1 绪论
直流电动机在电力拖动系统中具有两个突出的优点： 1）直流电动机具有良好的起动、制动和调速性能，主要是低速时能够 稳定运行和输出额定转矩，起动转矩高，在恒功率区有较大的调速范围。 2）直流电动机的数学模型较为简单、准确，使得直流调速控制系统的 分析、计算及设计也较为容易，直流调速控制系统的理论分析和实际运用 都比较成熟、经典，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流调速控 制系统的基础。 目前，工业用的直流电动机驱动器已是全数字化产品，具有使用方便、 调速性能好、精度高、控制功能丰富、稳定、可靠等一系列优点。作为工 业基础自动化系统的一个重要组成部分，它具有控制、监测、保护、通讯 等全部必备的功能。
1.2 他励直流电动机等效传递函数
额定励磁下他励直流电动机的等效电路如图1-1所示。
Ra
La
+
TL
+
Ia
+
Udo
Ea
M n Te
Uf
-
-
-
图1-1 他励直流电动机等效电路
其中Ra和La分别为电动机电枢电阻（Ω）及电感（H）；Ia为电 枢电流（A）；Udo 为电枢电压（V）；T e 为额定励磁下电磁转矩 （N·m）；TL 为电动机轴上负载转矩（N·m）；n 为转速(r/min ）； Ea 为电枢反电动势（V）； Uf 为恒定励磁电压（V）。
n(s)
Ce
(e)
Udo (s)
1 (Ce) TiTm s 2 Tm s 1
n(s)
(f) 图1-2 额定励磁下他励直流电动机的动态结构图
由图1-2（c）可以看出，直流电动机有两个输入量，一个是
理想空载整流电压 ，另一个是负载电流 IL ; 前者是控制输入
量，后者是扰动输入量。如果是理想空载，则
Page 10
2. 稳态性能指标 1）调速范围 生产机械要求电机在额定负载下提供的最高转速
和最低转
速之比叫做调速范围。用D表示，即 D nmax nmin
其中，对于少数负载很轻的机械，
(2-2) 和 也可用实际负载
时的最高和最低转速来表示。
2）静差率
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
(1-4)
式（1-3）和（1-4）的结构图分别画在图1-2（a）和（b）中，
将它们合在一起，并考虑到
，即得额定励磁下直
流电动机的动态结构图，如图1-2（c）所示，也可以用图1-2（d）
表示。
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Udo (s) Ea (s)
(a)
Udo (s)
1 Ra Tis 1
Ia (s)
Ia (s)
I L (s)
为电动机的机电时间常数（s）；电动机的机械惯性
主要反映在飞轮惯量 上，由于 正比于
，因此 是表
征机械惯量的一个非常重要的物理量。
Page 4
将上述时间常数代入微分方程（1-1）和（1-2）中，在零 初始条件下，取微分方程两侧拉氏变换，得电压与电流间的传 递函数
(1-3)
电流与电动势之间的传递函数为
1 Ra Ia(s) Tis 1
I L (s)
Ra Tms
Ea (s)
(b)
Ra Ea(s) 1 n(s)
Tms
Ce
Udo (s)
(c)
IΒιβλιοθήκη BaiduL (s)
1 Ra Ia (s) Tis 1
Ra 1 (Ce)
Tm s
n(s)
Ce
(d)
Page 6
Udo (s)
1 Ra Tis 1
Ra 1 (Ce) Tm s
(2-1)
式中 为电枢回路总电阻（Ω）。
Page 8
根据式（2-1），全数字控制直流驱动器的调速方法如下： （1）调节电枢电压 —额定转速以下调压调速。 （2）减弱励磁磁通Ф—额定转速以上弱磁升速，但只能在额定转 速以上至弱磁最高转速的范围内调速。 表2-1是国产Z4系列，型号为Z4-225-31直流电动机的技术数据。 以额定电压400V直流电动机为例，保持励磁电压180V（满励磁）， 400V以下调压调速，最高转速为900r/min。额定转速900r/min以上， 保持电枢电压400V不变，弱磁升速允许的最高转速为2000r/min。除 非特别说明，国产标准直流电动机的额定励磁电压是180V。
由图1-1列出如下微分方程：
式中， C e为电动势常数（V/r·min-1）； C m 为转矩常数（N·m/A）； GD2为电力拖动系统运动部分折算到电动机轴上的总飞轮惯量（N·m2）； Φ 为每极磁通（Wb）。
Page 3
由上述方程可得：
(1-1)
(1-2)
定义下列时间常数：
为电枢回路电磁时间常数（s）；
时所对应的转速降落 与理想空载转速 之比，称做静差率s，
即
s nN
(2-3)
n0
或用百分数，即
s nN 100% n0
(2-4)
Page 11
3）直流变压调速系统中调速范围、静差率和额定速降之间的
关系
调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提
才有意义。在调速过程中，若额定速降相同，则转速越低时，静差
表2-1 Z4—225—31直流电动机技术数据
额定 功率 kW
额定转速r/min 400V 440V
弱磁转 速r/min
电枢 电流
A
励磁功 率180V
W
电枢回 路电阻
Ω
电枢回 路电感
mH
磁场 电感
H
效率 %
GD2 kg·m
2
81
900
86.9
2000 227 2580 0.093 3.4 5.3
6.2
，结构图简
化成图1-2（e），将前向通道中两个串联环节合并，再将反馈环
节等效变换即求得对象的等效传递函数
，如图1-2（f）
所示。
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第2章 单闭环直流调速系统
2.1直流电动机调速方法
+
Ia
Ud Ea
M
+
If
Uf
-
-
图2-1 他励直流电动机接线
图2-1为他励直流电动机的接线。直流电动机的转速与电动机其 它量的关系为
90
1000
88
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2.2 转速控制的要求和调速指标
1.转速控制指标 调速系统的转速控制要求主要指以下三个方面： （1）调速。即在一定的转速范围内，有级或无级地调节转 速。 （2）稳速。以系统所要求的精度转速上稳定运行，在各种 扰动下不允许有过大的转速波动。 （3）加、减速。经常频繁起、制动的设备或正反转的设备 要求速度变化尽量快，以满足系统快速性的要求。 能否满足以上三个方面的要求反映了调速系统性能的好坏。 前两个要求是系统在稳态运行时的性能要求，可以用“调速范 围”和“静差率”两个稳态性能指标来衡量；第三个要求是系 统在动态调节过程中的要求，要用动态性能指标来衡量。
1.1 绪论
直流电动机在电力拖动系统中具有两个突出的优点： 1）直流电动机具有良好的起动、制动和调速性能，主要是低速时能够 稳定运行和输出额定转矩，起动转矩高，在恒功率区有较大的调速范围。 2）直流电动机的数学模型较为简单、准确，使得直流调速控制系统的 分析、计算及设计也较为容易，直流调速控制系统的理论分析和实际运用 都比较成熟、经典，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流调速控 制系统的基础。 目前，工业用的直流电动机驱动器已是全数字化产品，具有使用方便、 调速性能好、精度高、控制功能丰富、稳定、可靠等一系列优点。作为工 业基础自动化系统的一个重要组成部分，它具有控制、监测、保护、通讯 等全部必备的功能。
1.2 他励直流电动机等效传递函数
额定励磁下他励直流电动机的等效电路如图1-1所示。
Ra
La
+
TL
+
Ia
+
Udo
Ea
M n Te
Uf
-
-
-
图1-1 他励直流电动机等效电路
其中Ra和La分别为电动机电枢电阻（Ω）及电感（H）；Ia为电 枢电流（A）；Udo 为电枢电压（V）；T e 为额定励磁下电磁转矩 （N·m）；TL 为电动机轴上负载转矩（N·m）；n 为转速(r/min ）； Ea 为电枢反电动势（V）； Uf 为恒定励磁电压（V）。
n(s)
Ce
(e)
Udo (s)
1 (Ce) TiTm s 2 Tm s 1
n(s)
(f) 图1-2 额定励磁下他励直流电动机的动态结构图
由图1-2（c）可以看出，直流电动机有两个输入量，一个是
理想空载整流电压 ，另一个是负载电流 IL ; 前者是控制输入
量，后者是扰动输入量。如果是理想空载，则
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2. 稳态性能指标 1）调速范围 生产机械要求电机在额定负载下提供的最高转速
和最低转
速之比叫做调速范围。用D表示，即 D nmax nmin
其中，对于少数负载很轻的机械，
(2-2) 和 也可用实际负载
时的最高和最低转速来表示。
2）静差率
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
(1-4)
式（1-3）和（1-4）的结构图分别画在图1-2（a）和（b）中，
将它们合在一起，并考虑到
，即得额定励磁下直
流电动机的动态结构图，如图1-2（c）所示，也可以用图1-2（d）
表示。
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Udo (s) Ea (s)
(a)
Udo (s)
1 Ra Tis 1
Ia (s)
Ia (s)
I L (s)
为电动机的机电时间常数（s）；电动机的机械惯性
主要反映在飞轮惯量 上，由于 正比于
，因此 是表
征机械惯量的一个非常重要的物理量。
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将上述时间常数代入微分方程（1-1）和（1-2）中，在零 初始条件下，取微分方程两侧拉氏变换，得电压与电流间的传 递函数
(1-3)
电流与电动势之间的传递函数为
1 Ra Ia(s) Tis 1
I L (s)
Ra Tms
Ea (s)
(b)
Ra Ea(s) 1 n(s)
Tms
Ce
Udo (s)
(c)
IΒιβλιοθήκη BaiduL (s)
1 Ra Ia (s) Tis 1
Ra 1 (Ce)
Tm s
n(s)
Ce
(d)
Page 6
Udo (s)
1 Ra Tis 1
Ra 1 (Ce) Tm s
(2-1)
式中 为电枢回路总电阻（Ω）。
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根据式（2-1），全数字控制直流驱动器的调速方法如下： （1）调节电枢电压 —额定转速以下调压调速。 （2）减弱励磁磁通Ф—额定转速以上弱磁升速，但只能在额定转 速以上至弱磁最高转速的范围内调速。 表2-1是国产Z4系列，型号为Z4-225-31直流电动机的技术数据。 以额定电压400V直流电动机为例，保持励磁电压180V（满励磁）， 400V以下调压调速，最高转速为900r/min。额定转速900r/min以上， 保持电枢电压400V不变，弱磁升速允许的最高转速为2000r/min。除 非特别说明，国产标准直流电动机的额定励磁电压是180V。
由图1-1列出如下微分方程：
式中， C e为电动势常数（V/r·min-1）； C m 为转矩常数（N·m/A）； GD2为电力拖动系统运动部分折算到电动机轴上的总飞轮惯量（N·m2）； Φ 为每极磁通（Wb）。
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由上述方程可得：
(1-1)
(1-2)
定义下列时间常数：
为电枢回路电磁时间常数（s）；
时所对应的转速降落 与理想空载转速 之比，称做静差率s，
即
s nN
(2-3)
n0
或用百分数，即
s nN 100% n0
(2-4)
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3）直流变压调速系统中调速范围、静差率和额定速降之间的
关系
调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提
才有意义。在调速过程中，若额定速降相同，则转速越低时，静差
表2-1 Z4—225—31直流电动机技术数据
额定 功率 kW
额定转速r/min 400V 440V
弱磁转 速r/min
电枢 电流
A
励磁功 率180V
W
电枢回 路电阻
Ω
电枢回 路电感
mH
磁场 电感
H
效率 %
GD2 kg·m
2
81
900
86.9
2000 227 2580 0.093 3.4 5.3
6.2
，结构图简
化成图1-2（e），将前向通道中两个串联环节合并，再将反馈环
节等效变换即求得对象的等效传递函数
，如图1-2（f）
所示。
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第2章 单闭环直流调速系统
2.1直流电动机调速方法
+
Ia
Ud Ea
M
+
If
Uf
-
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图2-1 他励直流电动机接线
图2-1为他励直流电动机的接线。直流电动机的转速与电动机其 它量的关系为
90
1000
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2.2 转速控制的要求和调速指标
1.转速控制指标 调速系统的转速控制要求主要指以下三个方面： （1）调速。即在一定的转速范围内，有级或无级地调节转 速。 （2）稳速。以系统所要求的精度转速上稳定运行，在各种 扰动下不允许有过大的转速波动。 （3）加、减速。经常频繁起、制动的设备或正反转的设备 要求速度变化尽量快，以满足系统快速性的要求。 能否满足以上三个方面的要求反映了调速系统性能的好坏。 前两个要求是系统在稳态运行时的性能要求，可以用“调速范 围”和“静差率”两个稳态性能指标来衡量；第三个要求是系 统在动态调节过程中的要求，要用动态性能指标来衡量。