第三章电机拖动.

两个给定电压的最大值U*nm和U*im由设计者选定，设计
原则如下：

U*nm受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制；

U*im 为ASR的输出限幅值。
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3.2 双闭环直流调速系统的数学模型 和动态过程分析 本节提要
双闭环直流调速系统的动态数学模型 双闭环直流调速系统的动态过程分析
3.2.1
不饱和——输出未达到限幅值
当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，PI
作用使输入偏差电压△U在稳态时总是零。
系统静特性
实际上，在正常运行时， 电流调节器是不会达到 饱和状态的。因此，对 于静特性来说，只有转
n n0
C
A
速调节器饱和与不饱和
两种情况。 双闭环直流调速系 统的静特性如图所示，
图3-4 双闭环直流调速系统的静特性
3.2.2 起动过程分析 1. 起动过程分析
由于在起动过程中转速调节器ASR经历了快速进入 饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图
实行嵌套（或称串级）联接如下图所示。
TA Ui
i
L
+
内环
ACR 外 环 Uc Id
+
U*
n
+ -
ASR Un
U*
-
+
UPE
Ud
TG TG
M M n
图3-2 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图
3.1.2
稳态结构图和参数计算

Ui Id
1. 系统稳态结构图
R
ACR U UPE Ud0 + - E c
B
O IdN Idm Id
（1）转速调节器不饱和
* Un U n n n0
U i* U i I d
式中， —— 转速和电流反馈系数。 由第一个关系式可得
n源自文库
* Un

n0
(3-1)
从而得到上图静特性的CA段。

静特性的水平特性
与此同时，由于ASR不饱和，U*i < U*im，从上述第二个 关系式可知: Id < Idm。 这就是说， CA段静特性从理想空载状态的 Id = 0 一
直延续到 Id = Idm ，而 Idm
一般都是大于额定电流 IdN 的。这就是静特性的运行段，
它是水平的特性。
（2） 转速调节器饱和
这时，ASR输出达到限幅值U*im ，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电流闭环调节 系统。稳态时
Id
U

* im
VS1 1 VST
R1 1
VS VST 2 2
1 C1
Uin
R R00
0 0
+
+
0 0
R R lim lim
Uex
0
稳压管钳位的内限幅电路
存在两种状况：

饱和——输出达到限幅值
当调节器饱和时，输出为恒值，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；换句话 说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当 于使该调节环开环。
I dm
(3-2)
式中，最大电流 Idm 是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力 和拖动系统允许的最大加速度。

静特性的垂直特性 式（3-2）所描述的静特性是上图中的AB段，它
是垂直的特性。 这样的下垂特性只适合于 n < n0 的情况，因为 如果 n > n0 ，则Un > U*n ，ASR将退出饱和状态。
U*
n
+
ASR U*i
+
n
1/Ce
Ks
- Un

图3-3 双闭环直流调速系统的稳态结构图
—转速反馈系数; —电流反馈系数
限幅电路
R R 11
C1C1 M
VD VD1 Rlim R VD2 VD 2
+ RP1 Uex RP2 -
R0 Uin R 0
0
+
+
0 0
0
0
N
二极管钳位的外限幅电路
限幅电路（续）
静特性的特点

双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为
转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。

当负载电流达到 Idm 后，转速调节器饱和，电流调节 器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过 电流的自动保护。
这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环 的效果。
2. 各变量的稳态工作点和稳态参数计算
Id n IdL
Idm n IdL
Idcr
O
t
O
t b) 理想的快速起动过程
a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统
图3-1 直流调速系统起动过程的电流和转速波形
3.1.1
转速、电流反馈控制直流调速系统的组成
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节 器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间
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 U n n n0
* n
(3-3) (3-4)
Ui* Ui I d I dL
* U d0 Ce n I d R CeU n / I dL R Uc Ks Ks Ks
(3-5)
上述关系表明，在稳态工作点上，
转速
n 是由给定电压U*n决定的；
ASR的输出量U*i是由负载电流 IdL 决定的； 控制电压
Uc 的大小则同时取决于 n 和 Id， 或者说，同时取决于U*n 和 IdL。
这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的
特点。比例环节的输出量总是正比于其输入量，
双闭环直流调速系统的动态数学模型
在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结 构，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图，如下图所示。
U*n
+
Un
-
WASR(s)
+
U*i Ui
WACR(s)
Uc
Ks Tss+1
Ud0
1/R Tl s+1
Id
+
-IdL
R Tms E 1/Ce
n


图3-5 双闭环直流调速系统的动态结构图
第 3 章
转速、电流反馈控制直流调速系统
内容提要

转速、电流反馈控制直流调速系统组成及其静 特性；

转速、电流反馈控制直流调速系统的数学模型 和动态过程分析；

转速、电流反馈控制直流调速系统的设计
3.1 转速、电流反馈控制直流调速系统 的组成及其静特性 1. 问题的提出 2. 理想的起动过程
Id Idm
而PI调节器则不然，其饱和输出为限幅值，而
非饱和输出的稳态值取决于输入量的积分，它
最终将使控制对象的输出达到其给定值，使PI
调节器的输入误差信号为零，否则PI调节器仍
在继续积分，并未达到稳态。
反馈系数计算
* U nm 转速反馈系数 nmax * U im 电流反馈系数 I dm