转速电流双闭环直流调速系统(精)

双闭环控制的直流调速系统简介

1.1V—M系统简介

晶闸管—电动机调速系统（简称V—M系统），其简单原理图如图1。图中VT是晶闸管的可控整流器，它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型。

优点：通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压从而实现平滑调速。

缺点：

1．由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。

2．元件对过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指标超过允许值都可能在很短时间内损坏元件。

因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时还应有足够的余量。

图1 V—M系统

1.2转速控制的要求和调速指标

任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。归纳起来，对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面：

1）调速——在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地（有级）或平滑地（无级）调节转速；

2）稳速——以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；

3）加、减速——频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起﹑制动尽量平稳。

1.3 直流调速系统的性能指标

根据各类典型生产机械对调速系统提出的要求，一般可以概括为静态和动态调速指标。静态调速指标要求电力传动自动控制系统能在最高转速和最低转速范围内调节转速，并且要求在不同转速下工作时，速度稳定；动态调速指标要求系统启动、制动快而平稳，并且具有良好的抗扰动能力。抗扰动性是指系统稳定在 某一转速上运行时，应尽量不受负载变化以及电源电压波动等因素的影响[1，6]。

一、静态性能指标

1）．调速范围

生产机械要求电动机在额定负载运行时，提供的最高转速

m ax n 与最低转速m in n 之比，称为调速范围，用符号D 表示

m in m ax

n n D = （2—2）

2）．静差率

静差率是用来表示负载转矩变化时，转速变化的程度，用系数s 来表示。具体是指电动机稳定工作时，在一条机械特性线上，电动机的负载由理想空载增加到额定值时，对应的转速降落

ed n ∆与理想空载转速0n 之比，用百分数表示为

%100%100000⨯-=⨯∆=n n n n n s ed ed （2—3）

显然，机械特性硬度越大，机械特性硬度越大，ed n ∆越小，静差率就越小，转速

的稳定度就越高。

然而静差率和机械特性硬度又是有区别的。两条相互平行的直线性机械特性的静差率是不同的。对于图2—1中的线1和线2，它们有相同的转速降落

1ed n ∆=2ed n ∆，但由于0102n n <，因此12s s >。这表明平行机械特性低速时静差率较大，转速的相对

稳定性就越差。在1000r/min 时降落10r/min ，只占1%；在100r/min 时也降落10r/min ，就占10%；如果0n 只有10r/min ，再降落10r/min 时，电动机就停止转动，转速全都

降落完了。

由图2—1可见，对一个调速系统来说，如果能满足最低转速运行的静差率s ，那么，其它转速的静差率也必然都能满足。

图2—1

事实上，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。一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所提静差率要求的转速可调范围。脱离了对静差率的要求。任何调速系统都可以得到极高的调速范围；反过来，脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了。

1.4 动态性能指标

生产工艺对控制系统动态性能的要求经折算和量化后可以表达为动态性能指标。自动控制系统的动态性能指标包括对给定信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标。

一、跟随性能指标

在给定信号（或称参考输入信号）R(t)的作用下，系统输出量C(t)的变化情况可用跟随性能指标来描述。当给定信号表示方式不同时，输出响应也不一样。通常以输出量的初始值为零，给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程，这时的动

态响应又称为阶跃响应。一般希望在阶跃响应中输出量c(t)与其稳态值∞c的偏差越小

越好，达到∞c的时间越快越好。常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间，超调量和调节时间：

1）上升时间r t

在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值∞c所经过的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性，见图2—2。

图2—2

2）超调量%σ

在典型的阶跃响应跟随系统中，输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量：

%100%max ⨯-=

∞∞c c c σ （2—4）

超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，则相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。

3）调节时间s t

调节时间又称过渡过程时间，它衡量系统整个调节过程的快慢。原则上它应该是从给定量阶跃变化起到输出量完全稳定下来为止的时间。对于线性控制系统来说，理论上要到∞=t 才真正稳定，但是实际系统由于存在非线性等因素并不是这样。因此，一般在阶跃响应曲线的稳态值附近，取()%2%5±±或的范围作为允许误差带，以响应曲线达到并不再超出该误差带所需的最短时间定义为调节时间，可见图2—2。

二、抗扰性能指标

一般是以系统稳定运行中，突加负载的阶跃扰动后的动态过程作为典型的抗扰过程，并由此定义抗扰动态性能指标，可见图2—3。常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间：

1）动态降落

%max c ∆ 系统稳定运行时，突加一定数值的扰动（如额定负载扰动）后引起转速的最大降落值%max c ∆叫做动态降落，用输出量原稳态值1∞c 的百分数来表示。输出量在动态降落后逐渐恢复，达到新的稳态值()212,∞∞∞-c c c 是系统在该扰动作用下的稳态降落。动态降落一般都大于稳态降落（即静差）。调速系统突加额定负载扰动时的动态降落称作动态降落%

max n ∆。 2）恢复时间

f t