直流调速系统原理
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G3
0.01
解：由于负载变化量是扰动量，所以其扰动量的误 差传递函数为： G3 ( s ) d (s) 1 G1 ( s )G2 ( S )G3 ( S ) H ( s ) 8.33(0.005 s 1) (0.1s 1)(0.02 s 1)(0.005 s 1) 16.66
I d U d Ra 它只与电枢电压Ud和电枢电阻Ra有关。由于电枢电阻很 小，所以起动电流是很大的。为了避免起动时的电流冲 击，在电压不可调的场合，可采用电枢串电阻起动，在 电压可调的场合则采用降压起动——在调速系统中如何 处理。
Ra
d
Ra
另外，有些生产机械的电动机可能会遇到堵转情况。例如 由于故障造成机械轴被卡住，或挖土机工作时遇到坚硬的 石头等。在这此情况下，由于闭环系统的机械特性很硬， 若没有限流环节的保护，电枢电流将远远超过允许值。
两者之间的关系是： D
n s n(1 s)
他励直流电机的调速方案
他励直流电动机的转速公式： E U IR n CE CE 式中：U为他励电动的电枢电压 I为电枢电流 E为电枢电动势 R为电枢回路的总电阻 n为电机的转速 Φ为励磁磁通 CE为由电机结构决定的电动势系数
用晶闸管触发整流 整流电路实现电枢 电压可调，从而达 到改变电机转速的 目的。
例：某电源—电动机直流调速系统，已知电机的额定 转速为n=1000r/min，额定电流IN=305A，主回路电阻 R=0.18Ω，CeΦN=0.2，若要求电动机调速范围D=20， sn<5%，则该调速系统是否能满足要求？
解：如果要满足D=20，Sn<5%的要求，则其在额定条件 下的转速降为： ne s 1000 0.05 n 2.63% D(1 s) 20(1 0.05) 而由已知条件并设系统电流连续，则其额定转速下 的转速降为：
IN R 305 0.18 n 274 .5r / min Ce N 0.2
在如图所示的调速系统中，已知负载变化为： T ( s) 20 s 求：负载变化所产生的转速降。 若此时系统的给定量为： 态输出nN。 该系统是否能满足5%的静差率。
T(s),负载变化 Un（S）
+ 5 G1
10 ，此时系统的稳 U n (s) s
40 0.005s 1
G2
+ +
N（S） 8.33 (0.1s 1)(0.02s 1)
死区
U d ( s) Ks U c ( s)
死区：晶闸管触发装置和整流装置之间之是存在滞后作用 的，这主要是由于整流装置的失控时间造成的。由电力电 子学可知，晶闸管是一个半控型电子器件，在阳极正向电 压下，供给门极触发脉冲才能使其导通，晶闸管一旦导通， 门极便失去了作用。改变控制电压Uc，虽然可以使触发脉 冲的相位产生移动，但是也必须等正处于导通的元件完成 其导通周期并自然关断后，整流电压Ud才能与新的脉冲相 位相适应。因此这就造成整流电压Ud滞后于控制电压Uc的 情况。
比较放大 给定 晶闸管触 发整流
他励直流电动机
反馈电位器 测速发电机
由图可见，该系统的控制对象是直流电动机M，被控 量是电动机的转速n，晶闸管触发及整流电路为功率 放大和执行环节，由运算放大器构成的比例调节器 为电压放大和电压(综合)比较环节，电位器RP1为给 定元件，测速发电机TG与电位器RP2为转速检测元件。 该调速系统的组成框图如下:
直流调速系统：引言 转速负反馈晶闸管直流调速系统 小功率有静差直流调速系统实例分析 速度和电流双闭环直流调速系统 双极晶体管脉宽调制控制系统的直流调速系统
调速系统的性能指标
电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需 要根据工艺要求调节其转速。比如：在加工毛坯工件 时，为了防止工件表面对生产刀具的磨损，因此加工 时要求电机低速运行；而在对工件进行精加工时，为 了要缩短工加时间，提高产品的成本效益，因此加工 时要求电机高速运行。所以，我们就将调节电动机转 速，以适应生产要求的过程就称之为调速；而用于完 成这一功能的自动控制系统就被称为是调速系统。 目前调速系统分交流和直流调速系统，由于直流调速 系统的调速范围广，静差率小、稳定性好以及具有良 好的动态性能。因此在相当长的时期内，高性能的调 速系统几乎都采用了直流调速系统。但近年来，随着 电子工业与技术的发展，高性的交流调速系统的应用 范围逐扩大并大有取代直流调速系统发展趋势。但作 为一个延用了近百年的调速系统，了解其基本的工作 原理，并加深对自动控制原理的理解还是有必要的。
U fn n
称为转速反馈系数。
系统的自动调节过程：
电网 波动
负载波动
问题的提出（一）： 根据直流电动机电枢回路的平衡方程式可知，电枢电流 Id为： U C n U E
Id
d
e
当电机起动时，由于存在机械惯性，所以不可能立即转 动起来，即n=0，则其反电动势E=0。这时起动电流为：
R1 R1 U "k ( s) " U k [U fn ( s)] U fn ( s) R2 R2
所以当Us和Ufn共同作用时，有： R1 ' " U k U k U k [U s ( s) U fn ( s)] R2
转速检测环节(Speed Measurement Element) 转速的检测方式很多，有测速发电机、电磁感应传感 器、光电传感器等。读出量又分模拟量和数字量。此 系统中，转速反馈量需要的是模拟量，一般采用测速 发电机。 测速发电机分直流和交流两种。 测速反馈信号 U fn 与转速成正比，有：
故系统拢动量的误差函数：
E ( s) d ( s) T ( s)
20 当已知系统拢动量为： ( s ) T s
由终值定理可求得该系统在负载变化量T（s）作用 下的稳态误差为：
n lim s d ( s ) T ( s )
s 0
8.33(0.005 s 1) 20 lim s s 0 (0.1s 1)(0.02 s 1)(0.005 s 1) 16.66 s 10 r / min
调速范围 生产机械在额定负载时要求电动机提供的最高转速nmax 与最低转速nmin之比称为调速范围，用D表示。即：
静差率 调速系统在某一转速下稳定运行时，负载由理想空载 增 加到规定负载时，所对应的转速降落Δn与理想转速n0 之比，用s表示。即：
nmax D nmin
n0 n n s 100% 100% n0 n0
直流电动机(Direct Current Motor)
由基尔霍夫定律，可得他励直流电动机电枢回路的电 压方程：
did u a ia Ra La e dt
代入他励直流电动机的机电参数：
d Te CT ia Te TL J dt 2 d n dn 1 可得： TmTe Tm n ua dt dt Ce
两边取Laplace变换：
2百度文库
e Ce n
1 TmTe N ( s) s Tm N ( s) s N ( s) U a ( s) Ce 即他励直流电机的传递函数是：
1 Ce N ( s) G ( s) U a ( s) TmTe s 2 Tm s 1
晶闸管整流电路(Thyristor Rectifier)
电源及晶闸管电路
给 定 电 位 器
触发 电路
电 动 机
比较环节+比例调节器 测速电机
电流 载止 比较 电路
比较放大电路（Amplifier）
由叠加定理：当Us(s)单独作用 时，有： R1 R1 U ' k (s) ' U k U s ( s) U s (s) R2 R2 当Ufn(s)单独作用时，有：
线性放大区
晶闸管整流电路的调节特性 为输出的平均电压 U c 与触发 电路的控制电压 U d 之间的关 系，即 U d f (U c ) 。图7-4为 晶闸管整流装置的调节特性。 由图可见，它既有死区，又 会饱和。 如果在一定范围内将非线性 特性线性化，可以把它们之 间的关系视为由死区和线性 放大区两个部分级成。其中 线性放大区有：
电流截止负反馈的作用
可以通过一个电压比较环节，使电流负反馈环节只 有在电流超过某个允许值(称为阈值)时才起作用， 这就是电流截止负反馈。
电流截止负反馈环节的组成工作原理
n
额定电流时 堵转电流 时的实际 特性
堵转电流时 理想特性
挖土机特性
Id
当Id较小,即IdRc≤Uo时，则二极管VD截止，电流截止负 反馈不起作用。 当Id较大，即IdRc≥U0时，则二极管VD导通，电流截止负 反馈起作用，ΔU减小，Ud下降，Id下降到允许最电流。
√优点：晶闸管整流装置不但经济、可靠而且其功 率放大倍数在104以上，门极可直接采用电子电路 控制，响应速度为毫秒级。 缺点：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。另一问题是 当晶闸管导通角很小时，系统的功率因素很低， 并产生较大的谐波电流，从而引起电网电压波动 殃及同电网中的用电设备，造成“电力公害”。
带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统
带电流截止负反馈的单闭环直流 调速系统的框图
由于电流截止负反馈环节在 正常工作状况下不起作用， 所以系统框图上可以省去。
T(s),负载变化 电流载止
Ufi
Kp Ufn
Us（S）
+
Ks ss 1
+ +
1 Ce TmTe s 2 Tm s 1
N（S）
ud U d0 Ud1 α1 t1 t2 τ0 t3 Ud2
Uc
综上所述，晶闸管触发可控整流装置的传递函数可 以看成是由两个环节串联组成的。即：可以把它的 触发电压Uc与整流输出电压Ud之间的放大系数K视 为常数，而把晶闸管电路和整流装置可以看成是一 个具有纯滞后环节放大环节。这样就有：
Gk ( s) K s e
而静差率为：
n 275 s 21.5% n0 n 1000 275
由此例不难发现，象这样的电源——电动机所组成的 开环调速系统，是没有能力完成其调速指标的。要把 额定负载下的转速降从开环系统中的274.5降低到满 足要求的2.63就必须采用负反馈，这也就构成了我们 所谓的闭环直流调速系统——转速负反馈直流调速。
E U IR n CE CE
由直流他励电机有调速方式有三种调速方式：电枢 回路串电阻的变电阻调速，改变电枢电压的变电压 调速以及减小气隙磁通量的弱磁调速。 由于串电阻调速和弱磁调速都会使直流他励电机的 机械特性变软，所以在实际应用中我们通常采用的 是变电压调速。
这就是所谓的电 源—电动机调速 系统（V—M） 系统，它属于开 环系统。
在前几章中我们学过，各种自动化生产机械或系统 所提出的性能指标一般都可以分成稳态指标和动态 指标。对于调速系统来说也不例外，只是它作为一 个特定的系统，其稳态和动态指标有着具体而明确 定义。 稳态指标：主要是要求系统能在最高和最低转速 内进行平滑调节，并且在不同转速下工作时能稳 定运行，而在某一转速下稳定运行时，尽量少受 负载变化及电源电压波动的影响。因此它的指标 就是调速系统的调速范围和静差率。 动态性能指标：主要是平稳性和抗干扰能力。
由于负载变化呈下降趋势，所以系统在负载作用下 的工作转速下降了10r/min
10 若此时系统的给定量： U n ( s ) ，则由系统闭环传 s 递函数的概念，可得：
G1 ( s )G2 ( s )G3 ( s ) N ( s) (s) U (s) U (s) 1 G1 ( s )G2 ( s )G3 (3) H ( s ) 1666 U (s) (0.1s 1)(0.02 s 1)(0.005 s 1) 16.66
0 s
式中，τ0是晶闸管触发装置和整流装置的失控 时间，单位为秒。 若再考虑到τ0的延迟时间一般很小(三相桥式τ0＝ 1.7ms，单相全波τ0=5ms)。这样晶闸管整流装置的 传递函数为： U d ( s) K 0 s Gk ( s) Kse Ks U c ( s) 0s 1
0.01
解：由于负载变化量是扰动量，所以其扰动量的误 差传递函数为： G3 ( s ) d (s) 1 G1 ( s )G2 ( S )G3 ( S ) H ( s ) 8.33(0.005 s 1) (0.1s 1)(0.02 s 1)(0.005 s 1) 16.66
I d U d Ra 它只与电枢电压Ud和电枢电阻Ra有关。由于电枢电阻很 小，所以起动电流是很大的。为了避免起动时的电流冲 击，在电压不可调的场合，可采用电枢串电阻起动，在 电压可调的场合则采用降压起动——在调速系统中如何 处理。
Ra
d
Ra
另外，有些生产机械的电动机可能会遇到堵转情况。例如 由于故障造成机械轴被卡住，或挖土机工作时遇到坚硬的 石头等。在这此情况下，由于闭环系统的机械特性很硬， 若没有限流环节的保护，电枢电流将远远超过允许值。
两者之间的关系是： D
n s n(1 s)
他励直流电机的调速方案
他励直流电动机的转速公式： E U IR n CE CE 式中：U为他励电动的电枢电压 I为电枢电流 E为电枢电动势 R为电枢回路的总电阻 n为电机的转速 Φ为励磁磁通 CE为由电机结构决定的电动势系数
用晶闸管触发整流 整流电路实现电枢 电压可调，从而达 到改变电机转速的 目的。
例：某电源—电动机直流调速系统，已知电机的额定 转速为n=1000r/min，额定电流IN=305A，主回路电阻 R=0.18Ω，CeΦN=0.2，若要求电动机调速范围D=20， sn<5%，则该调速系统是否能满足要求？
解：如果要满足D=20，Sn<5%的要求，则其在额定条件 下的转速降为： ne s 1000 0.05 n 2.63% D(1 s) 20(1 0.05) 而由已知条件并设系统电流连续，则其额定转速下 的转速降为：
IN R 305 0.18 n 274 .5r / min Ce N 0.2
在如图所示的调速系统中，已知负载变化为： T ( s) 20 s 求：负载变化所产生的转速降。 若此时系统的给定量为： 态输出nN。 该系统是否能满足5%的静差率。
T(s),负载变化 Un（S）
+ 5 G1
10 ，此时系统的稳 U n (s) s
40 0.005s 1
G2
+ +
N（S） 8.33 (0.1s 1)(0.02s 1)
死区
U d ( s) Ks U c ( s)
死区：晶闸管触发装置和整流装置之间之是存在滞后作用 的，这主要是由于整流装置的失控时间造成的。由电力电 子学可知，晶闸管是一个半控型电子器件，在阳极正向电 压下，供给门极触发脉冲才能使其导通，晶闸管一旦导通， 门极便失去了作用。改变控制电压Uc，虽然可以使触发脉 冲的相位产生移动，但是也必须等正处于导通的元件完成 其导通周期并自然关断后，整流电压Ud才能与新的脉冲相 位相适应。因此这就造成整流电压Ud滞后于控制电压Uc的 情况。
比较放大 给定 晶闸管触 发整流
他励直流电动机
反馈电位器 测速发电机
由图可见，该系统的控制对象是直流电动机M，被控 量是电动机的转速n，晶闸管触发及整流电路为功率 放大和执行环节，由运算放大器构成的比例调节器 为电压放大和电压(综合)比较环节，电位器RP1为给 定元件，测速发电机TG与电位器RP2为转速检测元件。 该调速系统的组成框图如下:
直流调速系统：引言 转速负反馈晶闸管直流调速系统 小功率有静差直流调速系统实例分析 速度和电流双闭环直流调速系统 双极晶体管脉宽调制控制系统的直流调速系统
调速系统的性能指标
电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需 要根据工艺要求调节其转速。比如：在加工毛坯工件 时，为了防止工件表面对生产刀具的磨损，因此加工 时要求电机低速运行；而在对工件进行精加工时，为 了要缩短工加时间，提高产品的成本效益，因此加工 时要求电机高速运行。所以，我们就将调节电动机转 速，以适应生产要求的过程就称之为调速；而用于完 成这一功能的自动控制系统就被称为是调速系统。 目前调速系统分交流和直流调速系统，由于直流调速 系统的调速范围广，静差率小、稳定性好以及具有良 好的动态性能。因此在相当长的时期内，高性能的调 速系统几乎都采用了直流调速系统。但近年来，随着 电子工业与技术的发展，高性的交流调速系统的应用 范围逐扩大并大有取代直流调速系统发展趋势。但作 为一个延用了近百年的调速系统，了解其基本的工作 原理，并加深对自动控制原理的理解还是有必要的。
U fn n
称为转速反馈系数。
系统的自动调节过程：
电网 波动
负载波动
问题的提出（一）： 根据直流电动机电枢回路的平衡方程式可知，电枢电流 Id为： U C n U E
Id
d
e
当电机起动时，由于存在机械惯性，所以不可能立即转 动起来，即n=0，则其反电动势E=0。这时起动电流为：
R1 R1 U "k ( s) " U k [U fn ( s)] U fn ( s) R2 R2
所以当Us和Ufn共同作用时，有： R1 ' " U k U k U k [U s ( s) U fn ( s)] R2
转速检测环节(Speed Measurement Element) 转速的检测方式很多，有测速发电机、电磁感应传感 器、光电传感器等。读出量又分模拟量和数字量。此 系统中，转速反馈量需要的是模拟量，一般采用测速 发电机。 测速发电机分直流和交流两种。 测速反馈信号 U fn 与转速成正比，有：
故系统拢动量的误差函数：
E ( s) d ( s) T ( s)
20 当已知系统拢动量为： ( s ) T s
由终值定理可求得该系统在负载变化量T（s）作用 下的稳态误差为：
n lim s d ( s ) T ( s )
s 0
8.33(0.005 s 1) 20 lim s s 0 (0.1s 1)(0.02 s 1)(0.005 s 1) 16.66 s 10 r / min
调速范围 生产机械在额定负载时要求电动机提供的最高转速nmax 与最低转速nmin之比称为调速范围，用D表示。即：
静差率 调速系统在某一转速下稳定运行时，负载由理想空载 增 加到规定负载时，所对应的转速降落Δn与理想转速n0 之比，用s表示。即：
nmax D nmin
n0 n n s 100% 100% n0 n0
直流电动机(Direct Current Motor)
由基尔霍夫定律，可得他励直流电动机电枢回路的电 压方程：
did u a ia Ra La e dt
代入他励直流电动机的机电参数：
d Te CT ia Te TL J dt 2 d n dn 1 可得： TmTe Tm n ua dt dt Ce
两边取Laplace变换：
2百度文库
e Ce n
1 TmTe N ( s) s Tm N ( s) s N ( s) U a ( s) Ce 即他励直流电机的传递函数是：
1 Ce N ( s) G ( s) U a ( s) TmTe s 2 Tm s 1
晶闸管整流电路(Thyristor Rectifier)
电源及晶闸管电路
给 定 电 位 器
触发 电路
电 动 机
比较环节+比例调节器 测速电机
电流 载止 比较 电路
比较放大电路（Amplifier）
由叠加定理：当Us(s)单独作用 时，有： R1 R1 U ' k (s) ' U k U s ( s) U s (s) R2 R2 当Ufn(s)单独作用时，有：
线性放大区
晶闸管整流电路的调节特性 为输出的平均电压 U c 与触发 电路的控制电压 U d 之间的关 系，即 U d f (U c ) 。图7-4为 晶闸管整流装置的调节特性。 由图可见，它既有死区，又 会饱和。 如果在一定范围内将非线性 特性线性化，可以把它们之 间的关系视为由死区和线性 放大区两个部分级成。其中 线性放大区有：
电流截止负反馈的作用
可以通过一个电压比较环节，使电流负反馈环节只 有在电流超过某个允许值(称为阈值)时才起作用， 这就是电流截止负反馈。
电流截止负反馈环节的组成工作原理
n
额定电流时 堵转电流 时的实际 特性
堵转电流时 理想特性
挖土机特性
Id
当Id较小,即IdRc≤Uo时，则二极管VD截止，电流截止负 反馈不起作用。 当Id较大，即IdRc≥U0时，则二极管VD导通，电流截止负 反馈起作用，ΔU减小，Ud下降，Id下降到允许最电流。
√优点：晶闸管整流装置不但经济、可靠而且其功 率放大倍数在104以上，门极可直接采用电子电路 控制，响应速度为毫秒级。 缺点：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。另一问题是 当晶闸管导通角很小时，系统的功率因素很低， 并产生较大的谐波电流，从而引起电网电压波动 殃及同电网中的用电设备，造成“电力公害”。
带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统
带电流截止负反馈的单闭环直流 调速系统的框图
由于电流截止负反馈环节在 正常工作状况下不起作用， 所以系统框图上可以省去。
T(s),负载变化 电流载止
Ufi
Kp Ufn
Us（S）
+
Ks ss 1
+ +
1 Ce TmTe s 2 Tm s 1
N（S）
ud U d0 Ud1 α1 t1 t2 τ0 t3 Ud2
Uc
综上所述，晶闸管触发可控整流装置的传递函数可 以看成是由两个环节串联组成的。即：可以把它的 触发电压Uc与整流输出电压Ud之间的放大系数K视 为常数，而把晶闸管电路和整流装置可以看成是一 个具有纯滞后环节放大环节。这样就有：
Gk ( s) K s e
而静差率为：
n 275 s 21.5% n0 n 1000 275
由此例不难发现，象这样的电源——电动机所组成的 开环调速系统，是没有能力完成其调速指标的。要把 额定负载下的转速降从开环系统中的274.5降低到满 足要求的2.63就必须采用负反馈，这也就构成了我们 所谓的闭环直流调速系统——转速负反馈直流调速。
E U IR n CE CE
由直流他励电机有调速方式有三种调速方式：电枢 回路串电阻的变电阻调速，改变电枢电压的变电压 调速以及减小气隙磁通量的弱磁调速。 由于串电阻调速和弱磁调速都会使直流他励电机的 机械特性变软，所以在实际应用中我们通常采用的 是变电压调速。
这就是所谓的电 源—电动机调速 系统（V—M） 系统，它属于开 环系统。
在前几章中我们学过，各种自动化生产机械或系统 所提出的性能指标一般都可以分成稳态指标和动态 指标。对于调速系统来说也不例外，只是它作为一 个特定的系统，其稳态和动态指标有着具体而明确 定义。 稳态指标：主要是要求系统能在最高和最低转速 内进行平滑调节，并且在不同转速下工作时能稳 定运行，而在某一转速下稳定运行时，尽量少受 负载变化及电源电压波动的影响。因此它的指标 就是调速系统的调速范围和静差率。 动态性能指标：主要是平稳性和抗干扰能力。
由于负载变化呈下降趋势，所以系统在负载作用下 的工作转速下降了10r/min
10 若此时系统的给定量： U n ( s ) ，则由系统闭环传 s 递函数的概念，可得：
G1 ( s )G2 ( s )G3 ( s ) N ( s) (s) U (s) U (s) 1 G1 ( s )G2 ( s )G3 (3) H ( s ) 1666 U (s) (0.1s 1)(0.02 s 1)(0.005 s 1) 16.66
0 s
式中，τ0是晶闸管触发装置和整流装置的失控 时间，单位为秒。 若再考虑到τ0的延迟时间一般很小(三相桥式τ0＝ 1.7ms，单相全波τ0=5ms)。这样晶闸管整流装置的 传递函数为： U d ( s) K 0 s Gk ( s) Kse Ks U c ( s) 0s 1