电力拖动与运动控制系统：第1章 单闭环直流调速系统

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1、Spring 2015Motion Control Systems1第一部分第一部分 直流调速系统直流调速系统 （约（约2828学时）学时）1.1.第一章（转速负反馈）单闭环直流调速系统第一章（转速负反馈）单闭环直流调速系统2.2.第二章第二章 双闭环（速度环双闭环（速度环+ +电流环）直流调速系统电流环）直流调速系统 3.3.第三章第三章 直流可逆（晶闸管反并联）调速系统直流可逆（晶闸管反并联）调速系统4.4.第四章第四章 直流脉宽调速系统（直流脉宽调速系统（PWMPWM）5.5.第五章第五章 数字控制的直流调速系统与数字控制的直流调速系统与MATLABMATLAB仿真（自学）仿真（自学）第

2、二部分第二部分 交流调速系统交流调速系统 （约（约2020学时）学时）1.1.第六章第六章 交流调速系统（调压调速、串级调速）交流调速系统（调压调速、串级调速） 2.2.第七章第七章 交流异步电动机变频调速系统；交流异步电动机变频调速系统；课程内容提要课程内容提要-重点内容重点内容重点内容重点内容Spring 2015Motion Control Systems2运动控制系统运用最普遍：运动控制系统运用最普遍：自动调速系统自动调速系统直流电动机直流电动机是最古老的电动机是最古老的电动机 也是控制性能最好的电动机也是控制性能最好的电动机重要性及必要性重要性及必要性第第1 1部分部分 直流调速系统

3、直流调速系统Spring 2015Motion Control Systems33调速：速：人人为改改变速度的方法速度的方法可以用可以用机械机械的方法或的方法或电气气的方法的方法实现调速速电气气调速：速：人人为地改地改变电气参数，有意气参数，有意识地使地使电动机工作机工作点由一条机械特性曲点由一条机械特性曲线转换到另一条机械特性曲到另一条机械特性曲线上，上，为了生了生产需要而需要而对电动机机调速速进行的一种控制行的一种控制调速与速与电动机在机在负载或或电压随机波随机波动时而引起的而引起的转速速扰动变化是两个不同的概念化是两个不同的概念引言引言第第1 1部分部分 直流调速系统直流调速系统Spri

4、ng 2015Motion Control Systems4直流电动机的优点直流电动机的优点：具有极好的运行性能和控制特：具有极好的运行性能和控制特性，良好的起、制动性能，易于在广范围内平滑调速。性，良好的起、制动性能，易于在广范围内平滑调速。应用应用：在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、：在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到广范应用。长期以来直流调速电力拖动的领域中得到广范应用。长期以来直流调速系统一直占据垄断地位。系统一直占据垄断地位。引言引言第第1 1部分部分 直流调速

5、系统直流调速系统Spring 2015Motion Control Systems5直流电机的工作原理和主要结构直流电机的工作原理和主要结构1 1、直流电机的物理模型图解及基本结构、直流电机的物理模型图解及基本结构第第1 1部分部分 直流调速系统直流调速系统Spring 2015Motion Control Systems62 2、直流电机的工作原理：、直流电机的工作原理：第第1 1部分部分 直流调速系统直流调速系统Spring 2015Motion Control Systems7第第1 1部分部分 直流调速系统直流调速系统Spring 2015Motion Control Systems8

6、 将直流将直流电动机的工作原理机的工作原理归结如下：如下： 将直流将直流电源通源通过电刷接通刷接通电枢枢绕组，使，使电枢枢导体有体有电流流流流过。 电机内部有机内部有磁磁场存在存在( (可以由永磁体或定子励磁可以由永磁体或定子励磁电流流im产生（他励），磁生（他励），磁动势F=F=imN)N)。 载流的流的转子（即子（即电枢）枢）导体将受到体将受到电磁力磁力 f f 的作用的作用 f=Bli f=Bli （左手定（左手定则） 所有所有导体体产生的生的电磁力作用于磁力作用于转子，使子，使转子以子以n(n(转/ /分分) )旋旋转。Spring 2015Motion Control Systems

7、99电机的基本结构电机的基本结构Spring 2015Motion Control Systems10101. 1. 风扇风扇 2. 2. 机座机座3. 3. 电枢电枢 4. 4. 主磁极主磁极5. 5. 刷架刷架 6. 6. 换向器换向器7. 7. 接线板接线板 8. 8. 出线盒出线盒9. 9. 换向极换向极 10. 10. 端盖端盖直流电机的结构图直流电机的结构图Spring 2015Motion Control Systems112024/7/3011直流电动机的铭牌数据直流电动机的铭牌数据Spring 2015Motion Control Systems1212直流电动机的铭牌数据直

8、流电动机的铭牌数据额定运行情况：定运行情况：根据根据电机的机的设计和和试验数据，按照国家数据，按照国家标准准规定的定的电机机的正常运行状的正常运行状态和条件和条件额定定值（铭牌数据）：牌数据）：表征表征电机机额定运行情况的各种数据定运行情况的各种数据Spring 2015Motion Control Systems13直流电动机的等效电路图直流电动机的等效电路图M+ +_ _dUdIRL+ +_ _E En nLTeT瞬时电压平衡方程式：瞬时电压平衡方程式：第第1 1部分部分 直流调速系统直流调速系统电磁转矩方程式：电磁转矩方程式：Spring 2015Motion Control Syste

9、ms14式中式中 转速（转速（r/min）；）； 电机电枢电压（电机电枢电压（V）；）； 电枢电流（电枢电流（A）；）； 电机电枢电阻（电机电枢电阻（ ）；）； 励磁磁通（励磁磁通（Wb）；）； 由电机结构决定的电动势常数；由电机结构决定的电动势常数； 由电机结构决定的转矩常数；由电机结构决定的转矩常数； 电机在恒定磁通下的电动势转速比电机在恒定磁通下的电动势转速比第第1 1部分部分 直流调速系统直流调速系统nUdIdRKeKTCeSpring 2015Motion Control Systems15：电动机提供的电磁转矩（动力转矩）：电动机提供的电磁转矩（动力转矩）：负载对运动力的反抗作用表

10、现为负载转矩（阻力转矩）：负载对运动力的反抗作用表现为负载转矩（阻力转矩）第第1 1部分部分 直流调速系统直流调速系统：工作机械系统折算到电动机轴上的总转动惯量工作机械系统折算到电动机轴上的总转动惯量：电动机的角速度（：电动机的角速度（rad/s）（）（ ）运动平衡方程：运动平衡方程：eTLTSpring 2015Motion Control Systems16系统加速系统加速系统减速系统减速系统恒速或静止系统恒速或静止第第1 1部分部分 直流调速系统直流调速系统Spring 2015Motion Control Systems17 稳定运行的含义稳定运行的含义：（1 1）使系统以一定的速度匀

11、速运转，即）使系统以一定的速度匀速运转，即 ；（2 2）系统受到干扰转速稍有变化时，应保证干扰消除后仍能）系统受到干扰转速稍有变化时，应保证干扰消除后仍能 以原来的转速运行。以原来的转速运行。 要使系统稳定运行，必须使电动机的电磁转矩和负载转矩要使系统稳定运行，必须使电动机的电磁转矩和负载转矩大小相等（大小相等（必要条件必要条件），方向相反，相互平衡。即），方向相反，相互平衡。即第第1 1部分部分 直流调速系统直流调速系统直直流电动机稳定运行时的电压平衡方程：流电动机稳定运行时的电压平衡方程：Spring 2015Motion Control Systems18机械特性：机械特性：直流直流电动

12、机的机械特性电动机的机械特性: :在电动机的电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为在电动机的电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值恒值的条件的条件下，即电动机处于下，即电动机处于稳态运行稳态运行时，时，电动机的转速与电磁转矩之间电动机的转速与电磁转矩之间的关系。的关系。第第1 1部分部分 直流调速系统直流调速系统n0nNTLTn n斜率大，特性软斜率大，特性软斜率小，特性硬斜率小，特性硬Spring 2015Motion Control Systems19直流调速方法：直流调速方法：根据直流电动机转速方程：根据直流电动机转速方程：式中式中 转速（转速（r/minr/min）；）； 电机电枢电压（电

13、机电枢电压（V V）；）； 电枢电流（电枢电流（A A）；）； 电机电枢电阻（电机电枢电阻（ ）；）； 励磁磁通（励磁磁通（WbWb）；）； 由电机结构决定的电动势常数；由电机结构决定的电动势常数； 电机在恒定磁通下的电动势转速比电机在恒定磁通下的电动势转速比RnUdIdKeCe第第1 1部分部分 直流调速系统直流调速系统Spring 2015Motion Control Systems20有三种方法可以调节电动机的转速：有三种方法可以调节电动机的转速： （1）调节电枢供电电压）调节电枢供电电压 Ud； （2）减弱励磁磁通）减弱励磁磁通 ； （3）改变电枢回路电阻）改变电枢回路电阻 R ；第第

14、1 1部分部分 直流调速系统直流调速系统Spring 2015Motion Control Systems21（1 1）调压调速）调压调速 工作条件：工作条件： 保持励磁保持励磁 = N ； 保持电阻保持电阻 R = Ra 调节过程：调节过程： 改变电压改变电压 UN U U n ， n0 调速特性：调速特性： 转速下降，机械特性曲线平行转速下降，机械特性曲线平行 下移。下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线调压调速特性曲线第第1 1部分部分 直流调速系统直流调速系统Spring 2015Motion Control Systems22（2 2）调阻调速）调

15、阻调速工作条件：工作条件： 保持励磁保持励磁 = = N N ； 保持电压保持电压 U = UU = UN N ；调节过程：调节过程： 增加电阻增加电阻 R Ra a R R R R n n ，n n0 0不变；不变；调速特性：调速特性： 转速下降，机械特性曲线变软。转速下降，机械特性曲线变软。OIILnn0R aR 1R 2R 3nNn1n2n3调阻调速特性曲线调阻调速特性曲线第第1 1部分部分 直流调速系统直流调速系统Spring 2015Motion Control Systems23（3 3）调磁调速）调磁调速工作条件：工作条件： 保持电压保持电压 U =UN ； 保持电阻保持电阻 R

16、 = Ra ；调节过程：调节过程： 减小励磁减小励磁 N n ， n0 调速特性：调速特性： 转速上升，机械特性曲线变软。转速上升，机械特性曲线变软。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3调压调速特性曲线调压调速特性曲线第第1 1部分部分 直流调速系统直流调速系统Spring 2015Motion Control Systems24三种调速方法的性能与比较：三种调速方法的性能与比较：对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节调节电枢供电电压的方式为最好电枢供电电压的方式为最好。改变。改变电阻只能有级调速电阻只能有级调速；减；减弱磁

17、通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升合调压方案，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。速。因此，因此，自动控制的直流调速系统往往以自动控制的直流调速系统往往以调压调速调压调速为主。为主。第第1 1部分部分 直流调速系统直流调速系统25Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统第第1 1章章 单闭环调速系统单闭环调速系统本章着重本章着重讨论基本的基本的单闭环控制系控制系 统及其分析与及其分析与设计方法。方法。

18、内容提要：内容提要：1.1 直流直流调速系速系统的构成的构成 1.2 单闭环调速系速系统的的稳态分析与分析与设计 1.3 单闭环调速系速系统的的动态分析与分析与设计 1.4 无静差无静差调速系速系统1.5 电压反反馈电流流补偿控制的控制的调速系速系统26Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统直流调速系统用的可控直流电源直流调速系统用的可控直流电源 根根据据前前面面分分析析，调压调速速是是直直流流调速速系系统的的主主要要方方法法，而而调节电枢枢电压需需要要有有专门向向电动机供机供电的的可控直流可控直流电源源。 本本节

19、介介绍几种主要的可控直流几种主要的可控直流电源。源。27Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统常用的可控直流电源有以下三种常用的可控直流电源有以下三种旋旋转变流机流机组用交流用交流电动机和直流机和直流发电机机组成机成机组，以，以获得可得可调的直流的直流电压。静止式可控整流器静止式可控整流器用静止式的可控整流器，用静止式的可控整流器，以以获得可得可调的直流的直流电压。直流直流斩波器或脉波器或脉宽调制制变换器器用恒定直流用恒定直流电源或不控整流源或不控整流电源供源供电，利用，利用电力力电子开关器件子开关器件斩波或波或进

20、行脉行脉宽调制，以制，以产生可生可变的平均的平均电压。28Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统1.1.1 1.1.1 旋转变流机组旋转变流机组图图1-11-1旋转变流机组供电的直流调速系统（旋转变流机组供电的直流调速系统（G-MG-M系统）系统） 29Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统G-MG-M系统工作原理系统工作原理 由原由原动机（柴油机、交流异步或同步机（柴油机、交流异步或同步电动机）机）拖拖动直流直流发电机机 G 实现变流

21、，由流，由 G 给需要需要调速的直流速的直流电动机机 M 供供电，调节G 的励磁的励磁电流流 if 即可改即可改变其其输出出电压 U，从而，从而调节电动机的机的转速速 n 。 这样的的调速系速系统简称称G-M系系统，国，国际上通称上通称Ward-Leonard系系统。30Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统G-MG-M系统特性系统特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限图图1-2 G-M系统机械特性系统机械特性31Spring 2015Motion Control Systems

22、第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 1.1.2 1.1.2 静止式可控整流器静止式可控整流器图图1-3 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）系统） 32Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统V-MV-M系统工作原理系统工作原理 晶晶闸管管-电动机机调速系速系统（简称称V-M系系统，又，又称静止的称静止的Ward-Leonard系系统），），图中中VT是晶是晶闸管可控整流器，通管可控整流器，通过调节触触发装置装置 GT 的的控制控制电压 Uc 来移来移

23、动触触发脉冲的相位，即可改脉冲的相位，即可改变整流整流电压Ud ，从而，从而实现平滑平滑调速。速。33Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统V-MV-M系统的特点系统的特点l与与G-M系系统相比相比较：l晶晶闸管整流装置不管整流装置不仅在在经济性和可靠性上都有很性和可靠性上都有很大提高，而且在技大提高，而且在技术性能上也性能上也显示出示出较大的大的优越越性。晶性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在管可控整流器的功率放大倍数在104 以上以上，其，其门极极电流可以直接用晶体管来控制，不再像流可以直接用晶体管来控制，不再

24、像直流直流发电机那机那样需要需要较大功率的放大器。大功率的放大器。l在控制作用的快速性上，在控制作用的快速性上，变流机流机组是秒是秒级，而晶，而晶闸管整流器是毫秒管整流器是毫秒级，这将大大提高系将大大提高系统的的动态性能。性能。34Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统V-MV-M系统的问题系统的问题l由于晶由于晶闸管的管的单向向导电性，它不允性，它不允许电流反向，流反向，给系系统的可逆运行造成困的可逆运行造成困难。l晶晶闸管管对过电压、过电流和流和过高的高的dV/dtdV/dt与与di/dt di/dt 都十分敏

25、感，若超都十分敏感，若超过允允许值会在很短的会在很短的时间内内损坏器件。坏器件。l由由谐波与无功功率引起波与无功功率引起电网网电压波形畸波形畸变，殃及，殃及附近的用附近的用电设备，造成，造成“电力公害力公害”。35Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统a）原理图）原理图b）电压波形图）电压波形图tOuUsUdTton控制电路控制电路M1. 1. 直流斩波器的基本结构直流斩波器的基本结构图图1-5 1-5 直流斩波器直流斩波器- -电动机系统的原理图和电压波形电动机系统的原理图和电压波形 1.1.3 1.1.3 直流

26、斩波器或脉宽调制变换器直流斩波器或脉宽调制变换器36Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 2. 2. 斩波器的基本控制原理斩波器的基本控制原理 在原理在原理图中，中，VT 表示表示电力力电子开关器件，子开关器件，VD 表表示示续流二极管。当流二极管。当VT 导通通时，直流，直流电源源电压 Us 加到加到电动机上；当机上；当VT 关断关断时，直流，直流电源与源与电机脱机脱开，开，电动机机电枢枢经 VD 续流，两端流，两端电压接近于零。接近于零。如此反复，如此反复，电枢端枢端电压波形如波形如图1-5b ，好像是，好像

27、是电源源电压Us在在ton 时间内被接上，又在内被接上，又在 T ton 时间内内被被斩断，故称断，故称“斩波波”。37Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统这样，电动机得到的平均电压为这样，电动机得到的平均电压为 3. 3. 输出电压计算输出电压计算式中式中 T 晶闸管的开关周期；晶闸管的开关周期； ton 开通时间；开通时间； 占空比，占空比， = ton / T = ton f ；其中；其中 f 为开关频率。为开关频率。38Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭

28、环直流调速系统单闭环直流调速系统 为了了节能，并能，并实行无触点控制，行无触点控制，现在多用在多用电力力电子开关器件，如快速晶子开关器件，如快速晶闸管、管、GTO、IGBT等。等。 采用采用简单的的单管控制管控制时，称作，称作直流直流斩波器波器，后，后来逐来逐渐发展成采用各种脉冲展成采用各种脉冲宽度度调制开关的制开关的电路，路，脉脉宽调制制变换器（器（PWM-Pulse Width Modulation）。）。39Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 4. 4. 斩波电路三种控制方式斩波电路三种控制方式根据根据对

29、输出出电压平均平均值进行行调制的方式不同而划制的方式不同而划分，有三种控制方式：分，有三种控制方式：T 不不变，变 ton 脉冲脉冲宽度度调制（制（PWM）；）；ton不不变，变 T 脉冲脉冲频率率调制（制（PFM）；）；ton和和 T 都可都可调，改，改变占空比占空比混合型。混合型。40Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统PWMPWM系统的优点系统的优点（1 1）主）主电路路线路路简单，需用的功率器件少；，需用的功率器件少；（2 2）开关）开关频率高，率高，电流容易流容易连续，谐波少，波少，电机机损耗及耗及发热

30、都都较小；小；（3 3）低速性能好，）低速性能好，稳速精度高，速精度高，调速范速范围宽，可达，可达1 1: :1000010000左左右；右；（4 4）若与快速响）若与快速响应的的电机配合，机配合，则系系统频带宽，动态响响应快，快，动态抗抗扰能力能力强；（5 5）功率开关器件工作在开关状）功率开关器件工作在开关状态，导通通损耗小，当开关耗小，当开关频率适当率适当时，开关，开关损耗也不大，因而装置效率耗也不大，因而装置效率较高；高；（6 6）直流）直流电源采用不控整流源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器网功率因数比相控整流器高。高。41Spring 2015Motion Control S

31、ystems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统小小 结结l三种可控直流三种可控直流电源，源，V-MV-M系系统在上世在上世纪60-7060-70年年代得到广泛代得到广泛应用，目前主要用于大容量系用，目前主要用于大容量系统。l直流直流PWMPWM调速系速系统作作为一种新技一种新技术，发展迅速，展迅速，应用日益广泛，特用日益广泛，特别在中、小容量的系在中、小容量的系统中，中，已取代已取代V-MV-M系系统成成为主要的直流主要的直流调速方式。速方式。42Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统本本 章章

32、提提 要要本章着重本章着重讨论基本的基本的单闭环控制系控制系 统及其分析与及其分析与设计方法。方法。1.1 1.1 直流直流调速系速系统的构成的构成 1.2 1.2 单闭环调速系速系统的的稳态分析与分析与设计 1.3 1.3 单闭环调速系速系统的的动态分析与分析与设计 1.4 1.4 无静差无静差调速系速系统1.5 1.5 电压反反馈电流流补偿控制的控制的调速系速系统43Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统431.2 1.2 单闭环调速系统的稳态分析与设计单闭环调速系统的稳态分析与设计1.2.0 1.2.0 晶闸

33、管晶闸管- -电动机系统（电动机系统（V-MV-M系统）的主要问题系统）的主要问题 本小节讨论本小节讨论V-M系统的几个主要问题：系统的几个主要问题：（1）触发脉冲相位控制）触发脉冲相位控制（2）晶闸管的触发电路）晶闸管的触发电路（3）V-M系统等效电路分析系统等效电路分析（4）电流脉动及其波形的连续与断续）电流脉动及其波形的连续与断续（5）抑制电流脉动的措施；）抑制电流脉动的措施；44Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统晶闸管晶闸管- -电动机直流调速系统（电动机直流调速系统（V-MV-M系统）系统）图图1-3

34、 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）系统） 45Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统KGAVTTRa)u1u2uVTudidqtp2pt0tttu2uguduVT0b)c)d)e)00（1 1）触发脉冲相位控制）触发脉冲相位控制 （电阻负载）（电阻负载）46Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 在如在如图可控整流可控整流电路中，路中，调节触触发装装置置 GT GT 输出脉冲的出脉冲的

35、相位，即可很方便相位，即可很方便地改地改变可控整流器可控整流器 VT VT 输出瞬出瞬时电压u ud d 的波形，以及的波形，以及输出出平均平均电压U Ud d 的数的数值（1 1）触发脉冲相位控制）触发脉冲相位控制 （阻感负载）（阻感负载）47Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 晶闸管与硅整流二极管相似，都具有反向阻断能晶闸管与硅整流二极管相似，都具有反向阻断能力，但晶闸管还具有正向阻断能力，即晶闸管正向力，但晶闸管还具有正向阻断能力，即晶闸管正向导通同时必备两个导通同时必备两个条件：条件： (1) (1)

36、阳极与阴极之间加上正向电压；阳极与阴极之间加上正向电压； (2) (2) 门极与阴极之间加上适当的正向电压。门极与阴极之间加上适当的正向电压。 晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管一旦导通，门极即失去控制作用，故晶闸管为半控型器件。晶闸管为半控型器件。n晶闸管导通条件晶闸管导通条件48Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 晶闸管一旦导通，控制极晶闸管一旦导通，控制极( (门极门极) )即失去控制作用。要即失去控制作用。要使晶闸管重新关断，必须满足使晶闸管重新关断，必须满足晶闸管关断的条件：晶闸管关断的条件

37、：使流使流过晶闸管的阳极电流小于晶闸管规定的维持电流。过晶闸管的阳极电流小于晶闸管规定的维持电流。 关断实现的方式之一：关断实现的方式之一：（1 1）减小阳极电压（到零）减小阳极电压（到零）（2 2）增大负载电阻（将阳极电流减小到小于维持电流）增大负载电阻（将阳极电流减小到小于维持电流）（3 3）加反向阳极电压）加反向阳极电压n晶闸管关断条件晶闸管关断条件49Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 (2)(2)晶闸管的触发电路晶闸管的触发电路 相控电路相控电路l 晶闸管可控整流电路，通过控制触发角晶闸管可控整流电路

38、，通过控制触发角 的大小的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小。即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小。相控电路的驱动控制相控电路的驱动控制l 为为保保证证相相控控电电路路的的正正常常工工作作，很很重重要要的的一一点点是是应应保保证证按按触触发发角角的的大大小小在在正正确确的的时时刻刻向向电电路路中中的的晶晶闸管施加有效的触发信号。闸管施加有效的触发信号。l 晶晶闸闸管管相相控控电电路路，习习惯惯称称为为触触发发电电路路（触触发发装装置置、触发器、触发器、驱动电路驱动电路）。）。50Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单

39、闭环直流调速系统 对于触于触发电路的基本要求：路的基本要求：l触触发信号的形式：常用脉冲信号，如下信号的形式：常用脉冲信号，如下图l触触发信信号号的的触触发功功率率：要要求求脉脉冲冲必必须具具有有足足够的的功功率率，且且不超不超过晶晶闸管管门极最大允极最大允许功率功率l触触发脉冲的脉冲的宽度：要求脉冲要具有一定的度：要求脉冲要具有一定的宽度，前沿要陡度，前沿要陡l触触发脉冲的移相范脉冲的移相范围：要求能：要求能满足主足主电路移相范路移相范围的要求的要求l触触发脉脉冲冲与与主主电路路的的相相位位关关系系：要要求求触触发电路路必必须与与晶晶闸管的主管的主电压保持同步保持同步l其它其它51Sprin

40、g 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统正弦波正弦波尖脉冲尖脉冲方脉冲方脉冲强触发脉冲强触发脉冲脉冲序列脉冲序列图图 常见的触发脉冲电压波形常见的触发脉冲电压波形n n 常见的触发脉冲电压波形如下：常见的触发脉冲电压波形如下：常见的触发脉冲电压波形如下：常见的触发脉冲电压波形如下：52Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统n集成触发电路集成触发电路三相全控三相全控桥式集成触式集成触发电路路 3个个KJ004（KC04）集集成成块和和1个个KJ041

41、（KC41C）集集成成块，可可形形成成六六路路双脉冲，再由六个晶体管双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可。行脉冲放大即可。 图图 三相全控桥式整流电路的集成触发电路三相全控桥式整流电路的集成触发电路 53Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统实例：实例：V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图54Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统（3 3）V-MV-M系统等效电路分析系统等效电路分析 图1

42、-3 V-M直流直流调速系速系统，如果把整流装置（晶如果把整流装置（晶闸管管+触触发装置）内阻移到装置）内阻移到装置外装置外边，看成是其，看成是其负载电路路电阻的一部分，阻的一部分，那么，整流那么，整流电压便可以便可以用其用其理想空理想空载瞬瞬时值 ud0 和平均和平均值 Ud0 来表示，来表示，相当于用相当于用图示的等效示的等效电路代替路代替实际的整流的整流电路。路。图图 V-M系统主电路的等效电路图系统主电路的等效电路图 Ud0IdE55Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 式中式中 电动机反电动势；电动机反

43、电动势； 整流电流瞬时值；整流电流瞬时值； 主电路总电感（主电路总电感（包括：电机电枢电感包括：电机电枢电感 +平波电抗器电感平波电抗器电感）；）； 主电路等效电阻；主电路等效电阻；且有且有 R = Rs + Ra（包括：包括：整流内阻整流内阻+电机电枢电阻电机电枢电阻) (平波电抗器电阻可忽略不计）平波电抗器电阻可忽略不计）EidLRn 瞬时电压平衡方程瞬时电压平衡方程56Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统对ud0进行行积分，即得分，即得理想空理想空载整流整流电压平均平均值Ud0 。用触用触发脉冲的相位角脉冲

44、的相位角 控制整流控制整流电压的平均的平均值Ud0是晶是晶闸管整流器的特点。管整流器的特点。Ud0与触与触发脉冲相位角脉冲相位角 的关系因整流的关系因整流电路路的形式而异，的形式而异，对于一般的全控整流于一般的全控整流电路，当路，当电流波形流波形连续时，Ud0 = f ( ) 可用下式表示可用下式表示57Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统n 整流电压的平均值计算整流电压的平均值计算 式中式中 从自然换相点算起的触发脉冲控制角；从自然换相点算起的触发脉冲控制角； = 0 时的整流电压波形峰值；时的整流电压波形峰值

45、； 交流电源一周内的整流电压脉波数；交流电源一周内的整流电压脉波数；对于不同的整流电路，它们的数值如下表所示。对于不同的整流电路，它们的数值如下表所示。Umm(1-2)(1-2)cossinmd0mUmU=58Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统表表 不同整流电路的整流电压值不同整流电路的整流电压值* U2 是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。是整流变压器二次侧额定相电压的有效值。59Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统（4） 电

46、流脉动及其波形的连续与断续电流脉动及其波形的连续与断续 由于由于电流波形的脉流波形的脉动，可能出，可能出现电流流连续和断和断续两两种情况。当种情况。当V-MV-M系系统主主电路有足路有足够大的大的电感量，而且感量，而且电动机的机的负载也足也足够大大时，整流，整流电流便具有流便具有连续的脉的脉动波形波形。当。当电感量感量较小或小或负载较轻时，在某一相，在某一相导通后通后电流升高的流升高的阶段里，段里，电感中的感中的储能能较少；等到少；等到电流下流下降而下一相尚未被触降而下一相尚未被触发以前，以前，电流已流已经衰减到零，于衰减到零，于是，便造成是，便造成电流波形断流波形断续的情况。的情况。60Sp

47、ring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统n V-M V-M系统主电路系统主电路的输出的输出图图 V-MV-M系统的电流波形系统的电流波形a a）电流连续）电流连续b b）电流断续）电流断续OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEUdudttudidid61Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统（5 5）抑制电流脉动的措施）抑制电流脉动的措施 在在V-MV-M系系统中，脉中，脉动电流会流会产生脉生脉动

48、的的转矩，矩，对生生产机械不利，同机械不利，同时也增加也增加电机的机的发热。为了了避免或减避免或减轻这种影响，种影响，须采用抑制采用抑制电流脉流脉动的的措施。措施。设置平波置平波电抗器抗器，可以使得，可以使得电流流连续且且脉脉动小小。62Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统n平波电抗器的设置与计算平波电抗器的设置与计算单相相桥式全控整流式全控整流电路路 三相半波整流三相半波整流电路路 三相三相桥式整流式整流电路路 63Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速

49、系统单闭环直流调速系统 式中式中 电动机反电动势；电动机反电动势； 整流电流瞬时值；整流电流瞬时值； 主电路总电感主电路总电感 （包括：电机电枢电感包括：电机电枢电感+平波电抗器电感平波电抗器电感）；）； 主电路等效电阻；主电路等效电阻；且有且有 R = Rs + Ra （包括：包括：整流内阻整流内阻+电机电枢电阻电机电枢电阻）EidLR瞬时电压平衡方程瞬时电压平衡方程1.2.1 V-M1.2.1 V-M系统的开环机械特性系统的开环机械特性图图 V-M系统主电路的等效电路图系统主电路的等效电路图 Ud0IdE64Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章

50、单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统64对应平均电压对应平均电压U Ud0d0的电压平衡方程式：的电压平衡方程式：65Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统65 开环调速系统的机械特性在形式上与直流电动机的电动势开环调速系统的机械特性在形式上与直流电动机的电动势开环调速系统的机械特性在形式上与直流电动机的电动势开环调速系统的机械特性在形式上与直流电动机的电动势平衡方程式类似，但是两者有本质的不同平衡方程式类似，但是两者有本质的不同平衡方程式类似，但是两者有本质的不同平衡方程式类似，但是两者有本质的不同66Sprin

51、g 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统66 改变晶闸管控制角，就可以改变改变晶闸管控制角，就可以改变Ud0 。晶闸管整流装置可以。晶闸管整流装置可以 看成是一个线性的可控电压源看成是一个线性的可控电压源 通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路 的输出平均电压，达到调节电动机转速的目的的输出平均电压，达到调节电动机转速的目的 控制电压与输出转速之间只有顺向作用而无反向联系，输控制电压与输出转速之间只有顺向作用而无反向联系，输 出转速并不影响控制电压，属于开环调速系统

52、出转速并不影响控制电压，属于开环调速系统 开环调速系统适用于生产机械对静差率要求不高的场合，开环调速系统适用于生产机械对静差率要求不高的场合， 结构简单，能实现一定范围内的无级调速结构简单，能实现一定范围内的无级调速67Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统开环调速系统及其存在的问题开环调速系统及其存在的问题 若可逆直流脉若可逆直流脉宽调速系速系统是开是开环调速系速系统，调节控控制制电压就可以改就可以改变电动机的机的转速。如果速。如果负载的生的生产工工艺对运行运行时的静差率要求不高，的静差率要求不高，这样的开的开环

53、调速系速系统都能都能实现一定范一定范围内的无内的无级调速，可以找到一些用途。速，可以找到一些用途。 但是，但是，许多需要无多需要无级调速的生速的生产机械常常机械常常对静差率静差率提出提出较严格的要求，不能允格的要求，不能允许很大的静差率，此很大的静差率，此时，开，开环调速系速系统不能不能满足足较高的性能指高的性能指标要求。要求。68Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统转速控制要求速控制要求（1 1）调速速在一定的最高在一定的最高转速和最低速和最低转速范速范围内，分内，分挡地（有地（有级）或）或 平滑地（无平滑地（

54、无级）调节转速；速；（2 2）稳速速以一定的精度在所需以一定的精度在所需转速上速上稳定运行，在各种干定运行，在各种干扰下不允下不允许有有过大的大的转速波速波动，以确保，以确保产品品质量；量；（3 3）加、减速）加、减速频繁起、制繁起、制动的的设备要求加、减速尽量快，以提高生要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜率；不宜经受受剧烈速度烈速度变化的机械化的机械则要求起，制要求起，制动尽量平尽量平稳。1.2.1.1 1.2.1.1 调速系统的转速控制要求调速系统的转速控制要求 任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能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。都有一定的要

55、求。69Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统调速范速范围： 生生产机机械械要要求求电动机机提提供供的的最最高高转速速和和最最低低转速之比叫做速之比叫做调速范速范围，用字母，用字母 D D 表示，即表示，即 其其中中n nmaxmax 和和 n nminmin一一般般都都指指电电机机额额定定负负载载时时的的最最高高转转速速和和最最低低转转速速。对对于于少少数数负负载载很很轻轻的的机机械械，例例如如精精密密磨磨床床，也也可可用用实实际际负负载载时时的的最最高高和和最最低低转转速速。设设计计调调速速系系统统时时，通通常

56、常将将n nmax max 视为电动机的额定转速视为电动机的额定转速n nN N。1.2.1.2 调速系统的两个稳态指标调速系统的两个稳态指标70Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统静静差差率率：当当系系统在在某某一一转速速下下运运行行时，负载由由理理想想空空载增增加加到到额定定值（指指额定定负载）时所所对应的的转速速降降落落 nN ，与与理理想想空空载转速速 n0 之之比比，称称作作静静差差率率 s （或或电动机机在在一一条条机机械械特特性性上上的的额定定负载时的的转速速降降与与该机机械械特特性性的的理理想想空

57、空载转速速之之比比），即即或用百分数表示或用百分数表示 （1-5） （1-6） 式中式中 nN = n0 - nN 1.2.1.2 调速系统的两个稳态指标调速系统的两个稳态指标71Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统0TeNTen0an0bab nNa nNb nO图1-8 不同不同转速下的静差率速下的静差率l静差率与机械特性硬度的区别静差率与机械特性硬度的区别静差率和机械特性硬度静差率和机械特性硬度又是有区别的。一般调又是有区别的。一般调压调速系统在不同转速压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平下的机械特性是

58、互相平行的行的 。对于同样硬度。对于同样硬度的特性，理想空载转速的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就转速的相对稳定度也就越差。越差。72Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统例如：在例如：在1000r/min时降落降落10r/min，只占，只占1%；在；在100r/min时同同样降落降落10r/min，就占，就占10%； 如果在只有如果在只有10r/min时，再降落，再降落10r/min，就占，就占100%，这时电动机机已已经停止停止转动，转速全部降落完了。速全部降落完了

59、。 因此，因此，调速范速范围和静差率和静差率这两两项指指标并不是彼此孤立的，并不是彼此孤立的，必必须同同时提才有意提才有意义。调速系速系统的静差率指的静差率指标应以最低速以最低速时所能达到的数所能达到的数值为准准（正确理解（正确理解调速范速范围的静差率中的的静差率中的理想空理想空载转速指的是速指的是稳定运定运转的最低的最低转速速对应的理想空的理想空载转速，速，这就将就将调速范速范围和静差率和静差率联系起来了）。系起来了）。l静差率与机械特性硬度的区别（续）静差率与机械特性硬度的区别（续）73Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭

60、环直流调速系统（3 3） 调速范围、静差率和额定速降之间的关系调速范围、静差率和额定速降之间的关系 假假设：电机机额定定转速速nN为最高最高转速，速，转速降落速降落为 nN，则按照上面分析的按照上面分析的结果，果，该系系统的静差率的静差率应该是最低速是最低速时的静差率，即的静差率，即于是，最低转速为于是，最低转速为 74Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统而而调速范速范围为 将上面的式代入将上面的式代入 nmin，得，得 （1-71-7） 式式（1-7）表表示示调调压压调调速速系系统统的的调调速速范范围围、静静差

61、差率率和和额额定定速速降降之之间间所所应应满满足足的的关关系系。对对于于同同一一个个调调速速系系统统， nN 值值一一定定，由由式式（1-7）可可见见，如如果果对对静静差差率率要要求求越越严严，即即要要求求 s 值值越越小小时时，系系统统能能够够允允许许的的调调速速范范围围也也越小。越小。 75Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统例例题题：某某龙龙门门刨刨床床工工作作台台拖拖动动采采用用直直流流电电动动机机，其其额额定定数数据据如如下下：60kW、220V、305A、1000r/min，采采用用V-M系系统统，主

62、主电电路路总总电电阻阻R=0.18，电电动动机机电电动动势势系系数数Ce=0.2。如如果果要要求求调调速速范范围围 D = 20，静静差差率率5%，采采用用开开环环调调速速能能否否满满足足？若若要要满满足足这这个要求，系统的额定速降最多能有多少？个要求，系统的额定速降最多能有多少？解：解：当电流连续时，当电流连续时，V-MV-M系统的额定速降为系统的额定速降为开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为 这已大大超过了这已大大超过了5%5%的要求，更不必谈调到最低速了。的要求，更不必谈调到最低速了。76Spring 2015Motion Contro

63、l Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 如果要求如果要求D D = 20 = 20，s s 5%5%，则由式（由式（1-71-7）可知）可知 由由上上例例可可以以看看出出，开开环调速速系系统的的额定定速速降降是是275 275 r/minr/min，而而生生产工工艺的的要要求求却却只只有有2.63r/min2.63r/min，相相差差几乎百倍！几乎百倍！ 由由此此可可见，开开环调速速已已不不能能满足足要要求求，需需采采用用反反馈控制的控制的闭环调速系速系统来解决来解决这个个问题。77Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章

64、 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统1.2.2 1.2.2 转速负反馈单闭环调速系统转速负反馈单闭环调速系统的组成及其静特性的组成及其静特性根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。它就会自动产生纠正偏差的作用。调速系统的调速系统的转速降落转速降落正是正是由负载引起的转速偏差由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统应该能够显然，引入转速闭环将使调速系统应该能够大大减大大减少转速降落少转速降落。78Spring 2015

65、Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统图图1-10 1-10 转速负反馈单闭环调速系统转速负反馈单闭环调速系统+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+-+UnUn UnUcUPE+-MTGIdUnUdUcUngdtg1.2.2.1 1.2.2.1 系统组成系统组成79Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统n 调节原理调节原理 在反在反馈控制的控制的闭环直流直流调速系速系统中，与中，与电动机机同同轴安装一台安装一台测速速发电机机 TG ，从而引出与被，从

66、而引出与被调量量转速成正比的速成正比的负反反馈电压Un ，与，与给定定电压 Ugd 相比相比较后，得到后，得到转速偏差速偏差电压 Un ，经过放大器放大器 A，产生生电力力电子子变换器器UPE的控制的控制电压Uc ，用以控制，用以控制电动机机转速速 n。80Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统n UPE UPE的组成的组成 图中，中，UPE是由是由电力力电子器件子器件组成的成的变换器，其器，其输入接三入接三组（或（或单相）交流相）交流电源，源，输出出为可控的可控的直流直流电压，控制，控制电压为Uc 。UcUd0u

67、ACDCUd0Uc81Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统n UPE UPE的组成（续）的组成（续）目前，目前，组成成UPEUPE的的电力力电子器件有如下几种子器件有如下几种选择方案：方案：对于中、小容量系于中、小容量系统，多采用由，多采用由IGBTIGBT或或P-P-MOSFETMOSFET组成的成的PWMPWM变换器（第四章器（第四章讨论）；）；对于于较大容量的系大容量的系统，可采用其他，可采用其他电力力电子开子开关器件，如关器件，如GTOGTO、IGCTIGCT等；等；对于特大容量的系于特大容量的系统，则常

68、用晶常用晶闸管触管触发与整与整流装置（本章主要流装置（本章主要讨论V-MV-M系系统）。）。82Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统n 稳态分析条件稳态分析条件 下下面面分分析析闭环调速速系系统的的稳态特特性性，以以确确定定它它如如何何能能够减减少少转速速降降落落。为了了突突出出主主要要矛矛盾盾，先先作作如下的假定：如下的假定：（1 1）忽忽略略各各种种非非线性性因因素素，假假定定系系统中中各各环节的的输入入输出出关关系系都都是是线性性的的，或或者者只只取取其其线性性工工作作段；段；（2 2）忽略控制）忽略控制电

69、源和源和电位器的内阻。位器的内阻。83Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统转速速负反反馈直流直流调速系速系统中各中各环节的的稳态关系如下：关系如下： 电压比较环节电压比较环节 放大器放大器 电力电子变换器电力电子变换器 调速系统开环机械特性调速系统开环机械特性 测速反馈环节测速反馈环节 n 稳态关系稳态关系84Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统n 稳态关系（续）稳态关系（续）以上各关系式中以上各关系式中 放大器的放大器的电压放大系

70、数；放大系数； 电力力电子子变换器的器的电压放大系数；放大系数； 转速反速反馈系数，（系数，（V Vmin/rmin/r）；）； UPE UPE的理想空的理想空载输出出电压； 电枢回路枢回路总电阻（阻（主主电路路总的等效的等效电阻，阻， 包括：包括：整流装置内阻整流装置内阻+电机机电枢枢电阻阻）。KpKsRUd085Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 从上述五个关系式中消去中从上述五个关系式中消去中间变量，整理后，即量，整理后，即得得转速速负反反馈闭环直流直流调速系速系统的静特性方程式的静特性方程式（1-81-

71、8） n 静特性方程静特性方程86Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统n 静特性方程（续）静特性方程（续） 式中式中闭环系系统的开的开环放大系数放大系数K K为 它相当于在它相当于在测速反速反馈电位器位器输出端把反出端把反馈回路断回路断开后，从放大器开后，从放大器输入起直到入起直到测速反速反馈输出出为止止总的的电压放大系数，是各放大系数，是各环节单独的放大系数的乘独的放大系数的乘积。 电动机机环节放大系数放大系数为: :87Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直

72、流调速系统单闭环直流调速系统注意：注意： 闭环调速速系系统的的静静特特性性表表示示闭环系系统电动机机转速速与与负载电流流（或或转矩矩）间的的稳态关关系系，它它在在形形式式上上与与开开环机机械械特特性性相相似似，但但本本质上上却却有有很很大不同，故定名大不同，故定名为“静特性静特性”，以示区，以示区别。88Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统KpKs 1/CeUgdUcUnEnUd0Un+- IdR-UnKsn 闭环系统的稳态结构框图闭环系统的稳态结构框图图图1-12 1-12 转速负反馈单闭环直流调速系统稳态结构

73、图转速负反馈单闭环直流调速系统稳态结构图89Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 图中各方中各方块内的符号代表内的符号代表该环节的放大系数。运的放大系数。运用用结构构图运算法同运算法同样可以推出式（可以推出式（1-81-8）所表示的）所表示的静特性方程式，方法如下：将静特性方程式，方法如下：将给定量和定量和扰动量看量看成两个独立的成两个独立的输入量，先按它入量，先按它们分分别作用下的系作用下的系统求出各自的求出各自的输出与出与输入关系式，入关系式，90Spring 2015Motion Control Syste

74、ms第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统b b）只考虑给定作用时的闭环系统）只考虑给定作用时的闭环系统c c）只考虑扰动作用时的闭环系统）只考虑扰动作用时的闭环系统U*nKpKs 1/CeUcUn n Ud0Un+-+KpKs 1/Ce-IdR nUd0+-E91Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 由于已由于已认为系系统是是线性的，可以把二者叠加性的，可以把二者叠加起来，即得系起来，即得系统的静特性方程式的静特性方程式(1-8) 92Spring 2015Motion Control Syste

75、ms第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统1.2.3 1.2.3 开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系 比比较一下开一下开环系系统的机械特性和的机械特性和闭环系系统的静特性，的静特性，就能清楚地看出反就能清楚地看出反馈闭环控制的控制的优越性。如果断开反越性。如果断开反馈回路，回路，则上述系上述系统的开的开环机械特性机械特性为 而闭环时的静特性可写成而闭环时的静特性可写成 (1-8) (1-9) 93Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统比较式（比较式（1-81-

76、8）和式（）和式（1-91-9）不难得出以下的论断：）不难得出以下的论断：（1 1）闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬得多。）闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬得多。 在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为 和和 它们的关系是它们的关系是 (1-10) n 系统特性比较系统特性比较94Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统n 系统特性比较（续）系统特性比较（续）（2 2）如果比较同一的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率）如果比较同一的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要

77、小得多。要小得多。 闭环系统和开环系统的静差率分别为闭环系统和开环系统的静差率分别为 和和 当当 n0op =n0cl 时，时，（1-111-11）95Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统n 系统特性比较（续）系统特性比较（续）（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。）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。 如如果果电电动动机机的的最最高高转转速速都都是是nmax；而而对对最最低低速速静静差差率率的的要要求求相相同，那么：同，那么： 开环时，开环时， 闭环时，闭环时， 再考虑式（再

78、考虑式（1-10），得），得 (1-12) 96Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统（4 4）要取得上述三）要取得上述三项优势，闭环系系统必必须设置放大置放大器。器。 上述三上述三项优点若要有效，都取决于一点，即点若要有效，都取决于一点，即 K K 要足要足够大，因此必大，因此必须设置放大器。置放大器。 （5 5）此外，）此外，应注意，当注意，当给定定电压相同相同时，闭环系系统的理想空的理想空载转速大大降低。速大大降低。n 系统特性比较（续）系统特性比较（续）97Spring 2015Motion Control

79、 Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统把以上四点概括起来，可得下述把以上四点概括起来，可得下述结论：结论2 2： 闭环调速系速系统可以可以获得比开得比开环调速系速系统硬得多硬得多的的稳态特性，从而在保特性，从而在保证一定静差率的要求下，能一定静差率的要求下，能够提高提高调速范速范围，为此所需付出的代价是，此所需付出的代价是，须增增设电压放大器以及放大器以及检测与反与反馈装置。装置。 n 系统特性比较（续）系统特性比较（续）98Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统1.2.4 1.2.4

80、 闭环系统的基本性质闭环系统的基本性质转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有以下系统，它具有以下三个基本特征三个基本特征，也就是反馈，也就是反馈控制的基本规律，各种不另加其他调节器的基控制的基本规律，各种不另加其他调节器的基本反馈控制系统都服从于这些规律。本反馈控制系统都服从于这些规律。 99Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统1. 1. 应用比例调节器的闭环系统是有静差的控制系统应用比例调节器的闭环系统是有静差的控制系统从静特性分析中可以看出，由于采用了比例

81、放大器，闭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环系统的开环放大系数K 值越大，系统的稳态性能越好。值越大，系统的稳态性能越好。然而，然而，Kp =常数，稳态速差就只能减小，却不可能消除。常数，稳态速差就只能减小，却不可能消除。只有只有 K = ，才能使，才能使 ncl = 0，而这是不可能的。因此，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。实际上，这种系这样的调速系统叫做有静差调速系统。实际上，这种系统正是依靠被调量的偏差进行控制的。统正是依靠被调量的偏差进行控制的。100Spring 2015Motion Control Systems第第1 1

82、章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 反馈控制系统一方面能够有效地反馈控制系统一方面能够有效地抑制抑制一切被包一切被包在负反馈环内前向通道上的在负反馈环内前向通道上的扰动作用扰动作用；另一方面，；另一方面，则紧紧地则紧紧地跟随着给定作用跟随着给定作用，对给定信号的任何变化，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。都是唯命是从的。2.2.闭环系统绝对服从于给定输入闭环系统绝对服从于给定输入101Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统图图1-13 1-13 闭环调速系统的给定作用和扰动作用闭环调速系统的给定作用和扰动

83、作用 励磁变化励磁变化Id变化变化电源波动电源波动Kp变化变化电阻变化电阻变化检测误差检测误差KpKs 1/CeUgdUkUEnUdUf+- R 3. 3. 闭环系统对于被包围在负反馈环内的一切闭环系统对于被包围在负反馈环内的一切 主通道上的扰动作用都能有效地加以抑制主通道上的扰动作用都能有效地加以抑制102Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统n 抗扰能力抗扰能力 反反馈控控制制系系统对被被反反馈环包包围的的前前向向通通道道上上的的扰动都有抑制功能。都有抑制功能。例如：例如：Us Ud0 n Un Un n Ud

84、0 Uc 103Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统n 抗扰能力（续）抗扰能力（续） 但是，如果在反但是，如果在反馈通道上的通道上的测速反速反馈系数受到某系数受到某种影响而种影响而发生生变化，它非但不能得到反化，它非但不能得到反馈控制系控制系统的抑制，反而会增大被的抑制，反而会增大被调量的量的误差。差。例如：例如： Un Un Uc Ud0 n 因此，反因此，反馈控制系控制系统所能抑制的只是被反所能抑制的只是被反馈环包包围的前向通道上的的前向通道上的扰动。104Spring 2015Motion Control

85、Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统4. 4. 对给定电源和反馈检测元件中的误差无力克服对给定电源和反馈检测元件中的误差无力克服 给定定精精度度由由于于给定定决决定定系系统输出出，输出出精精度度自然取决于自然取决于给定精度。定精度。 如如果果产生生给定定电压的的电源源发生生波波动，反反馈控控制制系系统无无法法鉴别是是对给定定电压的的正正常常调节还是是不不应有有的的电压波波动。因因此此，高高精精度度的的调速速系系统必必须有更高精度的有更高精度的给定定稳压电源。源。 检测精精度度反反馈检测装装置置的的误差差也也是是反反馈控控制制系系统无无法法克克服服的的，因因此此检测

86、精精度度决决定定了了系系统输出出精度。精度。105Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统1.1.2 1.1.2 限流保护限流保护电流截止负反馈电流截止负反馈 问题的提出的提出起起动时的的冲冲击电流流直直流流电动机机全全电压起起动时，如如果果没没有有限限流流措措施施，会会产生生很很大大的的冲冲击电流流，这不不仅对电机机换向向不不利利，对过载能力低的能力低的电力力电子器件来子器件来说，更是不能允，更是不能允许。 闭环调速速系系统突突加加给定定时的的冲冲击电流流采采用用转速速负反反馈的的闭环调速速系系统突突然然加加上上给

87、定定电压时，由由于于惯性性，转速速不不可可能能立立即即建建立立起起来来，反反馈电压仍仍为零零，相相当当于于偏偏差差电压 ，这样的的话电枢枢电压很很快快就就达达到到它它的的最最大大值，对电动机机来来说就就相相当当于于全全压启启动。106Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 堵堵转电流流 有些生有些生产机械的机械的电动机可能会遇到机可能会遇到堵堵转的情况。例如，由于故障，机械的情况。例如，由于故障，机械轴被卡住，或挖土被卡住，或挖土机运行机运行时碰到碰到坚硬的石硬的石块等等。由于等等。由于闭环系系统的静特性的静特性很

88、硬，若无限流很硬，若无限流环节，硬干下去，硬干下去，电流将流将远远超超过允允许值。如果只依靠。如果只依靠过流流继电器或熔断器保器或熔断器保护，一，一过载就跳就跳闸，也会，也会给正常工作正常工作带来不便。来不便。 解决办法解决办法1 1）电枢串电阻起动）电枢串电阻起动2 2）引入电流截止负反馈）引入电流截止负反馈107Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统1) 1) 电流负反馈电流负反馈 为了解决反了解决反馈闭环调速系速系统的起的起动和堵和堵转时电流流过大的大的问题，系，系统中必中必须有有自自动限制限制电枢枢电流的流

89、的环节。 根据反根据反馈控制原理，要控制原理，要维持哪一个物理量基本不持哪一个物理量基本不变，就，就应该引入那个物理量的引入那个物理量的负反反馈。那么，引。那么，引入入电流流负反反馈，应该能能够保持保持电流基本不流基本不变，使，使它不超它不超过允允许值。108Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统M+-UdIdRsUi接放大器接放大器a. a. 电流检测与反馈电流检测与反馈 电枢回路串枢回路串检测电阻。阻。 电流检测与反馈电路电流检测与反馈电路109Spring 2015Motion Control Systems

90、第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统b. b. 系统稳态结构框图系统稳态结构框图 转速和电流负反馈系统稳态结构框图转速和电流负反馈系统稳态结构框图 Kp Ks 1/CeUgdUkUIdEnUd0Ufn+- R - Rs Ufi110Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统c. c. 静特性方程静特性方程与转速闭环控制调速系统特性方程相比，该式与转速闭环控制调速系统特性方程相比，该式多了一项由电流反馈引起的转速降落。多了一项由电流反馈引起的转速降落。111Spring 2015Motion Contro

91、l Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统d. d. 稳态特性稳态特性采用转速电流负反馈的调速系统静特性采用转速电流负反馈的调速系统静特性 Idbl0n0A转速负反馈特性转速负反馈特性B转速电流负反馈特性转速电流负反馈特性Idn0112Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统2)2)电流截止负反馈电流截止负反馈 考考虑到，限流作用只需在到，限流作用只需在起起动和堵和堵转时起起作用，正常运行作用，正常运行时应让电流自由地随着流自由地随着负载增增减。减。 如果采用某种方法，当如果采用某种方法，

92、当电流大到一定程度流大到一定程度时才接入才接入电流流负反反馈以限制以限制电流，而流，而电流正常流正常时仅有有转速速负反反馈起作用控制起作用控制转速。速。这种方法种方法叫做叫做电流截止流截止负反反馈，简称截流反称截流反馈。113Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统a. a. 电流截止负反馈环节电流截止负反馈环节图图1-16 1-16 电流截止负反馈环节电流截止负反馈环节a a）利用独立直流电源作比较电压）利用独立直流电源作比较电压M+- UdId RcVDUfi Ubj接放大器接放大器Mb) b) 利用稳压管产生比

93、较电压利用稳压管产生比较电压 UwM+- UdIdVS接放大器接放大器MUfi Rc114Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统OUiId Rs - Ubj图图1.18 1.18 电流截止负反电流截止负反馈环节的馈环节的I/OI/O特性特性 图图1.19 1.19 带电流截止负反馈的带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态结构框图闭环直流调速稳态结构框图nKpKs 1/CeUgdUkUfiIdEUd0Ufn+- RRc-Ubj-+b. b. 系统稳态结构系统稳态结构Id Rs - Ubj115Spring 2015Mot

94、ion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统c. c. 静特性方程与特性曲线静特性方程与特性曲线由由图1-19可写出可写出该系系统两段静特性的方程式。两段静特性的方程式。 当当 Id Idj 时，电流流负反反馈被截止，静特性和只有被截止，静特性和只有转速速负反反馈调速系速系统的静特性式相同，的静特性式相同，现重写于下：重写于下： 当当 Id Idj时，引入了，引入了电流流负反反馈，静特性，静特性变成成116Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统图图1-20 1-20 带

95、电流截止负反馈闭环调速系统的静特性带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性 IduIdjn0IdOn0ABDC117Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统静特性两个特点静特性两个特点（1）电流流负反反馈的作用相当于在主的作用相当于在主电路中串入一个大路中串入一个大电阻阻 Kp Ks Rc ，因而，因而稳态速降极大，特性急速降极大，特性急剧下垂。下垂。（2）比）比较电压 Ubj 与与给定定电压 U*n 的作用一致，好象把的作用一致，好象把理想空理想空载转速提高到速提高到118Spring 2015Motion Contr

96、ol Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 这样的两段式静特性常称作的两段式静特性常称作下垂特性或挖土下垂特性或挖土机特性机特性。当挖土机遇到。当挖土机遇到坚硬的石硬的石块而而过载时，电动机停下，机停下，电流也不流也不过是堵是堵转电流，在上式中，流，在上式中，令令 n = 0，得，得一般一般 Kp Ks Rc R，因此，因此119Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统d. d. 电流截止负反馈环节参数设计电流截止负反馈环节参数设计Idu应小于小于电机允机允许的最大的最大电流，一般取流，

97、一般取 Idu =（1.5 2） IN 从从调速系速系统的的稳态性能上看，希望性能上看，希望稳态运行运行范范围足足够大，截止大，截止电流流应大于大于电机的机的额定定电流，一流，一般取般取 Idj （1.1 1.2）IN120Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统本本 章章 提提 要要本章着重本章着重讨论基本的基本的单闭环控制系控制系 统及其分析与及其分析与设计方法。方法。1.1 直流直流调速系速系统的构成的构成 1.2 单闭环调速系速系统的的稳态分析与分析与设计 1.3 单闭环调速系速系统的的动态分析与分析与设计

98、1.4 无静差无静差调速系速系统1.5 电压反反馈电流流补偿控制的控制的调速系速系统121Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统1.3 1.3 单闭环调速系统的动态分单闭环调速系统的动态分 析与设计析与设计 上一上一节讨论了了单闭环调速系速系统的的稳态性能。性能。显然，从然，从稳态精度看，系精度看，系统的开的开环放大系数放大系数K K 越越大越好。然而，由自大越好。然而，由自动控制理控制理论可知，可知，为了了保保证系系统的的动态稳定性，定性，K K值不能随意增大，即不能随意增大，即在在闭环系系统中中稳与准是互相矛盾

99、的。与准是互相矛盾的。为此，必此，必须进一步分析系一步分析系统的的动态性能。性能。122Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统1.3.1 系统的动态数学模型系统的动态数学模型 为了了分分析析调速速系系统的的稳定定性性和和动态品品质，必必须首首先先建建立立描描述述系系统动态物物理理规律律的的数数学学模模型型，对于于连续的的线性性定定常常系系统，其其数数学学模模型型是是常常微微分分方方程程，经过拉氏拉氏变换，可用，可用传递函数和函数和动态结构构图表示表示。 123Spring 2015Motion Control Sy

100、stems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统1.3.1.1 取数学模型的步取数学模型的步骤建立建立线性系性系统动态数学模型的步数学模型的步骤如下：如下：(1) (1) 根据系根据系统中各中各环节的物理的物理规律，列写出描述律，列写出描述该环节动态过程的微分方程；程的微分方程；(2) (2) 求出各求出各环节的的传递函数；函数；(3) (3) 组成系成系统的的动态结构构图并求出系并求出系统的的传递函函数。数。124Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统补充补充1 1：拉氏变换：拉氏变换解：解：设回路

101、电流为设回路电流为i(t)，由基尔霍夫电律可，由基尔霍夫电律可写出回路方程为：写出回路方程为：125Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统126Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统127Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统定定义义：在在零零初初始始条条件件下下，线线性性定定常常系系统统输输出出量量的的拉拉氏氏变变换换 与与输输入入量量的的拉拉氏氏变变换换

102、 之之比比，称称为为系统的传递函数系统的传递函数 ，即，即补充补充2 2：传递函数：传递函数128Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统补充补充3 3：系统开环传递函数和闭环传递函数：系统开环传递函数和闭环传递函数G(s)H(s)R(s)C(s)B(s) 开开环传递函数环传递函数: 等效为主反馈断开时，输入信号等效为主反馈断开时，输入信号R(s) 到反馈信号到反馈信号B(s)之间的传递函数，即之间的传递函数，即 B(s)/ R(s)= G(s)H(s)闭环传递函数闭环传递函数: :129Spring 2015Mot

103、ion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统传递函数的性质传递函数的性质1)1)传递函数是复变量传递函数是复变量S S的有理真分式函数，分子多项式的次数的有理真分式函数，分子多项式的次数 m m 低于或等于分母多项的次数低于或等于分母多项的次数n n，所有系数均为实数；，所有系数均为实数；2) 2) 传递函数只取决于系统和元件的结构，与输入信号无关；传递函数只取决于系统和元件的结构，与输入信号无关；3) 3) 传递函数与微分方程有相通性，可经简单置换而转换；传递函数与微分方程有相通性，可经简单置换而转换； 4) 4) 传递函数的拉氏反变换是系统的脉

104、冲响应。传递函数的拉氏反变换是系统的脉冲响应。5)5)传递函数是在零初始条件下定义的，它只反应系统的零状传递函数是在零初始条件下定义的，它只反应系统的零状 态特性；零初始条件含义要明确。态特性；零初始条件含义要明确。 130Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统RLCi(t)ur(t)uc(t)1) 1) 零初始条件下取拉氏变换：零初始条件下取拉氏变换：2 2）传递函数：）传递函数：131Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统a) a)

105、 直流电动机的传递函数直流电动机的传递函数1.3.1.2 1.3.1.2 建立系统各环节的微分方程和传递函数建立系统各环节的微分方程和传递函数132Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统式中式中 为负载电流。为负载电流。 Tl 电枢回路电磁时间常数电枢回路电磁时间常数(s)， Tm电力拖动系统机电时间常数电力拖动系统机电时间常数(s) ， 133Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，在零初始条件下，

106、取等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间的传递函数得电压与电流间的传递函数: :电流与电动势间的传递函数电流与电动势间的传递函数: :134Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统动态结构框图动态结构框图Id (s)IdL(s)+-E (s) R Tmsb)b)电流电动势间的结构框图电流电动势间的结构框图E(s)Ud0(s)+-1/RTl s+1Id (s)a)a)电压电流间的结构框图电压电流间的结构框图+图图 额定励磁下直流电动机动态结构框图额定励磁下直流电动机动态结构框图135Spring 2015Motion Co

107、ntrol Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统n(s) 1/CeUd0(s)IdL (s) EId (s)E+- 1/R Tl s+1 R Tms图图1-21 1-21 整个直流电动机的动态结构框图整个直流电动机的动态结构框图136Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 由由图1-211-21可以看出，直流可以看出，直流电动机有两个机有两个输入量，一入量，一个是施加在个是施加在电枢上的枢上的理想空理想空载电压，另一个是，另一个是负载电流流。前者是。前者是控制控制输入量入量，后者是，后

108、者是扰动输入量入量。如。如果不需要在果不需要在结构构图中中显现出出电流，可将流，可将扰动量的量的综合点移前，再合点移前，再进行等效行等效变换，得下，得下图a a。如果是理。如果是理想空想空载，则 I IdLdL = 0= 0，结构框构框图即即简化成下化成下图b b。 137Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统n(s)Ud0 (s)+-1/Ce TmTl s2+Tms+1IdL (s) R (Tl s+1)动态结构图的变换和简化动态结构图的变换和简化a. IdL 0138Spring 2015Motion Cont

109、rol Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统n(s)1/Ce TmTl s2+Tms+1Ud0 (s)动态结构图的变换和简化（续）动态结构图的变换和简化（续）b. IdL= 0139Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统b) b) 晶闸管触发电路及整流装置晶闸管触发电路及整流装置构成系统的主要环节是电力电子变换器和直流电动构成系统的主要环节是电力电子变换器和直流电动机。不同电力电子变换器的传递函数，它们的表达机。不同电力电子变换器的传递函数，它们的表达式是相同的，其传递函数近似成式是相

110、同的，其传递函数近似成一阶惯性环节：一阶惯性环节：只是在不同场合下，只是在不同场合下，放大系数放大系数K Ks s和和失控时间失控时间T Ts s的数的数值不同而已。值不同而已。 140Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统晶闸管触发与整流装置动态结构晶闸管触发与整流装置动态结构Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)a) 准确的准确的b） 近似的近似的图图 晶闸管触发与整流装置动态结构框图晶闸管触发与整流装置动态结构框图141Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单

111、闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 直流直流闭环调速系速系统中的其他中的其他环节还有比例放有比例放大器和大器和测速反速反馈环节，它，它们的响的响应都可以都可以认为是是瞬瞬时的，因此它的，因此它们的的传递函数就是它函数就是它们的放大系的放大系数，即数，即 放大器放大器测速反馈测速反馈c) c) 控制与检测环节的传递函数控制与检测环节的传递函数142Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统图图1-23 1-23 反馈控制单闭环直流调速系统动态结构框图反馈控制单闭环直流调速系统动态结构框图n(s)Ugd(s)IdL (s)

112、 Uct (s)Uf (s)+- KsTss+1KP1/Ce TmTl s2+Tms+1 +-R (Tl s+1)Ud0 (s)U (s)a) a) 单闭环直流调速系统动态结构框图单闭环直流调速系统动态结构框图1.3.1.3 单闭环调速系统的动态结构图和传递函数单闭环调速系统的动态结构图和传递函数143Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统b) b) 调速系统的开环传递函数调速系统的开环传递函数 由由图图可可见见，反反馈馈控控制制闭闭环环直直流流调调速速系系统统的的开开环传递函数是环传递函数是 式中式中 K = K

113、p Ks / Ce （1-27） 144Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 设设Idl=0，从给定输入作用上看，闭环直流调速，从给定输入作用上看，闭环直流调速系统的闭环传递函数是系统的闭环传递函数是 b) b) 调速系统的闭环传递函数调速系统的闭环传递函数（1-28） 145Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 由式（由式（1-28）可知，反）可知，反馈控制控制闭环直流直流调速速系系统的特征方程的特征方程为 它的一般表达式为它的一

114、般表达式为 （1-29） 1.3.2 单闭环调速系统的稳定性分析单闭环调速系统的稳定性分析146Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 根据三阶系统的劳斯根据三阶系统的劳斯- -赫尔维茨判据，系统赫尔维茨判据，系统稳定的充分必要条件是稳定的充分必要条件是 式（式（1-291-29）的各项系数显然都是大于零的，因此）的各项系数显然都是大于零的，因此稳定条件就只要：稳定条件就只要： 或147Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统整理后得整理

115、后得 式（式（1-30）右边称作系统的临界放大系数）右边称作系统的临界放大系数Kcr，当，当 K Kcr 时，系统将不稳定。时，系统将不稳定。 对于一个自动控制系统来说，对于一个自动控制系统来说，稳定性稳定性是它是它能能否正常工作的首要条件否正常工作的首要条件，是必须保证的，是必须保证的。 （1-30） 148Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统补充说明补充说明稳定是控制系统能够正常运行的首要条件稳定是控制系统能够正常运行的首要条件1 1、稳定性定义、稳定性定义定义定义：设一线性定常系统原处于某一平衡状态，若它瞬

116、间：设一线性定常系统原处于某一平衡状态，若它瞬间受到某一扰动作用而偏离了原来的平衡状态，当此扰动撤受到某一扰动作用而偏离了原来的平衡状态，当此扰动撤消后，系统仍能回到原有的平衡状态，则称该系统是稳定消后，系统仍能回到原有的平衡状态，则称该系统是稳定的。反之，系统为不稳定。的。反之，系统为不稳定。线性系统的稳定性取决于系统的固有特征（结构、参数），线性系统的稳定性取决于系统的固有特征（结构、参数），与系统的输入信号无关。与系统的输入信号无关。线性系统稳定的充分必要条件：线性系统稳定的充分必要条件：闭环系统特征方程的所有闭环系统特征方程的所有根都具有负实部根都具有负实部. .（或者说（或者说闭环特

117、征方程的根必须位于闭环特征方程的根必须位于S S平平面的左半平面面的左半平面 ）149Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统电力拖动系统稳定运行的充要条件电力拖动系统稳定运行的充要条件1 1、必要条件：、必要条件：电动机的机械特性与负载的转矩特性有交点电动机的机械特性与负载的转矩特性有交点( (即稳态工作点即稳态工作点) )，即存在：，即存在：或者说：在交点的转速以上存在：或者说：在交点的转速以上存在：在交点的转速以下存在：在交点的转速以下存在：即：即： , 1 ,2 分别为电动机特性与负载特性各自的分别为电动机特

118、性与负载特性各自的切线与切线与转速轴转速轴的夹角。（对于恒转矩负载，有的夹角。（对于恒转矩负载，有 , 则一般要求则一般要求tg1为负值。）为负值。）2 2、充分条件：、充分条件：在交点处满足于：在交点处满足于：150Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统1. 1. 概述概述 在在设计闭环调速系速系统时，常常会遇到，常常会遇到动态稳定性与定性与稳态性能指性能指标发生矛盾的情况，生矛盾的情况，这时，必，必须设计合适的合适的动态校正装置，用来改校正装置，用来改造系造系统，使它同，使它同时满足足动态稳定和定和稳态指指标两

119、方面的要求。两方面的要求。1.3.3 动态校正动态校正PI调节器的设计调节器的设计151Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统2. 2. 动态校正的方法动态校正的方法串串联校正；校正；并并联校正；校正；反反馈校正。校正。 而且而且对于一个系于一个系统来来说，能，能够符合要求的符合要求的校正方案也不是唯一的。校正方案也不是唯一的。 在在电力拖力拖动与运与运动控制系控制系统中，最常用的中，最常用的是串是串联校正和反校正和反馈校正。串校正。串联校正比校正比较简单，也容易也容易实现。152Spring 2015Motion

120、 Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 PID调节器（器（PID Regulator）的）的类型：型：比例微分（比例微分（PD）(ProportionalDerivative)比例比例积分（分（PI）(ProportionalIntegral)比例比例积分微分（分微分（PID）(ProportionalIntegralDerivative)153Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 PID PID调节器的功能调节器的功能由由PDPD调节器构成的超前校正，可提高系器构成

121、的超前校正，可提高系统的的稳定裕定裕度，并度，并获得足得足够的快速性，但的快速性，但稳态精度可能受到影精度可能受到影响；响；由由PIPI调节器构成的滞后校正，可以保器构成的滞后校正，可以保证稳态精度，精度，却是以却是以对快速性的限制来快速性的限制来换取系取系统稳定的；定的；用用PIDPID调节器器实现的滞后的滞后超前校正超前校正则兼有二者的兼有二者的优点，可以全面提高系点，可以全面提高系统的控制性能，但具体的控制性能，但具体实现与与调试要复要复杂一些。一些。154Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 一般的一般的

122、调速系速系统要求以要求以动态稳定和定和稳态精精度度为主，主，对快速性的要求可以差一些，所以主快速性的要求可以差一些，所以主要采用要采用PIPI调节器；在随器；在随动系系统中，快速性是主中，快速性是主要要求，要要求，须用用 PD PD 或或PID PID 调节器。器。155Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 3. 系统设计工具系统设计工具 在在设计校正装置校正装置时，主要的研究工具是伯，主要的研究工具是伯德德图（Bode DiagramBode Diagram），即开），即开环对数数频率特性率特性的的渐近近线。它

123、的。它的绘制方法制方法简便，可以确切地提便，可以确切地提供供稳定性和定性和稳定裕度的信息，而且定裕度的信息，而且还能大致衡能大致衡量量闭环系系统稳态和和动态的性能。正因的性能。正因为如此，如此，伯德伯德图是自是自动控制系控制系统设计和和应用中普遍使用用中普遍使用的方法。的方法。156Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 在定性地分析在定性地分析闭环系系统性能性能时，通常将伯，通常将伯德德图分成低、中、高三个分成低、中、高三个频段，段，频段的分割界段的分割界限是大致的，不同文献上的分割方法也不尽相限是大致的，不同文

124、献上的分割方法也不尽相同，同，这并不影响并不影响对系系统性能的定性分析。下性能的定性分析。下图绘出了自出了自动控制系控制系统的典型伯德的典型伯德图。157Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统典型伯德典型伯德图 从从图中三个中三个频段的特征可以判断系段的特征可以判断系统的性的性能，能，这些特征包括以下四个方面：些特征包括以下四个方面：0L/dBc/s -1-20dB/dec低频段中频段高频段图图1-24 1-24 典型的控制系统伯德图典型的控制系统伯德图 158Spring 2015Motion Control S

125、ystems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统n 伯德图与系统性能的关系伯德图与系统性能的关系中中频段段以以-20dB/dec-20dB/dec的的斜斜率率穿穿越越0dB0dB，而而且且这一一斜斜率覆盖足率覆盖足够的的频带宽度，度，则系系统的的稳定性好；定性好；截截止止频率率（或或称称剪剪切切频率率）越越高高，则系系统的的快快速速性越好；性越好；低低频段段的的斜斜率率陡陡、增增益益高高，说明明系系统的的稳态精精度度高；高；高高频段段衰衰减减越越快快，即即高高频特特性性负分分贝值越越低低，说明系明系统抗高抗高频噪声干噪声干扰的能力越的能力越强。159Spring 2015Mot

126、ion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 以上四个方面常常是互相矛盾的。以上四个方面常常是互相矛盾的。对稳态精精度要求很高度要求很高时，常需要放大系数大，却可能使系，常需要放大系数大，却可能使系统不不稳定；加上校正装置后，系定；加上校正装置后，系统稳定了，又可定了，又可能能牺牲快速性；提高截止牲快速性；提高截止频率可以加快系率可以加快系统的响的响应，又容易引入高，又容易引入高频干干扰；如此等等。；如此等等。 设计时往往往往须在在稳、准、快和抗干、准、快和抗干扰这四个矛四个矛盾的方面之盾的方面之间取得折中，才能取得折中，才能获得比得比较满意的意的

127、结果。果。160Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统4. 4. 系统设计要求系统设计要求 在在实际系系统中中，动态稳定定性性不不仅必必须保保证，而而且且还要要有有一一定定的的裕裕度度，以以防防参参数数变化化和和一一些些未未计入入因因素素的的影影响响。在在伯伯德德图上上，用用来来衡衡量量最最小小相相位位系系统稳定定裕裕度度的的指指标是是：相相角角裕裕度度 和和以以分分贝表示的增益裕度表示的增益裕度 GM。一般要求：。一般要求： = 30 60；GM 6dB 。161Spring 2015Motion Control

128、 Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 保留适当的保留适当的稳定裕度，是考定裕度，是考虑到到实际系系统各各环节参数参数发生生变化化时不致使系不致使系统失去失去稳定。定。 在一般情况下，在一般情况下，稳定裕度也能定裕度也能间接反映系接反映系统动态过程的平程的平稳性，性，稳定裕度大，意味着定裕度大，意味着动态过程振程振荡弱、超弱、超调小。小。162Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 5. 5. 设计步骤设计步骤系系统建建模模首首先先应进行行总体体设计，选择基基本本部部件件，按按稳态性性

129、能能指指标计算算参参数数，形形成成基基本本的的闭环控制系控制系统，或称原始系，或称原始系统。系系统分分析析建建立立原原始始系系统的的动态数数学学模模型型，画画出出其其伯伯德德图，检查它它的的稳定定性性和和其其他他动态性性能。能。系系统设计如如果果原原始始系系统不不稳定定，或或动态性性能能不不好好，就就必必须配配置置合合适适的的动态校校正正装装置置，使使校正后的系校正后的系统全面全面满足性能要求。足性能要求。163Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 6. 6. 设计方法设计方法凑凑试法法设计时往往往往须用多种手段

130、，反复用多种手段，反复试凑。凑。工程工程设计法法详见第第2 2章章。164Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统本本 章章 提提 要要本章着重本章着重讨论基本的基本的单闭环控制系控制系 统及其分析与及其分析与设计方法。方法。1.1 直流直流调速系速系统的构成的构成 1.2 单闭环调速系速系统的的稳态分析与分析与设计 1.3 单闭环调速系速系统的的动态分析与分析与设计 1.4 无静差无静差调速系速系统1.5 电压反反馈电流流补偿控制的控制的调速系速系统165Spring 2015Motion Control Syst

131、ems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统1.4.1 1.4.1 系统无静差的实现系统无静差的实现前几节主要讨论，采用比例（前几节主要讨论，采用比例（P）放大器控制的直流）放大器控制的直流调速系统，可使系统稳定，并有一定的稳定裕度，同调速系统，可使系统稳定，并有一定的稳定裕度，同时还能满足一定的稳态精度指标。但是，带比例放大时还能满足一定的稳态精度指标。但是，带比例放大器的反馈控制闭环调速系统是有静差的调速系统。器的反馈控制闭环调速系统是有静差的调速系统。 本节将讨论，采用积分（本节将讨论，采用积分（I）调节器或比例积分（）调节器或比例积分（PI）调节器代替比例放大器，构成调节

132、器代替比例放大器，构成无静差调速系统。无静差调速系统。166Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统问题的提出问题的提出采用比例放大器控制的有静差的调速系统，采用比例放大器控制的有静差的调速系统，Kp 越大越大，系统系统精度越高精度越高；但；但 Kp 过大过大，将降低系统稳定性，使，将降低系统稳定性，使系系统动态不稳定统动态不稳定。 进一步分析静差产生的原因，由于采用比例调节器，进一步分析静差产生的原因，由于采用比例调节器， 转速调节器的输出为：转速调节器的输出为：Uc = Kp UnnUc 0，电动机运行，即，电动

133、机运行，即 Un 0 ；nUc = 0，电动机停止。，电动机停止。 167Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统1.4.2 1.4.2 积分调节器和积分控制规律积分调节器和积分控制规律1 1）积分调节器）积分调节器如右图，由运算放大器可构如右图，由运算放大器可构成一个积分电路。根据电路成一个积分电路。根据电路分析，其电路方程为：分析，其电路方程为：CUsc图图1.30 1.30 积分调节器原理图积分调节器原理图+-RbalUsrR0+Ai0if168Spring 2015Motion Control Systems

134、第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统当当 初始值为零时，初始值为零时， 在阶跃输入作用下，对上式在阶跃输入作用下，对上式进行积分运算，得积分调节器的输出为：进行积分运算，得积分调节器的输出为：方程两边取积分，得方程两边取积分，得 式中式中 积分时间常数。积分时间常数。169Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统2 2）积分调节器的特性）积分调节器的特性 UsrtUscUsrOa) 阶跃输入时的输出特性阶跃输入时的输出特性()L/dBOL()-20dB1/ O-/2b) Bode图图图图1.30 1.

135、30 积分调节器积分调节器Usc170Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统积分调节器的传递函数为：积分调节器的传递函数为： 3 3）积分调节器的传递函数）积分调节器的传递函数171Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统4 4）基于转速负反馈的积分控制规律）基于转速负反馈的积分控制规律如果转速负反馈控制系统采用积分调节器，则如果转速负反馈控制系统采用积分调节器，则控制电压控制电压Uk是转速偏差电压是转速偏差电压 U 的积分，即：的积分，

136、即：如果如果 U 是阶跃函数，则是阶跃函数，则 Uk按线性规律增长，每一按线性规律增长，每一时刻时刻 Uk 的大小和的大小和 U 与横轴所包围的面积成正比，与横轴所包围的面积成正比，如下图如下图 a 所示。所示。172Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 图图 积分调节器的输入和输出动态过程积分调节器的输入和输出动态过程a）为一般函数为一般函数a） 为为阶跃函数阶跃函数 b） 为一般函数为一般函数173Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调

137、速系统由上图可见，在动态过程中，当由上图可见，在动态过程中，当 变化时，只要其变化时，只要其极极性不变性不变，即只要仍是，即只要仍是 ，积分调节器的输出，积分调节器的输出 便一直增长；只有达到便一直增长；只有达到 时，时， 才停止才停止上升；不到上升；不到 变负，变负， 不会下降。在这里，值得特别不会下降。在这里，值得特别强调的是，当强调的是，当 时，时， 并不是零，而是一个终值；并不是零，而是一个终值；如果如果 不再变化，此终值便保持恒定不变，这是不再变化，此终值便保持恒定不变，这是积分积分控制的特点控制的特点。174Spring 2015Motion Control Systems第第1

138、1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 有静差调速系统有静差调速系统当负载转矩由当负载转矩由TL1突增到突增到TL2时，时，有静差调速系统的转速有静差调速系统的转速n、偏、偏差电压差电压 Un 和控制电压和控制电压 Uc 的的变化过程示于右图。变化过程示于右图。图图 有静差调速系统突加负载过程有静差调速系统突加负载过程5 5）比例与积分控制的比较）比例与积分控制的比较175Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统n 无静差调速系统无静差调速系统 当负载突增时，积分控制的无静差调当负载突增时，积分控制的无静差调速

139、系统动态过程曲线示于右图。在稳态运速系统动态过程曲线示于右图。在稳态运行时，转速偏差电压行时，转速偏差电压 U 必为零。如果必为零。如果 U不为零，则不为零，则 Uk 继续变化，就不是稳态了。继续变化，就不是稳态了。在突加负载引起动态速降时产生在突加负载引起动态速降时产生 U，达到，达到新的稳态时，新的稳态时， U 又恢复为零，但又恢复为零，但 Uk 已从已从 Uc1 上升到上升到 Uc2 ，使电枢电压由，使电枢电压由 Ud1 上升到上升到 Ud2，以克服负载电流增加的压降。，以克服负载电流增加的压降。在这里，在这里，Uk 的改变并非仅仅依靠的改变并非仅仅依靠 U 本身，本身，而是依靠而是依靠

140、 Ugd 在一段时间内的积累。在一段时间内的积累。图图 积分控制无静差调速系统积分控制无静差调速系统 突加负载时的动态过程突加负载时的动态过程176Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统将以上的分析归纳起来，可得下述论断：将以上的分析归纳起来，可得下述论断： 比例调节器比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状；的输出只取决于输入偏差量的现状；而而积分调节器积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历的输出则包含了输入偏差量的全部历史。史。177Spring 2015Motion Control Systems第第1

141、1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统比例积分控制规律比例积分控制规律上一小节从无静差的角度突出地表明了上一小节从无静差的角度突出地表明了积分控制优于比例控制的地方，但是另积分控制优于比例控制的地方，但是另一方面，在一方面，在控制的快速性控制的快速性上，积分控制上，积分控制却又不如比例控制。却又不如比例控制。如图所示，在同样的阶跃输入作用之下，如图所示，在同样的阶跃输入作用之下，比例调节器的输出可以立即响应，而积比例调节器的输出可以立即响应，而积分调节器的输出却只能逐渐地变。分调节器的输出却只能逐渐地变。a) P调节器调节器UscUsrtUsrUscO UscUsrUscmtUsrUsc

142、Ob) I调节器调节器图图 两种调节器两种调节器I/OI/O特性曲线特性曲线178Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统那么，如果既要稳态精度高，又要动态那么，如果既要稳态精度高，又要动态响应快，响应快，该怎么办呢？该怎么办呢？把比例和积分两种控制结合起来形成把比例和积分两种控制结合起来形成比比例积分控制，例积分控制，行不行？行不行？179Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统1 1） PI PI 调节器调节器在模拟电子控制技术中，可用

143、运算放大器来实现在模拟电子控制技术中，可用运算放大器来实现PIPI调节调节器，其线路如下图所示。器，其线路如下图所示。图图1.25 1.25 比例积分（比例积分（PIPI）调节器）调节器 +-C1RbalUsrR0+AR1Uscifi0180Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统2 2） PI PI 的输入输出关系的输入输出关系按照运放的输入输出关系（指绝对值关系）按照运放的输入输出关系（指绝对值关系） ，可得：，可得：式中式中 PI PI调节器比例部分的放大系数；调节器比例部分的放大系数； PI PI调节器的积分

144、时间常数。调节器的积分时间常数。由此可见，由此可见，PIPI调节器的输出电压由调节器的输出电压由比例比例和和积分积分两部两部分相加而成。分相加而成。181Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统3 3）PIPI调节器的传递函数调节器的传递函数当初始条件为零时，取上式两侧的拉氏变换，移项当初始条件为零时，取上式两侧的拉氏变换，移项后，得后，得PIPI调节器的传递函数调节器的传递函数: :图图1.25 PI1.25 PI调节器输出响应调节器输出响应182Spring 2015Motion Control Systems第

145、第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统1.4.3 1.4.3 采用比例积分（采用比例积分（PIPI）调节器的）调节器的单闭环无静差调速系统单闭环无静差调速系统u 系统组成系统组成u 工作原理工作原理u 稳态结构与静特性稳态结构与静特性u 参数计算参数计算183Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统(1) (1) 系统组成系统组成图图1.31 1.31 无静差直流调速系统示例无静差直流调速系统示例UPEUPE电力电子变换器电力电子变换器 + + +- -+ +M M TG TG+ +- -RPRP2 2n

146、 nRPRP1 1U U* *n nR R0 0R R0 0R RbalbalU Uc cVBTVBT VS VSU Ui iTATAI Id dR R1 1C C1 1U Un nU Ud d- -+ +M MTGTG+ + + +- -UPEUPE184Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统(2)(2)工作原理工作原理图图1.311.31所示是一个无静差直流调速系统的实例，采用比例积所示是一个无静差直流调速系统的实例，采用比例积分调节器以实现无静差，采用电流截止负反馈来限制动态过分调节器以实现无静差，采用电流截

147、止负反馈来限制动态过程的冲击电流。程的冲击电流。TATA为检测电流的交流互感器，经整流后得到为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号。当电流超过截止电流时，高于稳压管电流反馈信号。当电流超过截止电流时，高于稳压管VSVS的击的击穿电压，使晶体三极管穿电压，使晶体三极管VBTVBT导通，则导通，则PIPI调节器的输出电压接近调节器的输出电压接近于零，电力电子变换器于零，电力电子变换器UPEUPE的输出电压急剧下降，达到限制电的输出电压急剧下降，达到限制电流的目的。流的目的。185Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流

148、调速系统(3) (3) 稳态结构与静特性稳态结构与静特性当电动机电流低于其截止值时，上述系统的稳态结构图示于下当电动机电流低于其截止值时，上述系统的稳态结构图示于下图，其中代表图，其中代表PIPI调节器的方框中无法用放大系数表示，一般画调节器的方框中无法用放大系数表示，一般画出它的输出特性，以表明是比例积分作用。出它的输出特性，以表明是比例积分作用。图图1.35 1.35 无静差直流调速系统稳态结构框图无静差直流调速系统稳态结构框图（Id Idcr ） Ks 1/CeU*nUcUnIdREnUd0Un+-186Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单

149、闭环直流调速系统单闭环直流调速系统无静差系统的理想静特性如无静差系统的理想静特性如右图所示。右图所示。当当 Id Idcr 时，电流截止时，电流截止负反馈起作用，静特性急剧负反馈起作用，静特性急剧下垂，基本上是一条垂直线。下垂，基本上是一条垂直线。整个静特性近似呈矩形。整个静特性近似呈矩形。 OIdIdcrn1n2nmaxn图图1.35 1.35 带电流截止的无静差直流带电流截止的无静差直流调速系统的静特性调速系统的静特性 187Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统(4) (4) 稳态参数计算稳态参数计算无静差调

150、速系统的稳态参数计算很简单，在理想情况下，稳态无静差调速系统的稳态参数计算很简单，在理想情况下，稳态时时 Un = 0，因而，因而 Un = Un* ，可以按式（，可以按式（1-33）直接计算转速反）直接计算转速反馈系数馈系数 （1-331-33） 电动机调压时的最高转速电动机调压时的最高转速(r/min)； 相应的最高给定电压相应的最高给定电压(V)。 n nmaxmaxU U* *nmax nmax 电流截止环节的参数很容易根据其电路和截止电流值电流截止环节的参数很容易根据其电路和截止电流值 Idcr计算计算出。出。PI调节器的参数调节器的参数 Kpi和和可按动态校正的要求计算。可按动态校

151、正的要求计算。188Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统本本 章章 提提 要要本章着重本章着重讨论基本的基本的单闭环控制系控制系 统及其分析与及其分析与设计方法。方法。1.1 直流直流调速系速系统的构成的构成 1.2 单闭环调速系速系统的的稳态分析与分析与设计 1.3 单闭环调速系速系统的的动态分析与分析与设计 1.4 无静差无静差调速系速系统1.5 电压反反馈电流流补偿控制的控制的调速系速系统189Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速

152、系统带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图转速负反馈单闭环调速系统转速负反馈单闭环调速系统190Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统1.5.1 1.5.1 电压负反馈调速系统有静差调速系统电压负反馈调速系统有静差调速系统（1 1）系统原理图）系统原理图图图1.39 1.39 电压负反馈调速系统原理接线图电压负反馈调速系统原理接线图应增加一应增加一个反号器个反号器191Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流

153、调速系统（2 2）稳态结构图）稳态结构图图图1.40 1.40 电压负反馈调速系统稳态结构图电压负反馈调速系统稳态结构图注：注：Rs晶闸管整流装置的内阻，晶闸管整流装置的内阻，Ra电动机电枢电阻。电动机电枢电阻。UgdUKpKsId RsRan n- -UfngEUdUd0Uk+192Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统电压负反馈调速系统的静特性方程：电压负反馈调速系统的静特性方程：其中：其中：193Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速

154、系统1.5.2 1.5.2 带电流正反馈的电压负反馈调速系统带电流正反馈的电压负反馈调速系统图图1.41 1.41 带电流正反馈的电压负反馈调速系统原理图带电流正反馈的电压负反馈调速系统原理图应增加一应增加一个反号器个反号器194Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统1.5.2 1.5.2 带电流正反馈的电压负反馈调速系统带电流正反馈的电压负反馈调速系统图图1-42 1-42 带电流正反馈的电压负反馈调速系统稳态结构图带电流正反馈的电压负反馈调速系统稳态结构图UgdUKpKsIdRi +RsRan n- -Ufug

155、EUdUd0Uk+ + + + +Ufi195Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统带电流正反馈的电压负反馈调速系统的静特性方程：带电流正反馈的电压负反馈调速系统的静特性方程：其中：其中：定义电流反馈系数定义电流反馈系数：196Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统全补偿条件：全补偿条件：令令则则即即其中其中 叫做全补偿的临界电流反馈系数叫做全补偿的临界电流反馈系数欠补偿欠补偿过补偿过补偿197Spring 2015Motion Con

156、trol Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统如果取消负反馈，仅如果取消负反馈，仅采用电流正反馈采用电流正反馈的补偿的补偿控制，则静特性方程变为：控制，则静特性方程变为：此时，全补偿条件为此时，全补偿条件为：198Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统1 1电压负反馈加电流正反馈，全补偿电压负反馈加电流正反馈，全补偿2 2欠补偿欠补偿 3 3过补偿过补偿4 4只有电压负反馈只有电压负反馈5 5开环系统开环系统199Spring 2015Motion Control Systems第第1

157、 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 总结： 由被由被调量量负反反馈构成的反构成的反馈控制和有控制和有扰动量正反量正反馈构成的构成的补偿控制，控制，实行只不同的两种控制行只不同的两种控制规律。律。 反反馈控制：控制：只能使静差减小；自只能使静差减小；自动调节的作用；的作用；能抑制一切被包在能抑制一切被包在负反反馈环内前向通道上的内前向通道上的扰动。 补偿控制：控制：完全消除静差；需要参数配合；只能完全消除静差；需要参数配合；只能补偿某一种某一种扰动。200Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统转速负反馈转

158、速负反馈如果：如果：201Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统1.5.3 1.5.3 电流补偿控制调速系统的稳定性分析电流补偿控制调速系统的稳定性分析 图图1-44 1-44 只有电流补偿控制调速系统的动态结构图只有电流补偿控制调速系统的动态结构图202Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统系统的闭环传递函数为：系统的闭环传递函数为：即即结论结论：只有电流正反馈的调速系统的临界稳定条件：只有电流正反馈的调速系统的临界稳定条件才是其静特

159、性的全补偿条件。如果过补偿，系统便才是其静特性的全补偿条件。如果过补偿，系统便不稳定。不稳定。系统临界稳定条件：系统临界稳定条件：203Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统结论： 电流正反流正反馈可以用来可以用来补偿一部分静差，一部分静差，以提高以提高调速系速系统的的稳态性能。但是，不能指性能。但是，不能指望望电流正反流正反馈来来实现无静差，因无静差，因为这是系是系统已已经达到达到稳定的定的边缘。204Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调

160、速系统习题课：习题课：1.2.5 1.2.5 转速负反馈单闭环调速系统转速负反馈单闭环调速系统稳态参数计算稳态参数计算 稳态参数计算是自动控制系统设计的第一步，它稳态参数计算是自动控制系统设计的第一步，它决定了控制系统的基本构成环节，有了基本环节组成决定了控制系统的基本构成环节，有了基本环节组成系统之后，再通过动态参数设计，就可使系统臻于完系统之后，再通过动态参数设计，就可使系统臻于完善。近代自动控制系统的控制器主要是模拟电子控制善。近代自动控制系统的控制器主要是模拟电子控制和数字电子控制，由于数字控制的明显优点，在实际和数字电子控制，由于数字控制的明显优点，在实际应用中数字控制系统已占主要地

161、位，但从物理概念和应用中数字控制系统已占主要地位，但从物理概念和设计方法上看，模拟控制仍是基础。设计方法上看，模拟控制仍是基础。205Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统稳态参数计算包括单闭环直流调速系统稳态参数计算包括:(1) 额定负载时调速系统的稳态速降额定负载时调速系统的稳态速降 ;(2) 根据根据 求出系统应具有的开环放大系数求出系统应具有的开环放大系数K;(3) 闸管装置的放大系数闸管装置的放大系数 ;(4) 计算测速反馈环节的放大系数计算测速反馈环节的放大系数 和电位器和电位器 电阻

162、值；电阻值；(5) 计算比例调节器的放大系数计算比例调节器的放大系数 。206Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 系统稳态参数计算系统稳态参数计算例例题1-11-1 用用线性集成性集成电路运算放大器作路运算放大器作为电压放大器的放大器的转速速负反反馈闭环直流直流调速系速系统如如图1-14所示，所示，主主电路是晶路是晶闸管可控整流器供管可控整流器供电的的V-M系系统。已知数据如下：已知数据如下：电动机：机：额定数据定数据为PN =10kW，UN=220V，IN=55A， nN=1000r/min，电枢枢电阻：阻：

163、 Ra = 0.5；V-M系系统电枢回路枢回路总电阻：阻：R = 1.0；207Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统晶晶闸管触管触发整流装置：三相整流装置：三相桥式可控整流式可控整流电路，整流路，整流变压器器Y/Y联结，二次，二次线电压 U2l = 230V，电压放大放大系数系数 Ks = 44；测速速发电机：机：ZYS231/110型永磁式直流型永磁式直流测速速发电机，机，额定数据定数据为23.1W，110V，0.21A，1900r/min；直流直流稳压电源：源：15V。 若若生生产机械要求机械要求调速范速范围

164、D=10，静差率，静差率s=5%，试计算算调速系速系统的的稳态参数（参数（暂不考不考虑电动机的起机的起动问题）。）。 208Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 图图1-14 1-14 转速负反馈单闭环有静差直流调速系统原理图转速负反馈单闭环有静差直流调速系统原理图209Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统解：解：（1）首先画出）首先画出该系系统的的稳态结构构图 图图1-121-12（a a） 转速负反馈单闭环直流调速系统稳态结构图

165、转速负反馈单闭环直流调速系统稳态结构图210Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 （2）为满足足调速系速系统的的稳态性能指性能指标，额定定负载时的的稳态速降速降应为 = 5.26r/min211Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统（3）求）求闭环系系统应有的开有的开环放大系数放大系数先先计算算电动机的机的电动势系数：系数： Vmin/r = 0.1925Vmin/r212Spring 2015Motion Control Syste

166、ms第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统则开开环系系统额定速降定速降为 r/min = 285.7r/min闭环系系统的开的开环放大系数放大系数应为213Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统（4）计算算转速反速反馈环节的反的反馈系数和参数系数和参数 转速反速反馈系数系数 包含包含测速速发电机的机的电动势系数系数Cetg和其和其输出出电位器的分位器的分压系数系数 2，即，即 = 2 Cetg根据根据测速速发电机的机的额定数据，定数据， = 0.0579Vmin/r214Spring 2015Moti

167、on Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 先先试取取 2 2 =0.2 =0.2，再，再检验是否合适。是否合适。 现假定假定测速速发电机与主机与主电动机直接机直接联接，接，则在在电动机最高机最高转速速1000r/min1000r/min时，转速反速反馈电压为 V=11.58VV=11.58V 稳态时U Un n 很小，很小， U U* *n n只要略大于只要略大于U Un n 即可，即可，现有直流有直流稳压电源源为15V15V，完全能，完全能够满足足给定定电压的需要。因此，取的需要。因此，取=0.2=0.2是正确的。是正确的。 215Spring

168、 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 于是，于是，转速反速反馈系数的系数的计算算结果是果是 Vmin/r = 0.01158Vmin/r 说明：在明：在计算算转速反速反馈系数系数时也可以如下近似也可以如下近似计算：算： 根据根据稳态结构构图，可近似，可近似认为：UfnUn 。 电位器的位器的选择方法如下：方法如下：为了使了使测速速发电机的机的电枢枢压降降对转速速检测信号的信号的线性度没有性度没有显著影响，取著影响，取测速速发电机机输出最高出最高电压时，其，其电流流约为额定定值的的20%，则 =1379 216Spring 2

169、015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 此此时所消耗的功率所消耗的功率为 为了使了使电位器温度不致很高，位器温度不致很高，实选瓦数瓦数应为所消耗功率的一倍以上，故可所消耗功率的一倍以上，故可为选用用10W10W，1.5k1.5k的可的可调电位器。位器。217Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统（4）计算运算放大器的放大系数和参数算运算放大器的放大系数和参数 根据根据调速指速指标要求，前已求出，要求，前已求出，闭环系系统的的开开环放大系数放大系数应为

170、K 53.3，则运算放大器的放运算放大器的放大系数大系数 Kp 应为 218Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统图中运算放大器的参数中运算放大器的参数计算如下：算如下：根据所用运算放大器的型号，根据所用运算放大器的型号，取取 R0 = 40k，则219Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统本章小结本章小结学学习和掌握直流和掌握直流调速方法速方法学学习和掌握直流和掌握直流调速系速系统：系系统组成成系系统分析（静分析（静态性能、性能、动态

171、性能）性能）重点掌握：重点掌握：转速负反馈调速系统及其静特性转速负反馈调速系统及其静特性转速负反馈调速系统及其动态分析转速负反馈调速系统及其动态分析220Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统采用采用P P调节器的调节器的速度闭环调速系统速度闭环调速系统直流电动机直流电动机带电流截至负反馈带电流截至负反馈闭环调速系统闭环调速系统采用采用PIPI调节器的无静差调节器的无静差闭环调速系统闭环调速系统电压负反馈电压负反馈闭环调速系统闭环调速系统带电流正反馈的电压带电流正反馈的电压负反馈闭环调速系统负反馈闭环调速系统三种调

172、速方法三种调速方法反馈控制规律反馈控制规律解决启动和堵转时解决启动和堵转时电流过大的问题电流过大的问题消除静差消除静差简化结构简化结构弥补电枢压降弥补电枢压降221Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统本章作业：本章作业：1.反反馈控制有哪些基本控制有哪些基本规律？律？2.在直流在直流调速系速系统中，改中，改变给定定电压是否能是否能够改改变电动机的机的转速？速？为什么？如果什么？如果给定定电压不不变，调整反整反馈电压的分的分压比，是否能比，是否能够改改变转速？速？为什么？什么？3.(P32:1-4)在在电压负反反馈

173、加加电流正反流正反馈的的单闭环有静差有静差调速速系系统中，中，对于放大器的系数于放大器的系数Kp、电网网电压、负载转矩、矩、电动机励磁机励磁电流、流、电枢枢电阻、阻、电压反反馈系数等各量系数等各量变化所引化所引起的起的扰动作用，系作用，系统有无有无调节能力？能力？4.如果如果负反反馈信号信号线的极性接反了，的极性接反了，对调速系速系统的运行将的运行将产生什么后果？生什么后果？ 222Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统本章作业（续）：本章作业（续）：5.采用采用电流正反流正反馈可以有效地可以有效地补偿电压负反反馈

174、调速系速系统的的稳态转速降落。但在速降落。但在应用中，用中，总是采用欠是采用欠补偿而不采用而不采用过补偿，这是是为什么？什么？6.计算算题:书本本课后后习题P32: 1-2; 1-6;1-7; 1-9。7.在在书本本P10例例1-1中，已知主中，已知主电路路电路路总电阻阻R=1.00欧，欧，总电感感L=0.017H；晶；晶闸管装置放大系数管装置放大系数Ks=44，其失控，其失控时间Ts=0.00167s；电机在恒定磁通下的机在恒定磁通下的电动势转速比速比Ce=0.1925V.min/r。若系。若系统运运动部分的部分的飞轮转动惯量量G2D=10N.m2。该例子根据例子根据稳态指指标D=10，s=53.3，试判断判断该闭环系系统的的稳定性。定性。223Spring 2015Motion Control Systems第第1 1章章 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统