运动控制系统反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计教育课件.ppt

第三讲第三讲1.4 反馈控制闭环直流调速系统反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计的稳态分析和设计1学习研究本节提要本节提要v转速控制的要求和调速指标转速控制的要求和调速指标v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v闭环调速系统的组成及其静特性闭环调速系统的组成及其静特性v开环系统特性和闭环系统特性的关系开环系统特性和闭环系统特性的关系v反馈控制规律反馈控制规律v限流保护限流保护——电流截止负反馈电流截止负反馈2学习研究1.4.1 1.4.1 转速控制的要求和调速指标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归纳起来，对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面：求有以下三个方面：3学习研究1. 控制要求控制要求（（1）调速）调速——在一定的最高转速和最低转速范在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地（有级）或围内，分挡地（有级）或 平滑地（无级）调平滑地（无级）调节转速；节转速；（（2）稳速）稳速——以一定的精度在所需转速上稳定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，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；以确保产品质量；（（3）加、减速）加、减速——频繁起、制动的设备要求加、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。

度变化的机械则要求起，制动尽量平稳4学习研究2. 调速指标调速指标v调速范围：调速范围： 生生产产机机械械要要求求电电动动机机提提供供的的最最高高转转速速和和最最低转速之比叫做调速范围，用字母低转速之比叫做调速范围，用字母 D 表示，即表示，即（1-31） 其其中中nmin 和和nmax 一一般般都都指指电电机机额额定定负负载载时时的的转转速速，，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，，也可用实际负载时的转速也可用实际负载时的转速5学习研究 v静静差差率率：：当当系系统统在在某某一一转转速速下下运运行行时时，，负负载载由由理理想想空空载载增增加加到到额额定定值值时时所所对对应应的的转转速速降降落落  nN ，，与与理理想空载转速想空载转速 n0 之比，称作静差率之比，称作静差率 s ，即，即或用百分数表示或用百分数表示 （1-32） （1-33） 式中式中  nN = n0 - nN 6学习研究0TeNTen0an0bab∆ nNa ∆ nNb nO图图1-23 不同转速下的静差率不同转速下的静差率3. 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 然而静差率和然而静差率和机械特性硬度又是机械特性硬度又是有区别的。

一般调有区别的一般调压调速系统在不同压调速系统在不同转速下的机械特性转速下的机械特性是互相平行的是互相平行的 对于同样硬度的特性，于同样硬度的特性，理想空载转速越低理想空载转速越低时，静差率越大，时，静差率越大，转速的相对稳定度转速的相对稳定度也就越差也就越差7学习研究™例如：在例如：在1000r/min时降落时降落10r/min，只占，只占1%；在；在100r/min时同样降落时同样降落10r/min，就占，就占10%；； 如果在只有如果在只有10r/min时，再降落时，再降落10r/min，就占，就占100%，，这时电动机已经停止转动，转速全部降落完了这时电动机已经停止转动，转速全部降落完了 因此，调速范围和静差率这两项指标并不是因此，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调速系统的彼此孤立的，必须同时提才有意义调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准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）8学习研究4. 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 设：电机额定转速设：电机额定转速nN为最高转速，转速降落为为最高转速，转速降落为 nN，，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即是最低速时的静差率，即于是，最低转速为于是，最低转速为 9学习研究而调速范围为而调速范围为 将上面的式代入将上面的式代入 nmin，得，得 （1-34） 10学习研究 式式（（1-34））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（（1-34））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速范围也越小调速范围也越小 11学习研究vv结论1： 一个调速系统的调速范围，是指在最一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范低速时还能满足所需静差率的转速可调范围12学习研究v例例题题1-1 某某直直流流调调速速系系统统电电动动机机额额定定转转速速为为，，额额定定速速降降  nN = 115r/min，，当当要要求求静静差差率率30%时时，，允允许许多多大大的的调调速速范范围围？？如如果果要要求求静静差差率率20%，，则则调调速速范范围围是是多多少少？？如如果果希希望望调调速速范范围围达达到到10，，所所能能满满足的静差率是多少？足的静差率是多少？13学习研究解解 要求要求30%时，调速范围为时，调速范围为 若要求若要求20%，则调速范围只有，则调速范围只有若调速范围达到若调速范围达到10，则静差率只能是，则静差率只能是14学习研究1.4.2 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 若可逆直流脉宽调速系统是开环调速若可逆直流脉宽调速系统是开环调速系统，调节控制电压就可以改变电动机的系统，调节控制电压就可以改变电动机的转速。

如果负载的生产工艺对运行时的静转速如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，可以找到一实现一定范围内的无级调速，可以找到一些用途 但是，许多需要调速的生产机械常常但是，许多需要调速的生产机械常常对静差率有一定的要求在这些情况下，对静差率有一定的要求在这些情况下，开环调速系统往往不能满足要求开环调速系统往往不能满足要求 15学习研究v例例题题1-2 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，，主主电电路路总总电电阻阻，，电电动动机机电电动动势势系系数数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个要要求求，，系系统统的的额额定速降最多能有多少？定速降最多能有多少？16学习研究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 这这已已大大大大超超过过了了5%5%的的要要求求，，更更不不必必谈谈调调到到最最低速了。

低速了17学习研究 如果要求如果要求D = 20，，s ≤ 5%，则由式（，则由式（1-29）可知）可知 由由上上例例可可以以看看出出，，开开环环调调速速系系统统的的额额定定速速降降是是275 r/min，，而而生生产产工工艺艺的的要要求求却却只只有有2.63r/min，，相相差差几几乎乎百百倍！倍！ 由由此此可可见见，，开开环环调调速速已已不不能能满满足足要要求求，，需需采采用用反反馈馈控控制制的闭环调速系统来解决这个问题的闭环调速系统来解决这个问题18学习研究1.4.3 闭环调速系统的组成及其静特性闭环调速系统的组成及其静特性 根据自动控制原理，反馈控制的闭环根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，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，它就会自动产生纠只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用正偏差的作用 调速系统的转速降落正是由负载引起调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转速降落。

速系统应该能够大大减少转速降落 19学习研究n 系统组成系统组成图图1-24 采用转速负反馈的闭环调速系统采用转速负反馈的闭环调速系统+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un∆Un U*nUcUPE+-MTGIdUnUdUcUnntg20学习研究n 调节原理调节原理 在反馈控制的闭环直流调速系统中，在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机与电动机同轴安装一台测速发电机 TG ，，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压压Un ，与给定电压，与给定电压 U* *n 相比较后，得到转相比较后，得到转速偏差电压速偏差电压  Un ，经过放大器，经过放大器 A，产生电，产生电力电子变换器力电子变换器UPE的控制电压的控制电压Uc ，用以控，用以控制电动机转速制电动机转速 n21学习研究n UPE的组成的组成 图中，图中，UPE是由电力电子器件组成的是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三组（或单相）交流电变换器，其输入接三组（或单相）交流电源，输出为可控的直流电压，控制电压为源，输出为可控的直流电压，控制电压为Uc 。

UcUd0u~ACDCUd0Uc22学习研究n UPE的组成（续）的组成（续） 目前，目前，组成组成UPE的电力电子器件有的电力电子器件有如下几种选择方案：如下几种选择方案：v对于中、小容量系统，多采用由对于中、小容量系统，多采用由IGBT或或P-MOSFET组成的组成的PWM变换器；变换器；v对于较大容量的系统，可采用其他电力对于较大容量的系统，可采用其他电力电子开关器件，如电子开关器件，如GTO、、IGCT等；等；v对于特大容量的系统，则常用晶闸管触对于特大容量的系统，则常用晶闸管触发与整流装置发与整流装置23学习研究n 稳态分析条件稳态分析条件 下下面面分分析析闭闭环环调调速速系系统统的的稳稳态态特特性性，，以以确确定定它它如如何何能能够够减减少少转转速速降降落落为为了了突突出主要矛盾，先作如下的假定：出主要矛盾，先作如下的假定：（（1））忽忽略略各各种种非非线线性性因因素素，，假假定定系系统统中中各各环环节节的的输输入入输输出出关关系系都都是是线线性性的的，，或或者者只只取取其线性工作段；其线性工作段；（（2）忽略控制电源和电位器的内阻。

忽略控制电源和电位器的内阻24学习研究转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下：转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下： 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25学习研究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 — 放大器的电压放大系数；放大器的电压放大系数； — 电力电子变换器的电压放大系数；电力电子变换器的电压放大系数； — 转速反馈系数，（转速反馈系数，（V·min/r）；）； — UPE的理想空载输出电压；的理想空载输出电压； — 电枢回路总电阻电枢回路总电阻KpKsRUd026学习研究 从上述五个关系式中消去中间变量，从上述五个关系式中消去中间变量，整理后，即得转速负反馈闭环直流调速系整理后，即得转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式统的静特性方程式（1-35） n 静特性方程静特性方程27学习研究n 静特性方程（续静特性方程（续） 式中式中 闭环系统的开环放大系数闭环系统的开环放大系数K为为 它相当于在测速反馈电位器输出端把反馈回它相当于在测速反馈电位器输出端把反馈回路断开后，从放大器输入起直到测速反馈输出为止路断开后，从放大器输入起直到测速反馈输出为止总的电压放大系数，是各环节单独的放大系数的乘总的电压放大系数，是各环节单独的放大系数的乘积。

积 电动机环节放大系数为电动机环节放大系数为28学习研究vv注意：注意： 闭闭环环调调速速系系统统的的静静特特性性表表示示闭闭环环系系统统电电动动机机转转速速与与负负载载电电流流（（或或转转矩矩））间间的的稳稳态态关关系系，，它它在在形形式式上上与与开开环环机机械械特特性性相相似似，，但但本本质质上上却却有有很很大大不不同同，，故故定定名名为为“静静特特性性”，以示区别以示区别29学习研究KpKs 1/CeU*nUc∆UnEnUd0Un++- 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1-25 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图30学习研究 图中各方块内的符号代表该环节的放图中各方块内的符号代表该环节的放大系数运用结构图运算法同样可以推出大系数运用结构图运算法同样可以推出式（式（1-35）所表示的静特性方程式，方法）所表示的静特性方程式，方法如下：将给定量和扰动量看成两个独立的如下：将给定量和扰动量看成两个独立的输入量，先按它们分别作用下的系统求出输入量，先按它们分别作用下的系统求出各自的输出与输入关系式各自的输出与输入关系式31学习研究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）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/CeUc∆Un n Ud0Un+-+KpKs 1/Ce-IdR nUd0+-E32学习研究 由于已认为系统是线性的，可以把二者由于已认为系统是线性的，可以把二者叠加起来，即得系统的静特性方程式叠加起来，即得系统的静特性方程式（1-35）33学习研究1.4.4 开环系统机械特性和闭环系统静特性开环系统机械特性和闭环系统静特性 的关系的关系 比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静特性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。

如特性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性如果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为 (1-36) 而闭环时的静特性可写成而闭环时的静特性可写成 (1-37) 34学习研究比较式（比较式（1-36）和式（）和式（1-37）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）闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬得多性硬得多 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 (1-38) n 系统特性比较系统特性比较35学习研究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）如果比较同一的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多环系统的静差率要小得多 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，（1-39）36学习研究（（3 3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。

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差率的要求相同，那么：静差率的要求相同，那么： 开环时，开环时， 闭环时，闭环时， 再考虑式（再考虑式（1-38），得），得 (1-40) n 系统特性比较（续）系统特性比较（续）37学习研究n 系统特性比较（续）系统特性比较（续）（（4 4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器置放大器 上述三项优点若要有效，都取决于一点，上述三项优点若要有效，都取决于一点，即即 K 要足够大，因此必须设置放大器要足够大，因此必须设置放大器38学习研究 把以上四点概括起来，可得下述结论把以上四点概括起来，可得下述结论：结论结论2 2：： 闭环调速系统可以获得比开环调速系闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。

及检测与反馈装置 39学习研究v例题例题1-3 在例题在例题1-2中，龙门刨床要求中，龙门刨床要求 D = 20，， s < 5%，， 已知已知 Ks = 30，，   = 0.015V·min/r，， Ce = 0.2V·min/r，， 如何采用闭环系统满足此要求如何采用闭环系统满足此要求？ 40学习研究解解 在上例中已经求得在上例中已经求得 Δnop = 275 r/min，，但为了满足调速要求，须有但为了满足调速要求，须有 Δncl = 2.63 r/min，，由式（由式（1-38）可得）可得41学习研究代入已知参数，则得代入已知参数，则得 即只要放大器的放大系数等于或大于即只要放大器的放大系数等于或大于46，闭环系统就能满足所需的稳态性能指，闭环系统就能满足所需的稳态性能指标42学习研究n 系统调节过程系统调节过程™开环系统开环系统 Id    n  例如：在图例如：在图1-26中工作点从中工作点从A  A’ ™闭环系统闭环系统 Id    n   Un    Un    n   Ud0   Uc 例如：在图例如：在图1-26中工作点从中工作点从A  B43学习研究n0 OIdId1Id3Id2Id4ABCA’D闭环静特性开环机械特性图图1-26 闭环系统静特性和开环机械特性的关系闭环系统静特性和开环机械特性的关系Ud4Ud3Ud2Ud144学习研究 由由此此看看来来，，闭闭环环系系统统能能够够减减少少稳稳态态速速降降的的实实质质在在于于它它的的自自动动调调节节作作用用，，在在于于它它能能随随着着负负载载的的变变化化而而相相应应地地改改变变电电枢枢电电压压，，以补偿电枢回路电阻压降。

以补偿电枢回路电阻压降45学习研究1.4.5 反馈控制规律反馈控制规律 转速反馈闭环调速系统是一种基本的反转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有以下三个基本特征，也馈控制系统，它具有以下三个基本特征，也就是反馈控制的基本规律，各种不另加其他就是反馈控制的基本规律，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调节器的基本反馈控制系统都服从于这些规律 46学习研究1. 被调量有静差被调量有静差 从从静静特特性性分分析析中中可可以以看看出出，，由由于于采采用用了了比比例例放放大大器器，，闭闭环环系系统统的的开开环环放放大大系系数数K值值越越大大，，系系统统的的稳稳态态性性能能越越好好然然而而，，Kp =常常数数，，稳稳态态速速差差就就只只能能减小，却不可能消除因为闭环系统的稳态速降为减小，却不可能消除因为闭环系统的稳态速降为 只有只有 K =  ，才能使，才能使  ncl = 0，而这是不可能的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因此，这样的调速系统叫做有静差调速系统。

实际实际上，这种系统正是依靠被调量的偏差进行控制上，这种系统正是依靠被调量的偏差进行控制的47学习研究2. 抵抗扰动抵抗扰动, 服从给定服从给定 反反馈馈控控制制系系统统具具有有良良好好的的抗抗扰扰性性能能，，它它能能有有效效地地抑抑制制一一切切被被负负反反馈馈环环所所包包围围的的前前向向通通道道上上的的扰扰动动作作用用，，但但对给定作用的变化则唯命是从对给定作用的变化则唯命是从v扰扰动动——除除给给定定信信号号外外，，作作用用在在控控制制系系统统各各环环节节上上的的一一切切会会引引起起输输出出量量变变化的因素都叫做化的因素都叫做“扰动作用扰动作用” 48学习研究n 调速系统的扰动源调速系统的扰动源™负载变化的扰动（使负载变化的扰动（使Id变化）；变化）；™交流电源电压波动的扰动（使交流电源电压波动的扰动（使Ks变化）；变化）；™电动机励磁的变化的扰动（造成电动机励磁的变化的扰动（造成Ce 变化变化 ）；）；™放大器输出电压漂移的扰动（使放大器输出电压漂移的扰动（使Kp变化）；变化）；™温升引起主电路电阻增大的扰动（使温升引起主电路电阻增大的扰动（使R变化）；变化）；™检测误差的扰动（使检测误差的扰动（使 变化）变化） 。

在图在图1-27中，各种扰动作用都在稳态结构框图上中，各种扰动作用都在稳态结构框图上表示出来了，所有这些因素最终都要影响到转速表示出来了，所有这些因素最终都要影响到转速49学习研究n 扰动作用与影响扰动作用与影响图图1-27 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/CeU*nUc∆UnEnUd0Un++-- R 50学习研究n 抗扰能力抗扰能力v反反馈馈控控制制系系统统对对被被反反馈馈环环包包围围的的前前向向通通道道上的扰动都有抑制功能上的扰动都有抑制功能™例如：例如：Us   Ud0   n   Un    Un     n   Ud0    Uc  51学习研究n 抗扰能力（续）抗扰能力（续）v但是，如果在反馈通道上的测速反馈系数但是，如果在反馈通道上的测速反馈系数受到某种影响而发生变化，它非但不能得受到某种影响而发生变化，它非但不能得到反馈控制系统的抑制，反而会增大被调到反馈控制系统的抑制，反而会增大被调量的误差。

量的误差™例如：例如：     Un    Un   Uc    Ud0   n  因此，反馈控制系统所能抑制的只是被因此，反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动反馈环包围的前向通道上的扰动52学习研究n 给定作用给定作用 与与众众不不同同的的是是在在反反馈馈环环外外的的给给定定作作用用，，如如图图1-27中中的的转转速速给给定定信信号号，，它它的的些些微微变变化化都都会会使使被被调调量量随随之之变变化化，，丝丝毫毫不不受受反反馈馈作作用的抑制用的抑制 53学习研究n n 结论3： 反馈控制系统的规律是：一方面反馈控制系统的规律是：一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面，内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯命是从的。

号的任何变化都是唯命是从的54学习研究3. 系统的精度依赖于给定和反馈检测精度系统的精度依赖于给定和反馈检测精度v给给定定精精度度——由由于于给给定定决决定定系系统统输输出出，，输输出出精精度度自然取决于给定精度自然取决于给定精度 如如果果产产生生给给定定电电压压的的电电源源发发生生波波动动，，反反馈馈控控制制系系统统无无法法鉴鉴别别是是对对给给定定电电压压的的正正常常调调节节还还是是不不应应有有的的电电压压波波动动因因此此，，高高精精度度的的调调速速系系统统必必须须有更高精度的给定稳压电源有更高精度的给定稳压电源v检检测测精精度度——反反馈馈检检测测装装置置的的误误差差也也是是反反馈馈控控制制系系统统无无法法克克服服的的，，因因此此检检测测精精度度决决定定了了系系统统输输出出精度55学习研究1.4.6 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：问题的提出：™起起动动的的冲冲击击电电流流——直直流流电电动动机机全全电电压压起起动动时时，，如如果果没没有有限限流流措措施施，，会会产产生生很很大大的的冲冲击击电电流流，，这这不不仅仅对对电电机机换换向向不不利利，，对对过过载载能能力力低的电力电子器件来说，更是不能允许的。

低的电力电子器件来说，更是不能允许的™闭闭环环调调速速系系统统突突加加给给定定起起动动的的冲冲击击电电流流——采采用用转转速速负负反反馈馈的的闭闭环环调调速速系系统统突突然然加加上上给给定定电电压压时时，，由由于于惯惯性性，，转转速速不不可可能能立立即即建建立立起起来来，，反反馈馈电电压压仍仍为为零零，，相相当当于于偏偏差差电电压压，，差不多是其稳态工作值的差不多是其稳态工作值的 1+K 倍 56学习研究n 问题的提出（续）问题的提出（续） 这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压一下子就达到它的最高值，对电动机电枢电压一下子就达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，当然是不允许的来说，相当于全压起动，当然是不允许的™堵转电流堵转电流——有些生产机械的电动机可能会遇有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况例如，由于故障，机械轴被卡到堵转的情况例如，由于故障，机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等由住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等由于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，硬于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值。

如果只依靠干下去，电流将远远超过允许值如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便会给正常工作带来不便57学习研究 解决办法：解决办法：™电枢串电阻电枢串电阻起动；起动；™引入电流引入电流截止负反馈；截止负反馈；™加积分给定环节加积分给定环节 本节主要讨论本节主要讨论如何采用电流如何采用电流截止负反截止负反馈来限制起动电流馈来限制起动电流58学习研究n 电流负反馈作用机理电流负反馈作用机理 为了解决反馈闭环调速系统的起动和为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有堵转时电流过大的问题，系统中必须有自自动限制电枢电流的环节动限制电枢电流的环节 根据反馈控制原理，要维持哪一个物根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈那么，引入负反馈那么，引入电流负反馈电流负反馈，应该能，应该能够保持电流基本不变，使它不超过允许值够保持电流基本不变，使它不超过允许值59学习研究n 电流负反馈引入方法电流负反馈引入方法™仅采用电流负反仅采用电流负反馈，不要转速负馈，不要转速负反馈反馈 这种系统的静这种系统的静特性如图中特性如图中B 线，线，特性很陡。

显然仅特性很陡显然仅对起动有利，对稳对起动有利，对稳态运行不利态运行不利 Idbln0IdOn'0A—转速负反馈特性B—电流负反馈特性 调速系统静特性调速系统静特性60学习研究M+-UdIdRsUi接放大器Mn 同时采用转速和电流负反馈同时采用转速和电流负反馈1. 电流检测与反馈电流检测与反馈（（1））电枢回路电枢回路串检测电阻；串检测电阻；（（2））电枢回路电枢回路接直流互感器；接直流互感器；（（3）交流电路接交流互感器；）交流电路接交流互感器；（（4）采用霍尔传感器采用霍尔传感器 电流检测与反馈电路电流检测与反馈电路61学习研究 转速和电流负反馈系统稳态结构转速和电流负反馈系统稳态结构 Kp Ks  1/CeU*nUc∆UnIdEnUd0Un++-- R -2. 系统稳态结构如图系统稳态结构如图 Rs Ui62学习研究3. 静特性方程静特性方程（1-41） 与转速闭环控制调速系统特性方程相比，式与转速闭环控制调速系统特性方程相比，式（（1-41））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63学习研究4. 稳态特性稳态特性 Idbl0n0A—转速负反馈特性B—电流负反馈特性C—转速电流负反馈特性转速电流负反馈特性采用转速电流调速系统静特性采用转速电流调速系统静特性Idn'0O64学习研究n 电流截止负反馈电流截止负反馈 考虑到，限流作用只需在起动和堵转时考虑到，限流作用只需在起动和堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随着起作用，正常运行时应让电流自由地随着负载增减。

负载增减 如果采用某种方法，当电流大到一定程如果采用某种方法，当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速这种方法叫做电流截止负反馈，简称截流这种方法叫做电流截止负反馈，简称截流反馈65学习研究1. 电流截止负反馈环节电流截止负反馈环节 图图1-29 电流截止负反馈环节电流截止负反馈环节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 RsVDUi Ucom接放大器Mb) 利用稳压管产生比较电压利用稳压管产生比较电压 UbrM+- UdId RsVSTUi接放大器M66学习研究电流截止负反馈环节（续）电流截止负反馈环节（续）c) 封锁运算放大器的封锁运算放大器的电流截止负反馈环节电流截止负反馈环节 UbrM+- UdId RsVSUi++R1UexUinR0+VTM67学习研究2. 系统稳态结构系统稳态结构0UiId Rs - Ucom图图1-30 电流截止负反馈环节电流截止负反馈环节的的I/O特性特性 图图1-31 带电流截止负反馈的闭环直流调速带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态结构图稳态结构图nKpKs 1/CeU*nUc∆UnIdEUd0Un++-- RRs-UcomId Rs - Ucom-68学习研究3. 静特性方程与特性曲线静特性方程与特性曲线 由图由图1-31可写出该系统两段静特性的方程式。

可写出该系统两段静特性的方程式 当当 Id ≤ Idcr 时，电流负反馈被截止，静特性和时，电流负反馈被截止，静特性和只有转速负反馈调速系统的静特性式（只有转速负反馈调速系统的静特性式（1-35）相）相同，现重写于下同，现重写于下 （（1-35）） 当当 Id   Idcr时，引入了电流负反馈，静特性变成时，引入了电流负反馈，静特性变成（（1-41））69学习研究IdblIdcrn0IdOn'0AB图图1-32 带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 70学习研究• 静特性两个特点静特性两个特点 （（1）电流负反馈的作用相当于在主电路中串入）电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻一个大电阻 Kp Ks Rs ，因而稳态速降极大，，因而稳态速降极大，特性急剧下垂特性急剧下垂2）比较电压）比较电压 Ucom 与给定电压与给定电压 Un* 的作用一致，的作用一致，好象把理想空载转速提高到好象把理想空载转速提高到（（1-42）） 71学习研究 这样的两段式静特性常称作下垂特性或挖土机这样的两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性。

当挖土机遇到坚硬的石块而过载时，电动特性当挖土机遇到坚硬的石块而过载时，电动机停下，电流也不过是堵转电流，在式（机停下，电流也不过是堵转电流，在式（1-41））中，令中，令 n = 0，得，得（（1-43））一般一般 Kp Ks Rs >> R，因此，因此（1-44）72学习研究4. 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vIdbl应小于电机允许的最大电流，一般取应小于电机允许的最大电流，一般取 Idbl =（（1.5~2）） INv从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流应大于电机的额行范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取定电流，一般取 Idcr ≥（（1.1~1.2））IN73学习研究作业作业vP:50 1- 3 1- 6v补充题补充题:v v 试说明为什么试说明为什么PWM直流调速系统中的直直流调速系统中的直流斩波电路具有与流斩波电路具有与V-M系统可控整流电路相系统可控整流电路相同的传递函数同的传递函数?它们又有什么区别它们又有什么区别?74学习研究。