1、minmaxnnD%100%100000nnnnns)1(snsnD他励直流电动机的转速公式：他励直流电动机的转速公式：EECIRUCEn式中：式中：U U为他励电动的电枢电压为他励电动的电枢电压 I I为电枢电流为电枢电流 E E为电枢电动势为电枢电动势 R R为电枢回路的总电阻为电枢回路的总电阻 n n为电机的转速为电机的转速 为励磁磁通为励磁磁通 C CE E为由电机结构决定的电动势系数为由电机结构决定的电动势系数EECIRUCEn用晶闸管触发整流用晶闸管触发整流整流电路实现电枢整流电路实现电枢电压可调，从而达电压可调，从而达到改变电机转速的到改变电机转速的目的。目的。这就是所谓的电这就
2、是所谓的电源源电动机调速电动机调速系统（系统（VM）系统，它属于开系统，它属于开环系统。环系统。而由已知条件并设系统电流连续，则其额定转速下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：的转速降为：例：某电源例：某电源电动机直流调速系统，已知电机的额定电动机直流调速系统，已知电机的额定转速为转速为n=1000r/minn=1000r/min，额定电流，额定电流I IN N=305A=305A，主回路电阻，主回路电阻R=0.18R=0.18，CeCeN N=0.2=0.2，若要求电动机调速范围若要求电动机调速范围D=20D=20，s sn n5%5%，则该调速系统是否能满足要求？则该调
3、速系统是否能满足要求？min/5.2742.018.0305rCRInNeN解：如果要满足解：如果要满足D=20D=20，Sn5%Sn5%的要求，则其在额定条件的要求，则其在额定条件下的转速降为：下的转速降为：%63.2)05.01(2005.01000)1(sDsnne由此例不难发现，象这样的电源由此例不难发现，象这样的电源电动机所组成的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额定负载下的转速降从开环系统中的274.5274.5降低到满降低到满足要求的足要求的2.632.63就必须采用负反馈，这
4、也就构成了我们就必须采用负反馈，这也就构成了我们所谓的闭环直流调速系统所谓的闭环直流调速系统转速负反馈直流调速。转速负反馈直流调速。%5.2127510002750nnns而静差率为：而静差率为：给定给定比较放大比较放大晶闸管触晶闸管触发整流发整流他励直流电动机他励直流电动机测速发电机测速发电机反馈电位器反馈电位器由图可见，该系统的控制对象是直流电动机由图可见，该系统的控制对象是直流电动机M M，被控，被控量是电动机的转速量是电动机的转速n n，晶闸管触发及整流电路为功率，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
5、大和电压为电压放大和电压(综合综合)比较环节，电位器比较环节，电位器RP1RP1为给为给定元件，测速发电机定元件，测速发电机TGTG与电位器与电位器RP2RP2为转速检测元件。为转速检测元件。该调速系统的组成框图如下该调速系统的组成框图如下:edtdiLRiudaaaa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：nCedtdJTTiCTeLeaTe代入他励直流电动机的机电参数：代入他励直流电动机的机电参数：可得：可得：aememuCndtdnTdtndTT12两边取两边取LaplaceLaplace变换：变换：)(1)()()(2sUCsNssNTssNTTaemem即他励直流电机的
6、传递函数是：即他励直流电机的传递函数是：11)()()(2sTsTTCsUsNsGmemea晶闸管整流电路的调节特性晶闸管整流电路的调节特性为输出的平均电压为输出的平均电压 与触与触发电路的控制电压发电路的控制电压 之间之间的关系，即的关系，即 。图图7-47-4为晶闸管整流装置的调为晶闸管整流装置的调节特性。由图可见，它既有节特性。由图可见，它既有死区，又会饱和。死区，又会饱和。cUdU)(cdUfUscdKsUsU)()(死区死区线性放大区线性放大区t11t2t30UcudUd0Ud1Ud2sskeKsG0)(若再考虑到若再考虑到0 0的延迟时间一般很小的延迟时间一般很小(三相桥式三相桥式
7、0 01.7ms1.7ms，单相全波，单相全波0 0=5ms)=5ms)。这样晶闸管整流装置的。这样晶闸管整流装置的传递函数为：传递函数为：ssscdkKsKeKsUsUsG1)()()(00比较环节+比例调节器给定电位器测速电机触发电路电源及晶闸管电路电动机电流载止比较电路由叠加定理：当Us(s)单独作用时，有：)()()(2121sURRURRsUsUsksk当Ufn(s)单独作用时，有：)()()(2121sURRURRsUsUfnkfnk所以当Us和Ufn共同作用时，有：)()(21sUsURRUUUfnskkk转速的检测方式很多，有测速发电机、电磁感应传感转速的检测方式很多，有测速发
8、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，一般采用测速系统中，转速反馈量需要的是模拟量，一般采用测速发电机。发电机。测速发电机分直流和交流两种。测速发电机分直流和交流两种。测速反馈信号测速反馈信号 与转速成正比，有：与转速成正比，有：称为转速反馈系数。称为转速反馈系数。fnUnUfn系统的自动调节过程：系统的自动调节过程：电网波动负载波动adaeddREURnCUIaddRUI可以通过一个电压比较环节，使电流负反馈环节只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有在电流
9、超过某个允许值(称为阈值称为阈值)时才起作用，时才起作用，这就是电流截止负反馈。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电流截止负反馈环节的组成工作原理当当I Id d较小较小,即即I Id dR Rc cUUo o时，则二极管时，则二极管VDVD截止，电流截止负截止，电流截止负反馈不起作用。反馈不起作用。挖土机特性挖土机特性额定电流时堵转电流时的实际特性堵转电流时理想特性Idn当当I Id d较大，即较大，即I Id dR Rc cUU0 0时，则二极管时，则二极管VDVD导通，电流截止负导通，电流截止负反馈起作用，反馈起作用，UU减小，减小，U Ud d下降，下降，I Id
10、d下降到允许最电流。下降到允许最电流。Us（S）N（S）-+K p1sKss112sTsTTCmeme+T(s),负载变化+电流载止-UfnUfi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。在如图所示的调速系统中，已知负载变化为：在如图所示的调速系统中，已知负载变化为：求：负载变化所产生的转速降。求：负载变化所产生的转速降。若此时系统的给定量为：若此时系统的给定量为：，此时系统的稳，此时系统的稳 态输出态输出n nN N。该系统是否能满足该系统是否能满足5%5%的静差率。的静差率。ssUn10)(ssT20)(Un（S）N（S）-+51005.040s)102.0)
11、(11.0(33.8ss+01.0T(s),负载变化+G1G2G3解：由于负载变化量是扰动量，所以其扰动量的解：由于负载变化量是扰动量，所以其扰动量的误误差传递函数差传递函数为：为：ssT20)(故系统拢动量的故系统拢动量的误差函数误差函数：)()()(sTssEd66.16)1005.0)(102.0)(11.0()1005.0(33.8)()()()(1)()(3213sssssHSGSGsGsGsd当已知系统拢动量为：当已知系统拢动量为：由终值定理可求得该系统在负载变化量由终值定理可求得该系统在负载变化量T T（s s）作用）作用下的稳态误差为：下的稳态误差为：min/102066.16
12、)1005.0)(102.0)(11.0()1005.0(33.8lim)()(lim00rsssssssTssnsds由于负载变化呈下降趋势，所以系统在负载作用下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的工作转速下降了10r/min10r/min若此时系统的给定量：若此时系统的给定量：，则由系统闭环传，则由系统闭环传递函数的概念，可得：递函数的概念，可得：ssUn10)()(66.16)1005.0)(102.0)(11.0(1666)()()3()()(1)()()()()()(321321sUssssUsHGsGsGsGsGsGsUssN故在给定作用下，系统的稳态输出
13、转速可由终值定理求故在给定作用下，系统的稳态输出转速可由终值定理求得：得：min/10001066.16)1005.0)(102.0)(11.0(1666lim)()(lim00rssssssUsNsnss由静差率定义可得：由静差率定义可得：%5%1%100100010%100nns由此可见该闭环系统是可以满足由此可见该闭环系统是可以满足5%5%的静差率的稳的静差率的稳态指标的。态指标的。此为小容量晶闸管直流调此为小容量晶闸管直流调速装置，适用于速装置，适用于4kW4kW以下以下直流电动机无级调速。系直流电动机无级调速。系统的主回路采用单相桥式统的主回路采用单相桥式半控整流线路。具有电流半控整
14、流线路。具有电流截止负反馈、电压负反馈截止负反馈、电压负反馈和电流正反馈（电动势负和电流正反馈（电动势负反馈）。具体数据如下：反馈）。具体数据如下：交流电源电压交流电源电压 单相单相220V220V整流输出电压整流输出电压 直流直流180V180V最大输出电流最大输出电流 直流直流30A30A励磁电压励磁电压 单相单相180V180V励磁电流励磁电流 直流直流1A1A调速范围调速范围 直流直流180V180V静差率静差率 s10%s10%平波电抗器平波电抗器LdLdR9R9为能耗制动电阻为能耗制动电阻 Ud（S）N（S）电动机整流滤波双闭环调速系统的原理图双闭环调速系统的原理图两个环：两个环：
15、电流环电流环内环内环速度环速度环外环外环速度、电流调节器速度、电流调节器均采用均采用PIPI调节器，调节器，且带限幅功能。且带限幅功能。速度和电流双闭环直流调速系统的组成框图速度和电流双闭环直流调速系统的组成框图双闭环调速系统的工作原理双闭环调速系统的工作原理稳态时：稳态时：电流调节器电流调节器ACRACR的调节的调节作用：电流环为由作用：电流环为由ACRACR和电流负反馈组成的和电流负反馈组成的闭环，它的主要作用闭环，它的主要作用是是稳定电流稳定电流。dsidsifisiIUIUUUU0的的物理意物理意dsidsifisiIUIUUUU0义义：当：当UsiUsi为一定的情况下，由于电流调节器
16、为一定的情况下，由于电流调节器ACRACR的的调节作用，整流装置的电流将保持在调节作用，整流装置的电流将保持在Usi/Usi/的数值的数值上。上。这种保持电流不变的特性，将使系统能：这种保持电流不变的特性，将使系统能：自动限制最大电流。自动限制最大电流。能有效抑制电网电压波动的影响。能有效抑制电网电压波动的影响。速度环是由速度环是由ASRASR和转速和转速负反馈组成的闭环，负反馈组成的闭环，它的主要作用是保持它的主要作用是保持转速稳定，并最后消转速稳定，并最后消除转速静差。除转速静差。稳态时：稳态时：nUnUUUUsnsnfnsn0其物理意义其物理意义：当：当UsnUsn为一定的情况下，由于速
17、度调节为一定的情况下，由于速度调节器器ASRASR的调节作用，转速的调节作用，转速n n将稳定在将稳定在Usn/Usn/的数值上的数值上 虽然在负载扰动量虽然在负载扰动量T TL L作用点前的电流调节器为作用点前的电流调节器为PIPI调节器，其中含有积分环节，但调节器，其中含有积分环节，但它被电流负反馈回它被电流负反馈回环所包围后，电流环的等效的闭环传递函数中，便环所包围后，电流环的等效的闭环传递函数中，便不再含有积分环节了不再含有积分环节了，所以速度调节器还必须采用，所以速度调节器还必须采用PIPI调节器，以使系统对阶跃给定信号实现无静差。调节器，以使系统对阶跃给定信号实现无静差。双闭环调速
18、系统的机械特性双闭环调速系统的机械特性由于由于ASRASR为为PIPI调节器，系统为无静差，稳态误调节器，系统为无静差，稳态误差很小，一般讲来，大多能满足生产上的要求。差很小，一般讲来，大多能满足生产上的要求。当电动机发生严重过载时：当电动机发生严重过载时：双闭环调双闭环调速系统的速系统的机械特性机械特性电流环分析：由于直流电动机的传递函数是一个二阶电流环分析：由于直流电动机的传递函数是一个二阶系统，所以加上电流环便是一个三阶系统，若再计及系统，所以加上电流环便是一个三阶系统，若再计及晶闸管延迟或调节器输入处的晶闸管延迟或调节器输入处的R R、C C滤波环节，那便成滤波环节，那便成了四阶系统。
19、了四阶系统。这时倘若电动机的机电时间常数这时倘若电动机的机电时间常数(T(Tm m)较大，而调试时，较大，而调试时，若电流调节器参数整定不当，则有可能形成振荡若电流调节器参数整定不当，则有可能形成振荡（这在系统调试时，是常遇到的（这在系统调试时，是常遇到的)，这时可采取措施，这时可采取措施有：有：增加电流调节器的微分时间常数增加电流调节器的微分时间常数T Ti i（R Ri iC Ci i）降低电流调节器的增益降低电流调节器的增益K Ki i（R Ri i/R/Ro o）在电流调节器反馈回路在电流调节器反馈回路(R(Ri i、C Ci i)两端再并联一个两端再并联一个1 122的电阻的电阻(R
20、(R2 2)，最主要的是积分环节被惯性环，最主要的是积分环节被惯性环节取代，这显然有利系统稳定性改善，但使系统的节取代，这显然有利系统稳定性改善，但使系统的稳态性能变差稳态性能变差(系统由系统由型变为型变为0 0型，变为有静差型，变为有静差)。电流环已是一个三阶系统，如今再串联一个速度电流环已是一个三阶系统，如今再串联一个速度(PI)(PI)调节器，则系统将为四阶系统，若计及输入处的调节器，则系统将为四阶系统，若计及输入处的R R、C C滤波环节，则系统便成了五阶系统，若电流环整定得滤波环节，则系统便成了五阶系统，若电流环整定得不好，再加上速度调节器参数整定得不好，很容易产不好，再加上速度调节
21、器参数整定得不好，很容易产生振荡。若系统产生振荡，可以采取的措施，与调节生振荡。若系统产生振荡，可以采取的措施，与调节电流调节器参数时相同。电流调节器参数时相同。调节速度调节器参数：可适当降低调节速度调节器参数：可适当降低KnKn，以使最大，以使最大超调量超调量()()减小，但调整时间减小，但调整时间tsts将会有所增加。将会有所增加。增设转速微分负反馈环节增设转速微分负反馈环节(Derivative Negative(Derivative Negative Feedback)Feedback)。使转速的最大超调量减小。使转速的最大超调量减小。综上所述，可知双闭环调速系统具有明显的优点：综上所
22、述，可知双闭环调速系统具有明显的优点：具有良好的静特性具有良好的静特性(接近理想的接近理想的“挖土机特挖土机特性性”)。具有较好的动态特性，起动时间短具有较好的动态特性，起动时间短(动态响应动态响应快快)，超调量也较小。，超调量也较小。系统抗扰动能力强，电流环能较好地克服电网系统抗扰动能力强，电流环能较好地克服电网电压波动的影响，而速度环能抑制被它包围的各个环电压波动的影响，而速度环能抑制被它包围的各个环节扰动的影响，并最后消除转速偏差。节扰动的影响，并最后消除转速偏差。由两个调节器分别调节电流和转速。这样，可由两个调节器分别调节电流和转速。这样，可以分别进行设计，分别调整以分别进行设计，分别
23、调整(先调好电流环，再调速先调好电流环，再调速度环度环)，调整方便。，调整方便。所谓直流脉宽调制是利用电子开关，将直流电源电压转换成为一定频率的方波脉冲电压，然后再通过对方波脉冲宽度的控制来改变供电电压大小与极性，从而达到对电动机进行变压调速的一种方法。简单的脉宽调制电路如图所示：PWM脉宽调制电路的外型及内部结构PWM脉宽调制电路的系统结构框图UsIdUd在简单的不可逆电路中电流不能反向，因而没有反向运行能力，只能作单向运行。需要反向运行时，就必须为反向电流提供电流通路。正向反向正向反向Id(s)-+-脉宽脉宽调制器调制器速度速度调节器调节器电流电流调节器调节器PWM电压负反馈电压负反馈调制波发生器调制波发生器电流截止负反馈电流截止负反馈Ufi(s)Ufv(s)UKMTATATGUn(s)内部结构示意图引脚图及封装芯片特性
