電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)主講人：潘月斗北京科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)全書分為四

大部分，分別講述:?

第一部分：電力拖動(dòng)直流調(diào)速系統(tǒng)；?

第二部分：電力拖動(dòng)交流調(diào)速系統(tǒng)；?

第三部分：電力拖動(dòng)伺服系統(tǒng)；?

第四部分：電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系

統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計(jì)。交、直流調(diào)速系統(tǒng)第1章緒論內(nèi)容概要本章講述：l

電力拖動(dòng)及其自動(dòng)控制系統(tǒng)l

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)l

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況與發(fā)展趨勢2025年11月6日11時(shí)41分內(nèi)容概要本章講述：l

電力拖動(dòng)及其自動(dòng)控制系統(tǒng)l

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)l

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況與發(fā)展趨勢2025年11月6日11時(shí)41分1.

電力拖動(dòng)及其自動(dòng)控制系統(tǒng)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中除了電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、以

及工作機(jī)械外，還有在電源與電動(dòng)機(jī)之間配置的自動(dòng)

控制裝置，其設(shè)備組合示意圖如圖1-1所示。圖1-1

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)備組成情況示意圖

2025年11月6日11時(shí)41依據(jù)圖1-1按照閉環(huán)結(jié)構(gòu)形式所組成的

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)如圖1-2所示。可以

看出，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)及其

負(fù)載、電力電子電能變換電路、控制器及信

息檢測器等按照負(fù)反饋原則而構(gòu)成的。2025年11月6日11時(shí)41圖1-2

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)閉環(huán)組成圖2025年11月6日11時(shí)41電動(dòng)機(jī)分為兩大類，即直流電動(dòng)機(jī)和

交流電動(dòng)機(jī)。交流電動(dòng)機(jī)分為兩大類，即

異步電動(dòng)機(jī)（也稱為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)）和同步

電動(dòng)機(jī)。電力電子變換電路由半導(dǎo)體電力

電子開關(guān)器件構(gòu)成。2025年11月6日11時(shí)41對(duì)于直流調(diào)速系統(tǒng)而言是采用半控型晶

閘管(SCR)器件組成的整流電路（或采用全控

器件構(gòu)成的直流PWM變換電路）；對(duì)于現(xiàn)代交

流調(diào)速系統(tǒng)而言，采用電力電子全控型器件

(IGBT、IEGT、IGCT)

組成的逆變電路。2025年11月6日11時(shí)41電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類：電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)有多種分類方

法，其中，按被控物理量來分類有利于與其

他自動(dòng)控制系統(tǒng)相區(qū)別。其物理概念清晰，

能夠反映電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)本身特征。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)可歸納成如圖1-3所

示的分類圖。2025年11月6日11時(shí)41圖1-3

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)分類2025年11月6日11時(shí)41電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)1.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的反饋控制規(guī)律（1）反饋控制系統(tǒng)的功能反饋控制系統(tǒng)的功能是：抑制擾動(dòng)，跟隨給定。

它能有效地抑制一切被負(fù)反饋通道所包圍的前向

通道上的擾動(dòng)作用，對(duì)于給定作用的變化則是嚴(yán)

格跟蹤。但是在反饋通道上的測速反饋系數(shù)發(fā)生

變化，它非但不能得到反饋控制系統(tǒng)的抑制，反

而會(huì)造成被調(diào)量的誤差。其結(jié)構(gòu)圖1-4所示：2025年11月6日11時(shí)41圖1-4

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)備組成情況示意圖

2025年11月6日11時(shí)41（2）系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精度如果產(chǎn)生給定電壓的電源發(fā)生波動(dòng)，

反饋控制系統(tǒng)無法產(chǎn)生跟隨作用。因此，

高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須有更高精度的給定

穩(wěn)壓電源。反饋檢測裝置的誤差是反饋控制系統(tǒng)

無法克服的。2025年11月6日11時(shí)412.

轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速控制特性是電力拖動(dòng)自動(dòng)控制

系統(tǒng)的基本特征電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要特征就是

它的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速控制特性，可用運(yùn)動(dòng)方程式

來描述，如下所示。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方程式：（1-1）2025年11月6日11時(shí)412?

式中機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(Kg·m

)；??????轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度(rad/s)；

轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)角(rad)；

電磁轉(zhuǎn)矩(N·m)；負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N·m)；阻轉(zhuǎn)矩阻尼系數(shù)；扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩系數(shù)。2025年11月6日11時(shí)41忽略阻尼轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩，則運(yùn)

動(dòng)控制系統(tǒng)的基本運(yùn)動(dòng)方程式可簡化為：（1-2）若采用工程單位制，則式（1-2）的第

1行應(yīng)改寫為：（1-3）2025年11月6日11時(shí)41式中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，習(xí)慣稱飛輪力矩(N·m2)，

；n

轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速(r/min)，

。直線運(yùn)動(dòng)方程式：

（1-4）式中

F拖動(dòng)力(N)；拖動(dòng)阻力(N)；慣性力為

。

2025年11月6日11時(shí)413.

電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的學(xué)科特點(diǎn)如圖0-5所示，與電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系

統(tǒng)的相關(guān)學(xué)科有：電機(jī)與電力拖動(dòng)基礎(chǔ)、電

力電子學(xué)（電力電子技術(shù)）、計(jì)算機(jī)控制技

術(shù)、信號(hào)檢測與處理技術(shù)等。除此之外，電

力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究和技術(shù)開發(fā)是以

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)作為工具

的。2025年11月6日11時(shí)41圖1-5電力拖動(dòng)自動(dòng)系統(tǒng)與其相關(guān)學(xué)科2025年11月6日11時(shí)41電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展概況與發(fā)展趨勢

1.

電力拖動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展概況和趨勢1）直流調(diào)速系統(tǒng)20世紀(jì)60年代以前是以旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的

直流調(diào)速系統(tǒng)為主（見圖1-6）。20世紀(jì)60年代

以后以晶閘管組成的直流供電系統(tǒng)逐步取代了直

流機(jī)組和水銀整流器。20世紀(jì)80年代末期全數(shù)字

控制的直流調(diào)速系統(tǒng)迅速取代了模擬控制的直流

調(diào)速系統(tǒng)。2025年11月6日11時(shí)41圖1-6直流發(fā)動(dòng)機(jī)-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)2025年11月6日11時(shí)412）交流調(diào)速系統(tǒng)交流電動(dòng)機(jī)，特別是鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)，具

有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、價(jià)格便宜、堅(jiān)固耐用、

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、運(yùn)行可靠、很少維修、使用環(huán)境及

結(jié)構(gòu)發(fā)展不受限制等優(yōu)點(diǎn)。在早期只有一些調(diào)速

性能差、低效耗能的調(diào)速方法，繞線式異步電動(dòng)

機(jī)轉(zhuǎn)子外串電阻調(diào)速方法（見圖1-8）如下。2025年11月6日11時(shí)41圖1-8

繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子外串電阻調(diào)速方法2025年11月6日11時(shí)41鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)定子調(diào)壓調(diào)速方法（

利用自耦變壓器變壓調(diào)速；利用飽和電抗器

變壓調(diào)速；利用晶閘管交流調(diào)壓器調(diào)壓調(diào)速

）如圖1-9所示。還有變極對(duì)數(shù)調(diào)速方法（見

圖1-10）及后來的電磁（轉(zhuǎn)差離合器）調(diào)速

方法（見圖1-11）等。2025年11月6日11時(shí)41圖1-8

鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)定子調(diào)壓調(diào)速方法2025年11月6日11時(shí)41圖1-10變極對(duì)數(shù)調(diào)速方法原理圖2025年11月6日11時(shí)41圖1-11電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)3）現(xiàn)代交流調(diào)速的發(fā)展趨勢?

高性能交流調(diào)速系統(tǒng)的進(jìn)一步研究與技術(shù)開發(fā)；

?

新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)功率變換器的研究與技術(shù)開發(fā)；

?

PWM模式的改進(jìn)和優(yōu)化；?

中壓變頻裝置（我國稱為高壓變頻裝置）的開發(fā)

研究。2025年11月6日11時(shí)412.電力拖動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展概況和趨勢隨著交流調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展，交流

伺服系統(tǒng)在伺服系統(tǒng)中成為主導(dǎo)方面。感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)交流位置伺服系統(tǒng)

具有良好的發(fā)展前景，是未來伺服技術(shù)的

發(fā)展方向之一。2025年11月6日11時(shí)413.電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制近年來，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)廣泛地應(yīng)用

于工業(yè)生產(chǎn)中，工業(yè)控制系統(tǒng)由原來單一、

獨(dú)立的控制系統(tǒng)發(fā)展到復(fù)雜、集成的工業(yè)控

制網(wǎng)，構(gòu)成多層的開放自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（見

圖1-16）。2025年11月6日11時(shí)41圖1-16開放式的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)2025年11月6日11時(shí)41在設(shè)備層，基于CAN的Device

Net網(wǎng)絡(luò)

（見圖1-17）可以不經(jīng)過I/O模塊接口而直

接通過單一纜線將底層設(shè)備與控制器連接，

可以在不切斷網(wǎng)絡(luò)電源的條件下自由地接入

或移去設(shè)備。在控制層，Control

Net也是現(xiàn)在

CAN的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展起來的，Control

Net網(wǎng)絡(luò)（見圖1-18）將I/O網(wǎng)絡(luò)和對(duì)等關(guān)

系信息網(wǎng)絡(luò)的功能結(jié)合起來。2025年11月6日11時(shí)41在信息層，通過采用TCP/IP協(xié)議的

EtherNet網(wǎng)絡(luò)（見圖1-19），高層的計(jì)

算機(jī)系統(tǒng)可以直接獲取底層數(shù)據(jù)。2025年11月6日11時(shí)41圖1-17設(shè)備層典型組態(tài)圖2025年11月6日11時(shí)41圖1-18控制層典型組態(tài)圖圖1-19信息層典型組態(tài)圖2025年11月6日11時(shí)41本章結(jié)束！2025年11月6日11時(shí)41直流調(diào)速部分第二章開/閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)容概要本章講述：l

開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其數(shù)學(xué)模型；l

閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。2025年11月6日11時(shí)41分?

2.1

開環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)及其數(shù)學(xué)模型2.1.1晶閘管整流器—直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)圖2-1示出了晶閘管整流器-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（static

Ward-Leonard

system，簡稱V-M系統(tǒng)）的原理框圖圖2-1

晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)調(diào)速

系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖2025年11月6日11時(shí)41分通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓

來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，

可以改變可控整流電路的平均輸出直流電壓

。在理想情況下，和之間呈線性關(guān)系：（2-1）平均整流電壓；控制電壓；晶閘管整流器放大倍數(shù)。2025年11月6日11時(shí)41分a)

整流器的相位控制方式及工作情況圖2-1所示的V-M系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)控制電壓

，可以移動(dòng)

觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，即可方便地改變可控整流電路VT輸出瞬時(shí)電壓的波形，其等效電路如下圖2-2所示。由圖可得到瞬時(shí)電壓平衡方程式（2-2）

電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢；整流電流瞬時(shí)值；主電路總電感。2025年11月6日11時(shí)41分圖2-2

V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖用觸發(fā)脈沖的觸發(fā)控制角α控制整流電壓的平均值是晶閘管整流器的特點(diǎn)。對(duì)于一般的全控整流電路，當(dāng)電流波形連續(xù)時(shí)，可用下式表示：（2-3）2025年11月6日11時(shí)41分當(dāng)電流波形連續(xù)時(shí)，不同整流電路的平均整流電壓如表2-

1所示。表2-1

不同整流電路的整流電壓波峰值、脈沖數(shù)及平均整流電壓注：U2為整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。2025年11月6日11時(shí)41分b)

電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)圖2-2所示是一個(gè)帶R-L-E負(fù)載的可控整流系統(tǒng)，以單相全控橋式電路為例，其輸出電壓和電流

波形如圖2-3所示。當(dāng)整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的瞬時(shí)值

大

于反電動(dòng)勢

時(shí)，晶閘管才可能被觸發(fā)導(dǎo)通。圖2-3

帶R-L-E負(fù)載單相全控橋式整流

電路的輸出電壓和電流波形導(dǎo)通后如果降低到

以下，靠電感作用可以維持電流

繼續(xù)流通。由于電壓波形的脈動(dòng)，造成了電流

波形的脈動(dòng)。2025年11月6日11時(shí)41分脈動(dòng)的電流波形使V-M系統(tǒng)主電路可能出現(xiàn)電流連續(xù)和斷

續(xù)兩種情況。1.

當(dāng)V-M系統(tǒng)主電路有足夠大的電感量，而且電動(dòng)機(jī)的負(fù)載電流也足夠大時(shí)，整流電流便具有連續(xù)的脈動(dòng)波形，如圖

2-4a所示。2.

當(dāng)電感較小或電動(dòng)機(jī)的負(fù)載電流較輕時(shí)，電流波形斷續(xù)，

如圖2-4b所示。2025年11月6日11時(shí)41分圖2-4

V-M系統(tǒng)的電流波形

a)電流連續(xù)

b)電流斷續(xù)2025年11月6日11時(shí)41分在V-M系統(tǒng)中，脈動(dòng)電流會(huì)增加電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱，同時(shí)也產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械不利。實(shí)際應(yīng)用中希望盡量避免發(fā)生

電流斷續(xù)。采用抑制電流脈動(dòng)的措施，主要有：①

增加整流電路相數(shù)，或采用多重化技術(shù)；②

設(shè)置電感量足夠大的平波電抗器。2025年11月6日11時(shí)41分平波電抗器的電感量一般按低速輕載時(shí)保證電流連續(xù)的條件來選擇，通常首先給定最小電流

，再利用它計(jì)算所需的

總電感量（以mH為單位），減去電樞電感，即得平波電抗應(yīng)

有的電感值。對(duì)于三相橋式整流電路：

（2-4）對(duì)于三相半波整流電路：

（2-5）對(duì)于單相橋式全控整流電路:（2-6）一般取為電動(dòng)機(jī)額定電流的

。c)

晶閘管整流器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性當(dāng)電流波形連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為(2-7)電動(dòng)機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢系數(shù)，改變觸發(fā)移相控制角

可得到不同的

，相應(yīng)的機(jī)械特性為一族平行的直線，如圖2-5所示。;2025年11月6日11時(shí)41分圖2-5

電流連續(xù)時(shí)V-M系統(tǒng)的

機(jī)械特性（箭頭方向表示

增大）電流斷續(xù)時(shí)的機(jī)械特性可用下列方程組表示：(2-8)式中(2-9)為阻抗角，

；

為一個(gè)電流脈沖的導(dǎo)通角。2025年11月6日11時(shí)41分圖1-6繪出了完整的V-M系統(tǒng)機(jī)械特性，其中包含了整流狀

態(tài)

和逆變狀態(tài)

、電流連續(xù)區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)。圖2-6

V-M系統(tǒng)機(jī)械特性2025年11月6日11時(shí)41分du

dtd)

晶閘管整流器運(yùn)行中存在的問題晶閘管整流器直流電流存在的問題如下：

?

1）晶閘管是半控型開關(guān)器件，只能單向?qū)щ?，給電動(dòng)機(jī)的可逆運(yùn)行帶來困難。2025年11月6日11時(shí)41分?2）晶閘管對(duì)過電壓、過電流和過高的du

dt與di

dt都十分敏感，其中任一指標(biāo)超過允許值都可能在很短的時(shí)間內(nèi)損壞晶閘管。?

3）晶閘管在較低速度運(yùn)行時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角很小，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)也隨之減少，在交流側(cè)會(huì)產(chǎn)生較大的諧波電流，引起電網(wǎng)電壓的畸變，

被稱為“電力公害”。2025年11月6日11時(shí)41分2.1.2

直流PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)隨著全控型電力電子器件的全面應(yīng)用，出

現(xiàn)了脈寬調(diào)制變換器-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，稱

直流PWM調(diào)速系統(tǒng)（簡稱PWM-M系統(tǒng)）。2025年11月6日11時(shí)41分與V-M系統(tǒng)相比，直流PWM調(diào)速系統(tǒng)在很多方面

有較大的優(yōu)越性：①

主電路簡單，需要的電力電子器件少；②

開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電動(dòng)機(jī)損

耗及發(fā)熱都較??；③

低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬；2025年11月6日11時(shí)41分由于有上述優(yōu)點(diǎn)，直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的高動(dòng)態(tài)性能

系統(tǒng)中，已經(jīng)取代了V-M系統(tǒng)。2025年11月6日11時(shí)41分1）PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形

PWM變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變

的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大

小，以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。PWM變換器電路有多種形

式，總體上可分為不可逆與可逆兩大類，本章著重

分析不可逆PWM變換器.2025年11月6日11時(shí)41分圖2-7a是簡單的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)

系統(tǒng)主電路原理圖，其中電力電子開關(guān)器件為IGBT

（也可用其他全控型開關(guān)器件），這樣的電路又稱

直流降壓斬波器。圖2-7b中繪出了穩(wěn)態(tài)時(shí)電樞兩端的電壓波形

和

平均電壓

。同時(shí)繪出了穩(wěn)態(tài)時(shí)電樞電流

的脈動(dòng)波形

，其平均值等于負(fù)載電流

。2025年11月6日11時(shí)41分圖2-7

簡單的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)a)

電路原理圖

b)

電壓和電流波形US—直流電源電壓

C—濾波電容器

VT—電力電子開關(guān)器件VD—續(xù)流二極管

M—直流電動(dòng)機(jī)當(dāng)0≤

≤時(shí)，為正，VT飽和導(dǎo)通，電源電壓

Us通過VT加到直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端。當(dāng)≤時(shí)，

為負(fù)，VT關(guān)斷，電樞電路中的電流通過續(xù)流二

極管VD續(xù)流，直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓近似等于零。2025年11月6日11時(shí)41分定義（2-10）改變占空比

(0≤

≤1),即可改變直流電動(dòng)機(jī)電樞平均電

壓，實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。若令為PWM電壓系數(shù)，則在不可逆PWM變換器中（2-11）2025年11月6日11時(shí)41分各種不同狀態(tài)下的電壓和電流波形如下圖所示。2025年11月6日11時(shí)41分圖2-8

有制動(dòng)電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)a)

電路原理

b)一般電動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形

c)

制動(dòng)狀態(tài)的電壓、電流波形d)

輕載電動(dòng)狀態(tài)的電流波形不同工作狀態(tài)下電流回路圖表2-2

二象限不可逆PWM變換器在不同工作狀態(tài)下的導(dǎo)通器件和電流回路與方向2）直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性采用不同形式的PWM變換器，系統(tǒng)的機(jī)械特性也不

一樣，其關(guān)鍵之處在于電流波形是否連續(xù)。對(duì)于帶制動(dòng)

電流通路的不可逆電路，電流方向可逆，無論是重載還

是輕載，電流波形都是連續(xù)的，因而機(jī)械特性關(guān)系式比

較簡單，現(xiàn)在就分析這種情況。2025年11月6日11時(shí)41分對(duì)于帶制動(dòng)電流通路的不可逆電路（見圖2-8

），電壓平衡方程式分兩個(gè)階段：（2-12）（2-13）式中R、L——電樞電路的電阻和電感。2025年11月6日11時(shí)41分n

I

n

d

0按電壓方程求一個(gè)周期內(nèi)的平均值，即可導(dǎo)

出機(jī)械特性方程式。平均值方程可寫成：

U

s

RI

d

E

RI

d

Ce

n則機(jī)械特性方程式為：（2-14）

U

s

R

R

Ce

Ce

CeId（2-15）2025年11月6日11時(shí)41分n

T

n

e

0用轉(zhuǎn)矩表示為

U

s

R

R

Ce

Ce

Cm

Ce

CmTe（2-16）式中；電動(dòng)機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，對(duì)于帶制動(dòng)作用的不可逆電路，0≤

γ

≤1，可以

得到圖2-9所示的機(jī)械特性，位于第I、II象限。2025年11月6日11時(shí)41分機(jī)械特性曲線圖2-9

直流PWM調(diào)速系統(tǒng)（電流連續(xù)）的機(jī)械特性2025年11月6日11時(shí)41分對(duì)于電動(dòng)機(jī)在同一方向旋轉(zhuǎn)時(shí)電流不能反向的電

路，輕載時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象，平均電壓方程式（

2-14）便不能成立，機(jī)械特性方程要復(fù)雜得多。在理

想空載時(shí)，

，理想空載轉(zhuǎn)速會(huì)翹到

。這

種情況類似于V-M系統(tǒng)在電流斷續(xù)區(qū)的機(jī)械特性，是

一段非線性的曲線。當(dāng)負(fù)載大到一定程度時(shí)，電流開

始連續(xù)，才具有式（2-15）或式（2-16）的線性特性2025年11月6日11時(shí)41分3）開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的廣義數(shù)學(xué)模型開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型就是晶閘管

整流器（或直流PWM變換器）-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

的數(shù)學(xué)模型。這里稱為直流調(diào)速系統(tǒng)廣義被控

對(duì)象數(shù)學(xué)模型。2025年11月6日11時(shí)41分圖2-10旋轉(zhuǎn)電樞系統(tǒng)和勵(lì)磁系統(tǒng)。2025年11月6日11時(shí)41分由圖2-10可知，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)可分為

旋轉(zhuǎn)電樞系統(tǒng)和勵(lì)磁系統(tǒng)。本小節(jié)的任務(wù)就是

建立這兩個(gè)部分的數(shù)學(xué)模型。2025年11月6日11時(shí)41分旋轉(zhuǎn)電樞系統(tǒng)的廣義被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型

旋轉(zhuǎn)電樞系統(tǒng)組成：①

電樞回路；②

晶閘管整流器（或直流PWM變換器）；

③

旋轉(zhuǎn)機(jī)械（負(fù)載）等…2025年11月6日11時(shí)41分①

電樞回路的數(shù)學(xué)模型他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下的等效電路如圖2-11所示。圖2-11

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下的等效電路2025年11月6日11時(shí)41分圖中

，

為電樞回路總電阻；整流器內(nèi)阻；

R

a電樞電阻；

為濾波電抗器電阻；L為電樞回路總電感(H)；為晶閘管整流電路輸出的直流空載電壓；

為電動(dòng)

機(jī)的反電動(dòng)勢；

為整流直流電流。2025年11月6日11時(shí)41分設(shè)電樞回路電流連續(xù)，則電樞回路的微分方程式為（2-17）在零初始條件下，兩邊取拉氏變換得將上式中的Ed

(s)移到等式左邊，并進(jìn)行整理得到（2-18）2025年11月6日11時(shí)41分由式（1-18）可得電壓與電流間的傳遞函數(shù)為（2-19）式中，為電樞回路的電磁時(shí)間常數(shù)(s)。2025年11月6日11時(shí)41分將式(2-19)繪制成動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖形式，如圖2-12所示。圖2-12

電樞電壓與電流間的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2025年11月6日11時(shí)41分②

轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程及兩者的統(tǒng)一方程

在電機(jī)學(xué)中，已經(jīng)建立了直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程和轉(zhuǎn)矩方程（2-20）式中為電機(jī)軸上的飛輪慣量（

）。2025年11月6日11時(shí)41分額定勵(lì)磁下的負(fù)載轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩，以及

轉(zhuǎn)速和反電動(dòng)勢之間的關(guān)系分別為（2-21）（2-22）（2-23）式中，

為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；

為電磁轉(zhuǎn)矩；

為電機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)；Km轉(zhuǎn)矩常數(shù)；

負(fù)載電流；電樞電流。將式(1-23)代入式(1-20)可得(2-24)再將式(1-21)和式(1-22)代入式(1-24)中，整理后得(2-25)在零初始條件下，對(duì)式(1-25)兩側(cè)取拉氏變換，則有(2-26)2025年11月6日11時(shí)41分式（1-26）等號(hào)右側(cè)項(xiàng)的分子分母均乘以

R，并整理可

得（2-27）式中，稱為電樞回路的機(jī)電時(shí)間常數(shù)（s）。依據(jù)式(1-27)，可求得電流與電動(dòng)勢間的傳遞函數(shù)（2-28）2025年11月6日11時(shí)41分式(2-28)、式(2-23)繪制成動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-13

所示。圖2-13

電樞電流與電動(dòng)勢間的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2025年11月6日11時(shí)41分③

電力電子變換器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型

晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的原理圖圖2-14

晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖

圖中VT是晶閘管可控整流電路，GT是觸發(fā)器。2025年11月6日11時(shí)41分晶閘管數(shù)學(xué)模型：把晶閘管觸發(fā)器和整流電路看成一個(gè)環(huán)

節(jié)，當(dāng)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)時(shí)，需

要求出這個(gè)環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。輸

出量與輸入量之間的放大系數(shù)

可以通過實(shí)測

特性或根據(jù)裝置的參數(shù)估算而得到，一般依

據(jù)下式確定。（2-29）2025年11月6日11時(shí)41分放大系數(shù)的計(jì)算方法---參數(shù)估算法：例如：當(dāng)觸發(fā)器控制電壓的調(diào)節(jié)范圍為0~10V時(shí)

，對(duì)應(yīng)整流器輸出電壓

的變化范圍如是0~220V

時(shí)，則可估算得到2025年11月6日11時(shí)41分在動(dòng)態(tài)過程中，可把晶閘管觸發(fā)器與整流電路

看成一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應(yīng)是由晶閘管的失

控時(shí)間所引起的。不同整流電路的失控時(shí)間不一樣

，表2-3例舉除了不同類型的失控時(shí)間。表2-3

各種整流電路的失控時(shí)間

f

50Hz

2025年11月6日11時(shí)41分晶閘管觸發(fā)器與整流器的輸入-輸出關(guān)系用單位階躍函數(shù)表示滯后，則輸入-輸出關(guān)系為式中，為純滯后時(shí)間，為（2-31）的單位階躍函數(shù)。利用拉氏變換的位移定理，可求出晶閘管觸發(fā)器與整流

電路的傳遞函數(shù)為（2-32）2025年11月6日11時(shí)41分式(2-32)中包含指數(shù)函數(shù)

，它使系統(tǒng)成為非最小相

位系統(tǒng)，分析和設(shè)計(jì)都比較麻煩。將該指數(shù)函數(shù)按泰勒

級(jí)數(shù)展開，則式(2-32)變成（2-33）2025年11月6日11時(shí)41分忽略高次項(xiàng)，則傳遞函數(shù)便近似成為一階線性環(huán)節(jié)（2-34）相應(yīng)的得到晶閘管觸發(fā)器與整流電路的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖

2-17所示圖2-17

晶閘管觸發(fā)器與整流電路的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖a)

準(zhǔn)確的

b)

近似的2025年11月6日11時(shí)41分PWM-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中PWM變換器的數(shù)學(xué)模型

不可逆PWM變換器——直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：圖2-18

不可逆PWM變換器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)2025年11月6日11時(shí)41分經(jīng)分析可得到PWM變換器的結(jié)構(gòu)框圖如下所示圖2-19

PWM控制器與變換器的框圖2025年11月6日11時(shí)41分結(jié)合PWM變換器工作情況可以得到PWM變換器的放大

系數(shù)即為

（2-35）PWM變換器采用的是高頻自關(guān)斷功率器件（IGBT、

IGCT等），因此在動(dòng)態(tài)過程中，沒有失控狀態(tài)，僅有關(guān)

斷延時(shí)時(shí)間，最大的時(shí)延為一個(gè)開關(guān)周期T。因此，

PWM

變換器的數(shù)學(xué)模型可寫成：（2-36）2025年11月6日11時(shí)41分式(2-36)

用流圖來表示即為圖2-20所示圖2-20

PWM變換器動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2025年11月6日11時(shí)41分額定勵(lì)磁狀態(tài)下直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

將圖2-12和圖2-13合并得到圖2-21所示的額定勵(lì)磁狀態(tài)下的直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)

圖。圖2-21

額定勵(lì)磁狀態(tài)下直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

2025年11月6日11時(shí)41分將擾動(dòng)量的綜合點(diǎn)前移、電動(dòng)勢反饋點(diǎn)后移，再作等效變換，可得到圖2-22a所示的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)空載時(shí)，

，結(jié)構(gòu)框圖可簡化成圖2-22b。圖2-22

直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖的變換和簡化a)

b)2025年11月6日11時(shí)41分由圖2-22b可以看到，額定勵(lì)磁下的直

流電動(dòng)機(jī)是一個(gè)二階線性環(huán)節(jié)，其特征方

程為：經(jīng)過分析可知，如果則特征方程的兩個(gè)根為兩個(gè)負(fù)實(shí)數(shù)，突加給定時(shí)，轉(zhuǎn)速呈單調(diào)變化；如果則特征方程有一對(duì)具有負(fù)實(shí)部的共軛解，此時(shí)直流電動(dòng)機(jī)是

一個(gè)二階振蕩環(huán)節(jié)，電機(jī)在運(yùn)行過程中帶有

振蕩的性質(zhì)。2025年11月6日11時(shí)41分額定勵(lì)磁狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)電樞系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

將圖2-21與圖2-17合并或者將圖2-21與圖2-20合并，可獲得額定勵(lì)磁狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)

電樞系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-23所示。2025年11月6日11時(shí)41分圖2-23

額定勵(lì)磁狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)電樞系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

a)

額定勵(lì)磁狀態(tài)下，晶閘管-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

b)

額定勵(lì)磁狀態(tài)下，PWM-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2025年11月6日11時(shí)41分弱磁狀態(tài)下直流調(diào)速系統(tǒng)的廣義被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型磁通

為變量時(shí)，參數(shù)

、就不再是常數(shù)。為了分析問題方便，應(yīng)使

d

在

反電動(dòng)勢方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程中凸現(xiàn)出來，即

為（2-37）（2-38）隨著的變化，

、

也隨著變化。2025年11月6日11時(shí)41分弱磁狀態(tài)下的模型結(jié)構(gòu)圖依據(jù)圖2-23以及式(2-37)

、式(2-38)可得到弱

磁狀態(tài)下的模型結(jié)構(gòu)圖，如圖2-24所示。圖2-24

弱磁狀態(tài)下直流調(diào)速系統(tǒng)廣義被控對(duì)象動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

2025年11月6日11時(shí)41分由圖2-24可以知道，在弱磁狀態(tài)下，

在直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型中就包含了非

線性環(huán)節(jié)。且其機(jī)電時(shí)間常數(shù)為：（2-39）2025年11月6日11時(shí)41分4）他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁回路的數(shù)學(xué)模型及其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁回路與電樞回路各自獨(dú)立（見圖2-10），在電氣上沒

有聯(lián)系。勵(lì)磁回路的數(shù)學(xué)模型通常分為

兩種情況來考慮。2025年11月6日11時(shí)41分①

忽略磁場回路渦流影響時(shí)的數(shù)學(xué)模型

勵(lì)磁繞組回路的數(shù)學(xué)模型：電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流

和勵(lì)磁電壓間的關(guān)系為慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)較大（最大時(shí)間常數(shù)可達(dá)幾秒），所以

在系統(tǒng)中一般看成是大慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)

為（2-40）2025年11月6日11時(shí)41分式中，電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁回路電阻；電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁回路電感勵(lì)磁回路時(shí)間常數(shù)。將式（2-40）繪制成動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-25所

示。圖2-25

勵(lì)磁繞組回路模型的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2025年11月6日11時(shí)41分②

觸發(fā)器與整流電路的數(shù)學(xué)模型（2-41）將式（2-41）繪制成動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖

2-26所示。圖2-26

勵(lì)磁觸發(fā)器-整流電路動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

a)

準(zhǔn)確的

b)

近似的2025年11月6日11時(shí)41分③

勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

將圖2-25和圖2-26合并，即得到勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-

27所示。圖2-27

忽略磁場回路渦流影響時(shí)的動(dòng)態(tài)模型結(jié)構(gòu)圖

2025年11月6日11時(shí)41分考慮磁場回路渦流及磁化曲線非線性影響時(shí)的數(shù)

學(xué)模型：當(dāng)電動(dòng)機(jī)磁場回路損耗很小時(shí)，忽略渦流影響。

近似認(rèn)為勵(lì)磁電流

的變化能夠反映磁通

的變換

，但是當(dāng)電動(dòng)機(jī)磁場回路存在較大渦流時(shí)，則勵(lì)磁電

流只有一部分產(chǎn)生磁通

，而另一部分就是渦流。

此時(shí)磁場回路的等效電路如圖2-28所示。圖2-28

磁場回路等效電路圖2025年11月6日11時(shí)41分根據(jù)磁場回路的等效電路，則有（2-42）式中，為渦流阻尼時(shí)間常數(shù)。一般勵(lì)磁電感遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于勵(lì)磁繞組漏感

，所以可以忽略

，于是有（2-43）式中，為考慮渦流后的勵(lì)磁回路時(shí)間常數(shù)。2025年11月6日11時(shí)41分由勵(lì)磁回路的等值電路可知故圖2-29

電動(dòng)機(jī)磁化曲線

（2-44）磁通

和產(chǎn)生它的電流

之間

的關(guān)系是由電動(dòng)機(jī)的磁化曲線來描

述的，如圖2-29所示。2025年11月6日11時(shí)41分由于電動(dòng)機(jī)的磁化曲線的非線性，根

據(jù)電動(dòng)機(jī)磁場回路

、

、

、

各量

之間的相互關(guān)系，可以得到勵(lì)磁系統(tǒng)的動(dòng)

態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-30所示。圖2-30

考慮渦流及磁化曲線非線性影響時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2025年11月6日11時(shí)41分?

2.2閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)在直流調(diào)速系統(tǒng)中，被調(diào)節(jié)量是轉(zhuǎn)速，所構(gòu)成的是轉(zhuǎn)速反

饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)，如圖2-31所示。圖2-31

轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖2.2.1轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)速的任務(wù)就是控制和調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，由

圖2-32可知，在額定勵(lì)磁狀態(tài)下，直流調(diào)速系統(tǒng)的

被控量應(yīng)是直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n

。2025年11月6日11時(shí)41分圖2-32

采用速度反饋控制的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2025年11月6日11時(shí)41分依據(jù)圖2-32，將n作為被控量，并對(duì)n

進(jìn)行閉環(huán)控制（設(shè)置轉(zhuǎn)速

n的調(diào)節(jié)器及

n

的負(fù)反饋通道），即可得到轉(zhuǎn)速單閉環(huán)

調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-32所示。2025年11月6日11時(shí)41分上述單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還不具備實(shí)際

應(yīng)用的可能性，主要問題是調(diào)速系統(tǒng)

在起動(dòng)或堵轉(zhuǎn)時(shí)電樞電流過大而得不

到必需的自動(dòng)限制。2025年11月6日11時(shí)41分為此在圖2-33a的基礎(chǔ)上設(shè)置電流截

止負(fù)反饋環(huán)節(jié)，如圖2-34所示。電流截止

負(fù)反饋?zhàn)饔弥辉谄饎?dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)存在，在正

常運(yùn)行時(shí)必須取消。這種當(dāng)電流大到一定

程度時(shí)才出現(xiàn)的電流負(fù)反饋，叫做電流截

止負(fù)反饋。2025年11月6日11時(shí)41分圖2-33

轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)a)

V-M單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)組成框圖

b)

PWM-M單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)組成框圖2025年11月6日11時(shí)41分圖2-34

電流截止負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖2025年11月6日11時(shí)41分2.2.2轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)額定勵(lì)磁狀態(tài)下的直流電動(dòng)機(jī)電樞電流與直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩成正比，所以通過控制電樞電流就能達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制。因此依據(jù)圖2-32所示的轉(zhuǎn)速閉

環(huán)控制動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)引入電

樞電流負(fù)反饋，設(shè)置電樞電流調(diào)節(jié)器，

構(gòu)成電流閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖2-35所示。2025年11月6日11時(shí)41分圖2-35

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2025年11月6日11時(shí)41分對(duì)應(yīng)圖2-35可以畫出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成框圖，如圖2-36所示。圖2-36轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成框圖2025年11月6日11時(shí)41分2.2.3

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁閉環(huán)控制系統(tǒng)

勵(lì)磁電流的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖圖2-37

勵(lì)磁電流閉環(huán)控制系統(tǒng)a)

勵(lì)磁電流閉環(huán)控制動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

b)

勵(lì)磁電流閉環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖磁通閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的控制系統(tǒng)圖圖2-38

磁通閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)及其物理系統(tǒng)

a)

磁通閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

b)

磁通閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖2.2.4直流電動(dòng)機(jī)雙域閉環(huán)控制系統(tǒng)（先升壓后弱磁調(diào)速系統(tǒng)）對(duì)于一些生產(chǎn)機(jī)械，如連軋機(jī)主傳動(dòng)、機(jī)

床主傳動(dòng)等要求調(diào)壓和弱磁配合控制的雙域調(diào)

速方式，即在基速以下保持額定磁通不變，只

調(diào)節(jié)電樞電壓；在基速以上則保持電樞電壓為

額定值，減弱磁通升速。這就是直流電動(dòng)機(jī)雙

域調(diào)節(jié)系統(tǒng)。其控制特性如圖2-39所示。2025年11月6日11時(shí)41分圖2-39

直流電動(dòng)機(jī)雙域控制特性2025年11月6日11時(shí)41分分類：u

（1）獨(dú)立控制勵(lì)磁的雙域調(diào)速系統(tǒng)

u

（2）非獨(dú)立控制勵(lì)磁的雙域調(diào)速系統(tǒng)2025年11月6日11時(shí)41分（1）獨(dú)立控制勵(lì)磁的雙域調(diào)速系統(tǒng)圖2-40

獨(dú)立勵(lì)磁的雙域調(diào)速系統(tǒng)（2）非獨(dú)立控制勵(lì)磁的雙域調(diào)速系統(tǒng)圖2-41

非獨(dú)立控制勵(lì)磁的雙域調(diào)速系統(tǒng)本章結(jié)束！2025年11月6日11時(shí)41分直流調(diào)速部分第三章閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析和計(jì)算內(nèi)容概要本章講述：l

調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)調(diào)速指標(biāo)；l

單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析；l

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析。2025年11月6日11時(shí)41分3.1

調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)調(diào)速指標(biāo)?

3.1.1轉(zhuǎn)速控制的要求任何一臺(tái)需要對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制的

設(shè)備，對(duì)其調(diào)速系統(tǒng)的性能都有一

定的要求，歸納起來，有以下四個(gè)

方面：2025年11月6日11時(shí)41分?

1、調(diào)速：在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)

速范圍內(nèi)，分檔地（有級(jí)）或平滑地

（無級(jí)）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；?

2、穩(wěn)速：以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上

穩(wěn)定進(jìn)行。?

3、加、減速：頻繁起動(dòng)、制動(dòng)的設(shè)備

要求加速、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；

不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起

動(dòng)、制動(dòng)盡量平穩(wěn)。2025年11月6日11時(shí)41分l4、抑制擾動(dòng)：突加或突減負(fù)載時(shí)

轉(zhuǎn)速降落或升高應(yīng)盡量小，轉(zhuǎn)速恢

復(fù)到設(shè)定轉(zhuǎn)速的時(shí)間應(yīng)盡量短。2025年11月6日11時(shí)41分?

3.1.2穩(wěn)態(tài)調(diào)速指標(biāo)1、調(diào)速范圍電動(dòng)機(jī)所提供的最高轉(zhuǎn)速

和最低轉(zhuǎn)速

之比稱為調(diào)速范圍，用英文字母D表示，即式中，

、（3-1）一般指電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速，對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕

的機(jī)械，例如精密磨床，也可用實(shí)際負(fù)載

時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速。2025年11月6日11時(shí)41分2、靜差率當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理

想空載增加到額定值所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落

與

理想空載轉(zhuǎn)速

之比，稱為靜差率

，即（3-2）或用百分?jǐn)?shù)表示為（3-3）2025年11月6日11時(shí)41分由定義可知，靜差率表示調(diào)速系統(tǒng)在

負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度，它和機(jī)械特

性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，

轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。2025年11月6日11時(shí)41分必須注意，靜差率和機(jī)械特性的硬度有聯(lián)

系，又有區(qū)別。一般調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速

下的機(jī)械特性是互相平行的直線，如圖3-1中的

特性①和②互相平行，兩者硬度是一樣的，額

定速降

；但是它們的靜差率卻不同

，因?yàn)槔硐肟蛰d轉(zhuǎn)速不一樣。2025年11月6日11時(shí)41分圖3-1不同轉(zhuǎn)速下的靜差率2025年11月6日11時(shí)41分因此，調(diào)速范圍D和靜差率s這兩項(xiàng)

指標(biāo)不是彼此孤立的，必須同時(shí)使用

才有意義。2025年11月6日11時(shí)41分通常，調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)，主要是指

最低轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率，如式（3-4）所示：（3-4）調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低轉(zhuǎn)速

時(shí)還能滿足靜差率要求的轉(zhuǎn)速變化范圍。脫

離了對(duì)靜差率的要求，任何調(diào)速系統(tǒng)都可以

達(dá)到極寬的調(diào)速范圍；脫離了調(diào)速范圍，要

滿足給定的靜差率也是相當(dāng)容易的。2025年11月6日11時(shí)41分3、調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中D、s和之間的關(guān)系在直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，就是電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速

，若額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落為

，則系統(tǒng)的靜差率是式（3-4）所表示的靜差率。

而額定負(fù)載時(shí)的最低轉(zhuǎn)速為（3-5）2025年11月6日11時(shí)41分考慮到式（3-4），式（3-5）可以寫成（3-6）調(diào)速范圍則為（3-7）將式（3-6）帶入式（3-7），得（3-8）式中為額定轉(zhuǎn)速。2025年11月6日11時(shí)41分式（3-8）表達(dá)了調(diào)速范圍D、靜差率s和額定速降之間應(yīng)滿足的關(guān)系。對(duì)于一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，其特性硬度或值是一定的，如果對(duì)靜差率s的要求越嚴(yán)，系統(tǒng)允許的調(diào)速

范圍D就越小。調(diào)速范圍是指在最

低速時(shí)還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速

可調(diào)范圍。2025年11月6日11時(shí)41分?

【例3-1】某直流調(diào)速系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為

，額定速

降

，當(dāng)要求靜差率s≤30%和s≤20%時(shí)，計(jì)算允許的調(diào)速

范圍。解：如果要求靜差率s≤30%，如果要求靜差率s≤20%，則調(diào)速范圍只有須知，在實(shí)際中，許多需要無級(jí)調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常

對(duì)靜差率提出較嚴(yán)格的要求，不允許有很大的靜差率。2025年11月6日11時(shí)41分【例3-2】某V-M直流調(diào)速系統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)

的額定值為60kW，220V，305A，1000r/min，主回路總電阻

R

0.18

，電樞電阻Ra

0.066

，要求D=20，s≤5%。開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能否滿

足要求？解：已知系統(tǒng)當(dāng)電流連續(xù)時(shí)開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的靜

差率為2025年11月6日11時(shí)41分可見在額定轉(zhuǎn)速時(shí)不能滿足s≤5%的要

求。如果要滿足D=20，s≤5%的要求，則：由以上計(jì)算結(jié)果可知，開環(huán)直流調(diào)速系

統(tǒng)的額定速降太大，不能滿足D=20，s≤5%

的要求。2025年11月6日11時(shí)41分調(diào)速范圍和靜差率是一對(duì)相互制約的性能

指標(biāo)，如果既要提高調(diào)速范圍，又要降低靜差率

，唯一的方法是減少負(fù)載所引起的轉(zhuǎn)速降落

。但是在轉(zhuǎn)速開環(huán)的直流調(diào)速系統(tǒng)中，

是無法改變。解決矛盾的有效途徑是采用反饋控

制技術(shù)，構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)的控制系統(tǒng)，才能減小轉(zhuǎn)

速降落，降低靜差率，擴(kuò)大調(diào)速范圍。2025年11月6日11時(shí)41分3.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和計(jì)算對(duì)圖2-32所示為轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速

系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行分析，可以得到

圖3-2所示的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的

穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。2025年11月6日11時(shí)41分圖3-2

采用比例調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖a)

閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖b)

只考慮轉(zhuǎn)速給定作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖c)

只考慮負(fù)載擾動(dòng)作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖?

3.2.1ASR為比例調(diào)節(jié)器時(shí)的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直

流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析與計(jì)算1.

閉環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)方程依據(jù)圖3-2a所示的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，當(dāng)ASR為

比例調(diào)節(jié)器時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速

系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：2025年11月6日11時(shí)41分輸入比較環(huán)節(jié)：比例調(diào)節(jié)器：電力電子變換器：（3-9）（3-10）（3-11）直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性方程式：（3-12）測速反饋環(huán)節(jié)：（3-13）2025年11月6日11時(shí)41分各式中，Kp

為比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；Ks

為電力電子變換器的變換系數(shù)；

為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（

）；

空載輸出電壓（V）。為電力電子變換器理想2025年11月6日11時(shí)41分將上述5個(gè)關(guān)系式中消去中間變

量，整理后，即得轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直

流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性方程式（或稱

靜態(tài)特性方程式）（3-14）2025年11月6日11時(shí)41分式中，為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)，即開環(huán)增益；為閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速；為閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。2025年11月6日11時(shí)41分2.

閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和計(jì)算（1）穩(wěn)態(tài)速降轉(zhuǎn)速開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降：把圖3-2a所示的轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)的反饋

回路在調(diào)節(jié)器反饋輸入端處斷開，就得到

了開環(huán)系統(tǒng)，式（3-12）所表示的機(jī)械特

性方程式可寫成（3-15）2025年11月6日11時(shí)41分式中，轉(zhuǎn)速；為開環(huán)系統(tǒng)的理想空載

為開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。2025年11月6日11時(shí)41分轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為（3-16）式(3-16)表明，轉(zhuǎn)速閉環(huán)后將使同一負(fù)

載下穩(wěn)態(tài)速降降低到開環(huán)系統(tǒng)的倍。式(3-16)還說明了ASR為比例調(diào)節(jié)器的單

閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是有靜差調(diào)速系統(tǒng)，靜

差大小為

，并且表明，靜差只能減小而不能消除，這是因?yàn)橄到y(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)

不可能為無窮大(

)。

2025年11月6日11時(shí)41分（2）調(diào)速范圍如果電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速是額定轉(zhuǎn)速

，

對(duì)靜差率要求為s，則閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍

為（3-17）式中2025年11月6日11時(shí)41分式(3-17)表明，如果開環(huán)/閉環(huán)系統(tǒng)所

要求的靜差率相同，則閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)速范圍

為開環(huán)系統(tǒng)的(1+K)倍。由此可見，提高閉

環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)是減小系統(tǒng)靜態(tài)速

降、擴(kuò)大調(diào)速范圍的有效措施。系統(tǒng)的開

環(huán)放大倍數(shù)越大，靜態(tài)速降就越小，在同

樣靜差率下，其調(diào)速范圍就越寬。2025年11月6日11時(shí)41分（3）穩(wěn)態(tài)特性計(jì)算舉例?

【例3-3】某一轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，已知

①直流電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)：p=45kw

，Un=220V

，

IN=226A

,

nN=1750r/min

。②

系統(tǒng)電樞回路總電阻R

0.1

。③晶閘管變流裝置的移相控制信號(hào)

在0～7V范圍內(nèi)

調(diào)節(jié)時(shí)，對(duì)應(yīng)的整流電壓

在0～250V范圍內(nèi)變化。

④轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

α

0.006V

min/r⑤設(shè)計(jì)要求的穩(wěn)態(tài)調(diào)速指標(biāo)：D=10；s=0.05。

根據(jù)給出的技術(shù)數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算。2025年11月6日11時(shí)41分1)由式(3-16)得出滿足要求的穩(wěn)態(tài)速降2)根據(jù)要求的靜態(tài)速降，確定系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)K。

因?yàn)樗云渲校?025年11月6日11時(shí)41分3)根據(jù)系統(tǒng)要求的開環(huán)放大倍數(shù)K來確定比例調(diào)節(jié)

器的比例系數(shù)

。因?yàn)樗允街校|發(fā)器及晶閘管變流裝置的電壓放大倍數(shù)

Ks

為所以2025年11月6日11時(shí)41分計(jì)算結(jié)果表明，只要調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)

Kp

≥11.36，閉環(huán)系統(tǒng)就能夠滿足所需要的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。2025年11月6日11時(shí)41分3.開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性與閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系圖3-3中，設(shè)原始工作點(diǎn)為A，負(fù)載電流為

，當(dāng)負(fù)載增大到時(shí)，開環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速必然降到點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，閉環(huán)后，由于反饋調(diào)節(jié)作用，電壓可升

到

，使工作點(diǎn)變成

B

。2025年11月6日11時(shí)41分這樣，在閉環(huán)系統(tǒng)中，每增加一點(diǎn)

負(fù)載，就相應(yīng)提高一點(diǎn)電樞電壓，因而

就改換了一條機(jī)械特性。閉環(huán)系統(tǒng)的靜

特性就是這樣在許多開環(huán)機(jī)械特性上各

取一個(gè)相應(yīng)的工作點(diǎn)，如圖3-3中的A、B、

C、D、…,再由這些工作點(diǎn)連接而形成的。2025年11月6日11時(shí)41分圖3-3閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性與開環(huán)機(jī)械特性比較2025年11月6日11時(shí)41分通過靜特性分析看出，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

的開環(huán)放大倍數(shù)K值越大，其靜特性就越

硬，穩(wěn)態(tài)速降就越小。在保證所要求的

靜差率下其系統(tǒng)的調(diào)速范圍就越大。2025年11月6日11時(shí)41分?

3.2.2

ASR采用比例積分調(diào)節(jié)器時(shí)的轉(zhuǎn)速單

閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)1.穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖3-4

ASR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

2025年11月6日11時(shí)41分2.穩(wěn)態(tài)特性方程系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)

，有

，即，于是可知，閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降近似為

，

因而有（3-18）式中，

為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

，它的值可由下式確定。（3-19）式中，

為電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速(r/min)；

的最大給定電壓(V)。2025年11月6日11時(shí)41分為對(duì)應(yīng)3.穩(wěn)態(tài)特性曲線因開環(huán)放大倍

數(shù)不可能無窮大，

因此采用PI調(diào)節(jié)器

的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流

調(diào)速系統(tǒng)實(shí)際上的

穩(wěn)態(tài)特性曲線并非

為水平線，而是有

一定傾斜，如圖3-5實(shí)線所示。圖3-5采用PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性曲線2025年11月6日11時(shí)41分?

3.2.3帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流

調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析為了解決調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流

過大問題，必須有自動(dòng)限制電樞電流，

因此應(yīng)該引入電流負(fù)反饋，又因?yàn)檫@種

作用只應(yīng)在起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)存在，在正常

運(yùn)行時(shí)應(yīng)將其取消，稱這種電流負(fù)反饋

叫做電流截止負(fù)反饋。2025年11月6日11時(shí)41分1.電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的框圖圖3-6電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的輸入/輸出特性2025年11月6日11時(shí)41分圖3-6表明：當(dāng)輸入信號(hào)時(shí)，輸入和輸出為線性關(guān)系；當(dāng)

為負(fù)值時(shí)，輸出恒為零。這是一個(gè)非線性

環(huán)節(jié)（兩段線性環(huán)節(jié)）。2025年11月6日11時(shí)41分2.電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的框圖圖3-7帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2025年11月6日11時(shí)41分圖中表示電流負(fù)反饋信號(hào)，

表示轉(zhuǎn)速負(fù)反饋

信號(hào)，ASR為PI調(diào)節(jié)器。2025年11月6日11時(shí)41分3.穩(wěn)態(tài)特性方程1)當(dāng)

Id≤

Idcr時(shí)，由于為負(fù)值，電流負(fù)反饋被截止。因此可寫出靜特性方程為（3-20）2)當(dāng)

Id>Idcr

時(shí)，為正值，電流負(fù)反饋起作用，穩(wěn)態(tài)時(shí)，PI調(diào)節(jié)器輸入偏差電壓為零，即因此2025年11月6日11時(shí)41分（3-21）（3-22）4.穩(wěn)態(tài)特性曲線電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系

統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性曲線，如圖3-8所示。圖3-8帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性曲線①

當(dāng)

Id≤

Idcr時(shí)，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速是無靜差

的，靜特性是平直的。②

當(dāng)

Id>Idcr時(shí)，AB段的穩(wěn)態(tài)特性則很

陡，穩(wěn)態(tài)速降很大。這種兩段式的特性常被稱為下垂特性

或挖土機(jī)特性，2025年11月6日11時(shí)41分電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，

，將其代入式（3-22）

得（3-23）2025年11月6日11時(shí)41分應(yīng)小于電動(dòng)機(jī)的允許最大電流（1.5~2.5）

，另一方面，從正常運(yùn)行特性這一段看，希望有足夠的運(yùn)行范圍，截止電流應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的額定電流，例如取。這些就是設(shè)計(jì)電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)參數(shù)的依

據(jù)。2025年11月6日11時(shí)41分?

【例3-4】帶有電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋

單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)如圖1-34所示，已知數(shù)

據(jù)有：電動(dòng)機(jī)：

，

，

，

，

；功率放大器：

，

；2025年11月6日11時(shí)41分設(shè)計(jì)指標(biāo)：

，

，額定轉(zhuǎn)速時(shí)的給定電壓

為

，堵轉(zhuǎn)電流

，臨界截止電流

。①寫出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性方程式。②計(jì)算出滿足穩(wěn)態(tài)要求的放大器的放大倍數(shù)Kp

。③求出比較電壓和電流反饋系數(shù)

β。④分析

Kp

，

，

β

等參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性的

影響。2025年11月6日11時(shí)41分解：①由題設(shè)可知系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性方程式分為兩段

：當(dāng)Id

≤

Idcr時(shí)，電流負(fù)反饋被截止，此時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)

態(tài)特性方程式為當(dāng)

Id>

Idcr時(shí)，電流負(fù)反饋起作用，則系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)

特性方程式為：（3-24）式中，

。②開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為2025年11月6日11時(shí)41分系統(tǒng)允許的穩(wěn)態(tài)速降為則放大器的放大倍數(shù)應(yīng)為③穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值

，堵轉(zhuǎn)時(shí)n=0

，I

d

I

dbl

，將其

帶入式(3-16)可得一般

，因此2025年11月6日11時(shí)41分于是有所以則④

Kp增大時(shí)，工作段穩(wěn)態(tài)特性變硬；

不變，

β減

小時(shí)，下垂段特性向右平行移動(dòng)；

β不變，

減小時(shí)

，下垂段特性向左平行移動(dòng)。2025年11月6日11時(shí)41分3.3轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析及計(jì)算

1.穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖3-9雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2.穩(wěn)態(tài)特性方程在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到

飽和狀態(tài)的。對(duì)于穩(wěn)態(tài)特性來說，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

器有不飽和與飽和兩種情況。2025年11月6日11時(shí)41分（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和此時(shí)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入

偏差電壓都是零，因此（3-25）（3-26）（3-27）2025年11月6日11時(shí)41分I由上述式子可以得到圖3-10所示的穩(wěn)態(tài)

特性的

段。由于ASR不飽和，

，，因而可知，段特性從理想空載狀態(tài)的Id=0一直延續(xù)到

，通常

，

dm

都是大于額定電流的，這就是穩(wěn)態(tài)特性的運(yùn)行段，它是一條水平的特性曲線。2025年11月6日11時(shí)41分圖3-10轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性2025年11月6日11時(shí)41分（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時(shí)，ASR輸出達(dá)到限幅值

，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開

環(huán)狀態(tài)，雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無靜差的電

流單閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)有（3-28）2025年11月6日11時(shí)41分*雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性在負(fù)載電流小于

Idm

時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋

起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到

Idm時(shí)，對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出

U

im，這時(shí)，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差

，并獲得過電流的自動(dòng)保護(hù)。2025年11月6日11時(shí)41分**?

【例3-5】在轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，ASR和ACR

均采用PI調(diào)節(jié)器，已知電動(dòng)機(jī)額定參數(shù)為

Un

，In

，nN，Ra功率放大器放大系數(shù)Ks和內(nèi)阻Rr

e

c，電動(dòng)機(jī)的允許過載倍數(shù)為

1.5。①若ASR、ACR的限幅輸出分別為

Uim

和

Uctm，如何確定轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

α

和電流反饋系數(shù)β

。②設(shè)系統(tǒng)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在額定情況下正常運(yùn)行，若因?yàn)?/p>

某種原因勵(lì)磁電流減小使磁通

下降一半，系統(tǒng)工作情況如何變化？寫出Ui，U

ct

，U

d

，I

d及

n在穩(wěn)定后的表達(dá)式。2025年11月6日11時(shí)41分*****解：①按最大給定電壓

對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速

來

確定轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，

ASR采用PI調(diào)節(jié)器，穩(wěn)態(tài)時(shí)，因此有

U

nm

n

N，所以

Un

Un

。n

U

nm

nN按電動(dòng)機(jī)最大允許過載電流

對(duì)應(yīng)于ASR輸出限幅

值

來確定電流反饋系數(shù)

，而ACR又采用PI調(diào)節(jié)器。，則有

U

im

U

im

I

dm

Uim

1.5IN

1.5

IN，所以有2025年11月6日11時(shí)41分n*E

K

nI②系統(tǒng)在額定情況下正常運(yùn)行，

nN，Id

IN。若磁通

下降一半，則e

下降，Id

和Ui

將隨之增加，但因

Ui

未下降為原來的一半。變，在電流環(huán)調(diào)節(jié)作用下使Ud

、Uct下降以維持

暫時(shí)

d

不變，從而使

Ted

Km

I

N

IN2025年11月6日11時(shí)41分*電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，T

L不變；所以

Ted

TL，電動(dòng)機(jī)減速，n下降，Un

隨之下降，因

U

n未變，而使ASR飽和，輸出為

U*im，在電流環(huán)調(diào)節(jié)作用下，電流上升達(dá)到

Idm

1.5I

N

并維持不變，

因電流變大而回升，但也只能為原來轉(zhuǎn)矩的0.5

1.5

0.75，仍然小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩

T

L，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將繼續(xù)下降，直至

n=0。2025年11月6日11時(shí)41分這時(shí)2025年11月6日11時(shí)41分本章結(jié)束！2025年11月6日11時(shí)41分直流調(diào)速部分第4章閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)內(nèi)容概要本章講述：l

動(dòng)態(tài)調(diào)速指標(biāo)；l

單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析；l

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析；

l

閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的自適應(yīng)控制。2025年11月6日11時(shí)41分4.1動(dòng)態(tài)調(diào)速指標(biāo)?

1.跟隨性能指標(biāo)在給定信號(hào)的作用下，系統(tǒng)輸出量的變化情況用

跟隨性能指標(biāo)來描述。具體的跟隨性能指標(biāo)有圖4-1

所示的各項(xiàng)內(nèi)容。2025年11月6日11時(shí)41分n

①上升時(shí)間

T

n

②超調(diào)量Cmax

C

C

r4-1n

③調(diào)節(jié)時(shí)間Ts圖4-1表示跟隨性能指標(biāo)的單位階躍響應(yīng)曲線2025年11月6日11時(shí)41分?

2.抗擾性能指標(biāo)系統(tǒng)受到外部擾動(dòng)，引起輸出量的變化。輸出

量變化多少？經(jīng)過多長時(shí)間能恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行？這些

問題反映了系統(tǒng)抵抗擾動(dòng)的能力，抗擾性能指標(biāo)有

以下幾項(xiàng)。2025年11月6日11時(shí)41分n

①最大動(dòng)態(tài)變化量：系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突加一

定數(shù)值的擾動(dòng)后所引起的輸出量的最大變化，用原穩(wěn)態(tài)值輸

C

maxC

1

100%（4-2）出

的百分?jǐn)?shù)表示，叫做最大

動(dòng)態(tài)變化量。2025年11月6日11時(shí)41分n

②恢復(fù)時(shí)間

從階躍擾動(dòng)作用開始，到輸出量基

本上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，與

新穩(wěn)態(tài)值

C

2

誤差在

5%或2%

范圍之內(nèi)