总结内容： 电力拖动（运动）控制系统的转矩控制规律、生产机械的负载转矩特性、电机的工作状态、直流电动机的电力拖动基础知识、电力拖动系统的稳定运行条件、直流电动机的起动、直流电动机的制动、直流电动机的调速、直流调速系统用的可控直流电源、晶闸管-电动机系统（V-M系统）的主要问题、直流脉宽调速系统的主要问题、反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析和设计、反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计、比例积分控制规律和无静差调速系统、转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法、双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析、晶闸管-电动机系统的可逆线路、晶闸管-电动机系统的回馈制动、两组晶闸管可逆线路中的环流

提示：本文章是本人结合所学的课程进行总结所写，如果大家感兴趣，直接从目录里找需要的看。本文很长，切忌一口气读完

简介：

大家好，接着之前的电气系统，现在我开始总结电力拖动系统中直流调速系统部分。截止到目前为止，我还是没找到写这些文章的意义……但隔离嘛！闲的无事，得写写，增强自己的记忆力。同时因为我期望学习的方向是电力电子，调速系统这门课在我九推导师私下面试的时候反复被提问，所以把它放在总结的第一位是非常非常有必要的。作为电气专业，电力拖动系统可以说是我们的专业课中的必修课程，同时也是我学的最好的、最具有分量的几个课程之一（主要是老师教的好，(▽)在此特别特别感谢赵红老师对我们的教导），正是因为它尤其的重要，所以我决定好好研究研究。以下便是我对直流调速系统所学知识的理解与总结。

本人学艺不精，有一些知识点地方可能存在瑕疵，希望各位大佬可以多多指教。

以下是本篇文章正文内容：

运动控制系统的基本运动方程式：Te - TL = Jdω / dt = GD2dn / 375dt 其中 J为转动惯量，GD2 为飞轮转矩。 ●当 Te = TL 电动机处于恒速状态，拖动系统稳态运行。 ●当 Te > TL 电动机处于加速状态，拖动系统加速暂态运行。 ●当 Te < TL 电动机处于减速状态，拖动系统减速暂态运行。

●转矩控制是运动控制的根本问题 要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机的电磁转矩，使转速变化率按人们期望的规律变化。 ●磁链控制同样重要 为了有效地控制电磁转矩，充分利用电机铁芯，在一定的电流作用下尽可能产生最大的电磁转矩，必须在控制转矩的同时也控制磁通（或磁链）。

生产机械负载转矩 TL 是一个必然存在的不可控扰动输入。负载转矩 TL 与转速n间的关系 TL (n) = fTL(n)称为生产机械的负载转矩特性, 它与电动机的机械特性Te(n)=fTe(n)对应。 大多数生产机械可归纳为三种类型：恒转矩负载、恒功率负载以及风机、泵类负载 （1）恒转矩负载 特点：负载转矩的大小恒定，即 TL(n) = 常数 分为位能性恒转矩负载，如电梯，卷扬机，起重机等；反抗性恒转矩负载，如轧钢机，皮带传送机等 （2）风机、泵类负载 特点：负载转矩与转速的平方成正比，即 TL(n) = Kn2 生产机械如水泵，油泵以及离心式通风机等其介质（如水、油、空气等）对叶片的阻力基本上与转速的平方成正比。 （3）恒功率负载 特点：负载转矩与转速成反比，而功率为常数，即 TL = PL / ωm = 常数 / ωm 对于车床等生产机械，在切削加工过程中，粗加工时切削量大，此时阻转矩大，电动机多 在低速运行，而精加工时，切削量小，电动机多在高速运行。TL与转速成反比，其功率基本不变。

电动状态：电机吸收能量、电磁转矩与转速同向。 发电状态：电机发出能量、电磁转矩与转速反向。 制动状态：电磁转矩与转速反向。 四象限运行：

电力拖动系统的稳定运行指当电网或轴上机构负载波动而使电动机转速发生变化时, 电 动机具有能恢复到原工作状态的能力。 静态稳定运行条件：dTe(n) / dn < dTL(n) / dn ●稳定运行条件的物理意义：若在交点(稳定运行点)附近转速有所升高，Te的增加必须小于 TL的增加，只有这样转速才有可能下降并最终回到原稳定运行点。

（1）在电机拖动系统中对起动的要求： Tst 足够大：以克服摩擦转矩、负载转矩等。 Ist 不能太大：以避免烧坏电枢绕组、换向器等。

而在实际中，根据电机学的知识，直流电机（泛指他励直流电机）通常起动电流 Ist = (UN - E) / RA ≥ 10IN，由此可见，直流电动机一般不允许直接起动。那如何起动呢？这里介绍其中一种方法——电枢串电阻起动

（2）电枢串电阻起动 方法：随电机转速升高逐步切除起动电阻，通过这种方法改变起动电流的大小，将其控制在最大值在 1.75~1.5倍的额定电流。

有了起动以后，那么何谓“调速”呢？调速就是人为地改变电动机机械特性的参数，使电动机的稳定工作点偏离固有特性，工作在人为机械特性上，以达到调速的目的。 由直流电动机转速方程可以看出，有三种方法调节电动机的转速： （1）调节电枢供电电压 U （2）改变电枢回路总电阻 R （3）减弱励磁磁通Φ

（1）调压调速 ●工作条件：保持励磁不变 Φ = ΦN ；保持电枢电阻不变 R = Ra ●调节过程：U↓ → n0↓ → n↓ ●调速特性：机械特性曲线平行下移 ●特点：效率高、性能好，调速范围广。缺点：设备投资大。 ●适合带恒转矩负载

（2）调电枢电阻调速 ●工作条件：保持励磁不变 Φ = ΦN ；保持电压不变 U = UN ●调节过程：R↑ → Ra↑ → n0不变 → n↓ ●调速特性：机械特性曲线变软。 ●特点：设备简单,操作方便。缺点：效率低、性能差，调速范围小。 ●适合带恒转矩负载

（3）调磁调速 ●工作条件：保持电枢电阻不变 R = Ra ；保持电压不变 U = UN ●调节过程：减小励磁Φ↓ → n0↑ → n↑ ●调速特性：机械特性曲线变软。 ●特点：效率高，转速可以高于n0。缺点：调速范围不大，一般为1:2~1:6。 ●适合带恒功率负载

★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，以调节电枢供电电压的方式为最好。而改变电阻只能有级调速；减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速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。

制动是指电机的电磁转矩与转速方向相反的一种运行状态。 ●制动的目的：利用电磁转矩使得拖动系统尽快停车、减速以及使位能负载获得稳定的下降速度等。 制动状态与发电状态的异同点：从能量转换的角度上看，电机的制动状态类似于电机运行在发电机状态，处于制动状态的电机从机械轴上获得机械功率，并将其转换成电功率。

处于制动状态的电机与发电机又有本质的不同，主要表现在： ●发电机所获得的机械功率来自于原动机，运行工况特点：长时间稳态运行 ●制动状态下的机械功率则来自于拖动系统本身运行时所积累的动能或势能，运行工况特点：短时间暂态运行 ●处于制动状态时，一般是通过电机把这些机械能量给消耗掉（亦可回馈电网），从而加速系统的减速过程。

根据转矩方程：Te = CTΦIa，改变 Ia 方向即可令 Te反向，又因为 Ea = KeΦn，减速过程中，由于转速n方向不变，那么EaIa改变符号，即电磁功 率由电动机运行时的吸收功率变为发出功率，这部分功率可以通过电阻消耗掉，也可以通过电网回收，故有三种制动方式：能耗制动、反接制动、回馈制动。

（1）能耗制动 ●操作步骤：切除电源, 电枢串制动电阻RB形成闭合回路 ●原理：切除电源，转速不变，电动势极性不变，电枢电流反向，转矩反向，与转速方向相反，为制动转矩，能量全部消耗在电阻上，以热能的形式散发出去。 （2）回馈制动 ●前提：转速n高于理想空载转速n0 。 ●原理：电动机在外力的作用下，n > n0 ，则感应电动势 Ea = CeΦn > CeΦn0 = U，电流反向，转矩反向，方向与转速方向相反，为制动转矩。电机进入发电机的运行状态而起制动作用，可限制转速的持续上升。 ●优点：电流与电压方向相反，电能回馈到电网。 回馈制动出现的情况举例：降压调速过程中的回馈制动 工作原理分析：电动机开始在额定电压下，带额定负载，则稳定运行在a点。当电枢电压突然下降，由于机械惯性转子转速不会突然下降，工作点由a点移至b点（平移）。在降速的过程中，工作点由b点沿bc直线向c点移动。在这一阶段，由于实际转速 nN 高于降压后的理想空载转速 nc0，导致Ea > U，即感应电动势大于外加电压，电枢电流Ia反向，电磁转矩变为制动性转矩。此时，来自转子的机械势能转变为电能回馈至电网。一旦转速低于理想空载转速 nc0 ，则电机又恢复到电动机运行状态运行。

（3）反接制动 ●操作：电源反接，电枢串电阻RB ●原理：电源反接，电流反向且很大，为了限制电流必须串电阻，转矩反向，方向与转速方向相反，为制动转矩。 ●注意：电机停转以后要把电源切除，否则电机将反转。

根据前面分析，调压调速是直流调速系统的主要方法，而调节电枢电压需要有专门向电动机供电的可控直流电源。

静止式可控整流器——用静止式的可控整流器获得可调的直流电压。 晶闸管-电动机调速系统所采用的就是静止式可控整流器，该系统简称为 V-M系统，它是通过调节触发装置GT的控制电压 Uc 来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。 （1）V-M系统的特点： ●晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。 ●晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10 4 以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制 ●在控制作用的快速性上，晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。

（2）V-M系统的问题 ●由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。 ●晶闸管对过电压、过电流和过高的 du / dt 与 di / dt 都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件。 ●由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。

（1）原理见【知识点总结】电力电子技术——第二讲，当VT 导通时,直流电源电压Us 加到电动机上；当VT 关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经VD 续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如图。 ●为了节能并实行无触点控制，现在多用电力电子开关器件，如快速晶闸管、GTO、IGBT等。 ●采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，脉宽调制变换器。

（2）PWM系统的优点： ① 主电路线路简单，需用的功率器件少。 ② 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。 ③ 低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右。 ④ 若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态 抗扰能力强。 ⑤ 功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当 时，开关损耗也不大，因而装置效率较高。 ⑥ 直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。

在如图可控整流电路中，调节触发装置 GT 输出脉冲的相位，即可很方便地改变可控整流器 VT 输出瞬时电压 ud 的波形，以及输出平均电压 Ud 的数值。 对其等效电路分析，如果把整流装置内阻移到装置外边，看成是其负载电路电阻的一部 分，那么，整流电压便可以用其理想空载瞬时值 ud0 和平均值 Ud0 来表示，相当于用图示的等效电路代替实际的整流电路。 ●瞬时电压平衡方程： ud0 = E + idR + Ldid / dt，式中：E — 电动机反电动势， id — 整流电流瞬时值，L— 主电路总电感，R— 主电路等效电阻。 ●对ud0进行积分, 并求一个周期内的平均值，即得理想空载整流电压平均值Ud0 ●用触发脉冲的相位角α控制整流电压的平均值 Ud0是晶闸管整流器的特点。

对于该整流器而言，输出电压波形不可能是平直的，除非主电路的电感L为无穷大，否则输出电流总是脉动的。 （1）由于电流波形的脉动，可能出现电流连续和断续两种情况。 ●当V-M系统主电路有足够大的电感量，而且电动机的负载也足够大时，整流电流便具有连续的脉动波形。 ●当电感量较小或负载较轻时，在某一相导通后电流升高的阶段里，电感中的储能较少；等到电流下降而下一相尚未被触发以前，电流已经衰减到零，于是，便造成电流波形断续的情况。 （2）电流脉动的危害：在V-M系统中，脉动电流会产生脉动的转矩，对生产机械不利，同时也增加电机的发热。 （3）抑制电流脉动的措施：设置平波电抗器；增加整流电路相数；采用多重化技术。

当电流连续时，V-M系统的机械特性方程式为： 可见，改变控制角α，得一族平行类直线。 图中显示了完整的V-M系统机械特性，分为电流连续区和电流断续区。由图可见： ●当电流连续时，特性还比较硬； ●断续段特性则很软，而且呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。 上述分析说明：只要电流连续，晶闸管可控整流器就可以看成是一个线性的可控电压源。

在进行调速系统的分析和设计时，可以把晶闸管触发和整流装置当作系统中的一个环节来看待。应用线性控制理论进行直流调速系统分析或设计时，须事先求出这个环节的放大系数和传递函数。 在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的。众所周知，晶闸管一旦导通后，控制电压的变化在该器件关断以前就不再起作用，直到下一相触发脉冲来到时才能使输出整流电压发生变化，这就造成整流电压滞后于控制电压的状况。 （1）传递函数的求取 用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入-输出关系为Ud0 = 1（t - Ts）KsUc，按拉氏变换的位移定理，晶闸管装置的传递函数为 Ws(s) = Ud0(s) / Uc(s) = Kse-Ts，由于式中包含指数函数，它使系统成为非最小相位系统，分 析和设计都比较麻烦。为了简化，先将该指数函数按台劳级数展开。最终，考虑到 Ts 很小，可忽略高次项，则传递函数便近似成一阶惯性环节： Ws(s) = Ks / （1 + Tss）

自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制（PWM）的高频开关控制方式形成的脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即直流PWM调速系统。与V-M系统相比，PWM调速系统在很多方面有较大的优越性。直流PWM调速系统的应用日益广泛，特别在中、小容量的高动态性能系统中，已经完全取代了V-M系统。

当0 ≤ t < ton时，ud = Us ；当ton ≤ t < T时，ud = 0 通过观察上图，我们可以看出，在简单不可逆PWM变换器-直流电机系统中电流不可逆，VD的作用只是为id提供一个续流的通道，如果想要实现制动，那么必须要为其提供反向电流通道（可以实现，这里不细讲）。

由于采用脉宽调制，严格地说，即使在稳态情况下，脉宽调速系统的转矩和转速也都是脉动的。 所谓稳态，是指电机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态，机械特性是平均转速与平均转矩（电流）的关系。 采用不同形式的PWM变换器，系统的机械特性也不一样。对于带制动电流通路的不可逆电路和双极式控制的可逆电路，电流的方向是可逆的，无论是重载还是轻载，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式比较简单。

PWM控制与变换器的动态数学模型和晶闸管触发与整流装置基本一致。当控制电压Uc改变时，PWM变换器输出平均电压Ud按线性规律变化，但其响应会有延迟，最大的时延是一个开关周期T 。因此PWM控制与变换器（简称PWM装置）也可以看成是一个滞后环节，其传递函数（与晶闸管装置传递函数完全一致）可以写成 Ws(s) = Ud0(s) / Uc(s) = Kse-Ts，在一般的电力拖动自动控制系统中，时间常数这么小的滞后环节可以近似看成是一个一阶惯性环节： Ws(s) = Ks / （1 + Tss）

PWM变换器的直流电源通常由交流电网经不可控的二极管整流器产生，并采用大电容C滤波，以获得恒定的直流电压。 （1）泵升电压及其产生的原因：对于PWM变换器中的滤波电容，其作用除滤波外，还有当电机制动时吸收运行系统动能的作用。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电机制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作**“泵升电压”**。 （2）泵升电压限制电路： 电力电子器件的耐压限制着最高泵升电压，因此电容量就不可能很小，一般几千瓦的调速系统所需的电容量达到数千微法。在大容量或负载有较大惯量的系统中，不可能只靠电容器来限制泵升电压。因此引出一个新的概念

★PWM系统的优越性： • 主电路线路简单，需用的功率器件少； • 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小； • 低速性能好，稳速精度高，调速范围宽； • 系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强； • 功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时， 开关损耗也不大，因而装置效率较高； • 直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。

（1）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都有一定的要求。对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面： ●调速——在一定的最高转速和最低转速范围内,分挡地(有级)或平滑地(无级)调节转速 ●稳速——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，以确保产品质量。 ●加、减速——频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。

（2）调速指标 ●调速范围D：生产机械要求电动机提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比，用字母 D 表示，即 D = nmax / nmin。 其中 nmax 和 nmin一般都指电动机额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的转速。 ●静差率s：当系统在某一转速下运行时,负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落ΔnN与理想空载转速n0之比，即 s = ΔnN / n0。 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。

（3）静差率与机械特性硬度的区别： ●静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的。 ●静差率与机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。 ●然而静差率和机械特性硬度又是有区别的，一般调压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的（相同硬度），对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大， 转速的相对稳定度也就越差。 因此，调速范围D和静差率s这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。

（4）调速范围D、静差率s和额定速降∆n之间的关系 由该式可见，如果对静差率要求越严，即要求s 值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。对于同一个调速系统，∆nN值是一定的。因为对于同一个调速系统而言，带同样的负载，交点是一样的，∆nN也是一样的。还有另一种解释，对于同一个调速系统而言，D、s是确定的，根据公式，自然而然∆nN也是一样的。 由此我们可以得到一个结论，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围。

如图所示直流脉宽调速系统是开环调速系统，调节控制电压Uc就可以改变电动机的转速n。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实现一定范围内的无级调速。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，开环调速系统往往不能满足要求，那该如何是好呢？由此我们引出反馈控制的闭环调速系统。 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，它就会自动产生纠正偏差的作用。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速系统应该能够大大减少转速降落。 （1）系统组成 （2）调节原理 通过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压 Un，其与给定电压U*n相比较后,得到转速偏差电压ΔUn，经过放大器A，产生电力电子变换器UPE的控制电压Uc，用以控制电动机转速n。 （3）UPE的组成：UPE是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三组(或单相)交流电源，输出为可控的直流电压，控制电压为Uc 。 对于中、小容量系统，多采用由IGBT或P-MOSFET组成的PWM变换器；对于较大容量的系统，可采用其他电力电子开关器件，如GTO、IGCT等；对于特大容量的系统，则常用晶闸管触发与整流装置。 （4）稳态关系（输入-输出关系） 忽略各种非线性因素、忽略控制电源和电位器的内阻，假定系统中各环节的输入输出关系都是线性的。转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下： Kp—放大器的电压放大系数；Ks—电力电子变换器的电压放大系数；α—转速反馈系数；Ud0—UPE的理想空载输出电压；R — 电枢回路总电阻。 （5）静特性方程 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统的静特性方程式。 ①闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）间的稳态关系，它在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大不同，故定名为“静特性”，以示区别。 ②开环放大系数K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总的电压放大系数，是各环节单独的放大系数的乘积。

（1）系统特性比较——闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬得多。 Δncl = Δnop / （1+K） （2）如果比较同一开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多。 scl = sop / （1+K） （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。 Dcl = （1+K）Dop （4）要取得上述三项优势，K 要足够大，闭环系统必须设置放大器。 由此，我们可以看出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及检测与反馈装置。

★举例说明系统调节过程： 开环系统 Id ↑ ( Id1 ↑ → Id2) → n↓ 例如：在图1-26中工作点从A → A′ ： Id↑→ n↓ → Un↓ → ΔUn↑ → Uc↑ → Ud0↑(Ud1 → Ud2) → n↑ →工作点从A 移至B ●在闭环系统中，增加(或减少)一点负载，就相应地提高(或降低)一点电枢电压，因而就改换一条机械特性。 ●闭环系统的静特性就是这样在许多开环机械特性上取一个响应的工作点，如图中的A、B、C、D….，再由这些工作点连接而成。 由此，闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降。

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律。 （1）只用比例放大器的反馈控制系统，被调量有静差 ●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K值越大，系统的稳态性能越好（一定程度上）。但实际系统 Kp = 常数，稳态速差就只能减小，却不可能消除。 ●只有 K = ∞，才能使Δncl = 0，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，这种系统正是依靠被调量的偏差进行控制的。换一种理解，我们都清楚系统是依靠ΔUn来实现稳速的，而ΔUn 不可能为0，如果为0，根据线性放大，转速是不是也得为0才行，但怎么可能转速为0呢，所以说 Un 永远跟踪不上U*n，就是因为ΔUn 不为0，系统才能工作。 ●K真的是越大越好吗？其实不尽然，从稳态的角度上看似乎如此，但是从动态特性上，K超过某个值后，系统将会不稳定，而系统稳定是系统正常工作的必要条件。 （2）反馈控制系统的作用是：抵抗扰动, 服从给定 反馈控制系统具有良好的抗扰性能，它能有效地抑制一切被负反馈环所包围的前向通道上的扰动作用，但对给定作用的变化则唯命是从。 ●扰动作用——除给定信号外，作用在控制系统各环节上的一切会引起输出量变化的因素。 调速系统的扰动源（所有这些因素最终都要影响到转速。） ●负载变化的扰动（使Id变化） ●交流电源电压波动的扰动（使Ks变化） ●电动机励磁的变化的扰动（造成Ce变化 ） ●放大器输出电压漂移的扰动（使Kp变化） ●温升引起主电路电阻增大的扰动（使R变化） ●检测误差的扰动（使变化）

●抗扰能力：反馈控制系统对被反馈环包围的前向通道上的扰动都有抑制功能，但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，它非但不能得到反馈控制系统的抑制，反而会增大被调量的误差。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。 ●给定作用：与众不同的是，在反馈环外的给定作用，转速给定信号的些微变化都会使被调量随之变化，丝毫不受反馈作用的抑制。

（3）系统的精度依赖于给定的精度和反馈检测装置的精度 ●给定精度——由于给定决定系统输出，输出精度自然取决于给定精度。 如果产生给定电压的电源发生波动，反馈控制系统无法鉴别是对给定电压的正常调节还是不应有的电压波动。因此，高精度的调速系统必须有更高精度的给定稳压电源。 ●检测精度——反馈检测装置的误差也是反馈控制系统无法克服的，因此检测装置的精度决定了系统输出精度。

（4）总结：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，对给定信号的任何变化都 是唯命是从的。（横眉冷对千夫指，俯首甘为孺子牛）

当直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电机换向不利，对过载能力低的电力电子器件来说，更是不能允许的。 如果我们采用了闭环调速系统，突加给定起动的冲击电流时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压仍为零，相当于偏差电压ΔUn= Un* ，差不多是其稳态工作值的 1+K 倍。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，对电动机来说，相当于全压起动，当然是不允许的。 除了起动以外还有堵转，有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况，就会产生堵转电流。由于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，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，也会给正常工作带来不便。那么该如何解决呢？ 解决办法：电枢串电阻起动、引入电流截止负反馈、加积分给定环节

（1）电流截止负反馈环节 电流检测：电流反馈信号取自串入电动机电枢回路中的小阻值电阻Rs，IdRs正比于电流。 IdRs＞Ucom ，VD导通，Ui有值；IdRs ≤ Ucom ，VD截止，Ui消失，截止电流Idcr = Ucom / Rs

★注意：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负载增减。所以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，简称截流反馈。

（2）电流截止负反馈闭环直流调速系统的稳态结构框图和静特性 当 Id ≤ Idcr 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相同；当 Id > Idcr时，引入了电流负反馈，静特性变成上图，式子在下图。 ●我们可以发现静特性两个特点：电流负反馈的作用相当于在主电路中串入 一个大电阻 Kp Ks Rs ，因而稳态速降极大， 特性急剧下垂。其次，比较电压 Ucom 与给定电压Un* 的作用一致，好象把理想空载转速提高到上述式子。 ●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，电动机停下，电流也不过是堵转电流 Idbl，而该堵转电流 Idbl要比正常运行时的堵转电流还要小。

对于一个自动控制系统来说，稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证的。而系统的稳定性与稳态性能指标要求可能矛盾。 以闭环转速反馈系统为例，从稳态性能指标角度考虑，K越大，稳态误差(速降)越小；从稳定性角度考虑，K越大，稳定性降低，甚至不稳定。 所以在此基础上设置动态校正势在必行。

在设计闭环调速系统时，为了要消除偏差，我们采用比例放大器的有静差的调速系统，因为 K 的引入我们会遇到动态稳定性与稳态性能指标发生矛盾的情况，所以为了尽量减少这种矛盾性必须设计合适的动态校正装置，用来改造系统，使它同时满足动态稳定和稳态指标两方面的要求。 （1）静差产生的根本原因：之前讲过只要电动机在运行，就必须有控制电压Uc ，因而也就必须有转速偏差电压 ΔUn ，即必须有偏差。在采用比例调节器控制的调速系统中，输入偏差是维系系统运行的基础，必然要产生静差，因此是有静差系统。 为了不采用比例调节器，我们就不要引入静差，也就是消除系统稳态速差，因此我们可以采用用比例积分调节器来构建闭环调速系统，这个系统就是无静差调速系统。

（2）积分调节器和积分控制规律 用比较放大器构建的积分电路就不在展示了，详情点击这 如图，根据积分电路的传递函数Wi(s) = Ues(s) / Uin(s) = 1 / τs ，每一时刻 Uc 的大小和 ΔUn 与横轴所包围的面积成正比，图中ΔUn 的最大值对应于Uc 的拐点。当 ΔUn变化时，只要其极性不变，即只要仍是Un* > Un，积分调节器的输出Uc便一直增长；只有达到 Un* = Un，ΔUn= 0时，Uc 才停止上升；不到 ΔUn 变负，Uc不会下降。这是积分控制的特点。 ●系统采用积分I调节器时,当转速在稳态时达到与给定转速一致，系统仍有控制信号, 保持系统稳定运行。 ●积分控制可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速。

（3）比例与积分控制的比较： 虽然现在ΔUn = 0，只要历史上有过ΔUn ，其积分就有一定数值，足以产生稳态运行所需要的控制电压Uc。积分控制规律和比例控制规律的根本区别就在于此。 ★小结：比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状；而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。

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，但是另一方面，在控制的快速性上，积分控制却又不如比例控制。如果既要稳态精度高，又要动态响应快，只要把比例P和积分I两种控制结合起来就行了，这便是比例积分PI控制。 （1）PI调节器的传递函数：Wpi(s) = Ues(s) / Uin(s) = Kpi（τ1s + 1） / τ1s 表明，PI调节器也可以用一个积分环节和一个比例微分环节来表示， τ1 是微分项中的超前时间常数，它和积分时间常数 τ 的物理意义是不同的。

（2）PI调节器输出时间特性 ●见下图，突加输入信号时，由于电容C1两端电压不能突变，相当于两端瞬间短路，在运算放大器反馈回路中只剩下电阻R1，电路等效于一个放大系数为 Kpi 的比例调节器，在输出端立即呈现电压Kpi Uin，实现快速控制，发挥了比例控制的长处。 ●此后，随着电容C1被充电，输出电压Uex开始积分，其数值不断增长，相当于在动态中把放大系数逐步提高，直到稳态。稳态时，C1两端电压等于Uex，R1已不起作用，又和积分调节器一样了，这时又能发挥积分控制的优点，实现了稳态无静差。 ●如果输入电压Uin一直存在，其C1就不断充电，不断进行积分，直到输出电压Uex达到运放的限幅值Uexm时为止，称作运算放大器饱和。 （3）比例积分PI控制规律 ●假设输入偏差电压 ΔUn 的波形如上图所示，则输出波形Uc 中比例部分1和ΔUn 成正比，积分部分2是ΔUn 的积分曲线，而PI调节器的输出电压Uc 是这两部分之和1+2。 ●可见， Uc既具有快速响应性能，又足以消除调速系统的静差。 ●除此以外，比例积分调节器还是提高系统稳定性的校正装置，因此，它在调速系统和其他控制系统中获得了广泛的应用。 由此可见，比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。

（1）工作原理 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程的冲击电流。TA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VS的击穿电压，使晶体三极管VBT导通，则PI调节器的输出电压接近于零，电力电子变换器UPE的输出电压急剧下降，达到限制电流的目的。 （2）稳态结构与静特性 无静差系统的理想静特性如上图所示。当 Id ＜ Idcr时，系统无静差，静特性是不同转速时的一族水平线；当 Id ≥ Idcr 时，电流截止负反馈起作用，静特性急剧下垂，基本上是一条垂直线。整个静特性近似呈矩形。

采用转速负反馈和 PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足需要。因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值 Idcr 以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。 理想条件下起动电流呈矩形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动（制动）过程。所以对于直流调速系统，我们希望能实现起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈。稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。 系统中把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环，即就形成了转速、电流双闭环调速系统。 ●为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用 PI 调节器，两个调节器的输出都是带限幅作用的。 ●转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值。 ●电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。

（1）限幅的作用： ●当输出达到限幅值，意味着调节器已饱和，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。 ●当输出未达到限幅值，意味着调节器不饱和时，比例积分(PI)作用使输入偏差电压在稳态时总是零。

★实际上,在正常运行时,电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。 （2）系统静特性： ●转速调节器不饱和：得到静特性的CA段，由于ASR不饱和，U*i < U*im，从上式可知: Id < Idm。这就是说， CA段静特性从理想空载状态的 Id = 0 一直延续到 Id = Idm，而 Idm 一般都是大于额定电流 IdN 的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。 有：U*n = Un = αn = αn0 ， U*i = Ui = β Id ，n = U*n / α = n0 ， Idm = U*im / β ●转速调节器饱和：这时,ASR输出达到限幅值U*im, 转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响，双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时Id = U*im / β = Idm 。 式中，最大电流 Idm 是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。 所描述的静特性是上图中的AB段，它是垂直的特性。这样的下垂特性只适合于n < n0的情况，因为如果 n > n0 ，则 Un > U*n ，ASR将退出饱和状态。

（3） 两个调节器的主要作用 ●双闭环调速系统的静特性在负载电流小于 Idm 时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。 ●当负载电流达到 Idm 时，对应于转速调节器的饱和输出U*im，此时电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。 ●这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。

然而实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点飘移而采用“准PI调节器”时，静特性的两段实际上都略有很小的静差，如图中虚线所示。

●双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系： U*n = Un = αn = αn0 ， U*i = Ui = β Id = β IdL ，Uc = Ud0 / Ks 上述关系表明，在稳态工作点上，转速 n 是由给定电压U*n决定的，ASR的输出量U*i是由负载电流 IdL 决定的。最大电流 Idm是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度，控制电压Uc 的大小则同时取决于n 和 Id，或者说，同时取决于U*n 和 IdL。 ●这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点：比例环节的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。

前已指出，设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。 由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。 （1）第I阶段：电流上升的阶段(0 ~ t1) ●突加给定电压Un 后，Id 上升，当 Id 小于负载电流 IdL 时，电机还不能转动。 ●当 Id ≥ IdL 后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值Uim，强迫电流 Id 迅速上升。 ●直到，Id = Idm ， Ui = U*im 电流调节器很快就压制 Id 了的增长，标志着这一阶段的结束。 在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和

（2）第 II 阶段: 恒流升速阶段（t1 ~ t2）——主要阶段。 ●在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流U*im 给定下的电流调节系统，基本上保持电流 Id 恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。 ●与此同时，电机的反电动势E 也按线性增长，对电流调节系统来说，E 是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，Ud0和 Uc 也必须基本上按线性增长，才能保持Id恒定。 ●当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说， Id 应略低于 Idm。 ●为了保证电流环的主要调节作用，在起动过程中ACR是不应饱和的，电力电子装置UPE 的最大输出电压也须留有余地，这些都是设计时必须注意的。

（3）第 Ⅲ 阶段：转速调节阶段（t2 以后） ●当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值U*im ，所以电机仍在加速，使转速超调。 ●转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，Ui 和 Id 很快下降。但是，只要 Id 仍大于负载电流IdL ，转速就继续上升。 ●直到 Id = IdL时, 转矩 Te = TL，则 dn / dt = 0, 转速n才到达峰值(t = t3时). ●此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在一小段时间内( t3 ~ t4 ), Id < IdL，直到稳定，如果调节器参数整定得不够好，也会有一些振荡过程。 ●在这最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使Id 尽快地跟随其给定值Ui ，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。

（1）饱和非线性控制 根据ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态： ●当ASR饱和时, 转速环开环, 系统表现为恒值电流调节的单闭环系统。 ●当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环表现为电流随动系统。

（2）转速超调 由于ASR采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调，ASR 的输入偏差电压ΔUn为负值，才能使ASR退出饱和。这样, 采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调。

（3）准时间最优控制 起动过程中的主要阶段是第II阶段的恒流升速，它的特征是电流保持恒定。一般选择为电动机允许的最大电流，以便充分发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能最快。这阶段属于有限制条件的最短时间控制。因此，整个起动过程可看作为是一个准时间最优控制。

最后，应该指出，对于不可逆的电力电子变换器，双闭环控制只能保证良好的起动性能，却不能产生回馈制动，在制动时，当电流下降到零以后，只好自由停车。必须加快制动时，只能采用电阻能耗制动或电磁抱闸。

对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能，在细分主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。 （1）抗负载扰动 由动态结构框图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。 （2）抗电网电压扰动 在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。而双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。 （3） 对比单闭环调速系统：在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。 在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。

（1）转速调节器的作用 ●转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压U*n变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差 ●对负载变化起抗扰作用。 ●其输出限幅值决定电机允许的最大电流。 （2）电流调节器的作用 ●作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压U*i（即外环调节器的输出量）变化。 ●对电网电压的波动起及时抗扰的作用。 ●在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。 ●当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。

用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求。 工程设计方法的基本思路：选择调节器结构，使系统典型化，以确保系统稳定且同时满足所需的稳态精度。设计调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。

●上式中，分母中的 sr项表示该系统在原点处有 r 重极点，或者说，系统含有 r 个积分环节。根据r=0，1，2，…等不同数值，分别称作0型、I型、Ⅱ型、…系统。 ●自动控制理论已经证明，0型系统稳态精度低，而Ⅲ型和Ⅲ型以 上的系统很难稳定。 ●因此，为了保证稳定性和较好的稳态精度，多选用I型和II型系统。 （1）典型I型系统 其系统结构简单，其对数幅频特性的中频段以 –20 dB/dec 的斜率穿越 0dB 线，只要参数的选择能保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳定的，且有足够的稳定裕量， 选择参数应满足ωc < 1 / T 或 ωcT < 1。 （2）典型Ⅱ型系统 典型的II型系统也是以 –20dB/dec 的斜率穿越零分贝线。由于分母中s2项对应的相频特性是–180°，后面还有一个惯性环节，在分子添上一个比例微分环节(τs +1)，是为了把相频特性抬到–180°线以上，以保证系统稳定。 应选择参数满足 1 / τ < ωc < 1 / T 或 τ > T。（且 τ 比 T 大得越多，系统的稳定裕度越大。）

自动控制系统的动态性能指标包括：跟随性能指标、抗扰性能指标。 （1）跟随性能指标：在给定信号或参考输入信号的作用下，系统输出量的变化情况可 用跟随性能指标来描述。常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间、超调量、调节时间和峰值时间。 （2）抗扰性能指标：标志着控制系统抵抗扰动的能力。常用的抗扰性能指标有动态降落、恢复时间。 实际系统对于各种动态性能指标的要求各有不同，一般来说调速系统的动态指标以抗扰性能为主，随动系统的动态指标则以跟随性能为主。

（1）典型I型系统：其开环传递函数包含两个参数：开环增益 K 和时间常数 T 。其中，时间常数 T 在实际系统中往往是控制对象本身固有的，能够由调节器改变的只有开环增益 K ，也就是说，K是唯一的待定参数。设计时，需要按照性能指标选择参数K 的大小，需注意的是 K 值越大，截止频率 ωc 也越大，系统响应越快，但相角稳定裕度越小。 ●在典型I 型系统中应取 0.5 < ξ < 1 ，如果无特殊要求可取折中值，即 ξ =0.707，K = 0.5 / T

（2）典型II型系统：在典型II型系统的开环传递函数中，与典型I 型系统相仿，时间常数T也是控制对象固有的。所不同的是，待定的参数有两个：K 和 τ ，这就增加了选择参数工作的复杂性。为了分析方便，引入一个新的变量中频宽度 h = τ / T = ω2 / ω1 ●h减小时，上升时间快；h增大时，超调量小。把各项性能指标综合起来看，h = 5时动态跟踪性能比较适中。典型Ⅱ型系统的超调量一般都比Ⅰ型系统大，而快速性要好。

（3）比较分析的结果可以看出，典型I型系统和典型Ⅱ型系统除了在稳态误差上的区别以外，在动态性能中: ●典型 I 型系统在跟随性能上可以做到超调小，但抗扰性能稍差， ●典型Ⅱ型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。

系统设计的一般原则： “先内环后外环”：从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。 （1）电流调节器结构的选择 从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用I 型系统就够了。 从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。 电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。

（2）转速调节器的设计 为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR 中。现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型Ⅱ 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。

外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设计多环控制系统的特点。这样做，虽然不利于快速性，但每个控制环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有利。

有许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地起动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是说，需要可逆的调速系统。 改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向，都能够改变直流电机的旋转方向，然而当电机采用电力电子装置供电时，由于电力电子器件的单向导电性，问题就变得复杂了。

根据电机理论，改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向，都能够改变直流电机的旋转方向。因此，V-M系统的可逆线路有两种方式：电枢反接可逆线路、励磁反接可逆线路。

（1）电枢反接可逆线路 电枢反接可逆线路的形式有多种，这里介绍如下3种方式：接触器开关切换的可逆线路、晶闸管开关切换的可逆线路、两组晶闸管装置反并联可逆线路 ●接触器开关切换的可逆线路：KMF闭合，电动机正转；KMR闭合，电动机反转。 优点：仅需一组晶闸管装置，简单、经济。 缺点：有触点切换，开关寿命短；需自由停车后才能反向，时间长。 应用：不经常正反转的生产机械。 ●晶闸管开关切换的可逆线路：VT1、VT4导通，电动机正转；VT2、VT3导通，电动机反转。 应用：适用于中、小功率的可逆系统。 ●两组晶闸管装置反并联可逆线路：电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电；反转时，由反组晶闸管装置VR供电。 较大功率的可逆直流调速系统多采用晶闸管-电动机系统，由于晶闸管的单向导电性，需要可逆运行时经常采用两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路 两组晶闸管分别由两套触发装置控制，都能灵活地控制电动机的起、制动和升、降速。但是，不允许让两组晶闸管同时处于整流状态，否则将造成电源短路，因此对控制电路提出了严格的要求。 应用：适用于各种可逆系统。

（2）励磁反接可逆线路 与电枢反接可逆线路一样，可以采用接触器开关或晶闸管开关切换方式，也可采用两组晶闸管反并联供电方式来改变励磁方向。 优点：供电装置功率小——由于励磁功率仅占电动机额定功率的1 % ~5%，因此，采用 励磁反接方案，所需晶闸管装置的容量小、投资少、效益高。 缺点：改变转向时间长——由于励磁绕组的电感大，励磁反向的过程较慢；又因电动机 不允许在失磁的情况下运行，因此系统控制相对复杂一些。

（1）晶闸管装置的整流和逆变状态 在两组晶闸管反并联线路的V-M系统中，晶闸管装置可以工作在整流或有源逆变状态。 在电流连续的条件下，晶闸管装置的平均理想空载输出电压为：Ud0 = Ud0maxcosα 当控制角为 α < 90°，晶闸管装置处于整流状态；当控制角为 α > 90°，晶闸管装置处于逆变状态。因此在整流状态中，Ud0 为正值；在逆变状态中，Ud0 为负值。为了方便起见，定义逆变角 β = 180° – α

（2）单组晶闸管装置的整流与有源逆变 ●整流状态：提升重物，α < 90°，Ud0 > E，n > 0 由电网向电动机提供能量。 ●逆变状态：放下重物，α > 90°，Ud0 < E，n < 0 由电动机向电网回馈能量。

（3）两组晶闸管装置反并联的整流和逆变 两组晶闸管装置反并联可逆线路的整流和逆变状态原理与此相同，只是出现逆变状态的具体条件不一样。 ●正组晶闸管装置VF整流——电动机工作于第一象限 此时，αf < 90°，Ud0f > E，n > 0 电机从电路输入能量作电动运行。 ●反组晶闸管装置VR逆变——电动机工作于第二象限 当电动机需要回馈制动时，由于电机反电动势的极性未变，要回馈电能必须产生反向电流，而反向电流是不可能通过VF流通的。这时，可以利用控制电路切换到反组晶闸管装置VR，并使它工作在逆变状态，产生图示极性的逆变电压Ud0r。 此时，αr > 90°，当 E > |Ud0r|时，反向电流Id便通过VR流通，电机输出电能实现回馈制动。

（4）V-M系统的四象限运行 在可逆调速系统中，正转运行时可利用反组晶闸管实现回馈制动，反转运行时同样可以利用正组晶闸管实现回馈制动。这样，采用两组晶闸管装置的反并联，就可实现电动机的四象限运行 即使是不可逆的调速系统，只要是需要快速的回馈制动，常常也采用两组反并联的晶闸管装置，由正组提供电动运行所需的整流供电，反组只提供逆变制动。这时，两组晶闸管装置的容量大小可以不同，反组只在短时间内给电动机提供制动电流，并不提供稳态运行的电流，实际采用的容量可以小一些。

基本概念： 环流：采用两组晶闸管反并联的可逆V-M系统，如果两组装置的整流电压同时出现，所产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流。 环流的危害：一般地说，这样的环流对负载无益，只会加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。

（1）静态环流：两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流，其中又有两类： ●直流平均环流——由晶闸管装置输出的直流平均电压所产生的环流，称作直流平均环流。 ●瞬时脉动环流——两组晶闸管输出的直流平均电压差为零，但因电压波形不同，瞬时电压差仍会产生脉动的环流，称作瞬时脉动环流。

（2）动态环流：仅在可逆V-M系统处于过渡过程中出现的环流。

在两组晶闸管反并联的可逆V-M系统中，如果让正组VF和反组VR都处于整流状态，两组的直流平均电压正负相连，必然产生较大的直流平均环流。为了防止直流平均环流的产生，需要采取必要的措施，比如：采用封锁触发脉冲的方法，在任何时候，只允许一组晶闸管装置工作；或者是采用配合控制的策略，使一组晶闸管装置工作在整流状态，另一 组则工作在逆变状态。 ●配合控制原理为了防止产生直流平均环流，应该当正组处于整流状态时，强迫让反组处于逆变状态，且控制其幅值与之相等，用逆变电压把整流电压顶住，则直流平均环流为零。这样就可以消除直流平均环流，这称作 α = β 配合控制。 ●为了更可靠地消除直流平均环流，可采用 α ≥ β

★需注意一点，为了防止晶闸管装置在逆变状态工作中逆变角太小而导致换流失败，出现**“逆变颠覆”**现象，必须在控制电路中采用限幅作用，形成最小逆变角 βmin保护。通常取 αmin = βmin = 30°

（1）瞬时脉动环流产生的原因：当我们采用配合控制时，能使Ud0f = -Ud0r，这只是就电压的平均值而言的，由于整流与逆变电路电压波形上的差异，仍会出现瞬时电压Ud0f > -Ud0r的情况，从而仍能产生瞬时的脉动环流，这个瞬时脉动环流是自然存在的，因此配合控制有环流可逆系统，又称作自然环流系统。 （2）瞬时脉动环流的抑制：直流平均环流 Ic可以用 α ≧ β 配合控制消除，而瞬时脉动环流 icp却是自然存在的。为了抑制瞬时脉动环流，可在环流回路中串入电抗器，叫做环流电抗器，或称均衡电抗器，在三相桥式反并联可逆线路中，由于每一组桥又有两条并联的环流通道，总共要设置4个环流电抗器。

当工艺过程对系统正反转的平滑过渡特性要求不很高时，特别是对于大容量的系统，常采用既没有直流平均环流又没有瞬时脉动环流的无环流控制可逆系统。 （1）控制原理：当一组晶闸管工作时，用逻辑电路（硬件）或逻辑算法（软件）去封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，以确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路，这就是逻辑控制的无环流可逆系统。 缺点：由于延时造成了电流换向死区，影响过渡过程的快速性。

小小的总结：

又完成一门，历时几天吧？(ಥ_ಥ) 经过我的深抠之下，总算是完成了~~直流调速系统的知识虽然看起来很多，但它最侧重分析以及对知识点的理解（靠背和理解），总结起来费了不少劲，也不知道整理的意义何在，不过我反而对我自己有了更深的认识……由于老师要求我们不能将课件私自上传到网上，所以这里我就不向大家分享老师的PPT了，这篇文章仅仅是调速系统的一部分，另一部分交流调速系统，我打算慢慢写，因为我个人认为还是挺多的，总结起来可能得费不少劲。 今天是隔离的第5还是6天，我的隔离就要结束了，要开展正常的校园生活啦，所以，这一阶段的总结将会以最后一篇文章也就是下一篇——交流调速系统结尾。这段时间非常感谢大家的支持！如果后边我还有空闲，那么我就试着更新软件部分。

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