【正文】 或被調(diào)量 n 的大小和極性，并把它變換成與轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓 Ufn，與轉(zhuǎn)速給定電壓 Un 相比較后，得到偏差電壓 △ Un，經(jīng)放大產(chǎn)生觸發(fā)裝置GT 的控制電壓 Uc，用以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這就組成了轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其原理圖如圖 。根據(jù)自動(dòng)控制原理，反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)。只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就 會(huì)產(chǎn)生糾正偏差的自動(dòng)調(diào)節(jié)過程。而前述轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，因此閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能大大減小轉(zhuǎn)速降落。 圖 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 系統(tǒng)的工作原理 改變轉(zhuǎn)速給定電壓 Un 的大小，就可以改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。如圖 所示，設(shè)電動(dòng)機(jī)在 Ud1決定的特性上的點(diǎn) 1 處以轉(zhuǎn)速 n1 穩(wěn)定運(yùn)行，這時(shí)負(fù)載電流 Id=Id1，控制電壓 Uc=Uc1,整流平均電壓 Ud=Ud1,當(dāng)電動(dòng)機(jī)上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TL加大時(shí)有如下自動(dòng)調(diào)節(jié)過程 ,整流電壓平均值的增量 △ Ud=Ud2Ud1,用 A GT MTG+ +++U n△ U nU cU t U fnU E 3 與補(bǔ)償電阻牙降增量 △ IdR=(Id2Id1)R 中的很大部分，使轉(zhuǎn)速最后穩(wěn)定在 Ud2 決定的特性上的點(diǎn) 2 處，顯然 n2 略小于 n1。 圖 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性與開環(huán)機(jī)械特性的關(guān)系 上述自動(dòng)調(diào)節(jié)作用表明，增加或減小負(fù)載，就相應(yīng)地提高或降低整流電壓，因而得到一條新的開環(huán)機(jī)械特性。按上述工作原理在每條開環(huán)機(jī)械特性上取一個(gè)相應(yīng)的工作點(diǎn)，再將這些點(diǎn)集合起來 ，就是閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，也就是說，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性實(shí)際上是由許多機(jī)械特性上的不同運(yùn)行點(diǎn)集合而成，可視為一條綜合的特性直線，它代表閉環(huán)調(diào)節(jié)作用的結(jié)果。 由此可知， 閉環(huán)系統(tǒng)能減小穩(wěn)態(tài)降速的實(shí)際在于它的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變整流電路。 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本性質(zhì) 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，具有以下具體特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律： （ 1） 應(yīng)用比例調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)系統(tǒng)是有靜差的； （ 2） 單閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)于給定輸入絕對(duì)服從； （ 3） 單閉環(huán)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗擾性能。 n ET L I d I d RU dU c△ U nU fn (= U n U fn )1 2 3 4 5B （ 開環(huán)機(jī)械特性 ）A （ 閉環(huán)靜特性 ）OU d 1U d 2U d 3 U d 4nI d 4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)無靜差，且采用電流截止負(fù)反饋?zhàn)飨蘖鞅Ｗo(hù)可以限制啟（制）動(dòng)時(shí)的最大電 流。單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還存在以下問題： （ 1） 在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中用一個(gè)調(diào)節(jié)器綜合多種信號(hào)，各參數(shù)間相互影響，難于進(jìn)行調(diào)節(jié)器動(dòng)態(tài)參數(shù)的調(diào)整，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不夠好。在采用電流截止負(fù)反饋和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，一個(gè)調(diào)節(jié)器需完成兩種調(diào)節(jié)任務(wù)：正常負(fù)載時(shí)實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)，過載時(shí)進(jìn)行電流調(diào)節(jié)。一般而言，在這種情況下，調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)參數(shù)無法保證兩種調(diào)節(jié)過程同時(shí)具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。 （ 2） 系統(tǒng)中采用電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)來限制啟動(dòng)電流，不能充分利用電動(dòng)機(jī)的過載能力獲得最快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即最佳過度過程。 為了獲得近似的理想的過度 過程，并克服幾個(gè)信號(hào)綜合于一個(gè)調(diào)節(jié)器輸入端的缺點(diǎn)，最好的辦法就是將主要的被調(diào)量轉(zhuǎn)速與輔助被調(diào)量分開加以控制，用兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，構(gòu)成轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成 圖 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，即要控制轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)，又要控制電流使系統(tǒng)在充分利用電動(dòng)機(jī)過載能力的條件下獲得最佳過度過程，其關(guān)鍵是處理好轉(zhuǎn)速控制和電流控制之間的關(guān)系，就是將兩者分開，用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，M+R 0R 0R 0R 0ASR ACRGTATVC nC iR iU cI d +TG++++ + + U nU fnR/R/R nU i U fi+UEVccVT 5 用電流調(diào)節(jié)器 ACR 調(diào)節(jié)電流。 ASR 與 ACR 之間實(shí)現(xiàn)串級(jí)調(diào)節(jié)，即以 ASR 的輸出電壓 Ui作為電流調(diào)節(jié)器的電流給定信號(hào)，再用 ACR 的輸出電壓 Uc 作為晶閘管觸發(fā)電路的移相控制電壓。從閉環(huán)反饋的結(jié)構(gòu)看，速度環(huán)在外面為外環(huán)，電流環(huán)在里面為內(nèi)環(huán)。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用具有輸入、輸出限幅電路的 PI 調(diào)節(jié)器 [4]，且轉(zhuǎn)速和電流都采用負(fù)反饋環(huán)。系統(tǒng)原理圖如圖 。 調(diào)節(jié)器輸出限幅值的整定 在雙閉環(huán)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出電壓 Ui 是電流調(diào)節(jié)器 ACR 的電流給定信號(hào)，其限幅值 Uim 為最大電 流給定值，因此， ASR 的限幅值完全取決于電動(dòng)機(jī)所允許的過載能力和系統(tǒng)對(duì)最大加速度的需要。而 ACR 的輸出電壓限幅值 Ucm，表示對(duì)最小 α 角的限制，也表示對(duì)晶閘管整流輸出電壓的限制。調(diào)節(jié)器輸出限幅值的計(jì)算與整定是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試工作中很重要的一環(huán)。 調(diào)節(jié)器鎖零 為使調(diào)速系統(tǒng)消除靜差，并改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，在系統(tǒng)中引入 PI 調(diào)節(jié)器作為矯正環(huán)節(jié)。由于 PI 調(diào)節(jié)器的積分作用，在調(diào)速系統(tǒng)停車期間，調(diào)節(jié)器會(huì)因輸入干擾信號(hào)的作用呈現(xiàn)出較大的輸出信號(hào)，而使電動(dòng)機(jī)爬行，這在控制上是不允許的，因此對(duì)調(diào)速系統(tǒng)中具有積分作用 的調(diào)節(jié)器，在沒有給出電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)指令之前，必須將它的輸出“鎖”到零電位上，簡(jiǎn)稱為調(diào)節(jié)器鎖零 [5,6,7]。系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器鎖零是由零速鎖零電路來實(shí)現(xiàn)的。并且系統(tǒng)對(duì)調(diào)節(jié)器鎖零電路有如下具體要求。 （ 1） 系統(tǒng)處于停車狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)器必須鎖零； （ 2） 系統(tǒng)接到啟動(dòng)指令或正常運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)器鎖零立即解除并正常工作。 根據(jù)上述要求，鎖零電路只需兩個(gè)信號(hào)來控制調(diào)節(jié)器“鎖零”與“開放”兩個(gè)狀態(tài)。 停車時(shí)： Un=Ufn=0, 調(diào)節(jié)器鎖零 ,無輸出信號(hào)。 啟動(dòng)時(shí)： Un≠ 0， Ufn=0， 調(diào)節(jié)器鎖零解除，并處于正常工作狀態(tài)。 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí) ： Un=Ufn≠ 0， 調(diào)節(jié)器鎖零解除，并處于正常工作狀態(tài)。 制動(dòng)停車時(shí)： Un=0, Ufn≠ 0， 調(diào)節(jié)器鎖零解除，并處于正常工作狀態(tài)。 必須注意，對(duì)于可逆調(diào)速系統(tǒng)， Un=0, Ufn≠ 0 時(shí)，調(diào)節(jié)器不能鎖零，以保證調(diào)節(jié)器對(duì)其進(jìn)行制動(dòng)停車控制。為使鎖零電路對(duì)不可逆和可逆系統(tǒng)都具有通用性， Un=0, Ufn≠ 0 時(shí)，要求調(diào)節(jié)器不能鎖零。 調(diào)節(jié)器鎖零可以采用 6 場(chǎng)效應(yīng)管來實(shí)現(xiàn)，如圖 所示。 圖 調(diào)節(jié)器鎖零 當(dāng) Un=Ufn=0 時(shí) ， 鎖零調(diào)節(jié)電路 使 場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，從而使調(diào)節(jié)器鎖零。 系統(tǒng)中調(diào) 節(jié)器輸入、輸出電壓極性的確定 在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，要構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流負(fù)反饋閉環(huán)，就必須使 ASR、ACR 的輸入信號(hào) Un 與 Ufn,Ui與 Ufi的極性相反，怎樣確定這些信號(hào)的極性呢？ 在實(shí)際組成雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，要正確的確定上述信號(hào)的極性，必須首先考慮晶閘管觸發(fā)電路的移相特性要求，并決定 ACR 輸出電壓 Uc 的極性，然后根據(jù) ACR和 ASR 輸入端的具體接法（是同相輸入還是反相輸入）確定 Ui和 Un 的極性，最后按照負(fù)反饋要求確定 Ufi和 Ufn 的極性。 確定各輸入、輸出信號(hào)極性的一般方法如下： ① 根據(jù)晶閘管觸發(fā)電路 的移相特性要求確定其移相控制電壓 Uc 的極性； ② 根據(jù)各調(diào)節(jié)器輸入端的具體接法（習(xí)慣上是采用反相輸入方式，其輸入與輸出方式相反）確定調(diào)節(jié)器給定輸入信號(hào)的極性； ③ 根據(jù)負(fù)反饋的要求確定各調(diào)節(jié)器反饋輸入信號(hào)的極性。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)及其靜特性 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 根據(jù)圖 構(gòu)圖 [8]。 其中的轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器 ASR、 ACR 這兩個(gè)環(huán)節(jié)的輸入與輸出穩(wěn)態(tài)關(guān)系無法++鎖零控制信號(hào) U srU scR 0R 1C 1R/ 7 用放大系數(shù)表示，而用帶限幅輸出的 PI 調(diào)節(jié)器的輸出 特性表示。 圖 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 α — 為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；β — 為電流反饋系數(shù) 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性仍然表示系統(tǒng)轉(zhuǎn)速 n 與電流 Id 或轉(zhuǎn)矩 Te 的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，即系統(tǒng)達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí) n=f(Id)或 n=f(Te)。分析其靜態(tài)性能的關(guān)鍵是掌握限幅輸出的 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般有兩種狀態(tài)：飽和 —— 輸出達(dá)限幅值；不飽和 —— 輸出未達(dá)限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，且不在受輸入量變化的影響，除非有反向的輸入量使調(diào)節(jié)器退出飽和；當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，其比例積分控制作 用總是使穩(wěn)態(tài)輸入偏差電壓 △ U 為零。實(shí)際上，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器不會(huì)達(dá)到預(yù)先設(shè)計(jì)好的飽和狀態(tài)，因此，對(duì)于靜特性來說，只需考慮轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和和不飽和兩種情況。 （ 1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和 這時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差都為零。因此，由 ASR的輸入偏差電壓 △ Un=0 得 （ ） （ ） 由 ACR 的輸入偏差電壓 △ Ui=0 得 （ ） 從而可畫出圖 所示靜特性的 n0— A 段。由于 ASR 不飽和，因此 UiUim,由式（ ）知 IdIdm，這表明 n0— A 段靜特性從 Id=0（理想空載狀態(tài)）一直延續(xù)RβαK s 1 / C eE+++U i U c U donU n U fn△ U fnU fi+I d表示限幅輸出0nUnn???n fnU U n???i fi dU U I??? 8 到 Id= Idm，而在一般情況下 IdmId，這正是靜特性的運(yùn)行段。 （ 2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 飽和時(shí)， ASR 輸出達(dá)限幅值 Uim，轉(zhuǎn)速環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無靜差單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí) （ ） 式中，最大電流 Idm 是由設(shè)計(jì)者選定的，取決與電動(dòng)機(jī)所允許的最大過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度。式（ ）所描述的靜特性如圖 中的 A— B 段。這樣的下垂特性只適合于 n≤ n0 的情況。若 nn0， UfnUn,ASR 將退出飽和狀態(tài)。 由以 上分析可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于 Idm 時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差；當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到 Idm 后表現(xiàn)為電流無靜差，使系統(tǒng)獲得過電流自動(dòng)保護(hù)。這就是采用兩個(gè) PI 調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。顯然，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性要比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性好。但是，實(shí)際上，由于運(yùn)算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，特別是為避免零點(diǎn)漂移而采用準(zhǔn) PI 調(diào)節(jié)器（即在 PI 調(diào)節(jié)器反饋電阻電容電路的兩端并接一個(gè)阻值為若干 MΩ 的電阻）時(shí)，靜特性的兩段都略有很小的靜差，如圖 中虛線所示。 雙閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)及其穩(wěn)態(tài)參數(shù)的計(jì)算 由于轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器均采用 PI 調(diào)節(jié)器，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)無靜差，因此，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)穩(wěn)態(tài)，且兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，由圖 可得各變量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下 圖 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性圖 （ ） （ ） imd dmUII???0ABI N I dm I dn 0n0n fnU U n n??? ? ?i fi d LU U I I??? ? ? 9 （ ） 上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速 n 由給定電壓 Un 決定， ASR 的輸出 Ui由負(fù)載電流 IL 決定，而控制電壓 Uc 的大小同時(shí)由 n 和 Id 決定，也就是由 Un 和 IL決定。這些關(guān)系反映了 PI 調(diào)節(jié)器與 P 調(diào)節(jié)器的不同之處在于： P 調(diào)節(jié)器的輸出量正比與輸入量，而 PI 調(diào)節(jié)器的輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)系，完全由它后面環(huán)節(jié)的需要決定。鑒于此，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算方法完全不同于單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)，雖然 ASR、 ACR 的輸入偏差電壓都為零，但是二者的積分作用使它們都