【正文】 根據(jù)運算放大器的電路原理，可以容易地導(dǎo)出 （314） （315） （316） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計（1）電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，為此，需求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)。 校正成典型Ⅰ型系統(tǒng)的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖其中 （313）（3）電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)。其傳遞函數(shù)可以寫成: （311） 式中K——電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； ——電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，再從動態(tài)要求看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡（忽略反電動勢的動態(tài)影響） 忽略反電動勢對電流環(huán)作用的近似條件是： （38）式中 —電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改成 ，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)。 電流調(diào)節(jié)器與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計（1）電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡在按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響，即DE≈0。直到=時，轉(zhuǎn)矩，則=0，轉(zhuǎn)速n才到達峰值(t=t3時)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負，使它開始退出飽和狀態(tài)，和很快下降。當ACR采用PI調(diào)節(jié)器時，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，應(yīng)略低于。第Ⅱ階段： 在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電壓給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。當≥后，電機開始起動，由于機電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會很快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值，強迫電流迅速上升。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標明的I、II、III三個階段。 啟動過程分析設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近理想起動過程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要首先探討它的起動過程。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。b 對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。c 其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。（3）轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用綜上所述，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用可分別歸納如下：① 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用：a 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。但從動態(tài)性能上看，由于擾動作用點不同，存在著能否及時調(diào)節(jié)的差別。② 抗電網(wǎng)電壓擾動電網(wǎng)電壓變化對調(diào)速系統(tǒng)也產(chǎn)生擾動作用。① 抗負載擾動，負載擾動作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負載擾動的作用。（2）動態(tài)抗擾性能分析一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（1）雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。 直流電動機數(shù)學(xué)模型 晶閘管整流裝置的數(shù)學(xué)模型晶閘管觸發(fā)與整流裝置可以看成是一個具有純滯后的放大環(huán)節(jié)，其滯后作用是由晶閘管裝置的失控時間引起的，考慮到失控時間很小，忽略其高次項，則其傳遞函數(shù)可近似成一階慣性環(huán)節(jié)[20]。 n n C A B 0 I I I 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 直流電動機模型假設(shè)電機補償良好，忽略電樞反應(yīng)、渦流效應(yīng)和磁滯的影響，并設(shè)勵磁電流恒定，得直流電機數(shù)學(xué)模型和運動方程分別為： （35） （36） 對上述兩式進行拉普拉斯變換后。靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。當負載電流達到時，對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出，這時，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，得到過電流的自動保護。這樣的下垂特性只適合于的情況，因為如果，則，ASR將退出飽和狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)時 （34）其中，最大電流是由設(shè)計者選定的，取決于電動機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時，ASR輸出達到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。這就是說，CA段特性從理想空載狀態(tài)的一直延續(xù)到，而一般都是大于額定電流的。（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和這時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零，因此 （31） （32）由第一個關(guān)系式可得 （33） 。 Ks a 1/CeU*nUcIdEnUd0Un++ASR+U*i R b ACRUiUPE 圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。它可以很方便地根據(jù)原理圖畫出來，只要注意用帶限幅的輸出特性表示PI調(diào)節(jié)器就可以了。圖中還表示了兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓[17]。 為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。二者之間實行嵌套（或稱串級）聯(lián)接。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是應(yīng)用最廣性能很好的直流調(diào)速系統(tǒng)[16]。 我們希望能實現(xiàn)控制：（1）過程，只有電流負反饋，沒有轉(zhuǎn)速負反饋；（2）穩(wěn)態(tài)時，只有轉(zhuǎn)速負反饋，沒有電流負反饋。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。為縮短這一部分時間，僅采用PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其性能還不很令人滿意。3 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)介紹直流電動機調(diào)速系統(tǒng)具有開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)和多閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有控制容易、能在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速和快速響應(yīng)等特點，在直流調(diào)速系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。（3）直流變壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系在直流電動機變壓調(diào)速系統(tǒng)中，一般以電動機的額定轉(zhuǎn)速作為最高轉(zhuǎn)速，若額定負載下的轉(zhuǎn)速降落為，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時的靜差率，即 （26）于是，最低轉(zhuǎn)速為 （27）而調(diào)速范圍為 （28）將上面的式代入，得 （29） 式（29）表示變壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。如果低速時的靜差率能滿足設(shè)計要求，則高速時的靜差率就更能滿足要求了。由此可見，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。然而靜差率與機械特性硬度又是有區(qū)別的。（2）靜差率當系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落，與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱作靜差率s，即 （24）或用百分數(shù)表示 （25） 顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負載變化時轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。這兩個指標合稱調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標。（3） 加、減速 頻繁起、制動的設(shè)備要求加、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械則要求起、制動盡量平穩(wěn)[14]。歸納起來，對于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有以下三個方面：（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）或平滑地（無級）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標任何一臺需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有一定的要求。電動機的轉(zhuǎn)速與磁通（也就是勵磁電流）成反比，即當磁通減小時，轉(zhuǎn)速升高；反之，則降低。（3） 采用晶閘管變流器供電的調(diào)速方法 變電樞電壓調(diào)速是直流電機調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的一種調(diào)速方法。 （1） 改變電樞回路電阻調(diào)速 當負載一定時，隨著串入的外接電阻R的增大，電樞回路總電阻增大，電動機轉(zhuǎn)速就降低。特別是大規(guī)模集成電路技術(shù)以及計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，使直流電動機調(diào)速系統(tǒng)的精度、動態(tài)性能、可靠性有了更大的提高。但此方法的主要缺點是系統(tǒng)重量大、占地多、效率低及維修困難。30年代末期，發(fā)電機電動機系統(tǒng)的出現(xiàn)才使調(diào)速性能優(yōu)異的直流電動機得到廣泛應(yīng)用。這種方法簡單易行、設(shè)備制造方便、價格低廉；但缺點是效率低、機械特性軟，不能得到較寬和平滑的調(diào)速性能。 直流電機的調(diào)速方法直流電動機分為有換向器和無換向器兩大類。這兩種情況都是危險的。若勵磁繞組斷開，=0，主磁通將迅速下降到剩磁磁通，使電樞電流迅速增大。實用上，為保證并勵電動機的穩(wěn)定運行，常使它具有稍微下降的轉(zhuǎn)速特性[10]。此式表示，在端電壓U、勵磁電流均為常值的條件下