第十一章 直流传动控制系统

第十一章 直流传动控制系统

11.1、何谓开环控制系统？何谓闭环系统？两者各具有什么优缺点？ 答：系统只有控制量(输入量)对被控制量(输出量)的单向控制作用，而不存在被控制量的影

响和联系，这样的控制系统称为开环控制系统。优点是结构简单能满足一般的生产需要；

缺点是不能满足高要求的生产机械的需要。

负反馈控制系统是按偏差控制原理建立的控制系统，其特点是输入量与输出量之间既有正向的控制作用，又有反向的反馈控制作用，形成一个闭环，故又称为闭环控制系统或反馈控制系统。优点是可以实现高要求的生产机械的需要，缺点是结构复杂。 11.2、什么叫调速范围、静差度？它们之间有什么关系？怎样才能扩大调速范围。

答：电动机所能达到的调速范围，是电动机在额定负载下所许可的最高转速nmax和在保证

生产机械对转速变化率的要求前提下所能达到的最低转速nmin之比，以D表示。所谓转速变化率亦即调速系统的静差度（或稳定度），就是电动机由理想空载到额定负载时的转速降ΔnN与理想空载转速n0的比值，以S表示。两者之间的关系是：D=nmaxS2/[ΔnN(1-S2)]。在保证一定静差度的前提下，扩大系统调速范围的方法是提高电动机的机械特性的硬度以减小ΔnN。

11.3、生产机械对调速系统提出的静态、动态技术指标主要有哪些？为什么要提出这些技术

指标？ 答：生产机械对调速系统提出的静态技术的指标有静差度、调速范围、调速的平滑性。动态

技术指标有最大超调量、过渡过程时间、振荡次数。

提出这些技术指标的原因是因为机电传动控制系统调速方案的选择，主要是根据生产机械对调速系统提出的调速技术指标来决定的。

11.4、为什么电动机的调速性质应与生产机械的负载特性相适应？两者如何配合才能算相适应。

答：电动机在调速过程中，在不同的转速下运行时，实际输出转矩和输出功率能否达到且不

超过其允许长期输出的最大转矩和最大功率，并不决定于电动机本身，而取决于生产机械在调速过程中负载转矩TL及负载功率PL的大小和变化规律。所以，为了使电动机的负载能力得到最充分的利用，在选择调速方案时，必须注意电动机的调速性质与生产机械的负载特性要配合恰当。 一般来讲，负载为恒转矩型的生产机械应尽可能选用恒转矩性质的调速方法，且电动机的额定转矩TN应等于或略大于负载转矩TL；负载为恒功率型的生产机械应尽可能选用恒功率性质的调速方法，且电动机的额定功率PN应等于或略大于生产机械的静负载功率PL。

11.5、有一直流调速系统，其高速时的理想空载转速n01=1480r/min，低速时的理想空载转速n02=157/min，额定负载时的转速降ΔnN=10r/min。试画出该系统的静特性（即电动机的机械特性），求调速范围和静差度。

解：调速范围：D=nmax/nmin=(n01-ΔnN)/(n02-ΔnN)=(1480-10)/(157-10)=1470/147=10

高速时的静差度：S1=ΔnN/n01=10/1480=0.0068 低速时的静差度：S2=ΔnN/n02=10/157=0.064 机械特性曲线如下图所示：

n(r/min) 1480 1470

157 147 TN

T(N·m)

11.6、为什么调速系统中加负载后转速会降低，闭环调速系统为什么可以减少转速降？ 答：当负载增加时，Ia加大，由于IaR∑的作用，所以电动机转速下降。闭环调速系统可以减

小转速降是因为测速发电机的电压UBR下降，使反馈电压Uf下降到Uf’，但这时给定电压Ug并没有改变，于是偏差信号增加到ΔU‘=Ug-Uf’，使放大器输出电压上升到Uk’，它使晶闸管整流器的控制角α减小，整流电压上升到Ud’，电动机转速又回升到近似等于n0。

11.7、为什么电压负反馈顶多只能补偿可控整流电源的等效内阻所引起的速度降？

答：因为电动机端电压即使由于电压负反馈的作用而维持不变，但是负载增加时，电动机电

枢内阻Ra所引起的内阻压降仍然要增大，电动机速度还是要降低。所以说电压负反馈，顶多只能补偿可控整流电源的等效内阻所引起的速度降落。

11.8、电流正反馈在调速系统中起什么作用？如果反馈强度调得不恰当会产生什么后果？ 答：电流正反馈，是把反映电动机电枢电流大小的量IaR取出，与电压负反馈一起加到放大

器输入端。由于是正反馈，当负载电流增加时，放大器输入信号也增加，使晶闸管整流

输出电压Ud增加，以此来补偿电动机电枢电阻所产生的压降。由于这种反馈方式的转速降落比仅有电压负反馈时小了许多，因此扩大了调速范围。为了保证“调整”效果，电流正反馈的强度与电压负反馈的强度应按一定比例组成，如果反馈强度调得不适当，会产生不能准确地反馈速度，静特性不理想。

11.9、为什么由电压负反馈和电流正反馈一起可以组成转速反馈调速系统？

答：以图11.12为例说明，图中，从a、o两点取出的是电压负反馈信号，从b、o两点取出

的是电流正反馈信号，从a、b两点取出的则代表综合反馈信号。因为Uab(Uab)=Uao+Uob=

Uao-Ubo，其中Uao随端电压U而变，如果令α=R2/(R1+R2)，则有Uao=αU；Ubo随电流Ia而变，它代表Ia在电阻R3上引起的压降即电流正反馈信号，Ubo=IaR3，将Uao与Ubo代入Uab的表达式中，得Uab=UR2/( R1+ R2)-IaR3，从电动机电枢回路电势平衡关系可知Ia=(U-E)/(R3+Ra)，将Ia的表达式代入Uab中可得Uab=UR2/(R1+ R2)-UR3/(R3+ Ra)+ER3/(R3+ Ra)，上式如果满足UR2/(R1+ R2)-UR3/(R3+ Ra)=0，即R2/(R1+ R2)=R3/(R3+ Ra)，化简后可以得到电桥的平衡条件：R2/R1=R3/Ra，则有Uab=R3E/(R3+Ra)。这就是说，满足电桥平衡条件，则从a、b两点取出的反馈信号形成的反馈，将转化为电动机反电势的反馈。因为反电势与转速成正比，E=Cen,所以，Uab也可以表示为Uab=R3Cen/( R3+ Ra)。因此由电压负反馈和电流正反馈一起可以组成转速反馈调速系统。

11.10、电流截止负反馈的作用是什么？转折点电流如何选？堵转电流如何选？比较电压如

何选？

答：在正常情况下，因为电流负反馈有使特性恶化的作用，因此，电流负反馈作用被截止，

电流负反馈不起作用；而当负载电流超过一定数值，电流负反馈足够强时，它足以将给定信号的绝大部分抵消掉，使电动机速度降到零，电动机停止运转，从而起到保护作用。堵转电流IAo=（2~2.5）IAn。一般转折电流I0为额定电流IAn的1.35倍。且比较电压越

大，则电流截止负反馈的转折点电流越大，比较电压小，则转折点电流小。一般按照转折电流I0=KIAn选取比较电压Ub。当负载没有超出规定值时，起截止作用的二极管不应该开放，也就是比较电压Ub应满足Ub+ Ubo≤KIANR。

11.11、某一有静差调速系统的速度调节范围为75r/min~1500r/min，要求静差度S=2%，该系

统允许的静态速降是多少？如果开环系统的静态速降是100r/min，则闭环系统的开环放大倍数应有多大？ 解：因为S=ΔnN/n0=ΔnN/(nmin+ΔnN)

所以ΔnN=Snmin/(1-S)=0.02*75/(1-0.02)=1.53r/min

如果将系统闭环与开环的理想空载转速调得一样，即n0f=n0，则 Δnf=Δn/(1+K) 所以K=64.36

即闭环系统的开环放大倍数为64.36。

11.12、某一直流调速系统调速范围D=10，最高额定转速nmax=1000r/min，开环系统的静态

速降是100r/min。试问该系统的静差度是多少？若把该系统组成闭环系统，保持n02不变的情况下，使新系统的静差度为5%，试问闭环系统的开环放大倍数为多少？ 解：因为D=nmax/nmin=1000/ nmin=10

所以nmin=100 r/min

所以n02=nmin+ΔnN=100+100=200r/min 所以S2=ΔnN/ n02=100/200=0.5

即该系统的静差度是0.5。 因为新系统的静差度为0.05 即0.05=Δnf/n02=Δnf/200 所以Δnf=10r/min

又因为Δnf=ΔnN/ (1+K) 即10=100/(1+K) 所以K=9

即闭环系统的开环放大倍数为9。 11.13、X2010A型龙门铣床进给拖动系统的移相触发器由哪几个部分组成？试说明各个部分的作用和工作原理。

答：X2010A型龙门铣床进给拖动系统的移相触发器由矩齿波形成器、移相控制、脉冲形成

三个环节组成。矩齿波形成器的作用是为了扩大移相范围，U2滞后U160度，为了调节灵活和增加线性度，U1超前晶闸管阳极电压uc30度。移相控制环节的主要作用是利用u1c与控制电压Uco相比较，去控制晶体管1VT的通断而实现的。脉冲输出环节主要由晶闸管4VT和脉冲变压器T组成。当u1c刚大于控制电压Uco1时，2C通过4VT的发射极、基极、二极管7V和电阻9R充电，4VT导通，在2C充电未饱和或脉冲变压器铁心未饱和前，T的负边绕组感应出平顶脉冲电压。在2C充电完毕，4VT基极回路不再有电流流通，或脉冲变压器铁心饱和后，T的副边绕组脉冲电压即行消失。

11.14、积分调节器在调速系统中为什么能消除静态系统的静态偏差？在系统稳定运行时，

积分调节器输入偏差电压△U=0，其输出电压决定于什么？为什么？

答：因为在积分调节器系统中插入了PI调节器是一个典型的无差元件，它在系统出现偏差

时动作以消除偏差，当偏差为零时停止动作。可控整流电压Ud等于原静态时的数值Ud1加上调节过程进行后的增量(ΔUd1+ ΔUd2)，在调节过程结束时，可控整流电压Ud稳定在一个大于Ud1的新的数值Ud2上。增加的那一部分电压正好补偿由于负载增加引起的那

部分主回路压降。

11.15、在无静差调速系统中，为什么要引入PI调节器？比例积分两部分各起什么作用？ 答：因为无静差系统必须插入无差元件，它在系统出现偏差时动作以消除偏差，当偏差为零

时停止工作。而PI调节器是一个典型的无差元件，所以要引入。比例环节可以毫无延迟地起调节作用，积分环节可以使系统基本上达到无静差。

11.16、无静差调速系统的稳定精度是否受给定电源和测速发电机精度的影响？为什么？ 答：无静差调速系统的稳定精度受给定电源和测速发电机精度的影响，因为给定电源的信号

要与速度反馈信号比较，速度调节信号要经过测速发电机转化为电压信号。 11.17、由PI调节器组成的单闭环无静差调速系统的调速性能已相当理想，为什么有的场合

还要采用转速、电流双闭环调速系统呢？ 答：因为采用PI调节器组成速度调节器ASR的单闭环调速系统，既能得到无静差调节，又

能获得较快的动态响应。虽然从扩大调速范围的角度来看，它已基本满足一般生产机械对调速的要求。但有些生产机械经常处于正反转工作状态，为了提高生产率，要求尽量缩短启动、制动和反转过渡过程的时间，当然可用加大过渡过程中的电流即加大动态转矩来实现，但电流不能超过晶闸管和电动机的允许值。为了解决这个矛盾，可以采用电流截止负反馈，这就要求有一个电流调节器。因此要采用转速、电流双闭环调速系统。 11.18、双闭环调速系统稳态运行时，两个调节器的输入偏差（给定与反馈之差）是多少？

它们的输出电压是多少？为什么？ 答：来自速度给定电位器的信号Ugn与速度反馈信号Ufn比较后，偏差ΔUn=Ugn-Ufn，送到速

度调节器ASR的输入端。速度调节器的输入Ugi作为电流调节器ACR的给定信号，与

电流反馈信号Ufi比较后，偏差为ΔUi=Ugi-Ufi，送到电流调节器ACR的输入端，电流调节器的输出Uk送到触发器，以控制可控整流器，整流器为电动机提供直流电压Ud。 11.19、在双闭环调速系统中转速调节器的作用是什么？它的输出限幅值按什么来整定？电

流调节器的作用是什么？它的限幅值按什么来整定？

答：转速调节器的作用是产生电压负反馈(速度反馈信号Ufn)，与给定电位器的信号Ugn相

比较，它的输出限幅值按电压整定。电流调节器的作用是把速度调节器的输出作为电流调节器ACR的给定信号，与电流反馈信号Ufi比较，它的限幅值按电流整定。 11.20、欲改变双闭环调速系统的转速，可调节什么参数？改变转速反馈系数γ行不行？欲

改变最大允许电流（堵转电流），则应调节什么参数？ 答：欲改变双闭环调速系统的转速，可调节电压参数和电流参数，改变转速反馈系数γ行,欲改变最大许可电流，则应调节Ufi。 11.21、直流电动机调速系统可以采取哪些办法组成可逆系统。

答：直流电动机的可逆调速系统可以采取：1、利用接触器进行切换的可逆线路；2、利用晶

闸管切换的可逆线路；3、采用两套晶闸管变流器的可逆线路。

11.22、试论述三相半波反并联可逆线路逻辑控制无环流工作的基本工作原理。

答：线路图参见课本P310图11.35。欲使电动机工作于正转电动状态，应控制共阴极组的α1

角由90度逐渐减小，与此同时封锁共阳极组的触发脉冲。共阴极组输出直流电压Udα1

由零逐渐增加，电动机启动并正转加速，此时共阴极组整流电压Udα1极性为上正下负，共阴极组电路工作在整流状态，电动机工作在正转电动状态。 若欲使电动机制动（或减速），应利用逻辑电路封锁共阴极组触发脉冲使之停止给电动机供电，电动机由于惯性转速瞬时降不下来，其反电势E的极性仍为上正下负。开放共阳极组使之投入工作，控制共阳极组的α2角由180度逐渐减小（180°>α2>90°），共阳极组输出直流电压平均值Udβ2的极性为上正下负，且使Udβ2≤E，以产生足够的制动电流，使电动机转速很快制动到零。这样，电动机工作在正转制动状态，共阳极组电路工作在逆变状态。

当电动机转速制动到零时，若使共阳极组电路的α2角在0~90度范围变化，则输出电压Udα2逐渐增加，极性为上负下正，电动机启动并反转加速，电动机工作于反转电动状态，共阳极组工作在整流状态。

欲使反转的电动机制动（或减速），则封锁共阳极组电路触发脉冲，开放共阴极组电路使α1角在180~90度范围内减小，共阴极组电路输出直流电压平均值Udβ1的极性为上负下正，且Udβ1≤E，以产生足够的制动电流，使电动机转速很快降到零。这样，电动机工作于反转制动状态，共阴极组电路工作于逆变状态。

11.23、试简述直流脉宽调速系统的基本工作原理和主要特点。 答：基本工作原理参见课本P312图11.37。三相交流电源经整流滤波变成电压恒定的直流电

压，VT1~VT4为四只大功率晶体三极管，工作在开关状态，其中，处于对角线上的一对

三极管的基极，因接受同一控制信号而同时导通或截止。若VT1和VT4导通，则电动机电枢上加正向电压；若VT2和VT3导通，则电动机电枢上加反向电压。 主要特点为：

（1）主电路所需的功率元件少。

（2）控制电路简单。

（3）晶体管脉宽调制（PWM）放大器的开关频率一般为1KHZ~3KHZ，有的甚至可达

5KHZ。它的动态响应速度和稳速精度等性能指标比较好。晶体管脉宽调制放大器的开关频率高，电动机电枢电流容易连续，且脉动分量小。因而，电枢电流脉动分量对电动机转速的影响以及由它引起的电动机的附加损耗都小。

（4）晶体管脉宽调制放大器的电压放大系数不随输出电压的改变而变化，而晶闸管整

流器的电压放大系数在输出电压低时变小。 11.24、双极性双极式脉宽调节放大器是怎样工作的？

答：工作原理参见课本P314图11.40。图中四只晶体管分为两组，VT1和VT4为一组，VT2

和VT3为另一组。同一组中的两只三极管同时导通，同时关断，且两组三极管之间可以是交替地导通和关断。

欲使电动机M向正方向旋转，则要求控制电压Uk为正，各三极管基极电压的波形如图11.40与11.41(a)、(b)所示。当电源电压Us>电动机的反电势时，在0≤t

在t1≤t≤T期间，Ub1和Ub4为负，VT1和VT4关断，Ub2和Ub3为正，在电枢电感La中产生的自感电势Ladia/dt的作用下，电枢电流ia沿回路2继续从B流向A，电动机仍然工作在电动状态。此时，虽然Ub2、Ub3为正，但受V2和V3正向压降的限制，VT2和VT3仍不能导通。假若在t=t2时正向电流ia衰减到零，那么在t2≤t≤T期间，VT2和

VT3在电源电压Us和反电势E的作用下即可导通，电枢电流ia沿回路3从A流向B，电动机工作在反接制动状态。在T≤t≤t4 (T+t1)期间，三极管的基极电压又改变了极性，VT2和VT3关断，电枢电感La所生自感电势维持电流ia沿回路4继续从A流向B，电动机工作在发电制动状态。此时虽然Ub1、Ub4为正，但受V1和V4正向压降的限制，VT1和VT4也不能导通。假若在t=t3时，反向电流(-ia)衰减到零，那么在t3

11.25、在直流脉宽调速系统中，当电动机停止不动时，电枢两端是否还有电压，电枢电路

中是否还有电流？为什么？

答：电动机停止不动，但电枢电压U的瞬时值不等于零，而是正、负脉冲电压的宽度相等，

即电枢电路中流过一个交变的电流ia。这个电流一方面增大了电动机的空载损耗，但另

一方面它使电动机发生高频率微动，可以减小静摩擦，起着动力润滑的作用。 11.26、试论述脉宽调速系统中控制电路各部分的作用和工作原理。 答：控制电路组成部分有：

1、速度调节器ASR和电流调节器ACR；

2、三角波发生器：参见图11.43。由运算放大器N1和N2组成，N1在开环状态下工作，

它的输出电压不是正饱和值就是负饱和值，电阻R3和稳压管VZ组成一个限幅电路，限制N1输出电压的幅值。N2为一个积分器，当输入电压U1为正时，其输出电压

U2向负方向变化；当输入电压U1为负时，其输出电压U2向正方向变化。当输入电压U1正负交替变化时，它的输出电压U2就变成了一个三角波。

3、电压-脉冲变换器：工作原理参见图11.44。运算放大器N工作在开环状态。当它的

输入电压极性改变时，其输出电压总是在正饱和值和负饱和值之间变化，这样，它就可实现把连续的控制电压UK转换成脉冲电压，再经限幅器（由电阻R4和二极管V组成）削去脉冲电压的负半波，在BU的输出端形成一串正脉冲电压U4。 4、脉冲分配器及功率放大：工作原理参见图11.45。其作用是把BU产生的矩形脉冲电

压U4（经光电隔离器和功率放器）分配到主电路被控三极管的基极。当U4为高电

平时，门1输出低电平，一方面它使门5的输出UC1.4为高电平，V1截止，光电管B1也截止，则UR1=0，经功率放大电路，其输出Ub1.4为低电平，使三极管VT1、VT4 截止；另一方面门2输出高电平，其后使门6的输出UC2.3为低电平，V2导通发光，使光电管B2导通，则UR2为高电平，经功率放大后，其输出Ub2.3为高电平，使三极管VT2、VT3可以导通。反之，当U4为低电平时，UC2，3为高电平，B2截止，Ub2.3为低电平，使VT2、VT3截止；而UC1.4为低电平，B1导通，Ub1.4为高电平，使VT1、VT4可以导通。随着电压U4的周期性变化，电压Ub1.4与Ub2.3正、负交替变化，从而控制三极管VT1、VT4与VT2、VT3的交替导通与截止。功率放大电路的作用是把控制信号放大，使能驱动大功率晶体三极管。

5、其他控制电路：过流、失速保护环节。当电枢电流过大和电动机失速时，该环节输

出低电压，封锁门5和门6，其输出UC1.4和UC2.3均为高电平，使Ub1.4和Ub2.3均为低电平，从而关断三极管VT1~VT4，致使电动机停转。泵升限制电路是限制电源电压的。

11.27、微型计算机控制的直流传动系统有哪些主要特点？ 答：这种系统的控制规律主要由软件实现，只需配备少量的接口电路就能形成一个完整的控

制系统；硬件结构简单，可以通过容易更改的软件来实现不同的控制规律或不同的性能

要求。此外单片微机除了能实现系统的控制外，还具有系统的保护、诊断和自检等功能。

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