直流电机的闭环调速系统

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
引入转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转速降落

基本原理

采用转速负反馈的闭环调速系统

系统组成：

在反馈控制的闭环直流调速系统中，
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 $U_{n}$
与给定电压 $U_{n}^{*}$ 相比较后，得到转速偏差电压 $Δ U_{n}$
经过运算放大器 A，产生控制电压 $U_{c}$
控制触发装置 GT，产生控制电压给电力电子变换器 UPE
提供可控的直流电压 $U_{d 0}$ ，用以控制电动机转速n

稳态关系

静特性：
闭环调速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

电压比较环节:
$Δ U_{n} = U_{n}^{*} - U_{n}$

运算放大器:
$U_{c} = K_{p} Δ U_{n}$
$K_{p}$ 放大器电压放大系数

电力电子变换器:
$U_{d_{0}} = K_{s} U_{c}$
$K_{s}$ 电力电子变换器的电压放大系数

调速系统开环机械特性:
直流电机的开环调速
$n = \frac{U_{d_{0}} - I_{d} R}{C_{e}}$
$U_{d 0}$ : UPE的理想空载输出电压
$C_{e}$ 电动机的放大系数

测速反馈环节:
$U_{n} = α n$
$α$ 转速反馈系数

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

静特性方程式：

\begin{array}{r} n = \frac{K_{p} K_{s} U_{n}^{*}}{C_{e} (1 + K)} - \frac{R I_{d}}{C_{e} (1 + K)} \end{array}

$K = K_{p} K_{s} \frac{1}{C_{e}} α$ 开环传递函数

稳态结构框图：

仅考虑给定作用 $U_{n}^{*}$
$n = \frac{K_{p} K_{s} \frac{1}{C_{e}} U_{n}^{*}}{1 + K}$
仅考虑扰动作用 $- I_{d} R$
$n = \frac{- R \frac{1}{C_{e}} I_{d}}{1 + K}$

两者线性叠加，即得到静特性方程

闭环调速的过程

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

开环系统

$I_{d} ↑ \to n ↓$
闭环系统

$I_{d} ↑ \to n ↓ \to U_{n} ↓ \to Δ U_{n} ↑ \to U_{c} ↑ \to U_{d 0} ↑ \to n ↑$

由此看来，闭环系统能够减少稳态速降的实质在于反馈，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

直流反馈控制规律

反馈有静差调速系统

可能存在的扰动作用：

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
测速反馈系数出现误差，它反而会增大被调量的误差
$α ↑ \to U_{n} ↑ \to Δ U_{n} ↓ \to U_{c} ↓ \to U_{d 0} ↓ \to n ↓$

电机稳态方程：
电路方程
电磁力
力矩平衡（运动方程）

\begin{aligned} U_{d} = L \frac{d i_{d}}{d t} + i_{d} R + C_{e} n \\ U_{d_{0}} - I_{d} R = C_{e} n \\ T_{e} = C_{m} i_{d} \\ T_{e} = C_{m} I_{d} \\ T_{e} - T_{L} = K \frac{d n}{d t} = 0 \\ T_{e} = T_{L} = C_{m} i_{d} \end{aligned}

\begin{array}{r} \frac{R_{1}}{R_{2}} (U_{n}^{*} - U_{n}) = U_{c} \\ K_{p} Δ U_{n} = U_{c} \end{array}

UPE：
电力电子变换器

功率器件、执行机构、功率驱动装置
$\frac{K_{s}}{T_{s} s + 1}$

开环

\begin{array}{r} n = \frac{U}{C_{e}} - \frac{R}{C_{e}} I_{d} \end{array}

$Δ n_{o p} = \frac{R}{C_{e}} I_{d}$

闭环

\begin{array}{r} n = \frac{K_{P} K_{S}}{C_{e} (1 + K)} U_{n}^{*} - \frac{R}{C_{e} (1 + K)} I_{d} \end{array}

$Δ n_{c l}$

稳态特性：
转速下降变小
机械特性变硬

直流电机反馈控制的动态建模

进一步改进

直流电机的电流截止负反馈