电力拖动课程设计vm直流调速系统

题目：V-M双闭环不可逆直流调速系统设计

初始条件：

1.技术数据：

晶闸管整流装置：Rrcc=0.032Q,Ks=45-48。

负载电机额定数据:PN=90KW,UN=440V,IN=220A,nN=1800r/min,Ra=0.088Q,hl.5。

系统主电路:R广0.12Q,Tm=().ls

2.技术指标

稳态指标：无静差(静差率SW2,调速范围D>10)

动态指标：电流超调量：^<5%,起动到额定转速时的超调量：^<8%,(按退饱和

方式计算)

要求完成的主要任务：

1.技术要求：

(1)该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围

(D>10),系统在工作范围内能稳定工作。

(2)系统静特性良好，无静差(静差率SW2)

⑶动态性能指标：转速超调量&<8%,电流超调量4<5%,动态速降△展8-10%,调

速系统的过渡过程时间(调停时间)ts<1So

(4)系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续。

(5)调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。

2.设计内容：

(1)根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画

出系统组成的原理框图。

(2)调速系统主电路元部件的确定及其参数计算(包括有变压器、电力电子器件、平波电

抗器与保护电路等)。

(3)动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR调节

器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。

(4)绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图(要求计算机绘图)。

(5)整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书。

时间安排：

课程设计时间为一周半，共分为三个阶段:

（1）复习有关知识，查阅有关资料，确定设计方案。约占总时间的20%

（2）根据技术指标及技术要求，完成设计计算。约占总时间的40%

（3）完成设计和文档整理。约占总时间的40%

目录

摘要.....................................................1

1设计任务及要求.........................................2

1.1设计任务..........................................2

1.2设计要求.........................................2

2转速、电流双闭环直流调速系统的组成和主电路设计..........3

2.1转速双闭环直流调速系统的组成.....................3

2.2主电路设计......................................4

2.2.1整流装置的选择............................4

2.2.2加入整流变压器和平波电抗器的必要性.........4

2.2.3三相桥式全控整流主电路.....................5

3主电路的元件参数计算...................................6

3.1整流变压器参数计算...............................6

3.1.1次级电压5的计算..........................6

3.1.2次级电流L及变压器容量的计算...............7

3.2晶闸管参数计算...................................7

3.2.1晶闸管额定电压UTN........................................................7

3.2.2晶闸管额定电流ITN........................................................7

3.3平波电抗器参数计算..............................7

3.3.1电枢电感LM的计算..........................8

3.3.2整流变压器漏电感匕的计算..................8

3.3.3最小负载电流为Id*时保证电流连续所需的主回路

电感量L的计算.......................8

3.3.4保证电流连续的临界电感量1_加.....................8

4保护电路的设计及其元件参数的计算........................9

4.1过电压保护......................................9

4.1.1直流侧过电压保护...........................9

4.1.2关断缓冲电路...............................9

4.1.3交流侧过电压保护..........................9

4.2短路过电流保护..................................11

4.3过电流保护......................................12

5检测电路、调节器与驱动控制电路设计.....................13

5.1检测电路设计....................................13

5.2调节器结构设计..................................13

5.3驱动控制设计....................................14

6系统的动态设计........................................16

6.1电流调节器的设计................................16

6.2转速调节器的设计................................17

6.3验证动态指标....................................18

7基于simuIink的系统仿真...............................19

8结束语................................................21

参考文献................................................21

附录电气原理总图.......................................22

本科生课程设计成绩评定表

(3)动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR

调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。

(4)绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图(要求计算机绘图)。

(5)整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书。

2转速、电流双闭环直流调速系统的组成和主电路设计

2.1转速双闭环直流调速系统的组成

开环直流调速系统通过调节控制电压Uc就可改变电动机的转速。当负载的生产工艺

对运行时的静差率要求不高，采用开环系统就能实现一定范围内的无级调速。但是，对静

差率有较高要求时，开环调速系统往往不能满足要求。这时就要采用闭环调速系统。采用

PI调节的单个转速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，例如：要求快运起制动，突加负载动态速降小等等,

单闭环系统就难以满足需要。这时就要考虑采用转速、电流双环控制的直流调速系统。

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。二者之间实行嵌套(串联)联接。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。这就形成了转速、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调节潜。两个

调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压口广决定了电流给定电

压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Lm限制了电力电子电换器的最大输出电压

UdM转速、电流双闭环直流调速系统的原理框图如图2-1所示：

图2-1转速、电流双闭环直流调速系统原理框图

2

ASR一转速调节器，ACR-电流调节器，TG-测速发电机TA-电流互感器，UPE一电力

电子变换器，U——转速给定电压，L一转速反馈电压，5*一电流给定电压，U-电流反

馈电压。

2.2主电路设计

2.2.1整流装置的选择

直流电动机由单独的可调整流装置供电。晶闸管相控整流电路有单相，三相，全控,

半控等，调速系统一般采用三相桥式全控整流电路。本设计中直流电动机采用三相桥式全

控整流电路作为直流电动机的可调直流电源。通过调节触发延迟角a的大小来控制输出电

压山的大小，从而改变电动机M的电源电压。

三相桥式全控整流电路原理图如图2-2所示：

图2-2三相桥式全控整流电路原理图

三相桥式全控整流电路的特点是：每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的

回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。对

触发脉冲也有一定的要求，6个晶闸管的脉冲按VTi-VT2—VT3—VT4—VT5—VT6的顺

序，相位依次差60°,共阴极组的VTi、VT3、VT5的脉冲依次差120°,共阳极组VTl、

VT6、VT2也依次差120°,同一相的上下两个桥臂脉冲相差180°。

2.2.2加入整流变压器和平波电抗器的必要性

晶闸管变流设备一般都是通过变压器与电网连接的，因此其工作频率为工频初级电

压即为交流电网电压。经过变压器的耦合，晶闸管主电路可以得到一个合适的输入电压,

使晶闸管在较大的功率因数下运行。变流主电路和电网之间用变压器隔离,还可以抑制由

变流器进入电网的谐波成分,减小电网污染。在变流电路所需的电压与电网电压相差不多

时,有时会采用自耦变压器；当变流电路所需的电压与电网电压一致时，也可以不经变压器

而直接与电网连接，不过要在输入端串联进线电抗器以减少对电网的污染。此设计中在主

电路前端需配置一个整流变压器，以得到与负载匹配的电压，同时把晶闸管装置和电网隔

离，可起到降低或减少晶闸管变流装置对电网和其他用电设备的干扰的作用。

当晶闸管的控制角a增大，会造成负载电流断续，当电流断续时，电动机的理想空

载转速将抬高，机械特性变软，负载电流变化很小也可引起很大的转速变化。负载电流要

维持导通，必须加平波电抗器来存储较大的磁能。

2.2.3三相桥式全控整流主电路及系统原理图

三相桥式全控整流主电路如图2-3所示：

图2-3三相桥式全控整流主电路

在变压器二次侧并联电阻和电容构成交流瞬态过电压保护及滤波，晶闸管并联电阻和

电容构成关断缓冲，快速熔断器直接与晶闸管串联，对品闸管起过流保护作用,

3主电路的元件参数计算

3.1整流变压器参数计算

3.1.1次级电压5的计算

在进行变压器的计算之前，应该确定负载要求的直流电压和电流，确定变流设备的

主电路接线形式和电网电压。先选择其次级电压有效值必L数值的选择不可过高和过低,

如果上过高会使得设备运行中为保证输出直流电压符合要求而导致控制角过大使功率

因数变小。如果L过低又会在运行中出现当a=aminE寸仍然得不到负载要求的直流电压的

现象。通常次级电压,初级和次级电流根据设备的容量,主接线结构和工作方式来确定。由

于有些主接线形式次级电流中含有直流成分,有的又不存在,所以变压器容量的计算要根

据具体情况来定。

影响U2值的因素有：

(i)U2值的大小首先要保证满足负载所需求的最大直流值Udo

(2)晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降，用UT表示。

(3)变压器漏抗的存在会产生换相压降。

(4)平波电抗器有一定的直流电阻，当电流流经该电阻时就要产生一定的电压降。

(5)电枢电阻的压降。

U2精确表达式为u二.1[1+〃(。心」\-1)]+〃07

2O%1

100ld

A=Udo/lh,表示当控制角a=0时，整流电压平均值与变压器次级相电压有效值之比。

B=Uda/Udo,表示控制角为(X时和a=0°时整流电压平均值之比。

UK%—变压器的短路电压百分比，1()0千伏安以下的变压器取UK%=5,1()()~1()()()千

伏安的变压滞取UK%=5~8。

£为电网电压波动系数。根据规定，允许波动+5%〜-10%,即£=1.057).9

C是与整流主电路形式有关的系数。

nUr表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降。

5

ra=1乐工对容量为15-15OKW的电动机，通常ra=0.()8~0.()4

UN

为了保证电动机负载能在额定转速下运转，计算所得的U2应有一定的裕量，通常公式

中的控制角。取30°。

取8=0.9,A=2.34,B=cos«=cos300=—,C=0.5,UK%=5

2

220x0.12

-0.06Q

440

440x[l+0.06x(1.5-l)]+2xl

=262.21V

A[£B-CUK°/Q2.34x0.9x^--0.5x—xl.5

100Id2100

因此取U2=270V

3.1.2次级电流L及变压器容量的计算

I2=K12-Id,Kl2为各种接线形式时变压器次级电流有效值和负载电流平均值之比。

Ki2取0.816,且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗，故12=0.816X220=179.52A

S=1/2(S1+S2)=mlU,lFm2U2I2=3X270X179.52=145.41KVA

3.2晶闸管参数计算

3.2.1晶闸管额定电压UTN

通常取晶闸管的UDRM和URRM中较小的标值作为该器件的额定电压,但是在选用时额定电

压要留有一定的裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所能承受的峰值电压的2~3

倍。

因为采用三相全控桥所以UM=2.45U2,所以品闸管的额定电压为：

UTN=(2-3)2.453=(2〜3)2.45X270=1323-1934.5V,取UTN=1500V。

3.2.2晶闸管额定电流lTN

按电流的有效值来计算电流额定值。IT(AV)=(1.5-2)^/max,Kn,=Kf/L57Kb由整流电

路形式而定，Kf为波形系数，Kb为共阴极或共阳极电路的支路数。当a=0°时，三相全控

桥电路Kfi,=0.368,IT(AVi=(1.5~2)储"小=(1.5-2)X0.368X(220X1.5)=182.16〜

6

242.88A,取ITN=220A。

3.3平波电抗器参数计算

3.3.1电枢电感LM的计算

LM=--------------------(mH)

2PnNIN

式中P—电动机磁极对数，KD—计算系数，对•般无补偿电机：KD-8〜12

P=2,取KE。贝必=缥得10x440x1()3

=2.78。〃”)

-2x2x18()0x220

3.3.2整流变压器漏电感LB的计算

LB=KB匕到x店(mH)

100Id

U2—变压器次级相电压有效值,Id—晶闸管装置直流侧的额定负载电流,KB—与整流主

电路形式有关的系数

KB=3.9,lko/o=5则=且=3.9x二x生=().24(m”)

100Id100220

3.3.3最小负载电流为Idmin时保证电流连续所需的主回路电感量L的计算

整流电路为三相桥式全控整流电路带电动机负载的系统在最小负载电流为【dmin时，

为保证电流连续所需的主回路电感量有L=0.693U2/Idnun,L中包括整流变压器的漏电感、

电枢电感和平波电抗器的电感，Idmin一般取电动机额定电流的5%〜10%。

0.693^20.693x270

=17.01(〃?”)

/"min—220X5%

3.3.4保证电流连续的临界电感量I.

Ldcr=L-LM-2LB=17.01-2.78-2X0.24=13.75(mH)

7

4保护电路的设计及其元件参数计算

4.1过电压保护

4.1.1直流侧过电压保护

当直流侧快速开关断开或桥臂快熔熔断时会产生过电压，用压敏电阻抑制过电压或用

单相VTS。此次设计中采用压敏电阻，压敏电阻的额定电压UhnA的选取可按下式计算

f/bM>(1.8-2.2)^/()(V),Udo为晶闸管控制角a=0°时直流输出电压。保护措施如图4T

所示：

图4T直流侧过电压保护

U[mA>(1.8~2.2)Udo>(1.8~2.2)x2.34x270=1137~1390(V)

通常作为中小功率整流器操作过电压保护时，压敏电阻通流容量可选择(3~5)KAo

4.1.2关断缓冲电路

关断缓冲电路如图4-2所示:

图4-2关断缓冲电路

关断缓冲电路即晶闸管换相保护电路。R、C值根据工程手册选取，此设计晶闸管额

8

定电流为220A,故C可取().3〃尸,R可取20Q。

4.1.3交流侧过电压保护

交流侧过电压保护如图4-3所示:

图4-3交流侧过电压保护

在变压器次级并联RC电路，以吸收变压器铁心的磁场释放的能量，并把它转换为电

容器的电场能而存储起来,串联电阻是为了在能量转换过程中可以消耗一部分能量并且抑

制LC回路可能产生的震荡。

采用三相全控桥整流电路，变压器的绕组为△—¥联结，阻容保护装置采用三角形接

法，故可按下式计算阻容保护元件的参数。”)

3U22

电容C的耐压f/c>1.5xV3xV2^2(V)

R22喏磨g)

电阻R的功率为：

尸拉之(3〜4)/c?R(W)

Ic=27rfCUcx\0^(A)

式中ST—变压器每用平均计算容量(VA),U2—变压器次级相电压有效值(V),

io%—励磁电流百分比，当SW几百伏安时io%=l(),当ST^1000伏安时io%=3~5。UK%—

变压器的短路电压百分比.IcUc—当R正常工作时电流电压的有效值。

UK%=5,ZO%=5,ST=145.41/3=48.47KVA

(1)电容的计算

C>-x6/o%—=2x5x48,47XJ°=6.65//F，取7

3Ui22702

9

Uc21.5X百X同2=1.5X遥X270=992.04V，取1000V

选择C=7HF,耐压1000V的电容。

(2)电阻值的计算

/?>3x2.3—>6.9x———r存=10.38(Q)

STVi。％48.47x103V5

取R=15Q

RC支路电流L近似为；

/c=2^/Ct/cxl0_6=2x3.14x50x7xl03xl0-6=2.1987l

电阻R的功率为PR2(3~4)//R=(3~4)X2.1982X15=217〜290W

4.2短路过电流保护

常用的短路过电流保护器件为快速熔断器。

选择快熔时应考虑：

(1)电压等级根据熔断后快熔实际承受的电压确定。

(2)电流容量按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。

(3)快熔的12t值应小于被保护器件的允许色值。

(4)为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间-电流特性。

此次设计采用快熔作为短路过电流保护的装置，如图4-4所示：

图4-4短路过电流保护

熔断器的参数按照以下原则选取：

额定电压URN:(7初2赞3，K0『一为可控硅元件的电压计算系数，取=2.45

额定电流：IRNNKKJJA),(―电流裕度系数，取(=1.1〜1.5,K“一环境温度系

数，取K〃=l~1.2,〃一实际流过快熔的电流有效值。

因U2=270V,取URN=500V,〃=耳〃=耳'220=127.0174

10

IRN>K]KJR=1.5X1.2X127.017=229A,取IRN=250Ao根据算出的额定参数可选择

相应的快熔。

4.3过电流保护

对于频繁操作的电动机，通常用电磁式过流继电器做短路保护。

如何选择继电器；

(1)根据电流种类，选择继电器形式。

(2)继电器额定电流大于或等于电动机的额定电流。

(3)继电器动作电流的整定值〃户(1.1〜1.3)4，式中人为电动机起动电流的最大值。

〜1.3)=1.2x1.2〃=316.8A

5检测电路、调节器与驱动控制电路设计

5.1检测电路设计

电流反馈环节由霍尔元件及运算放大器组成，用以检测可控硅直流侧的电流信号，

以获得与电流成正比的直流电压信号和过流信号。速度反馈环节把测速发电机输出的电压

图5-1检测电路原理图

5.2调节器结构设计

设计双闭环直流调速系统，电流调节器与电压调节器的结构相同，都是PI调节器。

含给定滤波和反馈流波的模拟式PI型调节器的原理图如图5-2所示:

Ro/2Ro/2

给定信号o——

。调节器输出

-j-Cor+

Rbal

反馈信号。

图5-2含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型调节器原理图

电流调节器的具体参数为（=3/，=凡C。

&4

R|

转速调节器的具体参数为此=太"L&GF产言,。

5.3驱动控制设计

向晶闸管整流电路供电的交流侧电源通常来自电网，电网电压的频率不是固定不变

的，而是会在允许范围内有一定的波动。触发电路除了应当保证工作频率与主电路交流电

源的频率一致外，还应保证每个晶闸管的触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、

正确的相位关系，这就是触发电路的定相。为保证触发电路和主电路频率一致，利用一个

同步变压器，将其一次侧接入为主电路供电的电网，曰其二次侧提供同步电压信号，这样,

由同步电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管电压频率始终是一致的。接下来的问题是

触发电路的定相，即选择同步电压信号的相位，以保证触发脉冲相位正确。触发电路的定

相由多方面的因素确定，主要包括相控电路的主电路结构、触发电路结构等。

由于集成触发电路不仅成本低、体积小，而且还有调试容易、使用方便等优点，故

采用集成触发电路，用三片KJ004和一片KJ041,即可形成六路双脉冲，再由六个晶体管

12

进行脉冲放大，即构成完整的三相全控桥触发电路。

采用KJ041集成触发电路的同步电压应滞后于主电路电压18()度。设计的主电路采

用D,y-11联结，同步变压器采用D,y-11,5联结。同步电压选取的结果如表5-1所示:

表5-1三相全控桥各晶闸管的同步电压

晶闸管VT1VT2VT3VT4VT5VT6

主申，路申.压+Ua-Uc+Ub-Ua+Uc-Ub

同步电压-Usa+Usc-Usb+Usa-Use+Usb

同步变压器和整流变压器的接法如图5-3所示:

图5-3同步变压器和整流变压器的接法

采用三片KJ004和一片KJ041的三相全控桥触发电路如图5-4所示:

>半半

-15Vo_——--------------------------------------------------------------------------------------------

0304

RP2

号7

鞘qu四G

OgIL-哈

oE3-

13—正

T315T3]

支的”

13—1^10[Znj—]12

HT

+15Va

图5-4三相全控桥整流电路的集成触发电路

6系统的动态设计

6.1电流调节器的设计

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。

(1)确定时间常数

14

各种整流电路的失控时间如表67所示:

表6T各种整流电路的失控时间

整流电路形式最大失控时间Tsnax/岫平均失控时间TJ砥

单相半波2010

单相桥式105

三相半波6.673.33

三相桥式3.331.67

由表6.1可知，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s,系统电磁时间常数7；的计

算用Z=-L=17。'10-3=。］42s,电流滤波时间常数兀“三相桥式电路每个波头的时间

'80.12

是3.3ms,为了基本滤平波头，应有(1-2)TOi=3.3ir.s,因此取T0i=2ms=0.002s。电流环

小时间常数之和TEi：按小时间常数近似处理，KTZi=Ts+Toi=0.0037so

⑵选择电流调节器的结构

根据设计要求自＜5%,并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。

电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PT型电流调节器，其传递函数为：

WQ(S)=K，(3+1),(一电流调节器的比例系数，％—电流调节器的超前时间常数。

检查对电神电压的抗扰性能：豆=0.142/0.0037=38.38,对照典型I型系统动态抗

扰性能，各项指标都是可以接受的。

(3)计算电流调节器参数

电流调节器超前时间常数Ti=7；=0.142SO

电流环开环增益：电流开环增益：要求。V5%时，按表6.2三应取1(汀£尸0.5,因此

Ki=0.5/Tgi=0.5/0.0037=135.IsL取上=48,而电流反馈系数B=10V/l.51产10/(1.5X

220)=0.03V/A,于是，ACR的比例系数为K区R135.1x0.142x0.12।“

Ki=-----1-=--------------------------=1.60

(048x0.03

典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系如表6-2所示:

表6-2典型【型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系

参数关系KT0.250.390.500.691.0

阻尼比士1.00.80.7070.60.5

超调量60%1.5%4.3%9.5%16.3%

上升时间tr86.6T4.7T3.3T2.4T

88.3T6.2T4.7T3.6T

峰值时间tp

相对稳定裕度Y76.3。69.9°65.5°59.2。51.8°

截止频率3c0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T

校验近似条件:

电流环截至频率：wCi=Ki=135.Is'o

晶闸管整流装置传递函数的近似条件,二——!——=I96.1ST>%满足近似条件。

37；3x0.00175”

忽略反电势变化对电流环动态影响的条件3孱=3x

l1=25.18满

VImilV0.15X0.1425

足近似条件。

电流环小时间常数近似处理条件1=180.8ST>4,.满足

3

近似条件。

⑷计算调节器电阻和电容

由图5-2,按所用运算放大器取R0=40kC,各电阻和电容值为:

Ri=KiRo=1.6OX4O=64k。，取65k。。

Ci=Ti/Ri=0.142/(65Xl(f)=2.2nFf取2.2uF。

Co=4Toi/Ro=4X0.002/40000=0.2X10-6uF,取0.2uF。

按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为用=4.3%V5%,满足设计要

求。

6.2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，它应包含在转

速调节器中。转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应设计成典型n型系统。

（1）确定时间常数

电流环等效时间常数l/Ki：已取代1\尸0.5,则1/KL2TEi=2X0.0037=0.0374s。

转速滤波时间常数T°r：根据所用测速发电机纹波情况，取T。产0.01s。

转速环小时间常数Tzn：按小时间近似处理，Tzn=l/K1+T°n=0.0074+0.01=0.0174s

（2）选择转速调节港的结构

按照设计要求，选用典型H型系统的PI调节器，其传递函数为叱（S）=储（"

（3）计算转速调节器参数

按跟随和抗扰性能都较好的原则，取卜5,则ASR的超前时间常数为T「hTEn-

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5X0.0174=0.087s,可求得转速环开环增益K=〃二6

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