第3章 转速、电流反馈控制的直流调速系统

2．各变量的稳态工作点和稳态参数计算

双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调 节器都不饱和时，各变量之间有下列关系 * (3-3) Un U n n n0
U i* U i I d I dL
(3-4)
(3-5)
* U d 0 Ce n I d R CeU n / I dL R Uc Ks Ks Ks
（1） 转速调节器不饱和

两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输 入偏差电压都是零。
* Un U n n n0
U i* U i I d
n
* Un

n0
(3-1)
由于ASR不饱和，U*i < U*im， 可知: Id < Idm。 从而得到上图静特性的AB段。
（2）转速调节器饱和

1．起动过程分析 电流Id从零增长 到Idm，然后在一 段时间内维持其 值等于Idm不变， 以后又下降并经 调节后到达稳态 值IdL。 转速波形先是缓 慢升速，然后以 恒加速上升，产 生超调后，到达 给定值n*。
图3-6 双闭环直流调速系统起动过程 的转速和电流波形
起动过程分 为电流上升、 恒流升速和 转速调节三 个阶段， 转速调节器 在此三个阶 段中经历了 不饱和、饱 和以及退饱 和三种情况。
U*n
+
WASR(s)
U*i
Un
Ui
+
WACR(s) Uct
+
Ks Tss+1
Ud0
+
IdL 1/R Tl s+1
Id
+
-
R Tms
E
1/Ce
n
-


图2-5 双闭环直流调速系统的动态结构图
n n*
I
II
III
O Id Idm
t
IL
O
t1
t2
t3
t4
t

当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性 增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值， 也就是说， Id 应略低于 Idm。



当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不 再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱 和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出 间的联系，相当于使该调节环开环。 当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态， 其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。 对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种 情况，电流调节器不进入饱和状态 。
U*i
Ui
+
WACR(s) Uct
+
Ks Tss+1
Ud0
+
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IdL
1/R Tl s+1
Id
+
-
R Tms
E
1/Ce
n
-


在这最后的转速调节阶段内，ASR和 ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节 作用，而ACR则力图使 Id 尽快地跟随其 给定值 U*i ，或者说，电流内环是一个 电流随动子系统。
t Idm
t1
t2
t3
t4
t

转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始 退出饱和状态， U*i 和 Id 很快下降。但是，只要 Id 仍大于负载电流 IdL ，转速就继续上升。
n n*
I
II
III
O Id Im
t
IL O t1 t2 t3 t4 t

直到Id = IdL时，转矩Te= TL ，则dn/dt = 0，转速n
Uc 的大小则同时取决于 n 和 Id， 或者说，同时取决于U*n 和 IdL。
这些关系反映了PI调节器不同于P调节器 的特点。比例环节的输出量总是正比于其输 入量，而PI调节器则不然，其饱和输出为限 幅值，而非饱和输出的稳态值取决于输入量 的积分，它最终将使控制对象的输出达到其 给定值，使PI调节器的输入误差为零，否则 PI调节器仍在继续积分，并未到达稳态。
ASR输出达到限幅值时，转速外环呈开环状态， 转速的变化对转速环不再产生影响。 双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调 节系统。稳态时 * U im (3-2) Id I dm 式中，最大电流 Idm 是由设计者选定的，取决于 电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。

AB段是两个调 节器都不饱和 时的静特性， Id<Idm, n=n0。 BC段是ASR调 节器饱和时的 静特性，Id=Idm, n < n 0。
n n*
I
II
U*n
+
III
WASR(s)
U*i
O Id Idm
Un
Ui
+
WACR(s)
-
t
Uct
+
Ks Tss+1
Ud0
+
1/R Tl s+1
Id
+

IL

t1 t2 t3 t4
t
O
双闭环直流调速系统的动态结构图

当 Id ≥ IdL 后，电机开始起动，由于惯性作用，转速 不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电 压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值 U*im，强 迫电流 Id 迅速上升。
恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。
为了保证电流环的主要调节作用，在起 动过程中 ACR是不应饱和的。
第 Ⅲ 阶段 转速调节阶段（ t2 以后）
n
n* I II III
O
Id Idm
t
IL
O
t1
t2
t3
t4
t
n n*
I
II
III

当转速上升到给定值 O 时，转速调节器ASR 的输入偏差减少到零， Id 但其输出却由于积分 作用还维持在限幅值 I U*im ，所以电机仍在 L 加速，使转速超调。 O
n n*
I
II
III IdL 1/ TlR s+1 Id
+
U*n
+
WASR(s)
Un
U*i
U
i+
WACR(s)
Uct
+
Ks Tss+1 Ud0
+
-
R Tms
E
1/Ce
n
O Id
Idm

t

IL O t1 t2 图2-5 双闭环直流调速系统的动态结构 图 t3 t4 t

与此同时，电机的反电动势E 也按线性增长，对电 流调节系统来说，E 是一个线性渐增的扰动量，为 了克服它的扰动， Ud0和 Uct 也必须基本上按线性 增长，才能保持 Id 恒定。
n n*
I
II
III
O Id Idm
t
IL O
t1
t2
t3
t4
t

直到，Id = Idm ， Ui = U*im ，电流调节器很快 就压制 Id 了的增长，标志着这一阶段的结束。
在这一阶段中，ASR从不饱和迅速达到饱 和，而ACR一般不饱和。
n n*
第 II 阶段 恒流升速阶段（t1 ~ t2）
3.1.2 稳态结构图与参数计算
1. 稳态结构图和静特性


两个调节器的输出都是带限幅作用的。 转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定的 最大值 电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变 换器的最大输出电压
图3-3 双闭环直流调速系统的稳态结构图 α——转速反馈系数 β——电流反馈系数

对于经常正、反转运行的调速系统，缩短起、制 动过程的时间是提高生产率的重要因素。 在起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电 流（电磁转矩）为允许的最大值，使调速系统以 最大的加（减）速度运行。 当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使 电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态 运行。
图3-1 时间最优的理想过渡过程
3.1.1 转速、电流反馈控制直流调速系统 的组成

应该在起动过程中只有电流负反馈，没有 转速负反馈，在达到稳态转速后，又希望 只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥 作用。
图3-2 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图 ASR——转速调节器 ACR——电流调节器 TG——测速发电机

在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈 和电流负反馈以调节转速和电流，
图3-5 双闭环直流调速系统的动态结构图
3.2.2转速、电流反馈控制直流调速系统 的动态过程分析
对调速系统而言，被控制的对象是转速。 跟随性能可以用阶跃给定下的动态响应描 述。 能否实现所期望的恒加速过程，最终以时 间最优的形式达到所要求的性能指标，是 设置双闭环控制的一个重要的追求目标。
才到达峰值（t = t3时）。
n n*
I
II
III
O Id Idm
t
IdL O

t1
t2
t3
t4
t
此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此 相应，在一小段时间内（ t3 ~ t4 ）， Id < IdL ， 直到稳定，如果调节器参数整定得不够好，也 会有一些振荡过程。
U*n
+
WASR(s) Un
电力拖动自动控制系统 —运动控制系统
第3章 转速、电流反馈控制 的直流调速系统
内 容 提 要
转速、电流反馈控制直流调速系统的组成 及其静特性 转速、电流反馈控制直流调速系统的动态 数学模型 转速、电流反馈控制直流调速系统调节器 的工程设计方法 MATLAB仿真软件对转速、电流反馈控制 的直流调速系统的仿真