转速、电流双闭环

IdL
O
t
如何提高快速性？ 看: 速度控制与电流控制的关系.
2. 速度控制与电流控制 的关系 2
GD dn Te TL 375 dt
Te Cm I d
,
所以:
GD 2 dn Id IL 375Cm dt
TL IL Cm
所以: 为提高快速性，需在充分利用电机过载 能力（Id=Idm）的情况下, 使电机以最大加速度，升 速或减速。
3. 理想的起动过程
对于经常正、反转运行的调速系统（龙门刨床、可逆轧钢 机等）， 尽量缩短起、制动过程时间是提高生产效率的重要 因素。 可在最大允许电流限制的条件 下，充分利用电机的过载能力。 • 在过渡过程中：始终保持电流（转 矩）为允许的最大值, 使电力拖动 系统以最大的加速度起动；
Id n
Idm
+
n
Un
-
WASR(s)
Ui
WACR(s)
-
-IdL
1/R Tl s+1 Id
+
R Tms
E
1/Ce
n


图2-6 双闭环直流调速系统的动态结构框图 注: 为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电流Id显露出来.
2. 数学模型
图中WASR(s)和WACR(s)分别表示转速调节器和电流 调节器的传递函数。如果采用PI调节器，则有: n s 1 is 1 WASR ( s) K n WACR ( s) Ki ns is
+
+
UPE
Ud
-
M M n
TG TG
n
外 环
图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构 ASR—转速调节器 ACR—电流调节器 TG—测速发电机 TA—电流互感器 UPE—电力电子变换器
图中：1）把转速调节器的输出作电流调节器的输入； 2）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：电流环为内环； 转速环为外环。 ——这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
2.1 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性
1. 问题的提出 • 开环调速系统: 特性软。 • 比例调节转速单闭环系统：有静差, 堵转电流大; 即 使加电流截至负反馈环节, 运行时仍有静差。 • 采用PI调节器的转速负反馈单闭环直流调速系统， 可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。 转速单闭环调速系统的局限性: 如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就 难以满足需要。例如：要求快速起制动，突加负载动 态速降小等等。
* n
U i* U i I d
* 式中: , —转速和电流反馈系数。 Un 由第一个关系式可得： n n0 (2-1)
从而得到上图静特性的CA段，运行段。
静特性的水平特性
• 由于ASR不饱和, U*i<U*im, 可知: Id <Idm。就是说, CA段 静特性从理想空载状态的Id=0 一直延续到Id=Idm（而Idm 一般都是大于额定电流 IdN的）。 • 这就是静特性的运行段，具有水平特性。
2.1.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成
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, 即 分别引入转速负反馈和电流负反馈。 二者之间实行嵌套（或称串级）联接。
1. 系统的组成
TA Ui
i
i 内环
ACR
U*n + -
ASR Un
U*
-
+
Uc
Id
*
PI调节器不同于P调节器的特点
* Un Un n n0
(2-3) (2-4)
Ui* Ui I d I dL
* U d0 Ce n I d R CeU n / I dL R Uc (2-5) Ks Ks Ks
这些关系也反映了PI调节器不同于P调节器的特点: • P调节器的输出量总是正比于其输入量; • 而PI调节器输出量的稳态值与输入无关, 而是由它 后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多 么大的输出值, 它就能提供多少, 直到饱和为止。
这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。
然而实际上: ① 运算放大器的开环放大系数并不是无穷大; ② 为了避免零点飘移而采用 “准PI调节器”。静特性 的两段实际上都略有很小的静差, 如上图中虚线所示。
2.1.3 各变量的稳态工作点和稳态参数计算
稳态工作中, 当两个 Un Un n n0 (2-3) 调节器都不饱和时, 各变 U * U I I (2-4) i i d dL 量之间有下列关系: * U d0 Ce n I d R CeU n / I dL R (2-5) 表明, 用双PI调节器时 U c Ks Ks Ks 在稳态工作点上: ① 转速 n 是由给定电压U*n决定的; ② ASR的输出量U*i是由负载电流 IdL 决定的; ③ 控制电压Uc的大小, 同时取决于n和IdL, 或取决于U*n 和 IdL。
转速、电流双闭环直流调速系统和 调节器的工程设计方法
转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应 用最广性能很好的直流调速系统。 本章着重阐明：其控制规律、性能特点和设 计方法，也是各种交、直流电力拖动自动控制系 统的重要基础。
内容提要
• 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 • 双闭环直流调速系统的动态数学模型和动态性能 分析（从起动和抗挠两方面分析其性能，与“转 速”、“电流”两个调节器的作用） • 一般调节器的工程设计方法 • 按工程设计方法设计双闭环系统的调节器 • 了解弱磁控制的直流调速系统
(2) 转速调节器饱和
ASR输出达限幅值U*im; 转速外环呈开环状, 转速变 化对系统不再产生影响。 双闭环系统变成一电流无 静差单电流闭环调节系统。 稳态时: I d
* U im

I dm
(2-2)
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。

ASR Un Id R -I dR E
U*
n
+ -
U* i +
Ui ACR Uc UPE Ud0 + Ks
1/Ce
n

3. 两个调节器的作用
• 负载电流小于Idm时表现为转 速无静差, 转速负反馈起主要 调节作用。(运行段)。 • 当负载电流达到Idm 后, 转速 调节器饱和, 电流调节器起主 要调节作用, 电流无静差。 （起动段）。
3. 系统静特性
因实际中, 在正常运行时, 电流调节器是不会达到 饱和状态。
因此, 对于静特性来 说, 只有转速调节器饱 和与不饱和两种情况。 图: 双闭环直流调速 系统的静特性。
n
n0 C
A
B O IdN Idm Id
图2-5 双闭环直流调速系统的静特性
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(1) 转速调节器不饱和
U U n n n0
3. 系统静特性
实际上, 在正常运行时, 电流调 节器是不会达到饱和状态的。
为什么电流调节器一般不饱和？
• Tm比Tl时常大很多, 电流跟踪性能快得多; • 起动过程中, Id≤Idm; 而转速越低, E越小; Udo=E+Rid也较小且渐 升, 所需控制电压Uc也是线性变化; • （起动后）运行时: Id下降到id=IdL(<Idm), ASR退饱和,U*i下降, Uc, Udo也会下降; • 饱和如发生也是在起动过程的后期, 当转速n升到nN, 而id=Idm时 （此时Udo较大）; 不过一般UPE最大输出电压都留有余量。
2. 系统电路原理结构
为获得良好的静、动性能, 转速和电流用 PI调节器。
说明：图中标出的两个调节器输入输出电压的实际极性, 是按照 电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的, 并考 虑到运算放大器的倒相作用。
2. 系统电路原理结构（续）
两个调节器的输出都带限幅 • 转速调节器ASR的输出限幅电压U*im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Ucm限制了电力电子变换 器的最大输出电压Udm。 给定电压极性与单环系统不同。
主要原因 在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩 的动态过程。 在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节 是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值 Idcr 以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并 不能很理想地控制电流的动态波形。
Id n
Idcr Idm n a) 带电流截止负反馈 的单闭环调速系统 图2-1 直流调速系统起动 过程的电流和转速波形
本节提要
• • • • 双闭环直流调速系统的动态数学模型 起动过程分析 动态抗扰性能分析 转速和电流两个调节器的作用
2.2.1 双闭环直流调速系统的动态数学模型
在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上,考虑双闭环 控制的结构,即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构框图。
1. 系统动态结构
U* U*i Ks Uc Tss+1 Ud0
U*i Ks Uc Tss+1 Ud0
U*
+
n
Un
-
WASR(s)
Ui
WACR(s)
-
-IdL
1/R Tl s+1 Id
+
R Tms
E
1/Ce
n


图2-6 双闭环直流调速系统的动态结构框图
2.2.2 起动过程分析
设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接 近理想起动过程。分析双闭环调速系统的动态性能 时, 首先探讨它的起动过程。
n IdL
• 达到稳态转速后：立即让电流降下 来。使转矩与负载相平衡，转入稳 态运行。
O b) 理想的快速起动过程
t
图2-1 直流调速系统起动 过程的电流和转速波形
4. 解决思路
为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获 得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。 按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就 可以保持该量基本不变。那么，采用电流负反馈应该 能够得到近似的恒流过程。 同时，希望能实现： • 起动过程中: 只有电流负反馈, 没有转速负反馈。 • 达到稳态后: 转速负反馈起主导作用; 电流负反馈 仅为电流随动子系统。 在原（转速）单闭环直流调速系统中再添加“电 流”负反馈，就构成转速、电流双闭环调速系统。
两个调节器输出都带有限幅，ASR的输出限 幅什Uim决定了电流调节器ACR的给定电压 最大值Uim，对就电机的最大电流；电流调 节器ACR输出限幅电压Ucm限制了整流器 输出最大电压值，限最小触发角α。
• 限幅电路
• 电流检测电路
2.1.2 稳态结构图和静特性
为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出 它的稳态结构图。可很方便地根据原理图画出。
在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、 饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分为对 应的 三个阶段。
注意：用带限幅的输出特性表示PI 调节器。
1. 系统稳态结构框图
分析静特性的关 键是掌握这种PI调节 器的稳态特征。

ASR Un Ui ACR U UPE Ud0 + c Ks R -IdR 1/Ce n Id
U* n +
-
U* i
+
E

图2-4 双闭环直流调速系统的稳态结构框图 —转速反馈系数 —电流反馈系数
限幅作用
分析静特性的关键是掌握带输出限幅 PI调节器 的稳态特征。存在两种状况：
① 饱和——输出达到限幅值 当调节器饱和时, 输出为恒值, 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。
② 不饱和——输出未达到限幅值 当调节器不饱和时, PI 的作用使输入偏差电 压在稳态时总是零。
——鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环 有静差系统完全不同，而和无静差系统稳态计算相似。
反馈系数计算
根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数： * U nm 转速反馈系数 （2-6） nmax
电流反馈系数

* Ui m I dm
（2-7）
!
2.2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能
静特性的垂直特性
• 式(2-2)所描述的静特性是上图中的AB段,它是垂直的特性。 • 这样的下垂特性只适合于n<n0的情况。因为如果 n>n0, 则 Un>U*n, ASR将退出饱和状态。
3. 两个调节器的作用
• 双闭环系统的静特性在负载电流小 于Idm时表现为转速无静差, 这时, 转速负反馈起主要调节作用。 • 当负载电流达到Idm后, 转速调节器 饱和, 电流调节器起主要调节作用, 表现为电流无静差, 得到过电流的 自动保护。