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null转速、电流双闭环直流调速系统转速、电流双闭环直流调速系统电力拖动自动控制系统第 2 章内容提要内容提要 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、性能特点和方法，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数学模型和动态性能分析； 弱磁控制的直流调速系统。 内容提要2.1 转速、电流双闭环直流调速系统 及其静特性2.1 转速、电流双闭环直流调速系统 及其静特性问的提出 第1章中明，采用转速负反馈和PI调节器的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。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。1. 主要原因1. 主要原因单闭环系统仅是以转速为目标的控制，没有考虑对决定系统动态行为的转矩（电流）实施有效的动态控制。 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，但它只能是一种“门限控制”，即在超过临界电流值 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。 单闭系统环启动过程 单闭系统环启动过程带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程如图 所示，起动电流达到最大值 Idm 后，受电流负反馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。 图2-1 a) 单闭环调速系统IdLnIdmIdcr最佳启动过程（期望）最佳启动过程（期望）理想起动过程波形如图，这时，起动电流呈方形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。图2-1 b) 期望起动过程IdLnIdmnullb) 期望的起动过程IdLnIdma) 单闭环调速系统（带电流截止负反馈的）启动过程2. 起动过程比较IdLnIdmIdcr3. 我们的目标与解决的思路3. 我们的目标与解决的思路启动和动态过程：主要考核指标：快速性和超调控制能力理由：电流是决定电机拖动能力的重要因素，因此动态过程的主要控制量应该是电流做法：动态过程只针对电流进行控制。保证动态过程电流始终最大3. 我们的目标与解决的思路（续）3. 我们的目标与解决的思路（续）稳态运行（终级目标）：主要考核指标：无静差和抗扰动能力理由：最终目标是转速的无静差，抗扰能力通过转矩的实时控制来实现做法：稳态运行时，转速和电流均采取随动控制null现在的问题是： 怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们能在不同的阶段里分别起作用呢？2.1.1 转速、电流双闭环直流调速系统2.1.1 转速、电流双闭环直流调速系统 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，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。null图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构 1. 系统的组成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—电力电子变换器内环外 环null 图中，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。2. 系统结构2. 系统电路结构 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 P I 调节器。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们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。系统原理图系统原理图null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。3. 限幅电路3. 限幅电路限幅电路（续）限幅电路（续）4. 电流检测电路4. 电流检测电路电流检测电路 TA——电流互感器2.1.2 稳态结构图和静特性 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，如下图。它可以很方便地根据上图的原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI 调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的 PI 调节器的稳态特征。null1. 系统稳态结构图2. 限幅作用2. 限幅作用 存在两种状况： 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。null不饱和——输出未达到限幅值 当调节器不饱和时，正如1.6节中所阐明的那样，PI 作用使输入偏差电压在稳态时总是零。 事实上，转速调节器是可以运行在以上两种情况，而正常情况下，电流调节器却不可能让其工作在饱和状态！3. 系统静特性3. 系统静特性由于电流调节器不会达到饱和状态的。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。 双闭环直流调速系统的静特性如图所示。（1）转速调节器不饱和（1）转速调节器不饱和式中， —— 转速和电流反馈系数。 由第一个关系式可得 从而得到上图静特性的CA段。 (2-1) 静特性的水平特性 静特性的水平特性 与此同时，由于ASR不饱和，U*i < U*im，从上述第二个关系式可知: Id < Idm。 这就是说， 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，它是水平的特性。 稳态运行 ASR不饱和 （2） 转速调节器饱和（2） 转速调节器饱和 这时，ASR输出达到限幅值U*im ，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。此时 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。(2-2) 静特性的垂直特性 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。 动态运行 ASR饱和 4. 两个调节器的作用4. 两个调节器的作用双闭环调速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，系统表现为电流无静差。此过程也实现了过电流的自动保护。2.1.3 稳态工作点和稳态参数计算2.1.3 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 (2-3) (2-5) (2-4) null 上述关系表明，在稳态工作点上，  转速 n 是由给定电压U*n决定的；  稳态时，ASR的输出量U*i是由负载电流 IdL 决定的（因 ASR 的输出是电流的给定）；  控制电压 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。null 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。 反馈系数计算 反馈系数计算 鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计算与无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数： 转速反馈系数 电流反馈系数 (2-6) (2-7) null 两个给定电压的最大值U*nm和U*im由设计者选定，设计原则如下： U*nm受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制； U*im 为ASR的输出限幅值。2.2 双闭环直流调速系统的数学模型 和动态性能分析2.2 双闭环直流调速系统的数学模型 和动态性能分析本节提要 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图，如下图所示。null1. 系统动态结构2. 数学模型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 2.2.2 起动过程分析 2.2.2 起动过程分析 前已指出，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，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。 双闭环直流调速系统突加给定电压U*n由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于下图。null图2-7 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形 1. 起动过程1. 起动过程 由于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，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。 第 I 阶段 电流上升阶段（0 ~ t1） 第 I 阶段 电流上升阶段（0 ~ t1） 突加给定电压 U*n 后，Id 上升，当 Id 小于负载电流 IdL 时，电机还不能转动。 当 Id ≥ IdL 后，电机开始起动，由于机电惯性，转速不能很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压较大，迅速将ASR推向饱和，其输出电压保持限幅值 U*im，强迫电流 Id 迅速上升。第 I 阶段（续）第 I 阶段（续）第 I 阶段（续）第 I 阶段（续）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很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。第 II 阶段恒流升速阶段（t1 ~ t2） 第 II 阶段恒流升速阶段（t1 ~ t2） 在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流U*im 给定下的电流调节系统，基本上保持电流 Id 恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。 第 II 阶段（续）第 II 阶段（续）为了电流恒定，必须保证 Ud 跟随转速上升而上升，因此ACR输入应保持一个恒定偏差。使得实际电流比给定电流固定小一个值。ACR进入饱和和退饱和的过程第 II 阶段（续）第 II 阶段（续）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 Uc 也必须基本上按线性增长，才能保持 Id 恒定。 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。第 II 阶段（续）第 II 阶段（续） 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，电力电子装置 UPE 的最大输出电压也须留有余地，这些都是设计时必须注意的。第 Ⅲ 阶段转速调节阶段（ t2 以后） 第 Ⅲ 阶段转速调节阶段（ t2 以后） 当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值U*im ，所以电机仍在加速，使转速超调。 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。第 Ⅲ 阶段（续）第 Ⅲ 阶段（续）第 Ⅲ 阶段（续）第 Ⅲ 阶段（续）直到Id = IdL时，转矩Te= TL ，则dn/dt = 0，转速n才到达峰值（t = t3时）。第 Ⅲ 阶段（续）第 Ⅲ 阶段（续）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。第 Ⅲ 阶段（续）第 Ⅲ 阶段（续） 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。 2. 分析结果2. 分析结果 综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点： （1）    饱和非线性控制； （2）    转速超调； （3） 准时间最优控制。 （1） 饱和非线性控制（1） 饱和非线性控制 根据ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态： 当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统； 当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环表现为电流随动系统。（2）转速超调（2）转速超调 由于ASR采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调， ASR 的输入偏差电压 △Un 为负值，才能使ASR退出饱和。 这样，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调。（3）准时间最优控制（3）准时间最优控制 起动过程中的主要阶段是第II阶段的恒流升速，它的特征是电流保持恒定。一般选择为电动机允许的最大电流，以便充分发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能最快。 这阶段属于有限制条件的最短时间控制。因此，整个起动过程可看作为是一个准时间最优控制。null 最后，应该指出，对于不可逆的电力电子变换器，双闭环控制只能保证良好的起动性能，却不能产生回馈制动，在制动时，当电流下降到零以后，只好自由停车。必须加快制动时，只能采用电阻能耗制动或电磁抱闸。 2.2.3 动态抗扰性能分析 2.2.3 动态抗扰性能分析 一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。1. 抗负载扰动1. 抗负载扰动直流调速系统的动态抗负载扰作用抗负载扰动（续）抗负载扰动（续） 由动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。 null-IdL±∆Ud△Ud—电网电压波动在整流电压上的反映 2. 抗电网电压扰动null 双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。抗电网电压扰动（续）3. 分析结果3. 分析结果 在双闭环系统中，由于存在电流内环能够对电压的扰动给予及时的抑制，因此由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。2.2.4 转速和电流两个调节器的作用 2.2.4 转速和电流两个调节器的作用 综上所述，转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用可以分别归纳如下： 1. 转速调节器的作用1. 转速调节器的作用 （1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。 （2）对负载变化起抗扰作用。 （3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。2. 电流调节器的作用2. 电流调节器的作用（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。 （2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。 （3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。 null （4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。2.3 调节器的工程设计方法2.3 调节器的工程设计方法不作要求 *2.6 弱磁控制的直流调速系统*2.6 弱磁控制的直流调速系统本节提要 调压与弱磁的配合控制 非独立控制励磁的调速系统 弱磁过程的直流电机数学模型和弱磁控制系统转速调节器的设计 *2.6.1 调压与弱磁的配合控制 *2.6.1 调压与弱磁的配合控制概 述 在他励直流电动机的调速方法中，前面讨论的调电压方法是从基速（即额定转速 nN ）向下调速。 如果需要从基速向上调速，则要采用弱磁调速的方法，通过降低励磁电流，以减弱磁通来提高转速。“恒转矩”和“恒功率”调速方式定义“恒转矩”和“恒功率”调速方式定义 在调速范围内，稳态时，如果电枢电流一定，那么输出转矩不变，就叫恒转矩调速；如果输出功率不变，则叫恒功率调速。 两种调速方式 两种调速方式1. 恒转矩调速方式 按照电力拖动原理，在不同转速下长期运行时，为了充分利用电机，都应使电枢电流达到其额定值 IN。于是，由于电磁转矩 Te = Km Id，在调压调速范围内，因为励磁磁通不变，容许的转矩也不变，称作“恒转矩调速方式”。null2. 恒功率调速方式 而在弱磁调速范围内，转速越高，磁通越弱，容许的转矩不得不减少，转矩与转速的乘积则不变，即容许功率不变，是为“恒功率调速方式”。null 恒转矩类型的负载适合于采用恒转矩调速方式，而恒功率类型的负载更适合于恒功率的调速方式。 直流电机允许的弱磁调速范围有限，一般电机不超过 1:2 ，专用的“调速电机”也不过是 1:3 或 1:4 。null调压和弱磁配合控制 当调速范围更大时，就不得不采用调压和弱磁配合控制的办法，即在基速以下保持磁通为额定值不变，只调节电枢电压，而在基速以上则把电压保持为额定值，减弱磁通升速，这样的配合控制特性示于下图。null 电枢电压与励磁配合控制特性TeNnNnmaxUNUP图2-35 变压与弱磁配合控制特性null 从图中可知：调压与弱磁配合控制只能在基速以上满足恒功率调速的要求，在基速以下，输出功率不得不有所降低。 *2.6.2 非独立控制励磁的调速系统*2.6.2 非独立控制励磁的调速系统1. 系统设计要点： 在基速以下调压调速时，保持磁通为额定值不变； 在基速以上弱磁升速时，保持电压为额定值不变； 弱磁升速时，由于转速升高，使转速反馈电压也随着升高Un，因此必须同时提高转速给定电压Un*，否则转速不能上升。2. 独立控制励磁的调速系统2. 独立控制励磁的调速系统 独立控制励磁的调速系统结构 工作原理 工作原理在基速以下调压调速时， RP2不变保持磁通为额定值，用RP1调节转速，此时，转速、电流双闭环系统起控制作用； 在基速以上弱磁升速时， 通过RP2减少励磁电流给定电压，从而减少励磁磁通，以提高转速；为保持电枢电压为额定值不变，同时需要调节RP1 ，以提高电压。 null 由于需要分别调节RP1和RP2 ，因此称为独立控制励磁的调速系统。3. 非独立控制励磁的调速系统 3. 非独立控制励磁的调速系统 在调压调速系统的基础上进行弱磁控制，调压与调磁的给定装置不应该完全独立，而是要互相关联的。从上图可以看出，在基速以下，应该在满磁的条件下调节电压，在基速以上，应该在额定电压下调节励磁，因此存在恒转矩的调压调速和恒功率的弱磁调速两个不同的区段。 null 实际运行中，需要选择一种合适的控制方法，可以在这两个区段中交替工作，也应该能从一个区段平滑地过渡到另一个区段中去。下图便是一种已在实践中很方便有效的控制系统，称作非独立控制励磁的调速系统。 系统组成 系统组成TVDAE图2-36 非独立控制励磁的调速系统TVD —— 电压隔离器； AE —— 电动势运算器； AER —— 电动势调节器； 工作原理 工作原理控制的基本思想 根据 E = Ke n 原理，若能保持电动势E不变，则减少电动机的励磁磁通，可以达到提高转速的目的。 为此，在励磁控制系统中引入电动势调节器 AER，利用电动势反馈，使励磁系统在弱磁调速过程中保持电动势 E 基本不变。电动势的检测：电动势的检测： 由于直接电动势比较困难，因此，采用间接检测的方法。通过检测电压 Ud 和电流 Id，根据 E = Ud – RId + LdId / dt，由电动势运算器 AE ，算出电动势 E 的反馈信号 Ue 。 电动势的给定： 由RP2提供基速时电动势的给定电压Ue* ，并使Ue* = 95% UN。 控制过程 控制过程在基速以下调压调速: 设置 n < 95% UN ， 则，E < 95% UN ； 此时， Ue* > Ue ， AER饱和，相当于电势环开环； AER的输出限幅值设置为满磁给定，加到励磁电流调节器AFR，由AFR调节保持磁通为额定值； 用RP1调节转速，此时，转速、电流双闭环系统起控制作用；控制过程（续）控制过程（续）在基速以上弱磁升速: 调节RP1提高转速给定电压，使转速上升。当 n > 95% UN 时， E > 95% UN ，使 Ue* < Ue ，AER开始退饱和，减少励磁电流给定电压，从而减少励磁磁通，以提高转速。 系统运行分析 系统运行分析如果负载是恒功率负载，则 Id 和 Ud 都保持满磁时的稳态值不变； 如果是恒转矩负载，则随着下降， Id 和Ud 都上升，所以在电动势给定设置时留有5%的余量，让 Ud 可以上升到100% UN 。 AE的设计 AE的设计反电势信号的重构 根据直流调速系统主电路回路方程 （2-96） 可采用运算放大器组成模拟计算电路来实现AE。AE的模拟电路结构AE的模拟电路结构2.6.3 弱磁过程的直流电机数学模型和弱磁 控制系统转速调节器的设计2.6.3 弱磁过程的直流电机数学模型和弱磁 控制系统转速调节器的设计不要求 本章小结本章小结本章以转速、电流双闭环直流调速系统为重点介绍了多环控制系统的结构、控制规律、性能特点和设计方法。 采用模拟PI调节器控制的转速、电流双闭环直流调速系统是V-M系统的经典控制结构，曾经得到广泛的应用。 熟悉和掌握本章内容是学习电力传动控制系统的基本要求和重要基础。