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1、转速、电流双闭环直流调速系统和 调节器的工程设计方法 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 第 2 章 *自动控制系统 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 设计方法，是各种交、直流电力拖动自 动控制系统的重要基础。我们将重点学 习： Date自动控制系统 n转速、电流双闭环直流调速系统及其 静特性； n双闭环直流调速系统的数学模型和动 态性能分析； n调节器的工程设计方法； n按工程设计方法设计双闭环系统的调 节器 n弱磁控制的直流调速系统。 内容提要 Date自动控制系统 2.1 转速、电流双闭环直流调速系
2、统 及其静特性 n问题的提出 第1章中表明，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。 Date自动控制系统 1. 主要原因 是因为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。 Date自动控制系统 b) 理想的快速起动过程 IdL n
3、t Id O Idm 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 2. 理想的起动过程 IdL n t Id O Idm Idcr Date自动控制系统 性能比较 n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。 IdL n t Id O Idm Idcr 图2-1 a) 带电流截止负反馈 的单闭环调速系统 Date自动控制系统 性能比较（续） n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
4、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。 IdL n t Id O Idm 图2-1 b) 理想的快速起动过程 Date自动控制系统 3. 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。 Date自动控制系统 现在的问题是，我们希望能实现控制 ： n起动过程，只有电流负反馈，没有转速 负反馈； n稳态时，只有转速负反馈，没有电流负 反馈。 怎样才能做到这种既存在转速和电流 两种负反馈，又使它们只能分别在
5、不同的 阶段里起作用呢？ Date自动控制系统 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）联接如下图所示。 Date自动控制系统 TG n ASR ACR U*n + - Un Ui U*i + -Uc TA V M + - Ud Id UPE L - M TG + 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 Da
6、te自动控制系统 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。 Date自动控制系统 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，这样构成的双闭环直流调速系统的 电路原理图示于下图。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。 Date自动控制系统 系统原理图 图2-3 双闭环直流调
7、速系统电路原理图 + + - + - M TG + - + - RP2 n U*n R0 R0 Uc Ui TA L Id RiCi Ud + + - R0 R0 RnCn ASR ACR LM GT V RP1 Un U*i LM M TG UPE Date自动控制系统 图中表出，两个调节器的输出都是 带限幅作用的。 n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； n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。 Date自动控制系统 3. 限幅电路 二极管钳位的外限幅电路 C1R1 R0 Rlim VD1 VD2 Date自动控制
8、系统 限幅电路（续） 稳压管钳位的外限幅电路 R1C1 VS1VS2 R0Rlim Date自动控制系统 4. 电流检测电路 电流检测电路 TA电流互感器 TA Date自动控制系统 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。 Date自动控制系统 1. 系统稳态结构图 图2-4 双闭环直流调速系统的稳态结构图 转速反馈系数; 电流反馈系数 Ks 1/Ce U*nUc Id E nUd0
9、 Un + - ASR + U*i - R ACR - Ui UPE Date自动控制系统 2. 限幅作用 存在两种状况： n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。 Date自动控制系统 n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。 Date自动控制系统 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。因此，对于 静特性来说，只有 转速调节
10、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， 图2-5 双闭环直流调速系统的静特性 n0 IdIdmIdnom O n A B C Date自动控制系统 （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) Date自动控制系统 n 静特性的水平特性 与此同时，由于ASR不饱和，U*i U*n ， ASR将退出饱和状态。 Date自动控制系统 4. 两个调节器的作用 n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。 n当负载电流达到 Idm 后，转速调节器饱
11、 和，电流调节器起主要调节作用，系统 表现为电流无静差，得到过电流的自动 保护。 Date自动控制系统 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。这样的静特性显 然比带电流截止负反馈的单闭环系统静 特性好。然而实际上运算放大器的开环 放大系数并不是无穷大，特别是为了避 免零点飘移而采用 “准PI调节器”时，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。 Date自动控制系统 2.1.3 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 (2-3) (2-5) (2-4) Date自动控制系统 上述关系表明，
12、在稳态工作点上， 转速 n 是由给定电压U*n决定的； ASR的输出量U*i是由负载电流 IdL 决定的； 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。 Date自动控制系统 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。 Date自动控制系统 n 反馈系数计算 鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参 数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是 和无静差系统的稳态
13、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) Date自动控制系统 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： nU*nm受运算放大器允许输入电压和稳压 电源的限制； nU*im 为ASR的输出限幅值。 返回目录 Date自动控制系统 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 n双闭环直流调速系统的动态数学模 型 n起动过程分析 n动态抗扰性能分析 n转速和电流两个调节器的作用 Date自动控制系统 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
14、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。 Date自动控制系统 1. 系统动态结构 图2-6 双闭环直流调速系统的动态结构图 U*n Uc -IdL n Ud0 Un + - - + - Ui WASR(s)WACR(s) Ks Tss+1 1/R Tl s+1 R Tms U*i Id 1/Ce + E Date自动控制系统 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 Date自动控制系统 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
15、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。 Date自动控制系统 图2-7 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形 n O O t t Idm IdL Id n* III III t4 t3 t2 t1 Date自动控制系统 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。 Date自动控制系统 第I阶段电流上升的阶段（0 t1） n突加给定电压 U*n 后，Id
16、 上升，当 Id 小 于负载电流 IdL 时，电机还不能转动。 n当 Id IdL 后，电机开始起动，由于机电 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。 Date自动控制系统 IdL Id n n* Idm O O III III t4 t3 t2 t1 t t 第I阶段（续） Date自动控制系统 第 I 阶段（续） n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。 Date自动控制系统 第 II 阶段恒流升速阶段（t1 t2） n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。 D
