运动控制转速、电流双闭环直流调速系统课件

3.1 转速、电流双闭环直流调速系统 的组成及其静特性 采用PI调节器、带电流截止环节的转速负反馈调速系统既实现了系统的稳定运行和无静差调速，又限制了起动时的最大电流。这对一般要求不太高的调速系统已基本满足要求，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，单闭环系统就难以满足需要。这主要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。,另外，在单闭环直流调速系统中只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在电流超过临界电流值Idcr以后才起作用，靠强烈的负反馈作用限制最大起动电流，而不能保证在整个起动过程中维持最大电流，因而并不能很理想地控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动时的电流和转矩波形如图3-1(a)所示。由图可见，随着转速的上升，电动机反电动势增加，使起动电流到达最大值后又迅速降下来，电磁转速也随之减小，影响了起动的快速性(即起动时间较长)，使起动过程延长。,图3-1 直流调速系统起动过程的电流和转速波形,对于龙门刨床、可逆压钢机那样经常正反转运行的调速系统，尽量缩短其起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。 为了提高生产效率和加工质量，充分利用晶闸管元件及电动机的过载能力，要求实现理想的起动过程。带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统的理想起动过程如图3-1(b)所示，起动电流呈方形波，即在整个起动过程中，使起动电流一直保持最大允许值，此时电动机以最大转矩起动，转速迅速按线性规律增长，以缩短起动时间； 起动过程结束后，电流从最大值迅速下降到负载电流值且保持不变，转速维持给定转速不变。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。,由于电流不能突变，图3-1(b)的理想波形只能近似得到，不能完全实现。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是在起动过程中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。现在的问题是，我们希望能实现这样的控制：起动过程只有电流负反馈，没有转速负反馈； 稳态时只有转速负反馈，没有电流负反馈。,怎样才能做到既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？转速、电流双闭环负反馈直流调速系统正是用来实现上述目标的。在电动机起动时，让转速调节器饱和，不起作用，电流环调节器起主要作用，用以调节起动电流并使之保持最大值，使得转速线性变化，迅速上升到给定值； 在电动机稳定运行时，转速调节器退出饱和状态，开始起主要调节作用，使转速随着转速给定信号的变化而变化，电流环跟随转速环调节电动机的电枢电流以平衡负载电流。,3.1.1 双闭环直流调速系统的组成 1. 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)连接，如图3-2所示。图中：U*n为转速给定信号(电压信号形式)，Un为转速反馈信号，Un为转速偏差信号； ASR为转速调节器； U*i为电流给定的电压信号，Ui为电流反馈信号，Ui为电流偏差信号； ACR为电流调节器； Uct为晶闸管整流桥的脉冲触发控制信号； GT为脉冲触发装置； TG为测速发电机； TA为电流互感器； UPE为电力电子变换器(即三相全控桥式晶闸管整流器)。,图3-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构,图3-2中，电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环，转速调节器ASR和转速检测反馈环节构成了转速环，所以称此系统为双闭环调速系统。从闭环结构上看，转速环包围电流环。电流环在里面，称为内环(又称副环)； 转速环在外边，称为外环(又称主环)。在电路中，转速环ASR和电流环ACR串联，即把ASR的输出当作ACR的输入，再由ACR的输出去控制电力电子变换器UPE的触发器。,2. 双闭环直流调速系统的电路原理图 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比例积分(PI)调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如图3-3所示。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Uct为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。,图中还标出了两个调节器的输出都是带有限幅作用的，ACR的输出限幅值为Uctm，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值Udm； ASR的输出限幅值为U*im，它决定了电流调节器给定电压的最大值。当调节器饱和时，其输出值为一恒定值(等于限幅值)，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之间的联系，相当于使该调节器开路。正常运行时，电流调节器不会饱和，只有转速调节器会出现饱和和不饱和两种情况，具体描述详见后面的动态分析。,图3-3 双闭环直流调速系统电路原理图,3.1.2 双闭环直流调速系统的工作原理 为了更清楚地了解转速、电流双闭环直流调速系统的特性，必须对双闭环调速系统的稳态结构图进行分析。图3-4为双闭环调速系统的稳态结构图，它可以很方便地根据电路原理图(见图3-3)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。电流调节器ACR和转速调节器ASR的输入、输出信号的极性主要视触发电路对控制电压Uct的要求而定。假如触发器要求电流调节器ACR的输出电压Uct为正极性，由于调节器一般为反相输入，那么则要求ACR的输入电压U*i为负极性，因此，转速调节器ASR的给定电压U*n则要求为正极性。下面主要根据电流环和转速环的工作过程来说明双闭环直流调速系统的工作原理。,图3-4 双闭环直流调速系统的稳态结构图,1) 以电流调节器ACR为核心的电流环