运动控制_第3章____转速、电流双闭环直流调速系统

1、第3章 转速、电流双闭环直流调速系统 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。 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统 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

2、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。 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统 图3-1直流调速系统起动过程的电流和转速波形 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统 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

3、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。 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统 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

4、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。 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统 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

5、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。 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统 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

6、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)。 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统 图3-2转速、电流双闭环直流调速系统结构 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统 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

7、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。 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统 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。 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统 图中还标出了两个调节器的输出都是带有限幅作用的

8、， 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。 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统 图3-3双闭环直流调速系统电路原理图 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统 3.1.2双闭环直流调速系统的工

9、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

10、作原理。 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统 图3-4双闭环直流调速系统的稳态结构图 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统 1) 以电流调节器ACR为核心的电流环 电流环是由电流调节器ACR和电流负反馈环节组成的 闭合回路，其主要作用是通过电流检测元件的反馈作用稳定 电流。由于ACR采用PI调节器，在调速系统稳定运行时， ACR的输入偏差电压Ui=U*i-Ui=U*i-Id=0，即Id=U*I /，其 中为电流反馈系数。 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统 当U*i一定时，由于电流负反馈的调节作用，使整流装 置的输出电流保持在U*i /数值上。当IdU*i /时，自动调节 过程如下： Id

11、UiUctUdId 最终保持电流稳定。当电流下降时，也有类似的调节过程。 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统 2) 以转速调节器ASR为核心的转速环 转速环是由转速调节器ASR和转速负反馈环节组成的闭 合回路，其主要作用是通过转速检测元件的反馈作用保持转 速稳定，最终消除转速偏差。 由于ASR采用PI调节器，所以在系统达到稳态时应满足 Un=U*n-Un=U*n-n=0， 即n=U*n /，其中为转速反馈系数。 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统 当U*n一定时，转速n将稳定在U*n /数值上。当 n0很大，转速调节器ASR很快达到饱和状 态，ASR的输出维持在限幅值U*im，转速外环呈开

12、环状态， 转速的变化对系统不再产生影响。在这种情况下，电流负反 馈环起恒流调节作用，转速线性上升，从而获得极好的下垂 特性，如图3-5中的AB段虚线所示。 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统 此时，电流，Idm为最大电流，是由设 计者选定的，取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许 的最大加速度，一般选择为额定电流IdN的1.52倍。 注意，图3-5中的AB段下垂特性只适合于nn0，则ASR退出饱和状态。 * im ddm U II 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统 图3-5双闭环直流调速系统的静特性 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统 2) 转速调节器不饱和 当转速n达到给定值且略有

13、超调时(即nn0)，Un= U*n-Un0，则转速调节器ASR的输入信号极性发生改变， ASR退出饱和状态，转速负反馈环节开始起转速调节作用， 最终使转速保持恒定，即Un=U*n-Un=0， ,如图3-5 中的CA段虚线所示。 * n U n 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统 但是由于转速环是外环，起主导作用，而电流环的作用 只相当于转速环内部的一种扰动作用，因而只要转速环的开 环放大倍数足够大，最终靠ASR的积分作用，可以消除转速 偏差。因此，双闭环系统的稳态特性具有近似理想的“挖土 机特性”(如图3-5中实线所示)。 由图3-5可知，由于ASR不饱和，U*iU*im，则有IdIdL，n

14、升速； (2) IdU*n)，转速 调节器ASR的输入偏差电压Un=U*n-Un0，ASR开始退出饱 和状态，ASR的输出电压U*i和电枢电流Id很快下降。 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统 但是，由于电枢电流Id仍大于负载电流IdL，在一段时间 内，转速仍将继续上升，直到Id=IdL时，转速Te=TL， 则 dn/dt=0，转速n才到达峰值(t=t3时)。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(t3t4)，电枢 电流Id也出现一段小于负载电流IdL的过程，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。在这最后 的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和

15、，ASR起主导的转 速调节作用，而ACR则力图使Id尽快跟随其给定值U*i，或者 说，电流内环是一个电流随动子系统。 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统 注意：转速调节器ASR在第一阶段末达到饱和状态，第 二阶段保持饱和状态，第三阶段为不饱和状态； 而电流调 节器ACR在三个阶段中都处于不饱和状态。 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。 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统 (1) 饱和非线性控制。根据转速调节器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； 而 当ASR不饱和时，转速环闭环，整个

16、系统是一个无静差调速 系统，而电流环则表现为电流随动系统。 在不同情况下表现为不同结构的线性系统，这就是饱和 非线性控制的特征，决不能简单地用线性控制理论来分析整 个起动过程，也不能简单地用线性控制理论来笼统地设计这 样的控制系统，只能采用分段线性化的方法来分析。 第3章 转速、电流双闭环直流调速系统 (2) 准时间最优控制。起动过程中主要的阶段是第阶 段，即恒流升速阶段。它的特征是维持电流恒定不变，一般 选择为允许的最大值，以便充分发挥电动机的过载能力，使 起动过程尽可能最快。这个阶段属于电流受限制条件下的最 短时间控制，或称为“时间最优控制”。但是，整个起动过 程与理想快速起动过程相比还有一些差距，主要表现在第、 阶段电流不是突变的。不过这两段的时间只占全部起动时 间中很小的部分，影响不大，所以双闭环调速系统的起动过 程可以称为“准时间最优控制”过程。 采用饱和非线性控制方法实现准时间最优控制是一种很 有实用