多环直流调速系统简介

1、目录一、 单闭环调速系统存在的问题2二、 转速、电流双闭环调速系统的组成3三、两个调节器的作用4四、PI调节器的稳态特征5五、起动过程分析6六、动态性能9七、总结10双环直流调速系统摘要：电机自动控制系统广泛应用于各行业，尤其是工业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电.直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。有效地控制电机，提高其运行性能，具有很好的现实意义。本文介绍了转速、电流双闭环调速系统的组成和原理，以及该系统相对于单闭环调速系统的优点。并对双闭环调速系统的静态特

2、性和动态特性进行了简要分析。关键词：双闭环调速系统，电流控制环，转速控制环。一、 单闭环调速系统存在的问题 用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，   环内的任何扰动，只有等到转速出现偏差才能进行调节，因而转速动态降落大。   电流截止负反馈环节来限制起动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应。 最佳起动过程:在电机最大电流（转矩）受限制条件下，希望充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值。理想启动过程电流截止单闭环系统nIdnIdlt0Idl为

3、了获得近似理想的过渡过程，并克服几个信号综合在一个调节器输入端的缺点，最好的办法就是将主要的被调量转速与辅助被调量电流分来加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。二、 转速、电流双闭环调速系统的组成为实现转速和电流两种负反馈分别作用，直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 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。两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。由于调速系统

4、的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环, 以保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 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，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。直流双闭环调速系统为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。这样构成双闭环直流调速系统。其原理图如下图：直流双闭环调速系统原理图直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，图中还表示了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

5、压Uim*决定后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限制电压Ucm 限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。注：PI调节器限幅特征：一旦PI调节器限幅（即饱和），其输出量为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反极性的输入信号使调节器退出饱和；三、两个调节器的作用转速调节器和电流调节器在双闭环调速系统中的作用可以归纳如下： 转速调节器的作用 1)使转速跟随给定电压U二变化，稳态无静差。 2)对负载变化起抗扰作用。 3)其输出限幅值决定允许的最大电流。 电流调

6、节器的作用 1)对电网电压波动起及时抗扰作用。 2)起动时保证获得允许的最大电流。 3)在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压U；变化。4)当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护作用。如果故障消失，系统能够自动恢复正常。四、PI调节器的稳态特征一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值；不饱和输出未达到限幅值。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。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳态时总是零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状

7、态的。只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。1转速调节器不饱和。这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。因此 U*n=Un=n U*i=Ui=Id。ASR不饱和，U*i < U*im， 2转速调节器饱和。这时，ASR输出达到限幅值，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闭环系统。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。因为如果，nno，则UnU*n，ASR将退出饱和状态。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

8、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，得到过电流的自动保护。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”。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ldL决定的，而控制电压Uct的大小则同时取决于n和Id，或者说，同时取决于U*n和ldL。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

9、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。无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定亨反馈值计算有关的反馈系数： 转速反馈系数 = U*nm/nmax 电流反馈系数 = U*im/Idm五、起动过程分析1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于理想的起动过程。因此有必要探讨它的起动过程。双闭环调速系统突加给定电压；由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程示于下图：由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分成三段，在图中分别标以I、和III。 第1阶段0一t1是电流上升的阶段。突加给

10、定电压后，通过两个调节器的控制作用，电动机开始转动。由于机电惯性的作用，转速的增长不会很快，因而转速调节器ASR的输人偏差电压数值较大，其输出很快达到限幅值，强迫电流Id迅速上升。当IdIdm时，UiUim，电流调节器的作用使Id不再迅猛增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。 第阶段t1t2是恒流升速阶段。从电流升到最大值Imd开始，到转速升到给定值为止，属于恒流升速阶段，是起动过程中的主要阶段。在这个阶段中， ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定U*im作用下的电流调节系统，基本上保

11、持电流Id恒定(电流可能超调，也可能不超调，取决于电流调节器的结构和参数)，因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电动机的反电动势正也按线性增长。对电流调节系统来说，这个反电动势是一个线性渐增的扰动量，为了克服这个扰动，Ud0和Ud也必须基本上按线性增长，才能保持Id恒定。由于电流调节器ACR是PI调节器，要使它的输出量按线性增长，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。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中电流调节器是不能饱和的，同时整流装置的最大电压Ud0m也须留有余地，即晶闸管装置也不应饱和，这些都是在设计中必须注意的。第III阶段

12、t2以后是转速调节阶段。在这阶段开始时，转速已经达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压相平衡，输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超调。转速超调以后，ASR输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出电压即ACR的给定电压立即从限幅值降下来，主电流Id也因而下降。但是，由于Id仍大于负载电流IdL，在一段时间内，转速仍继续上升。到Id=IdL时，转速n达到峰值。此后，电动机才开始在负载的阻力下减速，与此相应，电流Id也出现一段小于IdL的过程，直到稳定(设调节器参数已调整好)。在这最后的转速调节阶段内，ASR与ACR都不饱和，同时起调

13、节作用。由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则是力图使Id尽快地跟随ASR的输出量，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。2双闭环调速系统的起动过程三个特点：（1）饱和非线性控制。随着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。决不能简单地应用线性控制理论来分析和设计这样的系统，可以采用分段线性化的方法来处理。分析过渡过程时，还必须注意初始状态，前

14、一阶段的终了状态就是后一阶段的初始状态。如果初始状态不同，即使控制系统的结构和参数都不变，过渡过程还是不一样的。（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，它的特征是电流保持恒定，一般选择为允许的最大值，以便充分发挥电机的过载能力，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“时间最优控制”。但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I、III两段电流不是突变。不过这两段的时间只占全部起动时间中很小的成份，已无伤大局，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。如果一定要追求严格最优控制，控制结构要复杂得多，

15、所取得的效果则有限，并不值得。 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价值的控制策略，在各种多环控制系统中普遍地得到应用。（3）转速超调。由于采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入第段即转速调节阶段后，必须使转速调节器退出饱和状态。按照PI调节器的特性，只有使转速超调，ASR的输人偏差电压为负值，才能使ASR退出饱和。这就是说，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速动态响应必然有超调。在一般情况下，转速略有超调对实际运行影响不大。如果工艺上不允许超调，就必须采取另外的控制措施。最后，应该指出，晶闸管整流器的输出电流是单方向的，不可能在制动时产生负的回馈制动转矩。因此，不可逆的双闭

16、环调速系统虽然有很快的起动过程，但在制动时，当电流下降到零以后，就只好自由停车。如果必须加快制动，只能采用电阻能耗制动或电磁抱闸。同样，减速时也有这种情况。类似的问题还可能在空载起动时出现。这时，在起动的第阶段内，电流很快下降到零而不可能变负，于是造成断续的动态电流，从而加剧了转速的振荡，使过渡过程拖长，这是又一种非线性因素造成的。六、动态性能一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。 1动态跟随性能。双闭环调速系统在起动和升速过程中，能够在电流受电机过载能力约束的条件下，表现出很快的动态跟随性能。在减速过程中，由于主电路电流的不可逆性，跟随性能变差。对于电流内环来说，在设计调节器时应强

17、调有良好的跟随性能。2动态抗扰性能 （1）抗负载扰动。负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器来产生抗扰作用。因此，在突加(减)负载时，必然会引起动态速降(升)。为了减少动态速降(升)，必须在设计ASR时，要求系统具有较好的抗扰性能指标。对于ACR的设计来说，只要电流环具有良好的跟随性能就可以了。 （2）抗电网电压扰动。电网电压扰动和负载扰动在系统动态结构图中作用的位置不同，系统对它的动态抗扰效果也不一样。单闭环调速系统中，电网电压扰动和负载电流扰动都作用在被负反馈环包围的前向通道上，仅就静特性而言，系统对它们的抗扰效果是一样的。但是从动态性能上看，由于扰动作用的位置不同，还存在着及时调节上

18、的差别。负载扰动作用在被调量的前面，它的变化经积分后就可被转速检测出来，从而在调节器ASR上得到反映。电网电压扰动的作用点则离被调量更远，它的波动先要受到电磁惯性的阻挠后影响到电枢电流，再经过机电惯性的滞后才能反映到转速上来，等到转速反馈产生调节作用，已经嫌晚。在双闭环调速系统中，由于增设了电流内环，这个问题便大有好转。由于电网电压扰动被包围在电流环之内，当电压波动时，可以通过电流反馈得到及时的调节，不必等到影响到转速后才在系统中有所反应。因此，在双闭环调速系统中，由电网电压波动引起的动态速降会比单闭环系统中小得多。七、总结目前，转速、电流双闭环调速系统应用很广泛，相对单闭环直流调速系统来说，既保证动态稳定性又可消除静差，可以获得最佳控制的物理量也实行负反