变流技术与运动控制--第 6 课.

1、2.2 2.2 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 问题的提出：问题的提出： 采用转速负反馈和采用转速负反馈和PIPI调节器的调节器的单闭单闭环直流调速系统环直流调速系统可以在保证系统稳定的可以在保证系统稳定的前提下实现前提下实现转速无静差转速无静差。 但是，如果对系统的动态性能要求但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求较高，例如：要求快速起、制动快速起、制动，突加突加负载动态速降小负载动态速降小等等，等等，单闭环系统单闭环系统就就难难以满足需要以满足需要。1. 1. 主要原因主要原因 因为在单闭环系统中不能随心所欲地因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制控制电流电

2、流和和转矩转矩的的动态过程动态过程。 在单闭环直流调速系统中，电流截止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负反馈环节是专门用来控制电流控制电流的，但它的，但它只能在只能在超过临界电流超过临界电流值值I Idcrdcr 以后，靠强烈以后，靠强烈的负反馈作用的负反馈作用限制电流限制电流的冲击，并不能很的冲击，并不能很理想地理想地控制电流的动态波形控制电流的动态波形。电流截止负反馈环节：电流截止负反馈环节：IdLnIdm图图2-1 2-1 直流调速系统起动直流调速系统起动/ /运行运行/ /制制动过程的电流和转速波形动过程的电流和转速波形2. 2. 理想理想( (起动、运行、制动起动

3、、运行、制动) )控制特性控制特性-Idm过度过程要求：过度过程要求： (1) (1)启动与启动与制动时，始终保制动时，始终保持转矩（或电流）持转矩（或电流）为允许的最大值，为允许的最大值，使直流电动机以使直流电动机以最大的加速度加、最大的加速度加、减速。减速。 (2) (2)到达给到达给定转速时，立即定转速时，立即让电磁转矩与负让电磁转矩与负载转矩相平衡，载转矩相平衡，从而转入稳定运从而转入稳定运行。行。tIdOn直流电动机直流电动机转矩控制转矩控制通过通过电流控制电流控制达到目的达到目的3 3、对电流控制要求、对电流控制要求（1 1）电动机启、制动的时间控制）电动机启、制动的时间控制 （I

4、 Idmdm、-I-Idmdm）-完成时间的最优控制完成时间的最优控制 在起、制动过程，在起、制动过程，( (电流负反馈起主导作用电流负反馈起主导作用) )，系统保持电流为最大恒定值，以缩小系统过度过系统保持电流为最大恒定值，以缩小系统过度过程时间。程时间。（2 2）电动机在负载扰动时的电流控制）电动机在负载扰动时的电流控制 （I IdLdL）-实现动态特性控制实现动态特性控制 达到稳态后，达到稳态后，( (转速负反馈起主导作用转速负反馈起主导作用) )，电，电流环起跟随作用，使实际电流快速跟随给定值，流环起跟随作用，使实际电流快速跟随给定值，以保持转速恒定。以保持转速恒定。 怎样才能做到这种

5、既存在怎样才能做到这种既存在转速转速和和电流电流两种负反两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？2.2.1 2.2.1 转速、电流双闭环直流转速、电流双闭环直流调速系统的组成调速系统的组成 为了实现为了实现转速转速和和电流电流两种负反馈分别两种负反馈分别起作用，可在系统中设置起作用，可在系统中设置两个调节器两个调节器，分，分别别调节转速调节转速和和电流。电流。 即分别引入即分别引入转速负反馈转速负反馈和和电流负反馈电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）连接，原二者之间实行嵌套（或称串级）连接，原理框图如下图所示。理框图如下图所示。+图图

6、2-2 2-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构转速、电流双闭环直流调速系统结构 1.1.系统的组成系统的组成ASR转速调节器内环外 环ACR电流调节器 TG测速发电机TA电流互感器UPE电力电子变换器为了获得良好的静、动为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器态性能，转速和电流两个调节器一般都采用一般都采用PIPI调节器调节器。TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPEL-MTG2.2.2 2.2.2 稳态结构和稳态参数计算稳态结构和稳态参数计算 为了分析双闭环调速系统的静特性，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。必须先绘出它的

7、稳态结构图。 注意：注意： 图中用带限幅的输出特性表示图中用带限幅的输出特性表示PI PI 调调节器。节器。1. 1. 系统稳态结构图系统稳态结构图图图2-23 2-23 双闭环直流调速系统的稳态结构图双闭环直流调速系统的稳态结构图 Ks 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i R ACRUiUPEPIPI调节器调节器输出限幅输出限幅 转速反馈系数转速反馈系数; ; 电流反馈系数电流反馈系数 2. 2. 限幅作用限幅作用 存在两种状况：存在两种状况： （1 1）饱和）饱和输出达到限幅值输出达到限幅值 当调节器饱和时，输出为当调节器饱和时，输出为恒值恒值，输入量的，输入量的变化不

8、再影响输出，除非有反向的输入信号使变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。调节器退出饱和。 换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于和输出间的联系，相当于使该调节环开环使该调节环开环。（2 2）不饱和）不饱和输出未达到限幅值输出未达到限幅值 当调节器不饱和时，当调节器不饱和时，PI 作用使输入偏差作用使输入偏差电压在稳态时电压在稳态时总是零总是零。 3. 3. 系统静特性系统静特性图图2-24 2-24 双闭环直流调速系统的静特性双闭环直流调速系统的静特性 n0IdIdmIdNOnBCAASR不饱和ASR饱和实际上，在正常运

9、行时，实际上，在正常运行时，电流调节器电流调节器是是不会达到饱和状不会达到饱和状态态的。的。 因此，对于静特性来说，因此，对于静特性来说，只有只有转速调节器转速调节器饱和饱和与与不饱不饱和和两种情况。两种情况。（1 1）转速）转速( (主导主导) )、电流调节器不饱和（、电流调节器不饱和（ABAB段）段）di*i0n*nIUUnnUU式中：式中：， 转速和电转速和电 流反馈系数。流反馈系数。0*nnUn由第一个关系式可得：由第一个关系式可得： 负载负载nUn00ASR积分积分Ui*IdnUn0 0n0IdIdmIdNOnBCA 电流的大小是从理想空载状态电流的大小是从理想空载状态I Id d

10、= 0 = 0 一直延一直延续到续到I Id d = I= Idmdm , ,转速转速n = nn = n0 0表现为一条水平直线。系表现为一条水平直线。系统具有绝对硬的静特性（无静差）。统具有绝对硬的静特性（无静差）。（2 2） 转速调节器饱和（转速调节器饱和（BCBC段），段）， 电流调节器起主导作用电流调节器起主导作用 这时，这时，ASR输出达到限幅值输出达到限幅值U*im ，转速外环，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。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双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时：节系统。稳态

11、时： 式中：最大电流式中：最大电流 Idm 是由设计者选定的，取是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。加速度。dm*imdIUI(2-30) 静特性的垂直特性只适合于静特性的垂直特性只适合于 n n0 ，则则Un U*n ，ASRASR将退出饱和状态。将退出饱和状态。3 3转速调节器退饱和（转速调节器退饱和（ABAB）ASR ASR 饱和：饱和：I IdLdL = = I Idmdm若若 负载负载-I IdLdL( ( I Idmdm )-)-n-n-n n 0( 0 )-ASR0( 0 )-ASR反向积分反向积分-AS

12、R-ASR退出饱和，又回退出饱和，又回到线性调节状态到线性调节状态-系统进入静特性的系统进入静特性的ABAB段段4. 4. 两个调节器的作用两个调节器的作用 （1 1）双闭环调速系统的静特性在负载电）双闭环调速系统的静特性在负载电流小于流小于I Idmdm时表现为转速无静差（不饱和），这时表现为转速无静差（不饱和），这时，转速负反馈起主要调节作用（时，转速负反馈起主要调节作用（ABAB段）。段）。 （2 2）当负载电流达到）当负载电流达到I Idmdm 后，转速调节后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表器饱和，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（

13、现为电流无静差，得到过电流的自动保护（BCBC段）。段）。5. 5. 稳态参数计算稳态参数计算 双闭环调速系统在稳态工作中，当两个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：调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系： 0n*nnnUU(2-33) sdL*nesdesd0c/KRIUCKRInCKUU(2-32) dLdi*iIIUU(2-31) 根据各调节器的给定与反馈值计算有关的根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：反馈系数： 转速反馈系数转速反馈系数 max*nmnU(2-34) 电流反馈系数电流反馈系数 dm*imIU(2-35) 两个给定电压的最大

14、值两个给定电压的最大值U*nm和和U*im由设计由设计者选定，设计原则如下：者选定，设计原则如下： U*n、U*im 受受运算放大器允许输入电压和运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制稳压电源的限制（U*im 为为ASRASR 的输出限幅值的输出限幅值）2.2.3 2.2.3 双闭环直流调速系统的数学模型双闭环直流调速系统的数学模型 和动态性能分析和动态性能分析本节提要本节提要1.双闭环直流调速系统的动态数学模型双闭环直流调速系统的动态数学模型2.起动过程分析起动过程分析3.动态抗扰性能分析动态抗扰性能分析4.转速和电流两个调节器的作用转速和电流两个调节器的作用1.1.双闭环直流调速系统的动态

15、数学模型双闭环直流调速系统的动态数学模型W WASRASR(s)(s)为转速调节器的为转速调节器的传递函数。如果采用传递函数。如果采用PIPI调节器，则有：调节器，则有：ssKsWnnnASR1)(图图2-25 2-25 双闭环直流调速系统的动态结构图双闭环直流调速系统的动态结构图 U*n Uc-IdLnUd0Un+- +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E直流电动机直流电动机W WA AR R(s)(s)为电流为电流调节器的调节器的传递函数。如果采用传递函数。如果采用PIPI调节器，则有：调节器，则有：ssKsWiiiACR1)(

16、图图2-26 2-26 双闭环直流调速系统启动时的转速和电流波形双闭环直流调速系统启动时的转速和电流波形 n OOttIdm IdL Id n* IIIIIIt4 t3 t2 t1 电流上升电流上升恒流升速恒流升速转速调节转速调节2.2.双闭环系统的启动过程双闭环系统的启动过程双闭环直流调速系统在带有负载双闭环直流调速系统在带有负载IdL条件下突加给定电压条件下突加给定电压U*n由静止状态启动时的转速和电流的动态过程如图所示。由静止状态启动时的转速和电流的动态过程如图所示。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt 突加给定电压突加给定电压 U*n 后，后，I

17、 Id d 上升，当上升，当 I Id d 小于负载电流小于负载电流 I IdLdL 时，时，电机还不能转动。电机还不能转动。 当当 I Id d I IdLdL 后，后，电机开始起动，由于机电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调很快增长，因而转速调节器节器ASRASR的输入偏差电的输入偏差电压的数值仍较大，其输压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值出电压保持限幅值 U*im，强迫电流强迫电流 I Id d 迅迅速上升。速上升。第第I I阶段电流上升的阶段阶段电流上升的阶段（0 t1） 直到直到，Id Idm ，Ui U*im，电流电流调节器很快就压制了

18、调节器很快就压制了Id 的增长，的增长，标志着这一阶段的结束。标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，在这一阶段中，ASR很快很快进入并保持饱和状态，而进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。一般不饱和。n IdL Id n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第第IIII阶段恒流升速阶段阶段恒流升速阶段（t1 t2） 在这个阶段中，在这个阶段中，ASRASR始终是饱和的，始终是饱和的，转速环相当于开环转速环相当于开环，系统成为在恒值电系统成为在恒值电流（流（Uim*）给定下）给定下的电流调节系统，的电流调节系统，基本上保持电流基本上保持电流Id恒定，因而系统的恒定，因而系统的加

19、速度恒定，转速加速度恒定，转速呈线性增长。呈线性增长。 与此同时，电机的与此同时，电机的反电动势反电动势 E E 也按线性增也按线性增长，对电流调节系统来说，长，对电流调节系统来说，E E是一个是一个线性渐增的线性渐增的扰动量扰动量，为了克服它的扰动，为了克服它的扰动，Ud0和和Uc 也必须基也必须基本上按线性增长，才能保持本上按线性增长，才能保持 Id 恒定。恒定。 当当ACRACR采用采用PIPI调节器时，要使其输出量按线调节器时，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，性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，也就是说，I Id d 应略低于应略低于I Idm

20、dm。 为了保证电流环的主要调节作用，在起动过为了保证电流环的主要调节作用，在起动过程中程中 ACRACR是不应饱和是不应饱和的，电力电子装置的，电力电子装置 UPE UPE 的的最大输出电压也须留有余地，这些都是设计时最大输出电压也须留有余地，这些都是设计时必须注意的。必须注意的。 恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt第第阶段转速调节阶段（阶段转速调节阶段（t t2 2以后）以后） 当转速上升到给当转速上升到给定值时定值时n*，转速调节器，转速调节器ASR的输入偏差减少到的输入偏差

21、减少到零，但其输出却由于积零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值分作用还维持在限幅值U*im ，所以电机仍在加所以电机仍在加速，使转速速，使转速超调超调。 转速超调后，转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使输入偏差电压变负，使它开始它开始退出饱和退出饱和状态，状态， U*i 和和 Id 很快下降。很快下降。但是，只要但是，只要Id 仍大于负仍大于负载电流载电流 IdL ，转速就继转速就继续上升。续上升。 直到直到 Id = IdL 时时 转矩转矩 Te= TL 则则 dn/dt = 0， 转速转速n才到达峰值才到达峰值 （t t = = t t3 3时）时）IdL Id n n* Idm O

22、OIIIIIIt4 t2 t1 ttt3 此后，电动此后，电动机开始在负载的阻机开始在负载的阻力下减速，与此相力下减速，与此相应，在一小段时间应，在一小段时间内（内（ t t3 3 t t4 4 ），）， I Id d I IdLdL ，直到稳直到稳定。定。 如果调节器参如果调节器参数整定得不够好，数整定得不够好，也会有一些振荡过也会有一些振荡过程。程。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 tt 在这最后的转速调节阶段内，在这最后的转速调节阶段内，ASRASR和和ACRACR都都不饱和不饱和。 ASRASR起主导的转速调节作用；起主导的转速调节作用； ACRA

23、CR则力图使则力图使I Id d尽快地跟随其给定值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。或者说，电流内环是一个电流随动子系统。 总结总结 综上所述，双闭环直流调速系统的综上所述，双闭环直流调速系统的启动过程有以下三个特点：启动过程有以下三个特点： （1 1） 饱和非线性控制；饱和非线性控制； （2 2） 转速超调；转速超调； （3 3） 准时间最优控制。准时间最优控制。 （1 1） 饱和非线性控制饱和非线性控制 根据根据ASRASR的饱和与不饱和，整个系统处的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态：于完全不同的两种状态： 当当ASRASR饱和时，转速环开环，

24、系统表现饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；为恒值电流调节的单闭环系统； 当当ASRASR不饱和时，转速环闭环，整个系不饱和时，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。现为电流随动系统。（2 2）转速超调）转速超调 由于由于ASRASR采用了饱和非线性控制，启动过采用了饱和非线性控制，启动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调，调， ASR ASR 的输入偏差电压的输入偏差电压 Un 为负值，为负值，才能使才能使ASRASR退出饱和。退出饱和。 这样，采用这样，采用

25、PIPI调节器的双闭环调速系统调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有的转速响应必然有超调超调。（3 3）准时间最优控制）准时间最优控制 时间最优控制要求电动机在启动过程中时间最优控制要求电动机在启动过程中始终以最大允许电流始终以最大允许电流I Idmdm来恒流启动。来恒流启动。 但在第但在第I I、IIIIII两个阶段中，电流不能突两个阶段中，电流不能突变，实际启动过程与理想启动过程相比还有变，实际启动过程与理想启动过程相比还有一些差距，好在阶段一些差距，好在阶段I I和和IIIIII只占全部启动过只占全部启动过程的很小部分，所以实际的启动过程可称作程的很小部分，所以实际的启动过程可称作为为“

26、准时间最优控制准时间最优控制”。3. 3. 双闭环调速系统的动态抗扰性能双闭环调速系统的动态抗扰性能 对于调速系统，最主要的抗扰性能是对于调速系统，最主要的抗扰性能是指抗指抗负载扰动负载扰动和抗和抗电网电压扰动电网电压扰动的性能。的性能。 闭环系统的抗扰能力与其作用点的位闭环系统的抗扰能力与其作用点的位置有关。置有关。(1) (1) 抗负载扰动抗负载扰动 1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R Tl s+1R TmsKsTss+1ACR U*iUi-EIdIdL直流调速系统的动态抗负载扰作用直流调速系统的动态抗负载扰作用负载扰动作用在电流环之后，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节

27、器因此只能靠转速调节器ASRASR来来产生抗负载扰动的作用。在设产生抗负载扰动的作用。在设计计ASRASR时，应要求有较好的抗时，应要求有较好的抗扰性能指标。扰性能指标。 IdL在在单闭环调速系统单闭环调速系统中，电网电中，电网电压扰动的作用使得被调量波动后，压扰动的作用使得被调量波动后，再由再由ASR调节，因此单闭环调速系调节，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能较差。统抵抗电压扰动的性能较差。图图2-27 2-27 直流调速系统的动态抗扰作用直流调速系统的动态抗扰作用(2) (2) 抗电网电压扰动抗电网电压扰动UdU*n-IdLUn+-ASR 1/CenUd01/R Tl s+1R TmsIdKsTss+1-E( (a)a)单闭环系统单闭环系统 双闭环系统中双闭环系统中，由于增设了电流，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得内环，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