直流转速电流双闭环

1、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和和调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法P48 第第 3 章章内容提要内容提要转速、电流双闭环直流调速系统-性能好、应用广。-各种电拖动自控系统的重要基础。3.1 直流调速系统性能要求直流调速系统性能要求v调速系统性能要求调速系统性能要求 单闭环单闭环 静态：无静差。静态：无静差。 Y 动态：起制动快、抗扰快动态：起制动快、抗扰快 N静静-理想的机械特性理想的机械特性 动态动态1 理想的起制动过程理想的起制动过程: -以最大电流恒流以最大电流恒流 起制动到稳速起制动到稳速电流截止负反馈单闭环调速起动过程恒流过程短 动态2-抗扰主要扰动

2、主要扰动- 网压网压 负载转矩负载转矩半闭环抗扰半闭环抗扰-慢：影响到转速慢：影响到转速才才发现、调节发现、调节提高动静性能提高动静性能 -转速电流双闭环转速电流双闭环3.1.1 转速、电流双闭环系统（转速、电流双闭环系统（逻辑逻辑）结构）结构ASRASR转速调节器转速调节器 ACRACR电流调节器电流调节器 TGTG测速发电机测速发电机TATA电流互感器电流互感器 UPEUPE电力电子变换器电力电子变换器内环外外 环环原理转速调节器输出转速调节器输出- i- i环的给定环的给定 -通过调电流来调转速通过调电流来调转速: : Id IL (TemTL) Id IL (TemTL) n n =

3、- = -i i环通过调电压来调电流环通过调电压来调电流n,in,i环关系环关系: :n n环环外环外环, ,主环主环, , 调转速调转速 i i环环-内环内环, ,辅环辅环, ,调电流调电流 是是n n环前向通道的一个环节环前向通道的一个环节 2. 系统电路系统电路（物理）（物理）结构结构Uc调节器限幅转速ASR的输出限幅U*im -决定电流(给定电压)的最大值；电流ACR的输出限幅Ucm -决定最大输出电压Udm。3. 限幅电路限幅电路（续）4. 电流检测电路TA-交流电流互感器交流电流互感器输出单向输出单向,不可逆不可逆-检测电流大小检测电流大小3.1.2 稳态结构图稳态结构图 静特性静

4、特性 稳态参数计算稳态参数计算1. 系统稳态结构图2. 2. 限幅作用限幅作用限幅限幅-饱和饱和 产生最大操作量产生最大操作量 失去线性控制能力失去线性控制能力3. 系统静特性稳态运行时，电流调节器不会饱和稳态运行时，电流调节器不会饱和线性调节线性调节-无静差无静差 UiUi= =0 0 , Id=Ui , Id=Ui* */ / 转速调节器不饱和转速调节器不饱和线性调节线性调节-无静差无静差Un=0 n=Un*/-恒速调节恒速调节转速调节器饱和转速调节器饱和Ui*=Uim*-恒流调节恒流调节4 稳态参数计算稳态参数计算mnU*nmdm*imIU3.2 双闭环动态性能分析双闭环动态性能分析3.

5、2.2 起动过程分析起动过程分析 I I阶段阶段 恒流调节恒流调节ASR: ASR: 突加突加U U* *n nUn =UnUn =Un* *大值大值 输出输出UiUi* *饱和饱和UimUim* * 起动过程起动过程: : nn n 0Un 0 PIPI的的I I功能维持饱和功能维持饱和 ASRASR产生最大电流给定产生最大电流给定ACR : ACR : 按电流给定按电流给定UimUim* *升压升压 调调Id=UimId=Uim* */ 电机以最大电流升速起动电机以最大电流升速起动注注: i: i环内扰动环内扰动E E随随n(1n(1阶阶) )上升上升, , ACR ACR调调IdId有小

6、静差有小静差恒流调节恒流调节II 阶段阶段 恒转调节恒转调节 n n升至升至超速超速nnnn* * Un0Un0 ASRASR退饱和退饱和(I(I功能功能, ,输出输出) ) 恢复线性调速功能恢复线性调速功能UiUi* ACRACR降降Id Id nn 经衰减波动调节过程经衰减波动调节过程 n=nn=n* *,Id=IL,Id=IL恒速调节恒速调节起动过程起动过程接近理想接近理想准最优准最优恒速调节恒速调节恒流调节恒流调节升速与停车降速 升速：升速： 当当UnUn* *突增时，如突增时，如ASRASR饱和，也有恒流升速。饱和，也有恒流升速。 停车：停车： ASRASR负饱和（负饱和（ 给定降速

7、时也可负饱和）给定降速时也可负饱和） 不可逆直流调速系统：不可逆直流调速系统： IdId不能反向，只能不能反向，只能0 0电流降速。电流降速。 可逆系统：可逆系统： IdId可反向，有恒流制动可反向，有恒流制动动态抗扰性能分析动态抗扰性能分析 抗网压扰动网压扰动在网压扰动在i i环内，其先影响电流，未影响转速时先环内，其先影响电流，未影响转速时先被被i i环检出，这时环检出，这时ASRASR的电流给定的电流给定UiUi* *未变。未变。故故ACRACR先调压以保持电流先调压以保持电流Id=UiId=Ui* */ /- n-i- n-i双闭环双闭环抗网压扰动抗网压扰动比比n n单闭环单闭环快快抗

8、负载扰动负载扰动在负载扰动在i i环外环外只能影响转速后由只能影响转速后由n n环检出，再抑制。环检出，再抑制。但转速调节器通过但转速调节器通过i i环调速，环节增多环调速，环节增多- n-i- n-i双闭环双闭环抗负载扰动抗负载扰动比比n n单闭环单闭环慢慢3.3 调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法主要是动态设计主要是动态设计 跟随性能、抗扰性能跟随性能、抗扰性能电流环：随动系统，重点跟随性电流环：随动系统，重点跟随性 -内环响应影响外环响应内环响应影响外环响应转速环：恒控系统，重点抗扰性转速环：恒控系统，重点抗扰性 跟随（起动已准最优）跟随（起动已准最优） 3.3.13.3.1动态性

9、能指标动态性能指标跟随性：跟随性： 超调超调 调节时间调节时间ts(=5, 2%)抗扰性抗扰性: 最大偏差最大偏差ym 恢复时间恢复时间tv()3.3.2 调节器工程设计工程设计处理工程设计处理近似条件近似条件 c1/ c1/T c3/ T 3 反馈滤波与给定滤波反馈一阶滤波后传函反馈一阶滤波后传函:F/(1+T:F/(1+Tf fs)s)系统闭环传函系统闭环传函: : Wc Wc=(1/F)=(1/F)(1+T(1+Tf fs)s) Wop(s)/1+Wop(s) Wop(s)/1+Wop(s) PD PD项项(1+T(1+Tf fs)s)引起超调引起超调应在给定加一阶滤波应在给定加一阶滤波

10、 1/(1+T1/(1+Tg gs) Ts) Tg g=T=Tf f 消消PDPD项项3.3.3双闭环调节器工程设计方法双闭环调节器工程设计方法 “先内环后外环先内环后外环”1 电流环电流环(调节器调节器)的设计的设计1. 电流环结构图的简化电流环结构图的简化简化简化(1) E(1) E慢变慢变, ,动态可略动态可略(2) (2) 单位负反馈等效单位负反馈等效: :)(1)(1)(1)(111)(sWopsWopsWopsWopsTsTsWclfigi1. 电流环结构图的简化(3)(3)小惯性群合并小惯性群合并Ti = Ts + Tfi开环传函Wiop(s)选选ACRACR为为PI,PI,则开

11、环传函则开环传函: :)1)(1 (/1)(sTsTRKssKsWioplisiipii环动态与参数设计消大惯性消大惯性)1)(1 (/1)(sTsTRKssKs：Wiopilisiipi环开环lTiRKKKispiI阶系统型典型2)1 ()(IsTsKsWiopiIi环动态与参数设计环动态与参数设计对典型对典型2 2阶阶I I型系统型系统工程推荐工程推荐“最优最优”参数参数: :iI21TK特点特点跟随性好跟随性好 （超调（超调4.3%,4.3%,上升上升trtr=4.7T=4.7Ti i 调节调节tsts (5%)=4.1T (5%)=4.1Ti i ）典型 2阶I型最佳系统动态性能1 跟

12、随性好跟随性好:超调小超调小超调超调=4.3%, ts(5%)= 4.14Ti , ts(2%)= 8.43Ti 2 抗扰性差抗扰性差:恢复慢恢复慢m=T/Tl ym2/(1+2m) (Kdd*m)2 Idm2(Ud/R) *(Tn/Tl) tv(5%Im)= 34.7T抗扰分析设受扰设受扰GdGd为积分或大惯性，为积分或大惯性，d为阶跃为阶跃)()()()()(11)(sEsDsGsDsGsGYddopd的跟随偏差扰动偏差由对跟随偏差的积分过程可见由对跟随偏差的积分过程可见跟随超调越大跟随超调越大抗扰恢复越快抗扰恢复越快跟随越快超调越小跟随越快超调越小 抗扰恢复越慢抗扰恢复越慢 跟随性跟随性

13、灵灵 抗扰性抗扰性稳稳 矛盾矛盾 2 2阶阶I I型最优系统型最优系统跟随快跟随快, ,抗扰慢抗扰慢 -电流环重跟随电流环重跟随, ,适合适合2 2阶阶I I型最优型最优最佳最佳2阶电流调节器的实现阶电流调节器的实现给定滤波给定滤波反馈滤波反馈滤波0piiRKR ili/ RTC 0fifi/4RTC )(2ispiTTKRKl2 转速调节器的设计转速调节器的设计1. 电流环的等效sTsKsTsKKsWi21/111/1)1 (1/11)(IiIIicl-等效为一阶惯性v2 单位负反馈等效和小惯性合并fnn2TTTi转速环简化结构mpnmpnTCRKKsTssKsTsTCRssKsWenNn2

14、nnnennnop)1 ()1 () 1()/(1)(ASRASR选选PIPI，则开环传函：，则开环传函：-典型典型3 3阶阶2 2型系统型系统32nnncl)/()/1 (111)(sKTsKsssWnnn闭环系统结构nn/Th记中频宽频率特性频率特性)/6 . 0(/12. 05121”“n2nN2n2NTTK：hThh：Kc推荐超调原则最小常用常用K-h关系与推荐关系与推荐”最佳最佳”参数参数)/5 . 0(/125. 0411n2nN2n2/3NTTK：hTh：Kc推荐最大相裕原则典型典型3阶阶2型最佳系统动态性能型最佳系统动态性能模型模型Kd=R/CeKd=R/Cedd=I=I模型简

15、化：令模型简化：令T Tnn=1=1，KdKd/Tm=1 /Tm=1 对应跟随与抗扰模型如下对应跟随与抗扰模型如下注：仿真后注：仿真后时间量时间量: :* *实际实际T Tnny:y:* *Kd(TKd(Tnn /Tm/Tm） =(R/Ce)(=(R/Ce)(Tn/Tm)/Tm)02468101214161800.20.40.60.811.21.4Step ResponseTime (sec)Amplitude典型典型3阶阶2型最佳系统动态性能型最佳系统动态性能 h=5 h=5 ， K KN N=0.12/T=0.12/Tn n2 2 1 (1 (线性线性) )跟随性跟随性: : 差差 M:

16、M: h=5,k=0.12h=5,k=0.12 step(h,1,1/k,1/k,h,1) step(h,1,1/k,1/k,h,1) 超调大超调大=“37.6%”=“37.6%” ts(5%)= ts(5%)= 9.60T9.60Tn n -实际实际n n环饱和非线性环饱和非线性, ,超调可能较小超调可能较小( h=4, K( h=4, KN N=0.125/T=0.125/Tn n2 2 =“43.4%”,ts(5%)=“43.4%”,ts(5%)=14.7T14.7Tn n ) )典型典型3阶阶2型最佳系统动态性能型最佳系统动态性能2 抗扰性好抗扰性好:恢复快恢复快 h=5 ， KN=0

17、.12/Tn2 M:h=5,k=0.12 step(1/k,1/k,0,1/k,1/k,h,1)ym=1.62Kdd Tn/Tm,nm =1.62*(R/Ce)I*(Tn/Tm) 2nop (Tn/Tm) tv(5%ym)= 9.0T ( 2阶阶34.7T)02468101214161800.20.40.60.811.21.41.61.8Step ResponseTime (sec)Amplitude典型典型3阶阶2型最佳系统动态性能型最佳系统动态性能2 2 抗扰性抗扰性 h=4, Kh=4, KN N=0.125/T=0.125/Tn n2 2 n nm m= = 1.77 1.77* *n

18、 nopop (T(Tn n/T/Tm m)2)2 tv(5% tv(5%y ym m)=13.9T)=13.9T ) )转速调节器的参数计算 nn5 Tnmepn6 . 0TTRCK按按“最小最小”超调及推荐值：超调及推荐值：电路电路参数计算参数计算 0pnnRKR nnn/ RC0fnfn/4RTC设计举例例题3-1电机电机 220V 136A 1460rpm,Ce=0.132V/rpm, 220V 136A 1460rpm,Ce=0.132V/rpm, IdmIdm=1.3In=1.3In整流器整流器:Ks=40,Ts=1.67ms:Ks=40,Ts=1.67ms电枢回路电枢回路:R=0

19、.5O, T:R=0.5O, Tl=30ms, =30ms, 机电机电Tm=180ms, Tm=180ms, 反馈与滤波反馈与滤波 电流电流=0.05V/A Tfi=0.05V/A Tfi=2ms =2ms 转速转速=0.007V/rpm,Tfn=10ms=0.007V/rpm,Tfn=10msI I环环: : 按按2 2阶阶I I型最优参数型最优参数 TTi =Ts+Tfii =Ts+Tfi=3.67ms, =3.67ms, i=Ti=Tl=30ms =30ms Kpi Kpi=R=R* *T Tl/(2/(2KsTKsTi)i) =0.5 =0.5* *30/(230/(2* *4040*

20、 *0.050.05* *3.67)=1.013.67)=1.01 取取Ro=40KRo=40K Ri=KpiRi=Kpi* *Ro=40KRo=40K, , Ci Ci=i/Rii/Ri=30ms/40K =30ms/40K =0.75=0.75F F Cfi Cfi=4Tfi/Ro=4=4Tfi/Ro=4* *2ms/40K 2ms/40K =0.2=0.2F F 跟随指标跟随指标 超调超调=4.3%,ts(2%)=8.4T=4.3%,ts(2%)=8.4Ti i=31ms设计举例例题3-1n环环: 按按3阶阶II型最优参数型最优参数 Tn =2T i +Tfn=2*3.7+10=17.4

21、ms h=5, n=h*T n =5*17.4=87ms Kn=KpnR/(nCeTm)=0.12/T n2 Kpn=0.6(Ce/R)(Tm/T n ) =0.6 *0.05*0.132/(0.007*0.5)*(180/17.4)=11.4 取取Ro=40K Rn=Kpn*Ro=468470K, Cn=n/Rn=87ms/470K=0.1850.2F Cgn=Cfn=4Tfn/Ro=4*10ms/40K =1F 仿真仿真n环实际超调-退饱和超调起动过程起动过程: n超速前超速前ASR饱和饱和Id=Idm n超速后超速后ASR退饱和退饱和线性线性此时如此时如IL=Idm则无超调则无超调, 实

22、际实际 IL= Idm - (Idm-IL),后者引起超调后者引起超调 Id=(Idm-IL)扰动引起的转速偏差扰动引起的转速偏差nm2(R*/Ce)Id(Tn/Tm)nm 2(-z)nN(Tn /Tm) =Idm/In过载系数过载系数 z=IL/In 负载系数负载系数nN=R*In/(Ce)开环额定转速降开环额定转速降例例3-3 nN=0.5*136/0.132=515rpm =170/136=1.25, z=30/136=0.22超速超速nm 2(1.25-0.22)*515*17.4/180= 103rpm 起动到额定起动到额定n=1500rpm, 超调超调=6.9% 1000rpm,

23、10.3% 500rpm 20.6%退饱和退饱和: 超速超速nm与终速无关与终速无关;超调超调与终速有关与终速有关增给定滤波降超调3 3阶阶IIII型闭环传函：型闭环传函：Wcl(sWcl(s)=(1+)=(1+n ns)/()s)/() 分子微分项分子微分项hThTs s引起较大的线性超调引起较大的线性超调 可在给定加滤波器可在给定加滤波器1/(1+1/(1+n ns)s)对消而降超调对消而降超调 32ncl)/()/1 (111)(sKTsKssWnnn闭环 M:step(1,1/0.12,1/0.12,5,1)step(1,1/0.12,1/0.12,5,1)02468101214161

24、800.10.20.30.40.50.60.70.80.91Step ResponseTime (sec)Amplitude增给定滤波降超调注注:1 :1 增给定滤波器在闭环外增给定滤波器在闭环外, ,不影响抗扰性不影响抗扰性 2 2 由于起动由于起动n n环饱和非线性环饱和非线性, ,实际仍有超调实际仍有超调, ,但减小但减小实际电路将其与对消转速反馈的滤波器合并实际电路将其与对消转速反馈的滤波器合并例例: : Tgn=n+Tfn Tgn=n+Tfn =87+10=97ms =87+10=97ms Cgn Cgn=4Tgn/Ro=4Tgn/Ro =4 =4* *97m/40K=1097m/4

25、0K=10F F增给定滤波降超调仿真给定积分器降超调限制给定的变化率可有效降低超调限制给定的变化率可有效降低超调给定积分器给定积分器: :输出以确定的变化率跟踪输入输出以确定的变化率跟踪输入输出变化率输出变化率: : Um/(RC)Um/(RC)由于电路反相由于电路反相, ,给定输入要变极性给定输入要变极性给定积分器降超调仿真给定积分器降超调注注: 1: 1:给定由阶跃变斜坡给定由阶跃变斜坡, ,起动变慢起动变慢, ,无恒流阶段无恒流阶段 2:2:给定积分给定积分在闭环外在闭环外, ,不影响抗扰性不影响抗扰性要求缓变的系统要求缓变的系统, ,常用给定积分以防操作差错常用给定积分以防操作差错.

26、.3.5微分负反馈降超调并并d d负反馈负反馈 f f/(1+T/(1+Tf fs)s) f1/(1+Tf1/(1+Tf fs)s)+d ds/(1+Ts/(1+Td ds)s) 常用常用 T Td d = T = Tf f原理原理参考对象的变化趋势控制参考对象的变化趋势控制, ,提前改变操作量提前改变操作量, ,对象对象上升时减操作量上升时减操作量, ,下降时增操作量下降时增操作量 缓冲变化速度缓冲变化速度 作用作用: :减小超调与扰动偏差减小超调与扰动偏差, ,提高稳定性提高稳定性. . 但调节器速度有所减缓但调节器速度有所减缓 并并D D负反馈如加阻尼，系统变稳负反馈如加阻尼，系统变稳恒

27、值控制恒值控制-软反馈软反馈( (稳态时稳态时0) 0) 改进动态性能改进动态性能, ,不影响稳态性能不影响稳态性能随动控制随动控制硬反馈硬反馈( (输出常变输出常变),),引起调节偏差引起调节偏差, ,不宜使用不宜使用微分负反馈n n并并d d负反馈负反馈电路电路工程推荐工程推荐TdnTdnTfnTfn, , dndn 4T4Tn n dndnnddndnnnnddnnnfnnfnnpniCRTCRnUUsTsUsTUsTssKU0*)11111(1*并联微分负反馈n n并并d d负反馈负反馈起动起动: :恒流阶段，转速上升率恒流阶段，转速上升率: : (R/Ce)(Idm (R/Ce)(I

28、dm-IL)/Tm=-IL)/Tm=(-z)(-z)n nN N/Tm/Tm转速转速d d反馈等效增加量反馈等效增加量 (-z)(-z)n nN N( (dndn /Tm) /Tm) ASR ASR提前退饱和提前退饱和减小超调减小超调 退饱和转速退饱和转速提前量提前量(-z)(-z)n nN N( (dndn /Tm) /Tm) 并联微分负反馈并并d d负反馈工程应用广泛负反馈工程应用广泛 i i环也常用并环也常用并d d负反馈，可平稳电流减小冲击。负反馈，可平稳电流减小冲击。 虽然虽然i i环作为随动系统，并环作为随动系统，并d d负反馈影响到负反馈影响到i i调节精度。调节精度。 但但（1

29、 1）i i为次调量；为次调量； （2 2）并）并d d负反馈作为负反馈作为n n环内的小扰动，对环内的小扰动，对n n调节调节 -稳态不影响，动态影响小稳态不影响，动态影响小仿真仿真结果仿真结果N N环并环并D D负反馈，动态改善良好负反馈，动态改善良好起动超调与抗扰偏差均降低起动超调与抗扰偏差均降低仿真再加再加i i环并环并D D负反馈负反馈 电流冲击减小，对电流冲击减小，对n n环影响不大环影响不大作业22.1 n-i2.1 n-i双闭环中双闭环中n n环是环是主环主环/ /外环外环/ /副环副环,ASR,ASR通过调通过调电流电流/ /电压电压来调转来调转速速,ASR,ASR限幅值对应最大限幅值对应最大转速转速/ /电流电流. . i i环是环是主环主环/ /内环内环/ /副环副环, ,是是n n环环前向前向/ /反馈反馈通道的一环节通道的一环节;ACR;ACR通过调通过调电压电压/ /转速转速来调电流来调电流.2.2 n-i2.2 n-i双闭环起动时双闭环起动时ASR/ACRASR/ACR饱和饱和, ,