直流调速系统-课件(教师版)2-4剖析

2.4按工程设计方法设计

双闭环系统的调节器

本节将应用前述的工程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器。

主要内容系统设计对象系统设计原则系统设计步骤图2-22双闭环调速系统的动态结构框图

转速、电流双闭环调速系统1.系统设计对象-IdL(s)Ud(s)Un+--+-UiACR1/RTls+1RTmsU*I(s)Uc(s)KsTss+1Id1Ce+E

Tois+11

Tois+1ASR1

Tons+1

Tons+1U*n(s)n(s)电流环E(s)

双闭环调速系统的实际动态结构图绘于图2-22，它与前述的图2-6不同之处在于增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。其中Toi

—电流反馈滤波时间常数Ton—转速反馈滤波时间常数

系统设计对象2.系统设计原则系统设计的一般原则

“先内环后外环”

从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。设计分为以下几个步骤：

1.电流环结构图的简化

2.电流调节器结构的选择

3.电流调节器的参数计算

4.电流调节器的实现2.4.1电流调节器的设计1.电流环结构图的简化简化内容忽略反电动势的动态影响等效成单位负反馈系统小惯性环节近似处理

1）忽略反电动势的动态影响

在电流环结构图中，有反电动势E产生的交叉反馈作用，代表转速环输出对电流环的影响，但转速环还未设计，无法考虑。但实际中，所以电流的调节过程比转速快得多，即电流变化比反电动势E快得多，则在设计ACR时作以下处理：在ACR的调节过程中，近似地认为反电动势E基本不变，则在设计电流环时忽略E变化的动态作用。★忽略反电动势的条件：

包含反电动势的部分如右图所示，为方便起见，认为。可见：当时，才会有这时，电流环如下图所示。

Ud(s)+-Ui

(s)ACR1/RTls+1U*i(s)Uc

(s)KsTss+1Id

(s)

Tois+11

Tois+1图2-23a电流环的动态结构图及其化简

忽略反电动势的动态影响所以忽略反电动势的条件为：

如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成U*i(s)/

，则电流环便等效成单位负反馈系统（图2-23b）。

+-ACRUc

(s)Ks

/R

(Tss+1)(Tls+1)Id

(s)U*i(s)

Tois+1图2-23b2）等效成单位负反馈系统

最后，由于Ts

和T0i

一般都比Tl

小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为

T∑i=Ts+Toi

(2-55)

简化的近似条件为

(2-56)

3）小惯性环节近似处理电流环结构图最终简化成图2-23c。

+-ACRUc

(s)Ks

/R

(Tls+1)(Tis+1)Id

(s)U*i(s)图2-23c电流环结构简图2.电流调节器结构的选择

1）典型系统的选择从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由图2-23c可以看出，采用I型系统就够了。从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。

图2-23c表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成（2-57）

式中Ki

—电流调节器的比例系数；

i—电流调节器的超前时间常数。2）电流调节器选择

为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择

则电流环的动态结构图便成为图2-24a所示的典型形式，其中（2-58）（2-59）电流调节器选择KIs(Tis+1)Id

(s)+-U*i(s)校正后电流环的结构和特性

图2-24校正成典型I型系统的电流环

a)动态结构框图

b)开环对数幅频特性:

OL/dBci-20dB/dec/s-1-40dB/decT∑i3.电流调节器的参数计算

式（2-57）给出，电流调节器的参数有：Ki

和

i，其中i

已选定，见式（2-58），剩下的只有比例系数Ki，可根据所需要的动态性能指标选取。参数选择

在一般情况下，希望电流超调量i

≤5%，由表2-2，可选=0.707，KI

Ti=0.5，则(2-60)

(2-61)

再利用式（2-59）和式（2-58）得到

注意：如果实际系统要求的跟随性能指标不同，式（2-60）和式（2-61）当然应作相应的改变。此外，如果对电流环的抗扰性能也有具体的要求，还得再校验一下抗扰性能指标是否满足。电流调节器的参数计算4.电流调节器的实现模拟式电流调节器电路图中

U*i

—电流给定电压；

–Id

—电流负反馈电压；

Uc

—电力电子变换器的控制电压。图2-25含给定滤波与反馈滤波的PI电流调节器

电流调节器电路参数的计算公式(2-62)

(2-63)

(2-64)

电流调节器的实现设计分为以下几个步骤：1.电流环的等效闭环传递函数2.转速调节器结构的选择3.转速调节器参数的选择4.转速调节器的实现2.4.2转速调节器的设计1.电流环的等效闭环传递函数1）电流环闭环传递函数

电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。由图2-24a可知(2-65)

电流环的等效闭环传递函数（续）可见：即而所以由于转速的变化比电流慢得多，所以则，即在转速环的高频段。可以忽略高次项，式（2-65）降阶近似为

(2-66)

近似条件可由式（2-52）求出(2-67)

式中cn

—转速环开环频率特性的截止频率。2)传递函数化简

接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为U*i(s)，因此电流环在转速环中应等效为(2-68)

这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。

3)电流环等效传递函数物理意义：电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。

2.转速调节器结构的选择1）转速环的动态结构用电流环的等效环节代替图2-22中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图2-26a所示。图2-26a转速环的动态结构框图及其简化

n

(s)+-Un

(s)ASRCeTmsRU*n(s)Id

(s)

Tons+11

Tons+1U*i(s)+-IdL

(s)电流环和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成

U*n(s)/，再把时间常数为1/KI和Ton的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中（2-69）

2）系统等效和小惯性的近似处理3）转速环结构简化n

(s)+-ASRCeTmsRU*n(s)Id

(s)/

Tns+1+-IdL

(s)图2-26b等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理

为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中（见图2-26b），现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型Ⅱ型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。

4）转速调节器选择由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为（2-70）

式中Kn

—转速调节器的比例系数；

n—转速调节器的超前时间常数。转速调节器选择这样，调速系统的开环传递函数为令转速环开环增益为（2-72）

则

（2-71）

5）调速系统的开环传递函数6）校正后的系统结构

n

(s)+-U*n(s)图2-26c校正后成为典型II型系统3.转速调节器的参数计算

转速调节器的参数包括Kn

和n。按照典型Ⅱ型系统的参数关系，由式(2-38)

（2-74）

再由式（2-39）

（2-75）

（2-76）

因此

参数选择：至于中频宽h应选择多少，要看动态性能的要求决定。无特殊要求时，一般可选择

4.转速调节器的实现1）模拟式转速调节器电路图2-27含给定滤波与反馈滤波的PI转速调节器图中

U*n

—转速给定电压，

-n—转速负反馈电压，

U*i

—调节器的输出是电流调节器的给定电压。2）转速调节器参数计算(2-77)

(2-78)

(2-79)

转速环与电流环的关系

外环的响应比内环慢，这是按上述工程设计方法设计多环控制系统的特点。这样做，虽然不利于快速性，但每个控制环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有利。

★设计举例例2-1某晶闸管装置放大系数的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电动机：220V、136A、1460r/min，

Ce=0.132Vmin/r，允许过载倍数=1.5。晶闸管装置放大数Ks=40

电枢回路总电阻：R=0.5Ω，时间常数：

Tl=0.03s，Tm=0.18s。

电流反馈系数：β=0.05V/A(≈10V/1.5IdN)

转速反馈系数：α=0.007Vmin/r(≈10V/nN).设计要求：稳态指标：转速无静差；动态指标：电流超调量σi≤5%；空载起动到额定转速时的转速超调量

σn%≤10%。解：（一）电流环的设计1.确定时间常数1）整流装置滞后时间常数Ts：

按表1-2，三项桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s★设计举例2）电流滤波时间常数Toi:

三项桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤平波头，应有（1~2）Toi＝3.33ms，

因此取Toi＝2ms=0.002ms。3）电流环小时间常数Ti:

按小时间常数近似处理，取Ti=Ts+Toi=0.0037s。2、选择电流调节器结构根据设计要求：，而且

因此可按典型I型系统设计。电流调节器选用PI调节器，其传递函数为★设计举例3、选择电流调节器参数ACR超前时间常数：

电流环开环增益：要求时，应取因此rad/s。于是，ACR的比例系数为4、校验近似条件：电流环截止频率

1）晶闸管装置的传递函数近似条件：现在，

满足近似条件。

2）忽略反电动势对电流环影响的条件：现在，

满足近似条件。

3）时间常数近似处理条件：★设计举例现在，

满足近似条件。

5、计算调节器电阻和电容：选取R0=40kΩ，则

Ri=KiR0=1.013*40kΩ=40.52kΩ，取41kΩ。取1μF；取0.22μF；

按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。（二）转速环的设计1．确定时间常数1）电流环等效时间常数为2）转速滤波时间常数根据所用测速发电机纹波情况，取

3）转速环小时间常数按小时间常数近似处理，取2．选择转速调节器结构

由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型II型系统设计转速环。故ASR选用PI调节器，其传递函数为3．选择转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则

ASR的超前时间常数为转速环开环增益

于是，ASR的