转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法.ppt

1、速度和电流双闭环DC速度控制系统和调节器的工程设计方法，电驱动自动控制系统，第二章，概述，速度和电流双闭环DC速度控制系统是应用最广泛的性能良好的DC速度控制系统。本章重点介绍其控制规律、性能特点和设计方法，这些是各种交流和DC电气传动自动控制系统的重要基础。我们将重点研究：转速和电流双闭环DC调速系统的数学模型及其静态特性和动态性能分析调节器的工程设计方法。根据工程设计方法，设计了双闭环系统调节器弱磁控制的DC速度控制系统。概述2.1介绍了转速电流双闭环DC调速系统及其静态特性。第一章说明了带转速负反馈和PI调节器的单闭环DC速度控制系统在保证系统稳定性的前提下，可以实现转速无静差。然而，如

2、果要求系统的动态性能很高，例如，要求快速制动、突然的负载动态速度下降很小等。单闭环系统不能满足需要。主要原因是电流和转矩的动态过程不能在单闭环系统中任意控制。在单闭环DC调速系统中，电流截止负反馈环节专门用于控制电流，但它只能在超过临界电流值Idcr后通过强负反馈来限制电流的影响，不能很好地控制电流的动态波形。b)理想快速起动过程，id1，n，Idm，a)具有电流截止负反馈的单闭环速度控制系统，图2-1 DC速度控制系统起动过程中的电流和速度波形，2。理想起动过程，IdL，n，Idm，Idcr，n，n，性能比较，带电流截止负反馈的单闭环DC调速系统的起动过程如图所示。启动电流达到最大值IDM后

3、，由于电流负反馈，电机的电磁转矩减小，加速过程延长。图2-1a)具有电流截止负反馈的单闭环速度控制系统的性能比较(续)。理想的启动过程波形如图所示。此时，启动电流呈方波，转速线性增加。当最大电流(扭矩)受限时，这是速度控制系统能够获得的最快启动过程。图2-1b)理想快速启动过程3。解决方案：为了在允许的条件下实现最快的启动，关键是获得一个恒定的电流过程，使电流保持在最大值Idm。根据反馈控制定律，某一物理量的负反馈可以用来保持该量基本不变，那么电流负反馈应该用来获得一个近似恒定的电流过程。现在的问题是我们希望实现控制：在启动过程中，只有电流负反馈，没有速度负反馈。在稳态下，只有转速负反馈，没有

4、电流负反馈。如何用转速和电流实现这种负反馈，使它们只在不同的阶段工作？2.1.1速度、电流双闭环DC速度控制系统组成，为了分别实现速度和电流两种负反馈功能，可以在系统中设置两个调节器，分别调节速度和电流，即分别引入速度负反馈和电流负反馈。嵌套(或级联)连接在两者之间实现，如下图所示。本文分析了双闭环DC速度控制系统的电流和速度，指出双闭环DC速度控制系统的电流和速度与单闭环DC速度控制系统的电流和速度相同。ASR速度调节器ACR电流调节器TG转速发电机ta电流互感器UPE电力电子变换器，n，I，在图中，速度调节器的输出作为电流调节器的输入，然后电流调节器的输出用于控制电力电子变换器UPE。从闭

5、环结构来看，电流环在内部，称为内环。速度环在外面，叫做外圈，系统原理图，图2-3双闭环DC调速系统电路原理图、TG、u * n、r0、r0、UC、UI、ri、ci、r0、r0、and、Rn、cn、ASR、ACR、lm、rp1、UN、u * I、lm、m、ta、id、ud、UPE、如图所示，两个调节器的输出都是有限的。速度调节器ASR的输出限制电压确定当前给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限制电压Ucm限制电力电子转换器的最大输出电压Udm。3。限制电路、二极管箝位外部限制电路、和、和、和、和、和、和、和、和、和、和、和根据上图的原理，只要注意使用带削波的输出特性来表示PI调节器，就可以很

6、容易地画出它。分析静态特性的关键是掌握这种比例积分调节器的稳态特性。1。系统稳态结构框图，图2-4双闭环DC速度控制系统稳态结构框图-速度反馈系数-电流反馈系数，KS，1/CE，U * N，UC，ID，E，N，UD0，UN，ASR，U * I，IDR，R，ACR，UI，UPE，2。极限效应，有两种情况：饱和输出达到极限值。当调节器饱和时，输出是恒定的，输入量的变化不再影响输出，除非有反向输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和调节器暂时切断输入和输出之间的连接，这相当于打开调节器环路。当调节器未饱和时，不饱和的输出未达到极限值，如第1.6节所述，PI动作使输入偏置电压在稳态下始终为零。事实上，

7、在正常运行期间，电流调节器不会达到饱和状态。因此，对于静态特性，只有饱和和非饱和两种情况的速度调节器。双闭环DC速度控制系统的静态特性如图所示，(1)速度调节器未饱和，公式中有速度和电流反馈系数。从第一个关系式，可以得到上图中静态特性的CA段。(2-1)、水平特性的静态特性，同时，由于ASR不饱和，U*iU*im，从上述第二种关系，IdU * n，ASR将退出饱和状态。4。在两个调节器的作用下，双闭环速度控制系统的静态特性在负载电流小于Idm时表现出无静态速度差，此时，速度负反馈在调节中起主要作用。当负载电流达到Idm时，速度调节器饱和，电流调节器起主要调节作用。该系统显示电流没有静态差异，并

8、由过电流自动保护。这是使用两个PI调节器形成两个闭环的效果，一个在内部，另一个在外部。这种静态特性明显优于具有电流截止负反馈的单闭环系统。然而，实际上，运算放大器的开环放大系数并不是无限的，特别是当使用“准PI调节器”来避免零点漂移时，这两段静态特性实际上是略有微小的静态差异，如上图中的虚线所示。2.1.3计算各变量的稳态工作点和稳态参数。在双闭环速度控制系统的稳态操作中，当两个调节器都不饱和时，变量具有以下关系、(2-3)、(2-5)、(2-4)。上述关系表明，在稳态工作点，转速n是由给定电压U*n确定的ASR输出U*i，由负载电流IdL确定的控制电压Uc，并且控制电压Uc的大小取决于n和I

9、d，或者U*n和IdL。这些关系反映了PI调节器和p调节器之间的差异。比例环节的输出总是与其输入成比例，而比例积分调节器反馈系数计算，鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环系统的静态差完全不同，但与无静态差的系统相似，即与反馈值相关的反馈系数是根据各调节器的给定值计算的：转速反馈系数，电流反馈系数，(2-6)，(2-7)， 两个给定电压的最大值U*nm和U*im由设计者选择，设计原则如下：U*nm受运算放大器和稳压电源允许输入电压的限制； U*im是ASR的输出限幅值。2.2双闭环DC调速系统的数学模型和动态性能分析，本节总结了双闭环DC调速系统的动态数学模型，起动过程分析，动态抗

10、扰性能分析，两个调节器的作用，速度和电流，2.2.1双闭环DC调速系统的动态数学模型，基于单闭环DC调速系统的动态数学模型，考虑双闭环控制的结构，可以绘制双闭环DC调速系统的动态结构框图，如下图所示。1。系统动态结构，图2-6双闭环DC调速系统动态结构框图，U * n、UC、-IDL、n、UD0、UN、UI、WASR (S)、WACR (S)、KS、TSS1、1/R、TLS1、R、TMS、U * I、ID、1/Ce、E、2。数学模型，图中WASR(s)和WACR(s)分别代表速度调节器和电流调节器的传递函数。如果使用比例积分调节器，将会出现、2.2.2启动过程分析。如前所述，建立双闭环控制的一

11、个重要目的是获得接近理想的起动过程。因此，在分析双闭环速度控制系统的动态性能时，有必要首先讨论其启动过程。当双闭环DC调速系统在给定电压下从静态突然启动时，转速和电流的动态过程如下图所示。图2-7双闭环DC调速系统启动时的速度和电流波形。1.在启动过程中，调速器ASR经历了不饱和、饱和和去饱和三种状态，整个动态过程分为图中所示的三个阶段：一、二、三。在第一阶段(0t1)，当电流上升时，在突然施加给定电压U*n后，电流Id上升。当Id小于负载电流Id1时，电机还不能旋转。当IdIdL时，电机启动。由于机电惯性的作用，转速不会快速增加，因此转速调节器ASR的输入偏差电压仍然较大，其输出电压保持极限

12、值U*im，迫使电流id快速上升。id1，Id，n，n *，IDM，o，o，I，ii，iii，T4，T3，T2，t1，t，t，第一阶段(续)，第一阶段(续)，直到Id=Idm，Ui=U*im电流调节器迅速抑制了Id的增长，标志着这一阶段的结束。在这个阶段，ASR迅速进入并保持饱和，而ACR通常是不饱和的。第二阶段，恒定电流加速阶段(t1t2)，在该阶段，ASR总是饱和的，速度环相当于一个开环，系统成为由恒定值电流U*im给出的电流调节系统，并且电流Id基本保持恒定，因此系统的加速度是恒定的，并且速度线性增加。Idl，Id，n *，IDM，o，o，I，II，IIi，T4，T3，T2，t1，t，t，第二阶段(续)，第二阶段(续)。同时，电动机的反电动势e也线性增加。对于电流调节系统，e是线性增加的扰动。为了克服其干扰，Ud0和Uc也必须大幅线性增加，以保持id不变。当交流发电机采用比例积分调节器时，为了使其输出线性增加，其输入偏置电压必须保持一定的恒定值，即Id