双闭环直流调速系统

1、1引言在工业生产中，许多生产机械为了满足生产工艺要求，需要改变工作速度：例如，金属切削机床，由于工件的材料、被加工的尺寸和精度的要求不同，速度就不同。另外轧钢机，因为轧制品种和材料厚度的不同，也要求采用不同的速度。生产机械的调速方法可以采用机械的方法取得，但是机械设备的变速机构较复杂，所以在现代电力拖动中，大多数采用电气调速方法。电气调速就是对机械的电动机进行转速调节，在某一负载下人为地改变电动机的转速。直流电动机具有良好的起动、制动性能，适宜在较大范围内调速在许多需要高性能可控电力拖动领域中得到广泛的应用。近年来交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从反馈闭环

2、控制的角度来看，它是交流拖动控制系统的基础，所以应该很好地掌握直流调速系统。目前，转速电流双闭环控制直流调速系统是性能很好应用最广泛的直流调速系统。我们知道采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足需要。所以需要引入转速电流双闭环控制直流调速系统，本文着重研究其控制规律性能特点和设计方法。首先介绍转速电流双闭环调速系统的组成，接着说明该系统的静特性和动态特性，最后用工程方法设计转速与电流两个调节器。在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，首先要具有较高的机电能量转换效率；其次应能

3、根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此，调速技术一直是研究的热点。2双闭环直流调速系统介绍2.1闭环调速系统的组成根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统可以大大减少转速降落。图2.1 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图上图为带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图。在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机TG ，从而得出与

4、被调量转速成正比的负反馈电压，与给定电压相比较后，得到转速偏差电压，经过放大器A，产生控制电压输入到电力电子变换器UPE中，用来控制电动机转速。图中，UPE是由电力电子器件组成的变换器，它的输入端接三相交流电源，输出为可控的直流电压。2.2转速电流双闭环直流调速系统的组成采用PI调节器组成速度调节器ASR的单闭环调速系统，既能得到转速的无静差调节，又能获得较快的动态响应。从扩大调速范围的角度来看，他已基本满足一般生产机械对调速的要求。但是对于系统的快速启动、突加负载动态速降等，单闭环系统还不能满足要求。有些生产机械经常处于正反转工作状态，为了提高生产率，要求尽量缩短启动、制动和反转过度过程的时

5、间，当然可用加大和过渡过程中的电流，即加大动态转矩来实现，但电流不能超过晶闸管和电动机的允许值。为了解决这个矛盾，可以采用电流截止负反馈环节。它与转速负反馈调速系统结合在一起，可以专门用来控制电流。但它只能是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，由于电流截止负反馈只能限制最大电流，电动机转矩也随电流的减小而下降，使启动加速过程变慢，启动的时间也比较长，带电流截止负反馈的单闭环调速系统启动过程的波形如图2.2a）所示。为了提高生产率和加工质量，要求大量缩短其过渡过程的时间。我们希望能充分利用电动机所允许的过载能力，使启动时的电流保持在最大允许值上，电动机输出最大转矩，从而转矩可

6、直线迅速上升，到达稳态转速后，迫使电流迅速下降，使转矩与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形示于图2.2b）。其中b）比a）中调节时间要小，为了能实现在允许条件下最快启动，依照反馈控制规律，采用转速、电流双闭环调速系统能够达到上述要求。 a）带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程 b）理想的快速起动过程图2.2 直流调速系统起动过程的电流和转速波形 为了实现转速和电流的调节作用，在系统中设置了两个调节器，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。两者之间实行串级连接,转速和电流双闭环调速系统如图2.3所示。从图中可看出，本系统具有两个反馈回路，称为双闭环。其中

7、一个只由电流调节器ACR及电流检测反馈环节构成的电流环，另一个是由转速调节器ASR和转速检测反馈环节构成的速度环。从结构上分析知道，转速环包围电流环，故又称电流环为内环，称转速换为外环。在电路中ASR和ACR实行串级连接，即由ASR控制ACR，而ACR又控制触发电路，图中ASR和ACR均采用比例积分（PI）调节器，其输入和输出均采用限幅电路。图2.3 转速电流双闭环直流调速系统ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机TA电流互感器 UPE电力电子变换器转速给定电压 转速反馈电压电流给定电压 电流反馈电压3双闭环直流调速系统的工作原理3.1双闭环调速的工作过程电动机在启动阶段，电动机的

8、实际转速低于给定值，速度调节器的输入端存在一个偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值，速度调节器工作在开环状态，速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器，此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号，直流电压迅速上升，电流也随即增大到最大给定值，电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电流可以通过调节速度调节器的输出限幅值来改变。在电动机转速上升到给定转速后，速度调节器输入端的偏差信号减小到近似于零，速度调节器和电流调节器退出饱和状态，闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动，速度调节器输入端产生的偏差信号通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压，使整流桥输出的直流电压相

9、应变化，从而校正电动机的转速偏差。转速和电流双闭环直流调速系统的电路原理图如图3.1所示。 图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还标出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。图3.1 双闭环直流调速系统电路原理图3.2双闭环直流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框图，如图3.2所示。它可以很方便地根据原理图（见图3.1）画出来，其中 PI调节器

10、用带限幅的输出特性表示，这种PI调节器在工作中一般存在两种情况：饱和输出达到限幅值，不饱和输出未达到限幅值。这样的稳态特性是分析双闭环调速系统的关键。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；因此，当调节器饱和后，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的作用使输入偏差电压在稳态时总为零。 Ks a 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R b ACR-UiUPE图3.2 双闭环直流调速系统的稳态结构框图a转速反馈系数; b 电流反馈系数实际上，双闭环调速系统在正常运行时，电流调节器是

11、不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。（1）转速调节器不饱和在正常情况下，两个调节器都不饱和，稳态时，依靠调节器的调节作用，它们的输入偏差电压都是零，因此系统具有绝对硬的静特性，即由第一个关系式可得 (3-1)从而得到图3.3所示静特性的CA段。由于ASR不饱和，从上述第二个关系式可知。这表明，CA段特性从理想空载状态的一直延续到，而一般都是大于电动机的额定电流的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。（2）转速调节器饱和当电动机的负载电流上升时，转速调节器的输出也将上升，当上升到某一数值（）时，ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对

12、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节系统。稳态时 (3-2)其中，最大电流是由设计者选定的，取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。式(3-2)所描述的静特性对应于图3.3中的AB段，它是一条垂直的特性。这样的下垂特性只适合于的情况，因为如果，则，ASR将退出饱和状态。由以上分析可知，双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到时，对应于转速调节器ASR的饱和输出，这时，电流调节器ACR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

13、。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要强得多。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大。静特性的两段实际上都略有很小的静差，见图3.3中的虚线。总之，双闭环系统在突加给定信号的过渡过程中表现为恒值电流调节系统，在稳定和接近稳定运行中表现为无静差调速系统，发挥了转速和电流两个调节器的作用，获得了良好的静、动态品质。图3.3双闭环直流调速系统的静特性3.3双闭环调速系统的动态特性3.3.1 双闭环调速系统的启动过程分析我们知道设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于图2.2b) 所示的理想起动过程，因此在分析双闭环直流调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。

14、双闭环直流调速系统突加给定电压时的启动过程，由静止状态启动时系统中各物理量的过渡过程 如图3.4所示。由于在启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，整个启动的过渡过程也就分为三个阶段，在图中分别标以、三个阶段。第阶段是电流上升的阶段（0） 突加给定电压后，通过两个调节器的控制作用,使都上升，当后，电动机开始起动。由于电动机机电惯性的作用，转速n及转速反馈信号的增长较慢，因而转速调节器ASR的输入偏差电压数值较大，使其输出很快达到限幅值。尽管在启动过程中转速反馈信号 不断上升，但只要其未超过给定值，则ASR输入偏差信号的极性保持不变，使其输出一直处于限幅值，这相当于速度环处

15、于开环状态，ASR对系统的作用只是对电流调节环发出最大电流指令。当电流达到时，电流反馈电压与给定电压相平衡，电流调节器ACR的作用使不再迅猛增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR由不饱和很快饱和，ACR一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。第阶段是恒流升速阶段（） 这是启动过程的主要阶段，从电流上升到最大值开始，到转速升到给定值（即静特性上的）为止。在这个阶段中，由于ASR的输入偏差一直为正，使其输出一直为饱和的，转速环相当于开环，系统只剩下电流环单闭环工作，表现为在恒值电流给定作用下的电流调节系统，ACR的调节作用使电流基本上保持恒定，若负载转矩恒定，则电动机的加速恒定，转速和电

16、动势都按线性规律增长。对电流调节系统来说，电动势E相当于一个线性渐增的扰动，为了保持恒定，晶闸管整流装置的输出电压和控制也必须基本上按线性增长。由于电流调节器是PI调节器，要使其输出按线性增长，其输入偏差电压必须维持一个恒值，使ACR的积分起作用，因此，应略低于。为了保证电流环的这种调节作用，在这一阶段中电流调节器是不能饱和的，晶闸管整流装置也不应饱和。第阶段是转速调节阶段（以后）这个阶段从电动机转速上升到给定值时开始。此时转速调节器的给定电压与反馈电压相平衡，输入偏差电压零，但其输出却由于积分的记忆作用还维持在限幅值，所以电动机仍在最大电流下加速，必然产生转速超调。转速超调以后，ASR输入偏

17、差电压变负，使其输出电压被迫迅速下降而退出饱和状态。由于从限幅值迅速下降，使电流也从下降。但是，由于仍大于负载电流，在一段时间内，电动机的转速仍继续上升。到时刻，负载转矩和电磁转矩平衡，即，dn/dt=0，转速n上升到最大值。此后，电动机在负载阻力矩作用下开始减速，与此相应，在时间内，直到稳定。在最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，同时起调节作用。由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，电流调节在内环，ACR的作用是力图使尽快地跟随ASR的输出量，或者说，ACR处于从属地位，电流内环是一个电流随动系统。图3.4双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形3.3.2双闭环直流调速系统启动

18、过程的特点综上所述，双闭环调速系统在突加给定电压时的启动过程有以下特点：（1）饱和非线性控制随着转速调节器ASR的饱和与不饱和，调节系统处于完全不同的运行状态。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，系统是一个无静差调速系统，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。分析和设计这类系统时应采用分段线性化的方法，而且分析这类系统的动态性能时，必须注意初始状态，初始状态不同，同样系统的动态响应过程是不相同的。（2）时间准最优控制。启动过程中主要阶段是第阶段即恒流升速阶段，其特征是保持电流为允

19、许的最大值，以便允许发挥电动机的过载能力，使启动过程尽可能快。这样，使系统在最大电流受限制的约束条件下，实现了“最短时间控制”，或称“时间最优控制” 。但是，这里只是实现了时间最优控制的基本思想，整个启动过程与图1.2b）的理想启动过程相比还有一些差距，启动过程的第，两个阶段电流不能突变，不是按时间最优控制的。但这两段在整个启动时间中一般并不占主要地位，已无伤大局，所以双闭环调速系统的启动过程可以称为“时间准最优控制” 。采用饱和非线性控制策略实现时间准最优控制是非常有实用价值的，在各种多环控制系统中得到普遍应用。（3）转速超调。由于采用了饱和非线性控制，启动过程进入第阶段即转速调节阶段后，必

20、须使ASR退出饱和才能真正发挥线性调节的作用。根据具有限幅输出的PI调节器的相应特征，只有使转速超调，ASR的输入偏差电压改变极性，才能使ASR退出饱和。因此，采用PI调节器的双闭环调速系统转速的动态响应一定有超调。3.3.3控制系统的动态性能指标生产工艺对控制系统动态性能的要求经折算和量化后可以表达为动态性能指标。自动控制系统的动态性能指标包括对给定输入信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标。（1）跟随性能指标在给定信号的作用下，系统输出量的变化情况可用跟随性能指标来描述。对于不同变化方式的给定信号，其输出响应也不一样。通常，跟随性能指标是在初始条件为零的情况下，以系统对单位阶跃输

21、入信号的输出响应为依据提出的。具体的跟随性能指标有上升时间、超调量和调节时间。上升时间图3.5绘出了阶跃响应的跟随过程，图中的是输出量C的稳态值。在跟随过程中，输出量从零起第一次上升到所经过的时间称作上升时间，它表示动态响应的快速性。图3.5 典型阶跃响应曲线和跟随性能指标超调量与峰值时间在阶跃响应过程中，超过以后，输出量有可能继续升高，到峰值时间是达到最大值，然后回落。超过稳态值的百分数叫做超调量，即 (3-3)超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，相对稳定性越好。调节时间。调节时间又称过渡过程时间，它衡量输出量整个调节过程的快慢。原则上它应该是系统从给定信号阶跃变化起，到输出量完全稳定下

22、来为止的时间，对于线性 控制系统，理论上要到才稳定，但实际上由于存在各种非线性因素，过度过程到一定时间就终止了。为了在线性系统阶跃响应曲线上表示调节时间，认定稳态值上下的范围为允许误差带，将输出量达到并不再超出该误差带所需的时间定义为调节时间。显然，调节时间既反映了系统的快速性，也包含着它的稳定性。（2）抗扰性能指标控制系统稳态运行中，突加一个使输出量降低的扰动量后，输出量由降低到恢复的过渡过程是系统典型的抗扰过程，如图3.6所示。常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间。图3.6 突加扰动的动态过程和抗扰性能指标动态降落 系统运行时，突加一个约定的标准负扰动量，所引起的输出量最大降落值称作动态

23、降落。一般用占输出量原稳态值的百分数来表示。输出量在动态降落后逐渐恢复，达到新的稳态值，（）是系统在该扰动作用下的稳态误差，即静差。动态降落一般都大于稳态误差。调速系统突加额定负载扰动时转速的动态降落称作动态速降；恢复时间从阶跃扰动作用开始，到输出量基本上恢复稳态，距新稳态值之差进入某基准值的的（或取）范围之内所需的时间，定义为恢复时间。其中称作抗扰指标中输出量的基准值，视具体情况而定。如果允许的动态降落较大，就可以新稳态值作为基准值。如果允许的动态降落较小，例如小于5%（这是常有的情况），则按进入范围来定义的恢复时间只能为零，就没有意义了，所以必须选择一个比稳态值更小的作为基准。实际控制系统

24、对于各种性能指标的要求是不同的。一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而跟随系统的动态指标则以跟随性能为主。4双闭环直流调速系统的设计方法4.1 双闭环直流调速系统的原理框图我们设计的转速、电流双闭环直流调速系统的原理框图，如图4.1所示。这个框图含有滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。其中为电流反馈滤波时间常数；为转速反馈滤波时间常数。图4.1 双闭环调速系统的原理框图因为电流检测信号中含有交流分量，所以为了不让它影响调节器的输入，必须加低通滤波。这个滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，以滤平电流检测信号。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的

25、作用，为了平衡这个迟延作用，在给定信号通道上加上一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。它的目的是让给定信号和反馈信号经过相同的延时，使二者在时间上恰好匹配。经过测速发电机得到的转速反馈电压含换向纹波，因此也需要滤波，它和电流环原理一样，在转速给定通道上也加入滤波环节。4.2典型系统4.2.1典型I型系统作为典型I型系统，其开环的传递函数为 (4-2)式中为系统的惯性时间常数；为系统的开环增益。选择它作为典型的I型系统是因为它的结构简单，而且对数幅频特性的中频段以的斜率穿越线，只要参数的选择能保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳定的，且有足够的稳定裕量。显然，要做到这一点，应在选择参数时

26、保证或 于是，相角稳定裕度它的闭环系统系统结构框图如图4.2a）所示。而图4.2b）表示它的开环对数频率特性。 a）闭环系统结构框图 b）开环对数频率特性图4.2 典型型系统2典型II型系统典型II型系统的开环传递函数为 (4-3)它的闭环系统结构框图和开环对数频率特性如图4.3所示。 a）闭环系统结b）开环对数频率特性图4.3 典型型系统在典型II型系统中，它的中频段也是以-20dB/dec的斜率穿越0dB线。由于分母中的相频特性是-180,后面还有一个惯性环节，如果不在分子添上一个比例微分环节，就无法把相频特性抬到-180线以上，也就无法保证系统稳定，要实现图4.3 b）中的特性，显然应保

27、证或 而相角裕度为比T大得多，则系统的稳定裕度越大。通过上面的叙述我们知道典型I型系统和典型II型系统除了在稳态误差上的区别外，一般来说，在动态性能中典型I型系统的跟随性能的超调量小，但抗扰性能稍差；而典型II型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。这是设计时选择典型系统的重要依据。4.3电流调节器的设计方法4.3.1电流环结构框图在双闭环调速系统中，系统的电磁时间常数远小于机电时间常数，因此，转速的变化远比电流变化慢，对电流环来说，反电动势的扰动变化较慢，在电流的瞬变过程中,反电动势基本不变，即。所以，在设计电流环时，不需要考虑反电动势变化的动态影响。如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效

28、地转移到电流环内，同时把给定信号改成/，那么电流环就等效成单位负反馈系统。最后，由于和一般比小得多，可以看作是一个惯性环节。则电流环结构框图如图4.4所示。图4.4电流环结构框图4.3.2电流调节器结构的选择根据稳态要求，希望电流无静差，然而根据动态要求，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，所以，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型I型系统。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。它的传递函数为 (4-4)式中K为电流调节器的比例系数；为电流调节器的超前时间常数。为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点

29、抵消，选择 (4-5)则电流环的动态结构框图便校正为图4.5所示。(4-6)图4.5 校正后的电流环动态结构框图图4.6绘出了校正后电流环的开环对数幅频特性。上面的结果是在一系列假定条件下得到的。图4.6 校正后电流环的开环对数幅频特性 4.3.3电流调节器PI型电流调节器原理图如图4.7所示。图中为电流给定电压,为电流负反馈电压,调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压。图4.7 PI型电流调节器4.4转速调节器的设计方法4.4.1电流环的等效闭环传递函数电流环经过简化后可看成是转速环中的一个环节，那么，需求出它的闭环传递函数。由图4.5可知 (4-7)忽略高次项，可降阶近似为 (4-8)接

30、入转速环内，电流环等效环节的输入量应为，因此电流环在转速环中应等效为 (4-9)4.4.2转速调节器结构的选择用电流环的等效环节代替图4.1中的电流环后，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/，再把时间常数为/和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 (4-10)则转速环结构框图可简化成图4.8。图4.8 用等效环节代替电流环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。现在扰动作用点后面有一个积分环节，所以转速环开环传递函数共有两个积分环节，所以应设计成典型型系统，这样的系统同时也能满足

31、动态抗扰性能好的要求。所以，ASR也应该采用PI调节器，它的传递函数为 (4-11)式中K为转速调节器的比例系数； 为转速调节器的超前时间系数。不考虑负载扰动时，校正后的调速系统动态结构框图如图4.9所示图4.9校正后的转速环4.4.3转速调节器PI型转速调节器原理图如图4.10所示。图中U为转速给定电压，-n为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节器的给定电压U。图4.10 PI型转速调节器4.5转速调节器与电流调节器的作用4.5.1转速调节器的作用（1）使电动机转速 n 跟随给定电压变化，保证稳态无静差。（2）对负载扰动起抗扰作用。（3）其输出限幅值决定允许的最大电流，在启动时给出最大电流给定信号。4.5.2电流调节器的作用（1）在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压变换。（2）对电网电压扰动起及时抗扰作用。（3）启动时保证获得恒定的最大允许电流。（4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起到快速的安全保护作用。5结论通过上述研究知，转速、电流双闭环调速系统的主要优点是：系统的调整性能好，又很硬的静特性，基本上无硬差；动态响应快，启动时间短；系统的抗干扰能力强；两个调节器可分别设计，调整方便。所以，它在自动调速系统中得到了广泛的应用。本文研究的是转速、电流双闭环直流调速系统的设计方法，在设计中，使我对转速、电流双闭环直流调速系统的组成、数学模型、静特性和动态性能有了