直流ni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-性能好、应用广。 各种电拖动自控系统的重要基础。 第第 3 章章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n n环：环： 外环外环, ,主环主环, , 调转速调转速 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 Id IL n n (TemTL) (T

2、emTL) = - = -i i环：内环环：内环, ,辅环辅环, ,调电流调电流 通过调电压来调电流通过调电压来调电流 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）结构结构注意给定与反馈的极性3调节器限幅转速转速ASRASR的限幅值的限幅值= =最大电流给定最大电流给定U U* *imim - -控制最大电流控制最大电流IdmIdm=U=U*imim / /电流反馈系数电流反馈系数电流电流ACRACR的限幅的限幅UcmUcm -决定最大输出电压决定最大输出电压UdmUdm常用电路如图常用电路如图 输出过高则输出过高则D1D1导通导通钳位钳位 使使U

3、oUoUmaxUmax （低（低D2D2UminUmin）限幅也称饱和限幅也称饱和 -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4. 电流检测电流检测(1)交流电流互感器检测交流电流互感器检测电路电路输出单向输出单向, ,不可逆不可逆-检测电流大小检测电流大小(1)直电流互感器检测直电流互感器检测 霍尔器件，可检出方向霍尔器件，可检出方向起动过程分析起动过程分析 I I 恒流调节恒流调节阶段阶段 ASR: ASR: 突加突加UnUn* ，Un=UnUn=Un*-UnUn大值大值 输出输出UiUi*饱和饱和UimUim* 起动过程起动过程: : nnn 0Un 0 PI PI

4、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* */=Idm=Idm 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有小静差有小静差恒流调节恒流调节3.2 双闭环动态性能分析双闭环动态性能分析 II 恒速调节阶段恒速调节阶段 n n升至升至超速超速nnnn* Un0Un0 Ui Ui* (I(I功能功能, ,输出输出) ) ASR ASR退饱和退饱和 恢复线性调

5、速功能恢复线性调速功能 ACRACR降降Id, IdILId, IdILn n 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准最优准最优双闭环的最大电流与转速给定无关双闭环的最大电流与转速给定无关而含电流反馈的单闭环则有关而含电流反馈的单闭环则有关升速与停车降速 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

6、，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，有恒流制动抗网压扰动抗网压扰动网压扰动在网压扰动在i i环内环内，其先影响电流，其先影响电流，未影响转速未影响转速就先就先被被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单闭环单闭环快快动态抗扰性能分析动态抗扰性能分析 抗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

7、，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-in-i双闭环双闭环抗负载扰动抗负载扰动通常比通常比n n单闭环单闭环慢慢系统静特性系统静特性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*/-恒速段恒速段转速调节器饱和转速调节器饱和Ui*=Uim*-恒流段恒流段稳态参数稳态参数mnU*nmdm*imIU3.3 调节器的工程设计方法调节器的工程设计方法工程设计处理工程设计处理近似条件近似条件 c1/ c1/T 1/T c3/ T c3/ T 3 3 反馈滤波与给定滤波反馈滤波与给定滤波1. 电流环设计电流环设计阶系统型典型

8、消大惯性2,)1 ()()( ,1/1111/111)()()(1)(1)(IRTKKKTsTsKsWiopTTTsTRsTKssKsTRsTKsTsWsWiopsWiopsWiopsWcllspiIliiIsfiilisiipilssfiASRE E慢变慢变, ,动态可略动态可略i i环动态参数设计环动态参数设计对典型对典型I I型型2 2阶系统阶系统工程推荐工程推荐“最优最优”参数参数: :liT)2/(1iITK即即ACRACR参数参数: :)(5 . 0)/()(IilSSlTTKRKRTKKpi0piiRKR ii/RCi0figifi/4RTCC电路与参数电路与参数: :给定滤波给

9、定滤波反馈滤波反馈滤波典型典型 I I型型2 2阶阶”最佳最佳”系统动态性能系统动态性能1跟随快，超调小跟随快，超调小 阶跃响应超调阶跃响应超调=4.3%, 调节时间调节时间ts(5%)= 4.1Ti2 抗扰抗扰- 设受扰环节为大惯性设受扰环节为大惯性 ym2 （ Kdd ） (T/Tl ) , TTl 开环偏差开环偏差 时间比时间比恢复时间恢复时间 tv(5%ym)= 34.7T -抗扰慢抗扰慢对比对比I环：环：Idm2(Ud/R) (Ti /Tl ) *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为阶跃扰动为阶跃扰动dpGpGyopd)(1)(扰动偏差等效结构如右中图：等

10、效结构如右中图：扰动偏差扰动偏差yy=跟随误差跟随误差e dte dt由由e,ye,y曲线曲线: :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性跟随性( (灵灵) )与抗扰性与抗扰性( (稳稳) )相矛盾相矛盾 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i i环是环是n n环执行环节，重跟随环执行环节，重跟随, ,适合适合2 2阶阶I I型最优型最优2 转速调节器设计转速调节器设计加给定滤波加给定滤波电流环简化电流环简化sTKssTsKKsWi21/1/1/1)1 (1)(IiIIiclinnenNn2nninennnop2,)1()1()21)(1()/(1

11、)(TTTTCRKKsTssKsTsTsTCRssKsWfmpnfmpnASRASR选选PIPI，则开环传函：，则开环传函： 典型典型2 2型型3 3阶系统阶系统 2nN/12. 05TK：h推荐推荐推荐”最佳最佳”参数参数 记记 h=h=n n/T/Tnn，称中频宽，称中频宽nn5 Tnmepn6 . 0)/()(TTRCRTCKKmenN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1 (1 (线性线性) )跟随性跟随性: : =“37.6%” =“37.6%” ， ts(5%)= ts(5%)= 9.6T9.6Tn n 超调大超调大但起动但起动ASRASR饱和非线性，上述数

12、据不适用饱和非线性，上述数据不适用2 抗扰性好抗扰性好ym=1.62Kdd Tn/Tm, tv(5%ym)= 9.0T -恢复快恢复快对比对比n环，抗负载扰动：环，抗负载扰动：nm =1.62*(R/Ce)I(Tn/Tm) =1.62nop (Tn/Tm) 2.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, Idm220V 136A 1460rpm,Ce=0.132V/

13、rpm, Idm=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=0.5O, Tl: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 T Ti i =Ts+Tfi =Ts+Tfi=3.67ms, =3.67ms, i i=Tl=Tl=3

14、0ms =30ms Kpi Kpi=R=R* *Tl/(2Tl/(2KsTKsTi i)=0.5)=0.5* *30/(230/(2* *4040* *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

15、%)=8.4Ti=31msi=31ms设计举例例题3-1n n环环: : 按按3 3阶阶IIII型最优参数型最优参数 T Tn n =2T =2Ti i+T+Tfnfn=2=2* *3.7+10=17.4ms3.7+10=17.4ms h=5, h=5, n n=h=h* *T Tn n =5=5* *17.4=87ms 17.4=87ms Kn=KpnR/( Kn=KpnR/(n nCeTmCeTm)=0.12/T)=0.12/Tn n2 2 KpnKpn=0.6(Ce/R)(Tm/T=0.6(Ce/R)(Tm/Tn n ) =0.6 =0.6 * *(0.05(0.05* *0.132/0

16、.0070.132/0.007* *0.5)0.5)* *(180/17.4)=11.4(180/17.4)=11.4 取取Ro=40KRo=40K Rn=KpnRn=Kpn* *Ro=468Ro=468470470KK, , C Cn n=n n/Rn/Rn=87ms/470K=87ms/470K=0.185=0.1850.20.2F F C Cgngn=C=Cfnfn=4T=4Tfnfn/Ro=4/Ro=4* *10ms/40K10ms/40K =1=1F F n环实际超调-退饱和超调ASRASR退饱和前退饱和前Id=IdmId=IdmASRASR退饱退饱时如时如IL=IdmIL=Idm则

17、无超调则无超调, , 实际实际 IL= Idm -(IdmIL= Idm -(Idm-IL), -IL), - -超调超调是是“扰动扰动”Id=Id=(Idm(Idm-IL)-IL)引起引起n nm m11。62(R62(R* */Ce/Ce)Id(TId(Tnn/Tm)/Tm) =1 =1。62(-z)62(-z)n nN N(T(Tnn/Tm) /Tm) =Idm=Idm/In/In过载系数过载系数 z=IL/In z=IL/In 负载系数负载系数n nN N=R=R* *In/(CeIn/(Ce) )开环额定转速降开环额定转速降例例3-3 3-3 n nN N=0.5=0.5* *136

18、/0.132=515rpm136/0.132=515rpm =170/136=1.25, z=30/136=0.22=170/136=1.25, z=30/136=0.22超速超速n nm m =1=1。62(1.25-0.22)62(1.25-0.22)* *515515* *17.4/180= 80rpm 17.4/180= 80rpm 退饱和退饱和: : 超速超速n nm m与终速无关与终速无关; ;超调超调与终速有关与终速有关减小减小超调常用方法给定积分器降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

19、/(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给定积分器降超调1: 1: 电机电机:dn/dt=(Id-IL)R/(CeTm:dn/dt=(Id-IL)R/(CeTm) ) dn dn* */dt/dt适当小时适当小时, ,起动起动IdIdm,ASRIdU,U,操作量操作量UcUc减小减小,U,U下降操作量增大下降操作量增大作用作用: :减小超调与扰动偏差幅值减小超调与扰动偏差幅值, ,提高稳定性提高稳定性. . 但调节速度可能有所减缓但调节速度可能有所减缓 并并D D负反馈如加阻尼，系统变稳负反馈如加阻尼，系统变稳恒值控制系统的恒值控制系统的d d反馈为反馈为软软反馈反馈