第二章双闭环直流调速系统(20100901OK)

理想起动过程波形如图所示，起动电流呈方形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得最快起动过程。b)理想的快速起动过程IdLntIdOIdmn理想起动过程（续）3.PI调节器局部饱和PI调节器的输入端有稳定不变的输入信号、有变化较快的电流反馈信号、有变化较慢的转速反馈信号相叠加，双方相互牵制，调节器局部饱和，启动电流没有得到改善，使静特性变软。4.解决思路

为实现在允许条件下最快起动，关键要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。希望实现：起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈。稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。

4.解决思路（续）2.1.1转速、电流双闭环直流调速系统组成为实现转速和电流两种反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，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。从闭环结构看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环，这就形成转速、电流双闭环调速系统。+TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG转速、电流双闭环直流调速系统结构1.系统组成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—电力电子变换器内环外环ni2.系统原理双闭环直流调速系统电路原理图

++--TG+-+-RP2U*nR0R0UcUiRiCi++-R0R0RnCnASRACRLMRP1UnU*iLM+MTAIdUdMTGUPE+-+-转速调节器ASR的输出限幅电压U*im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Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。2.系统原理3.电流检测电路电流检测电路TA---电流互感器TA1.从静态特性上看：

ASR不饱和：电流负反馈产生的速降由ASR的PI调节器消除；ASR饱和：外环失去作用，电流环起作用，恒流调节，特性变陡。2.从动态响应过程看：突加给定信号，ASR饱和，转速产生超调，利用ASR饱和非线性控制，转速负反馈作用隔断，系统变为恒流调节系统3.从动态稳定性看：先设计内环，后设计外环。2.1.2双闭环调速系统动、静态品质2.1.3限幅输出的PI调节器的动态响应采用PI调节器的自动调节系统PI调节器的动态响应PI调节器的动态响应对于PI调节器，经过tm时间，输出u达到限幅值分三种情况。1）是阶跃信号，PI饱和；2）衰减缓慢，PI饱和；3）衰减很快，PI不饱和。结果：1）调节对象滞后时间常数远大于调节器时间常数时，衰减缓慢；2）调节对象滞后时间常数远小于调节器时间常数时，衰减很快。双闭环直流调速系统的稳态结构框图—转速反馈系数

—电流反馈系数

Ks

1/CeU*nUcIdEnUd0Un++-ASR+U*i-IdR

R

ACR-UiUPE2.1.3双闭环系统稳态结构和静特性

1.限幅作用

1）饱和---输出达到限幅值当调节器饱和，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；即饱和调节器暂时隔断输入和输出，相当于该环开环。2）不饱和---输出未达到限幅值当调节器不饱和，PI调节器的作用使输入偏差电压在稳态时总是零。

2.系统静特性实际上，在正常运行时，电流调节器是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。

双闭环直流调速系统静特性

n0IdIdmIdNOnABCA.转速调节器不饱和式中，---

转速和电流反馈系数。得到静特性CA段。

ASR不饱和，U*i>U*im，可知:Id<Idm。这就是说，CA段静特性从理想空载状态Id=0一直延续到Id=Idm

，而Idm

一般都大于额定电流IdN

。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。

A.转速调节器不饱和

ASR输出达到限幅值U*im

，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不产生影响。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

式中，最大电流Idm

由设计者选定，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。

这样的下垂特性只适合于n<n0的情况，因为如果n>n0，则Un>U*n

，ASR将退出饱和状态。B.转速调节器饱和2.1.4各变量稳态工作点和稳态参数

双闭环系统稳态工作，两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系:

转速n是由给定电压U*n决定的；ASR的输出量U*i是由负载电流IdL决定的；控制电压Uc

的大小则同时取决于n和Id，或取决于U*n

和IdL。反馈系数计算

双闭环系统稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而和无静差系统稳态计算相似，根据各调节器给定与反馈值计算有关的反馈系数：

转速反馈系数

电流反馈系数

两个给定电压的最大值U*nm和U*im由设计者选定，设计原则如下：U*nm

受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制；U*im为ASR的输出限幅值。2.2双闭环直流调速系统数学模型和动态性能分析本节提要双闭环直流调速系统的动态数学模型起动过程分析动态抗扰性能分析转速和电流两个调节器的作用1.系统动态结构双闭环直流调速系统动态结构图

U*n

Uc-IdLnUd0Un+--

-UiWASR(s)WACR(s)Ks

Tss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E2.2.1双闭环直流调速系统动态数学模型2.数学模型图中WASR(s)和WACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用PI调节器，则有2.2.2起动过程分析

双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形

n

OOttIdm

IdL

Id

n*

IIIIIIt4

t3

t2

t1

1.第I阶段电流上升阶段

突加给定电压U*n后，Id上升，当Id

小于负载电流IdL时，电机还不能转动。当Id≥

IdL

后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值U*im，强迫电流Id迅速上升。

起动过程转速调节器ASR经历不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程分I、II、III三个阶段。

IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3t2

t1tt1.第I阶段（续）1.第I阶段（续）直到，Id=Idm

，Ui

=U*im

电流调节器很快就压制Id

了的增长，标志着这一阶段的结束。

在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。2.第II阶段恒流升速阶段

ASR始终饱和，转速环开环，系统成为在恒值电流U*im给定下电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。n

IdL

Id

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

tt2.第II阶段（续）2.第II阶段（续）电机反电动势E按线性增长，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量，为克服扰动，Ud0和Uc

也必须基本上按线性增长，才能保持Id

恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，

Id

应略低于Idm。3.第Ⅲ阶段转速调节阶段

转速上升到给定值时，转速调节器ASR输入偏差减少到零，但输出由于积分作用还维持在限幅值U*im

，所以电机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，U*i

和Id

很快下降。但是，只要Id

仍大于负载电流IdL，转速就继续上升。IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

tt3.第Ⅲ阶段（续）3.第Ⅲ阶段（续）直到Id

=IdL时，转矩Te=TL

，则dn/dt=0，转速n才到达峰值（t=t3时）。IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4t3

t2

t1

tt3.第Ⅲ阶段（续）此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在一小段时间内（t3~t4

），Id<

IdL

，直到稳定，如果调节器参数整定得不够好，也会有一些振荡过程。IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3t2

t1

tt3.第Ⅲ阶段（续）

在最后转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使Id

尽快地跟随其给定值U*i

，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。

5.分析结果

综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：

（1）饱和非线性控制（2）转速超调（3）准时间最优控制

（1）饱和非线性控制

根据ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态：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，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环表现为电流随动系统。（2）转速超调

由于ASR采用饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调，ASR的输入偏差电压△Un

为负值，才能使ASR退出饱和。这样，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调。（3）准时间最优控制A恒流升速是起动过程的主要阶段，特征是保持电流恒定。一般选择为电动机允许最大电流，以充分发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能最快。这阶段属于有限制条件的最短时间控制。因此，起动过程可看作为是一个准时间最优控制。双闭环控制只能保证良好的起动性能，却不能产生回馈制动，在制动时，当电流下降到零以后，只好自由停车。必须加快制动时，只能采用电阻能耗制动或电磁抱闸。

（3）准时间最优控制B

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R

Tls+1R

TmsKsTss+1ACR

U*iUi--EId1.抗负载扰动±∆IdL直流调速系统的动态抗负载扰作用2.2.3动态抗扰性能分析

直流调速系统的动态抗扰作用a)单闭环系统2.抗电网电压扰动±∆UdU*n-IdLUn+-ASR

1/CenUd01/R

Tls+1R

TmsIdKsTss+1-E2.2.3动态抗扰性能分析

-IdL±∆Udb)双闭环系统±△Ud—电网电压波动在整流电压上的反映

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R

Tls+1R

TmsIdKsTss+1ACR

U*iUi--E2.2.3动态抗扰性能分析

3.对比分析单闭环系统，电网电压扰动的作用点远离被调量，调节作用受到多个环节的延滞，因此抵抗电压扰动的性能要差一些；双闭环系统，增设电流内环，电压波动可通过电流反馈得到比较及时调节，不必等它影响到转速后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。1.转速调节器的作用

（1）转速调节器是主导调节器，它使转速n跟随给定电压U*n的变化，稳态无静差；（2）对负载变化起抗扰作用；（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。2.2.4转速和电流调节器的作用2.电流调节器的作用（1）在转速调节过程中使电流跟随给定电压

U*i变化；（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用；（3）电机起动时，保证获得电机允许的最大电流，加快动态过程；（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。2.2.4转速和电流调节器的作用2.3转速超调的抑制---转速微分负反馈一.问题的提出对于不允许出现转速超调的系统，应该加以抑制。二.带转速微分负反馈双闭环调速系统的基本原理带转速微分负反馈的ASR在原ASR输入端，反馈环节并联一个微分电容Cdn和滤波电阻Rdn，转速变化时，Un和Udn一起与Un*叠加，结果使原系统提前超调，在tt时刻，ASR退饱和。

注意：转速微分负反馈对起动过程的影响图见笔记二.带转速微分负反馈双闭环调速系统虚地点A的电流平衡方程式：整理得，

二.带转速微分负反馈双闭环调速系统二.带转速微分负反馈双闭环调速系统式中，

---转速微分时间常数

---转速微分滤波时间常数Cdn作用：对转速反馈信号进行微分Rdn作用：滤去微分后带来的高频噪声二.带转速微分负反馈双闭环调速系统将代入上式，得取Todn=Ton，将滤波环节移到转速环内，按小惯性环节近似处理，令化简如下，结论：带转速微分负反馈的双闭环系统相当于在转速反馈通道中并联了微分项二.带转速微分负反馈双闭环调速系统三.退饱和时间和退饱和转速AASR进退饱和后，系统进入线性过渡过程，初始条件就进入退饱和点，即转速为nt,电流为Idm。时，ASR仍饱和，Id=Idm，n线性增大；时，近似看作转速上升前的纯滞后时间；在期间，转速上升过程描述为：代入，则三.退饱和时间和退饱和转速B以后，ASR开始退饱和，它的输入信号为零：因为三.退饱和时间和退饱和转速C退饱和时间为：退饱和转速为：引入转速微分负反馈后，动态速降大大降低，越大，动态速降降低，但恢复时间拖长。返回本章目录三.退饱和时间和退饱和转速D2.4电流断续对动特性影响和电流自适应调节器设Id连续时，ACR传递函数为：Id断续时，ACR`传递函数为:应满足:选择:结论:电流断续时,电流调节器是一个小时间常数的积分调节器。一.电流断续时，V-M系统动、静态特性的变化1、电流断续时，整流装置外特性变陡，等效内阻增大，ACR环总放大倍数Ki降低；2、电流连续时，TL存在，从Udo的突变到Id的响应不能瞬时完成，而按照指数规律上升；Id断续时，△Udo突变，△Id立即变化，相当于TL=0；3、Id断续，Udo与Id之间是比例环节；4、Id连续，Udo与Id之间是惯性环节。

二.电流自适应调节器A△-++△-++RP20K20K1.5M20KD1R120KC1R0-电流检测Ui*UcR2TLDJGSD电流连续时，T截止电流断续时，T导通，R2接地通常选R1》R2，则：二.电流自适应调节器B二.电流自适应调节器C其中：Ki=R1/R0---id连续时，PI比例系数；---Id断续时，积分时间常数；---Id连续时，PI时间常数。二.电流自适应调节器D结论：id断续时，调节器为一个小时间常数的PI调节器，积分时间常数小，过渡过程输出电压的积分分量增长快，只要输出不饱和，过一瞬间，比例分量忽略不计，近似看作一个小时间常数的积分调节器。带电流变化率内环的三环调速系统2.5三环调节系统

较大的电流变化率，使直流电机产生很高的换向电动势，产生火花，同时伴随很大的脉动转矩，产生振动、冲击、加快磨损。+-TA+-UdIdMTGUfUPEÄÄÄASRACRADRUn*-+UnεnUi*+Ui-εiUdi*-+εdiUdiUc图中ADR：一、带电流变化率内环的三环调速系统A△-++UcR0βdiIdRdiCdi-+Udi*ADRCdR3R4ρ虚地点A列KCL方程：一、带电流变化率内环的三环调速系统一、带电流变化率内环的三环调速系统

---ADR积分常数

---ADR时间常数分压比

---电流微分时间常数

---电流微分滤波时间常数令：电流变化率环动态结构图一、带电流变化率内环的三环调速系统Id(s)一、带电流变化率内环的三环调速系统式中：一般Todi很小，可以忽略，化简为：一、带电流变化率内环的三环调速系统

Kdi足够大时，二阶惯性环节部分的时间常数大大缩小，提高了电流控制的快速性。二.带电压调节器内环的三环调速系统AVR---电压调节器；TVD---直流电压隔离变换器UPEUc+-+Un*-UnTA+-UdIdMTGÄÄÄεnASRACRAVRTVD+Ui*-Uiεi-Uv*+Uvεvn3~二.带电压调节器内环的三环调速系统

---AVR的积分时间常数---AVR时间常数调整器的分压比忽略电动势变化的影响，求上式各量增量二.带电压调节器内环的三环调速系统对上式在零初始条件下求拉氏变换，令}二.带电压调节器内环的三环调速系统化简为：二.带电压调节器内环的三环调速系统式中，，Tv和同一量级，为不降低系统快速性，它们都应远小于Tla和Tl，上式简化为：返回本章目录电压环缺点：电压反馈信号含有谐波分量，带来谐波干扰，严重时带来系统振荡。2.6弱磁控制的直流调速系统本节提要调压与弱磁的配合控制非独立控制励磁的调速系统弱磁过程的直流电机数学模型和弱磁控制系统转速调节器的设计2.6.1调压与弱磁的配合控制概述

他励直流电动机调压方法是从基速（即额定转速nN）向下调速。如果需要从基速向上调速，则要采用弱磁调速方法，通过降低励磁电流，以减弱磁通来提高转速。1.两种调速方式A

（1）恒转矩调速方式按照电力拖动原理，在不同转速下长期运行时，为了充分利用电机，都应使电枢电流达到其额定值IN。于是，由于电磁转矩Te

=Km

I

，在调压调速范围内，因为励磁磁通不变，容许的转矩也不变，称作“恒转矩调速方式”。

（2）恒功率调速方式在弱磁调速范围内，转速越高，磁通越弱，容许的转矩不得不减少，转矩与转速的乘积则不变，即容许功率不变，是为“恒功率调速方式”。1.两种调速方式B可见，所谓“恒转矩”和“恒功率”调速方式，是指在不同运行条件下，当电枢电流达到其额定值IN时，所容许的转矩或功率不变，是电机能长期承受的限度。实际的转矩和功率究竟有多少，还要由其具体的负载来决定。1.两种调速方式C恒转矩类型的负载适合于采用恒转矩调速方式，而恒功率类型的负载更适合于恒功率的调速方式。但是，直流电机允许的弱磁调速范围有限，一般电机不超过1:2，专用的“调速电机”也不过是1:3或1:4。1.两种调速方式D当负载要求的调速范围更大时，就不得不采用调压和弱磁配合控制的办法，即在基速以下保持磁通为额定值不变，只调节电枢电压，而在基速以上则把电压保持为额定值，减弱磁通升速。2.调压和弱磁配合控制3.电枢电压与励磁配合控制特性TeNnNnmax调电压调速弱磁调速UNUPPTeUnO调压与弱磁配合控制特性2.6.2非独立控制励磁的调速系统1.

系统设计要点：在基速以下调压调速时，保持磁通为额定值不变；在基速以上弱磁升速时，保持电压为额定值不变；弱磁升速时，由于转速升高，使转速反馈电压也随着升高Un，因此必须同时提高转速给定电压Un*，否则转速不能上升。2.独立控制励磁的调速系统独立控制励磁的调速系统结构-AFR+GTFCUif-VFCU*ifRP2MTGnASRACRU*nRP1-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPE+TGMRP2---给定电位器；AFR---励磁电流调节器VFC---励磁电流可控整流装置3.工作原理在基速以下调压调速时，RP2不变，保持磁通为额定值，用RP1调节转速，此时，转速、电流双闭环系统起控制作用；在基速以上弱磁升速时，通过RP2减少励磁电流给定电压，从而减少励磁磁通，以提高转速；为保持电枢电压为额定值不变，同时需要调节RP1，以提高电压；由于需要分别调节RP1和RP2，因此称为独立控制励磁的调速系统。3.非独立控制励磁的调速系统A

在调压调速系统的基础上进行弱磁控制，调压与调磁的给定装置不应该完全独立，而是要互相关联的。从上图可以看出，在基速以下，应该在满磁的条件下调节电压，在基速以上，应该在额定电压下调节励磁，因此存在恒转矩的调压调速和恒功率的弱磁调速两个不同的区段。

实际运行中，需要选择一种合适的控制方法，可以在这两个区段中交替工作，也应该能从一个区段平滑地过渡到另一个区段中去，下图便是一种已在实践中证明很方便有效的控制系统，称作非独立控制励磁的调速系统。3.非独立控制励磁的调速系统B4.系统组成TVDAE非独立控制励磁的调速系统TGnASRACRU*nRPn-UnUiU*i-UcTAVM-UdIdUPE-AFR+Uif+UPEFU*if+RPeAERUi-U*eUeTAFUvTGM+Ucf～～-TVD---电压隔离器；AE---电动势运算器；AER---电动势调节器5.工作原理控制的基本思想根据E=Ken原理，若能保持电动势E不变，则减少电动机的励磁磁通，可以达到提高转速的目的。

为此，在励磁控制系统中引入电动势调节器AER，利用电动势反馈，使励磁系统在弱磁调速过程中保持电动势E基本不变。6.

电动势的检测

由于直接检测电动势比较困难，因此，采用间接检测的方法。通过检测电压Ud

和电流Id，根据E=Ud–RId+LdId/dt，由电动势运算器AE，算出电动势E的反馈信号Ue。电动势的给定由RP2提供基速时电动势的给定电压Ue*

，并使Ue*

=

95%UN。7.控制过程在基速以下调压调速设置n<95%UN

，则，E<95%UN；此时，Ue*

>Ue

，

AER饱和，相当于电势环开环。AER的输出限幅值设置为满磁给定，加到励磁电流调节器AFR，由AFR调节保持磁通为额定值。用RP1调节转速，此时，转速、电流双闭环系统起控制作用。7.控制过程（续）在基速以上弱磁升速:调节RP1提高转速给定电压，使转速上升。当n>95%UN

时，E>95%UN，使Ue*

<Ue，AER开始退饱和，减少