第3章转速电流反馈控制的直流调速系统
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1、1第3章 转速、电流反馈控制的直流调速系统运动控制系统-转速电流反馈控制的直流调速系统本章提要3.1 转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性3.2 转速、电流反馈控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析3.3 转速、电流反馈控制直流调速系统的设计2运动控制系统-转速电流反馈控制的直流调速系统转速、电流反馈控制直流调速系统的组成问题的提出采用带PI调节器的转速负反馈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。但对于要求快速起动、制动，突加负载动态速降小等场合，单闭环系统不能满足要求。在单个转速闭环系统中，不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。3Id IdL =原因何在？
2、GD2 dn375Cm dt如何获得最大加速度呢？4Id nId nIdmIdcrIdmIdcrIdLIdLnntt运动控制系统-转速电流反馈控制的直流调速系统直流电动机的理想启动特性在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但并不能很理想地控制电流的动态波形。难以获得最快速的启动过程运动控制系统-转速电流反馈控制的直流调速系统解决思路为了实现在允许条件下的最快启动，关键是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，采用电流负反馈从理论上讲应该能够得到近似的恒流过程。较理想的控制方式：启动过程中，希望只有电流负反馈，而没有转速负反馈。达到稳态后，希望只
3、有转速负反馈，而没有电流负反馈。5运动控制系统-转速电流反馈控制的直流调速系统转速、电流反馈控制直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，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。二者之间实行嵌套（或称串级）联接。转速调节器的输出作为电流调节器的输入；电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE；6运动控制系统-转速电流反馈控制的直流调速系统转速、电流反馈控制直流调速系统的组成转速、电流反馈控制直流调速系统电路原理图7运动控制系统-转速电流反馈控制的直流调速系统转速、电流反馈控制直流调速系统的组成两个调节器的输出都是带限幅作用的转速调节器AS
4、R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。8运动控制系统-转速电流反馈控制的直流调速系统9调节器的两种状况1）饱和输出达到限幅值当调节器饱和时，输出为恒值（限幅值），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；即饱和的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。2）不饱和输出未达到限幅值当调节器不饱和时，PI 控制器使得偏差U在稳态时总是零，即无静差。进入饱和状态。10运动控制系统-转速电流反馈控制的直流调速系统转速、电流反馈控制直流调速系统的静特性3-3 双闭环直流调速系
5、统的稳态结构图 转速反馈系数 电流反馈系数利用ASR的输出限幅作用，实现控制策略的转换!为了实现电流的实时控制和快速跟随，ACR一般不11运动控制系统-转速电流反馈控制的直流调速系统双闭环调速系统的静特性由于ASR不饱和，U*i U*im，则 Id Idm，即静特性从理想空载状态的Id= 0一直延续到 Id = Idm ，而Idm一般大于额定电流IdN ，这就是静特性的运行段（CA段）。1）转速调节器不饱和U*n =Un = n = n0Ui * =Ui = IdU*n= n0 n =Uim运动控制系统-转速电流反馈控制的直流调速系统双闭环调速系统的静特性2）转速调节器饱和ASR输出达到限幅值
6、U*im ，转速外环呈开环状态，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。上式所描述的为静特性AB段，它是垂直的特性。12*= IdmId =运动控制系统-转速电流反馈控制的直流调速系统13双闭环调速系统的静特性2）转速调节器饱和注意： AB段的下垂特性只适合于n n0，则Un U*n，ASR将退出饱和状态。运动控制系统-转速电流反馈控制的直流调速系统两个调节器的作用双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm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Idm后，转速调节器饱
7、和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。运动控制系统-转速电流反馈控制的直流调速系统各变量的稳态工作点和稳态参数计算双闭环调速系统在稳态工作中，输入偏差为零，两个调节器都不饱和，此时有：U*n =Un = n = n0Ui * =Ui = Id = IdL转速n由给定电压U*n决定；ASR的输出量U*i由负载电流IdL决定；15运动控制系统-转速电流反馈控制的直流调速系统各变量的稳态工作点和稳态参数计算控制电压Uc同时取决于n和IdL，或者说，同时取决于U*n和IdL 。16CeU*n/ + IdLRKs=Cen+ IdRKs=Uc =Ud0KsUim转速反馈
8、系数电流反馈系数U*nmnmax*Idm = =给定电压的最大值U*nm和U*im由设计者选定。17运动控制系统-转速电流反馈控制的直流调速系统各变量的稳态工作点和稳态参数计算双闭环调速系统的稳态参数计算与无静差单闭环系统的稳态计算相似：运动控制系统-转速电流反馈控制的直流调速系统双闭环直流调速系统的动态数学模型3-5 双闭环直流调速系统的动态结构图18ns+1nsWASR(s) = Knis+1isWACR(s) = Kit1t2t3t4t19运动控制系统-转速电流反馈控制的直流调速系统双闭环调速系统启动过程分析nn*tIdIdmIdL电流上升阶段 恒流升速阶段 转速调节阶段运动控制系统-转
9、速电流反馈控制的直流调速系统20双闭环调速系统启动过程特点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。运动控制系统-转速电流反馈控制的直流调速系统21双闭环调速系统启动过程特点2）转速超调由于ASR采用了饱和非线性控制，启动过程结束进入转速调节阶段，必须使转速超调，使ASR 的输入偏差电压 Un为负后，才能使ASR退出饱和；即采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调。运动控制系统-转速电流反馈控制的直
10、流调速系统22双闭环调速系统启动过程特点3）准时间最优控制启动过程中的主要阶段是第II阶段的恒流升速，其特征是电流保持恒定。一般选择为电动机允许的最大电流，以便充分发挥电动机的过载能力，使启动过程尽可能最快。这阶段属于有限制条件的最短时间控制。因此，整个启动过程可看作为是一个准时间最优控制。运动控制系统-转速电流反馈控制的直流调速系统23动态抗扰性能分析运动控制系统-转速电流反馈控制的直流调速系统24动态抗扰性能分析1）抗负载扰动负载扰动作用在电流环之后；负载扰动必然引起转速的变化；负载扰动只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用，因此，在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。对单闭环
11、调速系统也是如此。运动控制系统-转速电流反馈控制的直流调速系统动态抗扰性能分析2）抗电网电压扰动在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被控量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。结论：在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。 25运动控制系统-转速电流反馈控制的直流调速系统26转速和电流两个调节器的作用1）转速调节器的作用 转速调节器是双闭环直流调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟
