第3章 转速、电流反馈控制的直流调速系统(自)

电力拖动自动控制系统 —运动控制系统

第3章 转速、电流反馈控制 的直流调速系统

内 容 提 要转速、电流反馈控制直流调速系统的组成 及其静特性 转速、电流反馈控制直流调速系统的动态 数学模型 转速、电流反馈控制直流调速系统调节器 的工程设计方法 基于MATLAB软件的转速、电流反馈控制 直流调速系统仿真

3.1 转速、电流反馈控制直流调速系统 的组成及其静特性

对于经常正、反转运行的调速系统，缩短起、制 动过程的时间是提高生产率的重要因素。 在起动(或制动)过渡过程中，希望始终保持电 流(电磁转矩)为允许的最大值，使调速系统以 最大的加(减)速度运行。 当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使 电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态 运行。

Id

n Idm n

图3-1 时间最优的理想过渡过程

IdL 0起动电流呈矩形波，转速按 线性增长。这是在最大电流 (转矩)受限制时调速系统 所能获得的最快的起动(制 动)过程。

t

-Idm

3.1.1 转速、电流反馈控制直流调速系统 的组成

在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈 和电流负反馈以调节转速和电流， 把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再 用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。 从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转 速环在外边，称作外环。形成了转速、电流反馈 控制直流调速系统(简称双闭环系统)。

3.1.2 稳态结构图与参数计算~TA

I Un* Un n nTG

Ui* ASR

Ui ACR Uc UPE Ud

Id

M

图3-2 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图 ASR——转速调节器 ACR——电流调节器 TG——测速发电机

1. 稳态结构图和静特性

转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定 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， 当调节器饱和时，输出达到限幅值，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； 当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状 态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。 对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和 两种情况，电流调节器不进入饱和状态 。

β R ACR Ui* Un Uc Ks Ud0

Id

Ui ASR U n*

IdR E

1 Ce

n

α

图3-3 双闭环直流调速系统的稳态结构图 α——转速反馈系数 β——电流反馈系数

(1) 转速调节器不饱和

两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输 入偏差电压都是零。* U n U n n n0

U i* U i I d

I d I dL I dm

n

* Un

n0

(3-1)

(2)转速调节器饱和

ASR输出达到限幅值时

,转速外环呈开环 状态，转速的变化对转速环不再产生影响。 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 * im

Id

U

I dm

(3-2)

AB段是两个调 节器都不饱和 时的静特性， Id<Idm, n=n0。 BC段是ASR调 节器饱和时的 静特性，Id=Idm, n<n0。

n n0 A B

C 0 IdN Idm Id

图3-4 双闭环直流调速系统的静特性

在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，转速负 反馈起主要调节作用。 当负载电流达到Idm时，转速调节器为饱和输出 U*im,电流调节器起主要调节作用，系统表现为 电流无静差。 采用两个PI调节器形成了内、外两个闭环的效果。 当ASR处于饱和状态时，Id=Idm,若负载电流减 小，Id<Idm,使转速上升，n>n0,Δn<0,ASR反 向积分，使ASR调节器退出饱和。

2.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，当两个调 节器都不饱和时，各变量之间有下列关系* U n U n n n0

(3-3)

U U i I d I dL* i* U d 0 Ce n I d R CeU n / I dL R Uc Ks Ks Ks

(3-4)(3-5)

根据各调节器的给定与反馈值计算有关的 反馈系数： * 转速反馈系数 U nm (3-6) nmax * U im 电流反馈系数 I dm (3-7) 两个给定电压的最大值U*nm和U*im由设计 者选定。

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3.2.1 转速、电流反馈控制直流调速系统的动态数学模型IdLR Tms

U n*WASR(s)

Ui*WACR(s)

Uc Ui

Ks Tss+1

Ud0

1/R Tls+1

Id

E

1 Ce

n

Un

β

α

图3-5 双闭环直流调速系统的动态结构图

3.2.2转速、电流反馈控制直流调速系统 的动态过程分析对调速系统而言，被控制的对象是转速。 跟随性能可以用阶跃给定下的动态响应描 述。 能否实现所期望的恒加速过程，最终以时 间最优的形式达到所要求的性能指标，是 设置双闭环控制的一个重要的追求目标。

1.起动过程分析

电流Id从零增长到Idm,然后在一段时间内维持其 值等于Idm不变，以后又下降并经调节后到达稳态 值IdL。 转速波形先是缓慢升速，然后以恒加速上升，产 生超调后，到达给定值n*。 起动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三 个阶段， 转速调节器在此三个阶段中经历了不饱和、饱和 以及退饱和三种情况。

n n* Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

0 Id Idm

t

IdL 0 t1 t2 t3 t4 t

图3-6 双闭环 直流调速系统 起动过程的转 速和电流波形

第Ⅰ阶段：电流上升阶段(0~t1)n n*

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

。

电流从0到达最 大允许值 I dmt

0 Id Idm

IdL 0 t1 t2 t3 t4 t