武汉理工大学《电力拖动》课程设计
2 转速电流反馈控制的直流调速系统
2.1转速电流双闭环优点
同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。由于闭环系统的这些优点因此选用闭环系统。
单闭环速度反馈调速系统，采用PI控制器时，可以保证系统稳态速度误差为零。但是如果对系统的动态性能要求较高，如果要求快速起制动，突加负载动态速降小等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照要求来控制动态过程的电流或转矩。另外，单闭环调速系统的动态抗干扰性较差，当电网电压波动时，必须待转速发生变化后，调节作用才能产生，因此动态误差较大。
在要求较高的调速系统中，一般有两个基本要求：一是能够快速启动制动；二是能够快速克服负载、电网等干扰。通过分析发现，如果要求快速起动，必须使直流电动机在起动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩，即最大的恒定允许电枢电流，当电枢电流保持最大允许值时，电动机以恒加速度升速至给定转速，然后电枢电流立即降至负载电流值。如果要求快速克服电网的干扰，必须对电枢电流进行调节。
以上两点都涉及电枢电流的控制，所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量，组成转速、电流双闭环调速系统。
2.2转速、电流反馈控制直流调速系统的组成
转速反馈控制直流调速系统用PI调节器实现转速稳态无静差，消除负载转矩扰动对稳态转速的影响，并用电流截止负反馈限制电枢电流的冲击，避免出现过电流现象。但转速单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电流(或电磁转矩)的动态过程。
对于经常正、反转的调速系统，如龙门刨床、可逆轧钢机等，缩短起、制动过程的时间是提高生产效率的因素。为此，在启动（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。当到达稳态转矩是平衡，从而迅速转入稳态运行。这类理想的启动（制动）过程示与图2-1，启动电流呈矩形波，转矩按线性增长。这是在最
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大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的启动（制动）过程。
(a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 (b)理想快速起动过程
图2 -1调速系统起动过程的电流和转速波形
实际上，由于主电路电感的作用，电流不可能突变，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。问题是，应该在启动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，在达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？只用一个调节器显然是不可能的，采用转速和电流两个调节器应该能行，问题是在系统中如何连接。
为了使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，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流。二者之间实行嵌套（或称串级）连接，如图2-2所示。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，电流环在里面，称为内环；转速环在外面，称为外环。这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。
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图2-2 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图
2.3 调节器的作用
转速调节器和电流调速器在双闭环直流调速系统中的作用可归纳如下：
2.3.1转速调节器的作用
*1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压Un变化，
稳态时可减少转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。
2）对负载变化器抗扰作用。
3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。
2.3.1 电流调节器的作用
1）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随器给定电压Ui*的变化。
2）对电网电压的波动期及时抗扰的作用。
3）在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。 4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，器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。
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3 直流PWM可逆调速系统
3.1 直流PWM传动系统结构图
直流PWM控制系统是直流脉宽调制式调速控制系统的简称，与晶闸管直流调速系统的区别在于用直流PWM变换器取代了晶闸管变流装置，作为系统的功率驱动器，系统构成原理如图1-1所示。其中属于脉宽调制调速系统主要由调制波发生器GM、脉宽调制器UPM、逻辑延时环节DLD和电力晶体管基极的驱动器GD和脉宽调制（PWM）变换器组成，最关键的部件为脉宽调制器。
GMUsUn*+ -UnASRUi*UcACRUPWDLDGDPWMUdTA+ -MFATG图3-1 直流PWM传动系统结构图
3.2 H桥双极式逆变器的工作原理
脉宽调制器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定宽度可变的脉冲电压序列，从而平均输出电压的大小，以调节电机转速。
可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路如图3-2所示。这时电动机M两端电压的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。
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图3-2 H形双极式逆变器电路
a.正向电动运行波行
b.反向电动运行波形
图3-3 H形双极式逆变器的驱动电压电流波形
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