转速、电流双闭环直流调速系统
和调节器的工程设计方法
2.1 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性
采用PI调节的单个转速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。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足需要，这主要是因为在单闭环系统中不能控制电流和转矩的动态过程。电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，并不能很理想地控制电流的动态波形,图2-1a)。
在起动过程中，始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形示于图2-1b。
为了实现在允许条件下的最快起动，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。应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，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。
2.1.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成
系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，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。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
TA Ui i i 内ACR Uc U*n + - Un ASR U*+ - Id + + UPE Ud - M n TG TM - n 外 图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构 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
转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，图2-3。两个调节器的输出都是带限幅作
*用的，转速调节器ASR的输出限幅电压Uim决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR
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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。
Ui + TA R0 Ri Ci ACR - + + LM RP1 - U*n R0 Rn Cn ASR - + + U*i R0 LM R0 Uc + Id +
UPE Ud - + M M Un - -
- RP2 TTG + 图2-3 双闭环直流调速系统电路原理
图
2.1.2 稳态结构图和静特性
稳态结构图，如图2-4。当调节器饱和时，输出为恒值，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压?U在稳态时总是零。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。
Id ? U*n Ui UPE Ud0 + -IdR - ACR Uc 1/Ce Ks E + R + ASR U*i n - Un ? 图2-4(a) 双闭环直流调速系统的稳态结构框图(ASR未饱和) ?—转速反馈系数 ? —电流反馈系数
1. 转速调节器不饱和
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*稳态时，Un?Un??n??n0、Ui*?Ui??Id，?,?——转速和电流反馈系数。
*Unn???n0，图2-5静特性的CA段。Id?Idm，CA段静特性从理想空载状态的Id?0一直延续到Id?Idm，而Idm一般都是大于额定电流IdN的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。
2. 转速调节器饱和
*ASR输出达到限幅值Uim，转速外环呈开环状态，成电流无静差的单电流闭环调节系统。
*Uim稳态时Id???Idm， Idm为最大电流。静特性是图2-5中的AB段，它是垂直的特性。这
*样的下垂特性只适合于n?n0的情况，因为如果n?n0，则Un?Un，ASR将退出饱和状态。
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，转速负反馈起主要调
*节作用。当负载电流达到Idm时，对应于转速调节器的饱和输出Uim，这时，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。
2.1.3 各变量的稳态工作点和稳态参数计算
*当两个调节器都不饱和时，Un?Un??n??n0、Ui*?Ui??Id??IdL、*Ud0Cen?IdRCeUn/??IdLR。 Uc???KsKsKs*转速n由给定电压Un决定的，ASR的输出量Ui*是由负载电流IdL决定的，而控制电压Uc的*大小则同时取决于n和Id，或者说，同时取决于Un和IdL。
P调节器的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，PI调节器未饱和时，其输出量的稳态值是输入的积分，最终使PI调节器输入为零，才停止积分。
**UnmUim转速反馈系数??，电流反馈系数??。
Idmnmax2.2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析
2.2.1 双闭环直流调速系统的动态数学模型
双闭环直流调速系统的动态结构图，如图2-6所示。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。
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U*n Un + - WASR(sU*i - Ks WACR(s) Ts+1 U- d0 Uc sUi ? Id 1/R Tl s+1 + -IdL R Tms 1/Ce E n ? 图2-6 双闭环直流调速系统的动态结构框图 2.2.2 起动过程分析
*双闭环直流调速系统突加给定电压Un由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于
图2-7。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。
n n* I II III O Id Idm t IdL O t1 t2 t3 t4 t 图2-7 双闭环直流调速系统起动时的转速 *第I阶段（0~t1）是电流上升阶段。突加给定电压Un后，Uc、Ud0、Id都上升，在Id没有达到负载电流IdL以前，电机还不能转动。当Id?IdL后，电机开始起动，由于机电惯性
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*的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压?Un?Un?Un的数值仍**较大，其输出电压保持限幅值Uim，强迫电流Id迅速上升。直到Id?Idm，Ui?Uim，电流
调节器很快就压制了Id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不饱和。
*第II阶段（t1~t2）是恒流升速阶段，ASR饱和，转速环相当于开环，在恒值电流给定Uim下的电流调节系统，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。与此同时，电机的反电动势E也按线性增长，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，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?Ui?Uim?Ui必须维持一定的恒值，
也就是说，Id应略低于Idm。
第Ⅲ阶段（t2以后）是转速调节阶段。当转速上升到给定值n*?n0时，转速调节器ASR
*的输入偏差减小到零，输出维持在限幅值Uim，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，开始退出饱和状态，但是，只要Id仍大于负载电流IdL，Ui*和Id很快下降。转速就继续上升。直到Id=IdL时，转矩Te?TL，则dn/dt=0，转速n才到达峰值（t?t3时）。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在t3~t4时间内，Id?IdL，直到稳定。如果调节器参数整定得不够好，也会有一段振荡过程。在这最后的转速调节阶段内，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Ui*。
双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：饱和非线性控制；转速超调；准时间最优控制。
2.2.3 动态抗扰性能分析
一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。
1、抗负载扰动
负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。
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