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1.3 双闭环调速系统简介 1.3.1 双闭环调速系统的构成
单闭环调速系统可以实现转速调节无静差，且采用电流截止负反馈作限流保护可以限制启（制）动时的最大电流。单闭环调速系统还存在以下问题：
（1） 在单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，系统的动态性能不够好。在采用电流截止负反馈和转速负反馈的单闭环调速系统中，一个调节器需完成两种调节任务：正常负载时实现速度调节，过载时进行电流调节。一般而言，在这种情况下，调节器的动态参数无法保证两种调节过程同时具有良好的动态品质。
（2） 系统中采用电流截止负反馈环节来限制启动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应，即最佳过度过程。
为了获得近似的理想的过度过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的办法就是将主要的被调量转速与辅助被调量分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速电流双闭环调速系统。
1.3.1.1 直流双闭环调速系统的组成
+ U Un UfiVccVTATRiR0ACRRnR0ASRCn+Ci -
+R0-++Ui-UcR0-+++GTIdMV+E-UfnR/R/TG图1.4 直流双闭环调速系统电路原理图
在转速、电流双闭环调速系统中，即要控制转速，实现转速无静差调节，又要控制电流使系统在充分利用电动机过载能力的条件下获得最佳过度过程，其关键是处理好转速控制和电流控制之间的关系，就是将两者分开，用转速调节器ASR调节转速，
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用电流调节器ACR调节电流。ASR与ACR之间实现串级调节，即以ASR的输出电压Ui作为电流调节器的电流给定信号，再用ACR的输出电压Uc作为晶闸管触发电路的移相控制电压。从闭环反馈的结构看，速度环在外面为外环，电流环在里面为内环。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具有输入、输出限幅电路的PI调节器[4]，且转速和电流都采用负反馈环。系统原理图如图1.4。
1.3.1.2 调节器输出限幅值的整定
在双闭环系统中转速调节器ASR的输出电压Ui是电流调节器ACR的电流给定信号，其限幅值Uim为最大电流给定值，因此，ASR的限幅值完全取决于电动机所允许的过载能力和系统对最大加速度的需要。而ACR的输出电压限幅值Ucm，表示对最小α角的限制，也表示对晶闸管整流输出电压的限制。调节器输出限幅值的计算与整定是系统设计和调试工作中很重要的一环。
1.3.1.3 调节器锁零
为使调速系统消除静差，并改善系统的动态品质，在系统中引入PI调节器作为矫正环节。由于PI调节器的积分作用，在调速系统停车期间，调节器会因输入干扰信号的作用呈现出较大的输出信号，而使电动机爬行，这在控制上是不允许的，因此对调速系统中具有积分作用的调节器，在没有给出电动机启动指令之前，必须将它的输出“锁”到零电位上，简称为调节器锁零[5,6,7]。系统中调节器锁零是由零速锁零电路来实现的。并且系统对调节器锁零电路有如下具体要求。
（1） 系统处于停车状态时，调节器必须锁零；
（2） 系统接到启动指令或正常运行时，调节器锁零立即解除并正常工作。
根据上述要求，锁零电路只需两个信号来控制调节器“锁零”与“开放”两个状态。
停车时：Un=Ufn=0, 调节器锁零,无输出信号。
启动时：Un≠0，Ufn=0，调节器锁零解除，并处于正常工作状态。 稳态运行时：Un=Ufn≠0，调节器锁零解除，并处于正常工作状态。 制动停车时：Un=0, Ufn≠0，调节器锁零解除，并处于正常工作状态。 必须注意，对于可逆调速系统，Un=0, Ufn≠0时，调节器不能锁零，以保
证调节器对其进行制动停车控制。为使锁零电路对不可逆和可逆系统都具有通用性，Un=0, Ufn≠0时，要求调节器不能锁零。调节器锁零可以采用
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场效应管来实现，如图1.5所示。
- Usr锁零控制信号R1C1R0-++
R/Usc图1.5 调节器锁零
当Un=Ufn=0时，锁零调节电路使场效应管导通，从而使调节器锁零。
1.3.1.4 系统中调节器输入、输出电压极性的确定
在转速、电流双闭环调速系统中，要构成转速、电流负反馈闭环，就必须使ASR、
ACR的输入信号Un与Ufn,Ui与Ufi的极性相反，怎样确定这些信号的极性呢？
在实际组成双闭环调速系统时，要正确的确定上述信号的极性，必须首先考虑晶闸管触发电路的移相特性要求，并决定ACR输出电压Uc的极性，然后根据ACR和ASR输入端的具体接法（是同相输入还是反相输入）确定Ui和Un的极性，最后按照负反馈要求确定Ufi和Ufn的极性。
确定各输入、输出信号极性的一般方法如下：
① 根据晶闸管触发电路的移相特性要求确定其移相控制电压Uc的极性； ② 根据各调节器输入端的具体接法（习惯上是采用反相输入方式，其输入与输
出方式相反）确定调节器给定输入信号的极性；
③ 根据负反馈的要求确定各调节器反馈输入信号的极性。 1.3.2 双闭环调速系统的稳态结构及其静特性 1.3.2.1 双闭环调速系统的稳态结构图
根据图1.4所示的原理图可以很方便的画出图1.6所示双闭环调速系统的稳态结构图[8]。
其中的转速、电流调节器ASR、ACR这两个环节的输入与输出稳态关系无法
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用放大系数表示，而用带限幅输出的PI调节器的输出特性表示。
Un
图1.6 双闭环调速系统的稳态结构图 α—为转速反馈系数；β—为电流反馈系数
UfnIdβUfiR△UfnUi+-Uc+UdoKs+-+1/CeEn-α表示限幅输出1.3.2.2 双闭环调速系统的静特性
双闭环调速系统的静特性仍然表示系统转速n与电流Id或转矩Te的稳态关系，即系统达稳态时n=f(Id)或n=f(Te)。分析其静态性能的关键是掌握限幅输出的PI调节器的稳态特征。一般有两种状态：饱和——输出达限幅值；不饱和——输出未达限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，且不在受输入量变化的影响，除非有反向的输入量使调节器退出饱和；当调节器不饱和时，其比例积分控制作用总是使稳态输入偏差电压△U为零。实际上，系统正常运行时，电流调节器不会达到预先设计好的饱和状态，因此，对于静特性来说，只需考虑转速调节器的饱和和不饱和两种情况。
（1）转速调节器不饱和
这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差都为零。因此，由ASR的输入偏差电压△Un=0得
U n ? U fn ? ? n （1.1）
Un
n??n0 （1.2） ?由ACR的输入偏差电压△Ui=0得
Ui?Ufi??Id （1.3）
从而可画出图1.7所示静特性的n0—A段。由于ASR不饱和，因此Ui 9 邵阳学院毕业设计（论文） 到Id= Idm，而在一般情况下Idm>Id，这正是静特性的运行段。 （2）转速调节器饱和 当转速调节器ASR饱和时，ASR输出达限幅值Uim，转速环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差单闭环系统。稳态时 Id?Uim?Idm? （1.4） 式中，最大电流Idm是由设计者选定的，取决与电动机所允许的最大过载能力和拖动系统允许的最大加速度。式（1.4）所描述的静特性如图1.7中的A—B段。这样的下垂特性只适合于n≤n0的情况。若n>n0，Ufn>Un,ASR将退出饱和状态。 由以上分析可知，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；当负载电流达到Idm后表现为电流无静差，使系统获得过电流自动保护。这就是采用两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。显然，双闭环调速系统的静特性要比带电流截止负反馈的单闭环调速系统的静特性好。但是，实际上，由于运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为避免零点漂移而采用准PI调节器（即在PI调节器反馈电阻电容电路的两端并接一个阻值为若干MΩ的电阻）时，静特性的两段都略有很小的静差，如图1.7中虚线所示。 1.3.2.3 双闭环调速系统的稳态工作点及其稳态参数的计算 由于转速、电流调节器均采用PI调节器，可实现转速和电流调节无静差，因此，当系统达稳态，且两个调节器都不饱和时，由图1.7可得各变量之间的稳态关系如下 0Bnn0AINIdmId图1.7 双闭环调速系统的静特性图 （1.5） Un?Ufn??n??n0Ui?U fi??Id??IL （1.6） 10