运动控制系统第2章

第,2,章 电流转速双闭环直流调速系统,第,2,章 电流转速双闭环直流调速系统,2.1,最佳过渡过程的基本概念,2.2,电流转速双闭环调速系统,2.3,电流转速双闭环调速系统的工程设计方法,2.4,电流转速双闭环调速系统的工程设计,2.5,弱磁控制的直流调速系统,习题与思考题,2.1,最佳过渡过程的基本概念,问题的提出,第,1,章中表明，采用转速负反馈和,PI,调节器的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。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。,1.,主要原因,是,因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。,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，但它只能在超过临界电流值,I,dcr,以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。,单闭环系统组成,无静差直流调速系统,+,+,-,+,-,M,TG,+,-,RP,2,n,RP,1,U,*,n,R,0,R,0,R,bal,U,c,VT,VS,U,i,TA,L,I,d,R,1,C,1,U,n,U,d,-,+,M,TG,b),理想的快速起动过程,I,dL,n,t,I,d,O,I,dm,a),带电流截止负反馈的单闭环调速系统,直流调速系统起动过程的电流和转速波形,2.,理想的起动过程,I,dL,n,t,I,d,O,I,dm,I,dcr,性能比较,带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程如图 所示，起动电流达到最大值,I,dm,后，受电流负反馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。,I,dL,n,t,I,d,O,I,dm,I,dcr,带电流截止负反馈,的单闭环调速系统,性能比较（续）,理想起动过程波形如图，这时，起动电流呈方形波，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过程。,I,dL,n,t,I,d,O,I,dm,理想的快速起动过程,3.,解决思路,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,I,dm,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。,现在的问题是，我们希望能实现控制：,起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈；,稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。,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？,2.2,电流转速双闭环调速系统,2.2.1,电流转速双闭环调速系统组成及静特性,转速单闭环系统不能随意控制电流（转矩）的动态过程。采用电流截止负反馈环节只能限制电流的冲击，并不能很好地控制电流的动态波形。,电流转速双闭环反馈控制系统结构如图,2-3,所示，在转速调节器（,ASR,）的基础上增加电流调节器（,ACR,），两级调节器采用串联结构。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装置（,UPE,）的占空比或者相位角，从而获得与电流调节器相对应的输出电压，以期获得需要的转速。,TG,n,ASR,ACR,U,*,n,+,-,U,n,U,i,U,*,i,+,-,U,c,TA,V,M,+,-,U,d,I,d,UPE,L,-,M,TG,+,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,内环,外 环,系统原理图,双闭环直流调速系统电路原理图,+,+,-,+,-,M,TG,+,-,+,-,RP,2,n,U,*,n,R,0,R,0,U,c,U,i,TA,L,I,d,R,i,C,i,U,d,+,+,-,R,0,R,0,R,n,C,n,ASR,ACR,LM,GT,V,RP,1,U,n,U,*,i,LM,M,TG,UPE,双闭环调速系统的具体工作方式是：双闭环系统在启动过程中，只有电流负反馈，没有转速负反馈，以获得允许的最大电磁转矩；达到稳态后，只有转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，以获得希望的转速。这样，两个调节器在不同的时段分别起主导作用，以此来获得理想的性能。从系统结构上看，电流环在里面，称为内环；转速环在外面，称为外环。,图,2-3,电流转速双闭环反馈控制系统结构,为了获得良好的动态和静态特性，转速调节器和电流调节器都采用,PI,控制，并且转速和电流调节器都带有输出限幅调节器。转速调节器的输出为,U,i,，其限幅值,U,im,决定了电流调节器的给定电压最大值,;,电流调节器的输出为,U,c,，其限幅值,U,cm,决定了电力电子装置的最大输出电压,U,dm,。当转速调节器,ASR,饱和时，输出限幅值，此时转速的增加不再影响,ASR,的输出，可以看做转速开环，只有电流调节器起作用，相当于电流单闭环系统，可以实现电流的恒定（实现电流无静差）。把电力电子装置,UPE,简化为一个放大环节，用,K,s,表示，电流闭环系统的结构如图,2-4,所示。,图,2-4,电流闭环系统结构,双闭环系统稳态运行时，电流调节器,ACR,永远不会达到饱和状态，只存在转速调节器,ASR,饱和与不饱和两种状态。当转速调节器,ASR,不饱和时，,ASR,成为主导调节器，电流调节器只跟随转速调节器的变化而变化。当转速调节器,ASR,饱和时，转速调节器不起作用，电流调,节器,ACR,成为主导调节器。双闭环直流调速系统的稳态结构如图,2-5,所示，转速的反馈系数为,，电流的反馈系数为,。,图,2-5,双闭环直流调速系统的稳态结构,稳态工作中，转速调节器,ASR,不饱和，电流调节器,ACR,也处于不饱和状态，输入电压偏差,U,n,=,U,n,=0,，,U,i,=,U,i,=0,，各变量关系如下,由式,(2-1),和式,(2-2),可以得到,（,2-1,）,（,2-2,）,（,2-3,）,式,(2-3),表明，在稳态工作点上，转速,n,是由给定电压,和反馈系数,决定的。转速调节器,ASR,的输出量是电流调节器的参考输入，其大小由,和负载电流,I,d,决定。,由于转速调节器处于不饱和状态，因此由式,(2-1),可以得到转速为,（,2-4,）,n,0,为空载转速，从而得到图,2-6,所示的静特性,CA,段。此时电流调节器的给定电压小于转速调节器的饱和输出电压，所以负载电流,I,d,小于其限幅值,I,dm,（,I,dm,由设计者给定，取决于电机和电力电子装置允许的最大值）。这是系统静特性正常工作段，是一条水平直线。,当转速调节器,ASR,饱和时，转速的变化不再对系统产生影响，相当于转速反馈环开环,双闭环系统变成为一个电流无静差的电流单闭环调速系统。稳态时,（,2-5,）,因此双闭环调速系统在负载电流,I,d,I,dL,时，电动机开始转动。由于电机系统的惯性作用，,转速,n,增长比较慢，因而转速调节器的输出偏差信号,U,n,=,U,n,，该数值比较大，使,ASR,输出很快达到调节器的限幅值，,I,d,也快速增大。当,I,d,=,I,dm,时，,U,i,=,，电流上升阶段结束。在这一阶段中，转速调节器,ASR,由不饱和很快变为饱和，在设计时应使,ACR,始终处于不饱和状态，保证电流环的调节作用。,I,dL,I,d,n,n,*,I,dm,O,O,I,II,III,t,4,t,3,t,2,t,1,t,t,第,I,阶段（续）,2.,恒流升速阶段,恒流升速阶段对应于图,2-9,中的时间,t,1,t,2,，是启动的主要阶段。在此期间，尽管转速反馈信号,U,n,不断上升，但是只要小于，偏差信号,U,n,=,U,n,就一直为正，使,ASR,一直处于饱和状态，使其输出信号保持不再变化，转速反馈信号的变化不再影响,ASR,的输出，转速调节器失去调节作用，相当于转速处于开环状态。电流调节器的给定信号保持最大值不变，此时电磁转矩,T,em,=,C,m,I,dm,保持恒,定，由直流电机的机械平衡方程可知，加,速转矩恒定，因此转速,n,呈线性增长，反电势,E,=,C,e,n,也按线性增长。,n,I,dL,I,d,n,*,I,dm,O,O,I,II,III,t,4,t,3,t,2,t,1,t,t,第,II,阶段（续）,为了保持电枢电流,I,d,=,I,dm,恒定，晶闸管整流装置输出电压,也必须保持线性增长。电流调节器,ACR,是,PI,调节器，要使它的输出线性增长，则输入的偏差电,压,U,i,=,U,i,必须保持恒定，也就是说,I,d,略小于,I,dm,。需要强调的是，在这一过程中，为了保持,ACR,的调节作用，应使其总处于不饱和状态。同时，最大输入电流,I,dm,应该限定在电机允许的最大启动电流范围内，确保系统安全可靠运行。,3.,转速调节阶段,转速调节阶段对应于图,2-9,中的,t,2,t,4,时段，转速反馈值达到给定值，此时偏差信号,U,n,=,U,n,=0,。由于,积分器的作用，,ASR,的输出保持不变，电机还在最大电流,I,dm,作用下加速，只有出现转速超调的情况才能使反馈信号大于给定信号,(,即,U,n,),，也就是说只有偏差信号小于零，即,U,n,0,，才能使转速调节器,ASR,退出饱和状态，其输出电压开始从限幅值降下来，电枢电流,I,d,也随之下降。,I,dL,I,d,n,n,*,I,dm,O,O,I,II,III,t,4,t,3,t,2,t,1,t,t,第,阶段（续）,第,阶段（续）,直到,I,d,=,I,dL,时，转矩,T,e,=,T,L,，则,d,n/,d,t,=0,，转速,n,才到达峰值（,t,=,t,3,时）。,I,dL,I,d,n,n,*,I,dm,O,O,I,II,III,t,4,t,3,t,2,t,1,t,t,第,阶段（续）,此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在一小段时间内（,t,3,t,4,），,I,d,I,dL,，电磁转矩,T,e,=,C,m,I,d,大于负载,T,L,=,C,m,I,dL,，因而转速继续上升。在,t,3,t,4,区间内，电机在负载转矩的作用下开始减速,直到进入稳定运行状态。在,t,2,t,4,之间，,ASR,和,ACR,都处于不饱和状态，,ASR,起主导调,节器的作用，,ACR,只是一个电流随动系统。,从启动过程的三个阶段可以看到，双闭环直流调速系统启动过程的特点如下：,(1),饱和非线性控制。随着,ASR,的饱和与不饱和，系统运行于两个完全不同的状态。当,ASR,饱和时，转速处于开环状态，系统表现为恒值电流调节的闭环系统。当,ASR,退出饱和时，转速处于闭环状态，电流环为一个电流随动系统，整个系统表现为一个转速无静差系统。从控制的观点看，电流转速双闭环系统是一个典型的变结构的线性系统，对于这种系统的设计和分析，应采用分段线性化的方法来处理。,(2),转速超调。采用饱和非线性控制，启动过程进入第三阶段后，必须出现转速超调，才能使,ASR,退出饱和。按照,PI,调节器的特点，只有出现转速超调，,ASR,的输入偏差电压,U,n,=,U,n,才能为负值，使,ASR,退出饱和，这就是说，双闭环调速系统的动态响应必须出现超调。,(3),准时间最优控制,(,有限制条件的最短时间控制,),。启动过程主要集中在第二阶段，它的特点是电流保持恒定,I,dm,不变，充分发挥电机的过载能力，尽可能缩短启动过程。这个阶段属于电流受限制条件下的最短时间控制，称之为“时间最优控制”。由于电感电流不能突变，还达不到图,2-1,所示的理想的启动过程，但是从图,2-9,可以看到，第,和第,两个阶段所占的时间比较小，比较接近理想启动过程。,双闭环调节系统启动过程中电流和转速的波形接近理想的启动过程。启动过程的三个阶段中，第二阶段是主要阶段，这一阶段基本实现了在最大电流条件下的加速启动，实现了准时间最优控制,;,不足之处是存在,ASR,退饱和过程，转速必然出现超调。在某些高性能应用条件下，转速超调是不允许的。,转速调节器和电流调节器在系统中的作用归