【文章內(nèi)容簡介】 起、制動、突加負(fù)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截至負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流Idcr值以后，靠強烈的負(fù)反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。當(dāng)電流從最大值降下來以后，電機轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。對于像龍門刨床、可逆軋鋼機那樣的經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運行的調(diào)速系統(tǒng)，盡量縮短起制動過程的時間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此，在電機最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，希望充分利用電機允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降低下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。，這時，起動電流呈方形波，而轉(zhuǎn)速是呈線性增長的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。 a) 帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) b) 理想的快速起動過程 理想快速啟動過程及其轉(zhuǎn)速波形實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突變，不能完全實現(xiàn)。為了實現(xiàn)在允許條件下最快起動，關(guān)鍵要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么采用電流負(fù)反饋就應(yīng)該得到近似的恒流過程。問題是希望在起動過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)矩負(fù)反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用。怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋作用，又使它們只能分別在不同的階段起作用呢？雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以解決這個問題。 轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別是轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接。這就是說，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制PWM調(diào)制器。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能。 PI調(diào)節(jié)器 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，繪出了它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和：輸出達(dá)到限幅值；不飽和：輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的關(guān)系，相當(dāng)于使調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓，U在穩(wěn)態(tài)時總是為零。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。（一）速調(diào)節(jié)器不飽和這時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零。因此 和 　由第一關(guān)系式可得： （2—1） 。與此同時，由于ASR不飽和，〈 ，從上述第二個關(guān)系式可知：〈。這就是說，段靜特性從=0 （理想空載狀態(tài)）一直延續(xù)到 。而一般都是大于額定電流的，這就是靜特性的運行段。（二）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時，ASR輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時 （2—2）式中，最大電流是設(shè)計者選定的，取決于電機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加度（2－2）。這樣的下垂特性只適合于n的情況。因為如果 ，則，ASR將退出飽和狀態(tài)。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護(hù)。這就是采用了兩個PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流至負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差。 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有下列關(guān)系 （2—3） （2—4） （2—5）上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉(zhuǎn)速n是由給定電壓決定的，ASR的輸出量是由負(fù)載電流決定的，而控制電壓的大小則同時取決于n和，或者說，同時取決于和。這些關(guān)系反映了PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要PI調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。鑒于這一點，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計算有關(guān)的反饋系數(shù)如下：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： （2—6）電流反饋系數(shù)： （2—7）兩個給定電壓的最大值和是受運算放大器的允許輸入電壓限制的。 雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能 動態(tài)數(shù)學(xué)模型考慮到雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)可繪出雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。圖中和分別表示轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，電機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中必須把電流顯露出來。 雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 起動過程分析設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近于理想的起動過程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要首先探討它的起動過程。雙閉環(huán)調(diào)速系突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)起動時。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個階段，整個過渡過程也就分成三段，在圖中分別以Ι、II、II 雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)起動時轉(zhuǎn)速和電流波形第I階段0—是電流上升的階段。突加給定電壓后，通過兩個調(diào)節(jié)器的控制作用，使、上升，當(dāng)后，電動機開始轉(zhuǎn)動。由于電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不會很快，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓數(shù)值較大，其輸出很快達(dá)到限幅值，強迫電流迅速上升。當(dāng)時，電流調(diào)節(jié)器的作用使不在迅速增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR由不飽和很快達(dá)到飽和，而ACR一般應(yīng)該不飽和以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。第II階段是恒流升速階段。從電流升到開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值（即靜特性上的）為止，屬于恒流升速階段，是起動過程的主要階段。在這個階段中，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于是開環(huán)。系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定（電流可能超也可能不超調(diào)，取決于電流調(diào)節(jié)環(huán)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)），因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長（）。與此同時，電動機的反電動勢E也按線性增長。對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，這個反電動勢是一個線性漸增的擾動量，為了克服這個擾動，和也必須基本上按線性增長，才能保持恒定。由于電流調(diào)節(jié)器ACR是PI調(diào)節(jié)器，要使它的輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，應(yīng)略低于。此外還應(yīng)指出，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動過程中電流調(diào)節(jié)器是不飽和的。第III階段以后是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在這階段開始時，轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓相平衡，輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電機仍在最大電流下加速，必然會使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)以后，ASR輸入端出現(xiàn)負(fù)的偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓即ACR的給定電壓立即從限幅值降下來，主電流也因而下降。但是，由于仍大于負(fù)載電流，在一段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速任繼續(xù)上升。到時，轉(zhuǎn)矩,則，轉(zhuǎn)速n到達(dá)峰值（t=時）。此后。電動機才開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，電流也出現(xiàn)一段小于的過程，直到穩(wěn)定。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR與ACR都不飽和，同時起調(diào)節(jié)作用。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在外環(huán)，ASR處于主導(dǎo)地位，而ACR的作用則是力圖使盡快地跟隨ASR的輸出量，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。 動態(tài)性能和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器的作用（一）動態(tài)跟隨性能如上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在起動和升速過程中，能夠在電流受電機過載能力約束的條件下，表現(xiàn)出很快的動態(tài)跟隨性能。在減速過程中，由于主電路電流的不可逆性，跟隨性能變差。對于電流內(nèi)環(huán)來說，在設(shè)計調(diào)節(jié)器時應(yīng)該強調(diào)有良好的跟隨性能。（二）動態(tài)抗擾性能1．抗負(fù)載擾動，負(fù)載擾動作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來產(chǎn)生抗擾作用。因此，在突加（減）負(fù)載時，必然會引起動態(tài)速降（升）。為了減少動態(tài)速降（升），必須在設(shè)計ASR時，要求系統(tǒng)具有較好的抗擾性能指標(biāo)。對于ACR的設(shè)計來說，只要電流環(huán)具有良好的跟隨性能就可以了。在系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中作用的位置不同，系統(tǒng)對它的動態(tài)抗擾效果也不一樣。 a)的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，電網(wǎng)電壓擾動和負(fù)載電流擾動都作用在被負(fù)反饋包圍的前向通道上，僅靜特性而言，系統(tǒng)對它們的抗擾效果是一樣的。但是從動態(tài)性能上看，由于擾動作用的位置不同，還存在著及時調(diào)節(jié)上的差別。負(fù)載擾動作用在被調(diào)量n的前面。它的變化經(jīng)積分后就可被轉(zhuǎn)速檢測出來，從而在調(diào)節(jié)器ASR上得到反映。電網(wǎng)電壓擾動的作用點離被調(diào)量更遠(yuǎn)，它的波形先要受到電磁慣性的阻撓后影響到電樞電流，再經(jīng)過機電慣性的滯后才能反映到轉(zhuǎn)速上來，等到轉(zhuǎn)速反饋產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，已經(jīng)嫌晚。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)（ b)），這個問題便大有好轉(zhuǎn)。由于電網(wǎng)電壓擾動被包圍在電流環(huán)之內(nèi)，當(dāng)電壓波動時，可以通過電流反饋得到及時的調(diào)節(jié)，不必等到影響到轉(zhuǎn)速后，才在系統(tǒng)中起作用。因此，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的動態(tài)速降會比單閉環(huán)系統(tǒng)中小得多。a)單閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)b)雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng) 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾性能（三）兩個調(diào)節(jié)器的作用（1）使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)無靜差。（2）對負(fù)載變化起抗擾作用。（3）其輸出限幅值決定允許的最大電流。（1）對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用。（2）起動時保證獲得允許的最大電流。（3）在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓變化。（4）當(dāng)電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全飽和作用。如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動恢復(fù)正常。 電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計我們現(xiàn)在采用一般系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計方法具體設(shè)計雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器。由工程設(shè)計法可知，設(shè)計多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則是：從內(nèi)環(huán)開始，一環(huán)一環(huán)逐步向外擴展。在這里，先從電流環(huán)入手，首先設(shè)計好電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。 電流環(huán)的動態(tài)簡化結(jié)構(gòu)圖由雙閉環(huán)系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可看出外環(huán)通過反電動勢E對內(nèi)環(huán)產(chǎn)生影響，但是由于實際系統(tǒng)中處于外環(huán)的系統(tǒng)機電時間常數(shù)比內(nèi)環(huán)的時間常數(shù)大得多，機構(gòu)經(jīng)ACR對內(nèi)環(huán)效正后其輸出量的動態(tài)過程變化很快，而反電動勢E的變化過程E（t）相對來說是緩慢的。反電動勢對電流環(huán)來說只是一個變化緩慢的擾動作用，在電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程中可以近似地認(rèn)為E基本不變。因此在設(shè)計電流環(huán)時可以簡化計算略去反電動勢E對內(nèi)環(huán)地影響，將電流閉環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)簡化為單位負(fù)反饋形式并將脈寬調(diào)制器和PWM變換器的滯后時間T與電流反饋濾波時間兩個小的時間常數(shù)所對應(yīng)的兩個小慣性合并為一個小慣性時間環(huán)節(jié)，即。電流環(huán)即可設(shè)計成典型I型系統(tǒng)也可設(shè)計成典型II型系統(tǒng)，一方面取決于對電流環(huán)的動態(tài)要求，并且典型I系統(tǒng)的跟隨性能優(yōu)于抗擾性，而典型II型系統(tǒng)的抗擾性優(yōu)于跟隨性。電流環(huán)的一項重要作用就是保持電樞電流動態(tài)過程中不超過允許值，因而在突加控制作用時不希望有超調(diào)，或者超調(diào)量越小越好。從這個觀點出發(fā)，應(yīng)該把電流環(huán)效正成典型I系統(tǒng)。另一方面電流環(huán)還有對電網(wǎng)電壓波動及時調(diào)節(jié)的作用，為了提高其抗擾性能，有希望把電流環(huán)效正成典型II系統(tǒng)。在一般情況下，當(dāng)控制對象的兩個時間常數(shù)之比時，典型I系統(tǒng)的抗擾恢復(fù)時間還是可以接受的，因此，效正成典型I型系統(tǒng)，顯然采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： （2—8）電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)包括和，為了讓調(diào)節(jié)器零點對消掉控制對象的大時間常數(shù)極點，取=。按二階最佳系統(tǒng)效正，在一般情況下，希望超調(diào)量σ%≤5%時，查表得阻尼比ζ=，=，因此 （2－9） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計由自動控制基本理論推導(dǎo)可得，電流環(huán)不論是典型I型花或是典型II型化在一定的近似條件下都可以等效為一個慣性環(huán)節(jié)，寫成通式為： （2—10）若典型I型化且ζ=，=，則a=2。若典型II型化h=5,m==。由上式畫出轉(zhuǎn)速閉環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，將它簡化為單位負(fù)反饋形式并將兩個小慣性合并為一個小慣性，則在ASR中必須含有積分環(huán)節(jié)，取ASR為PI調(diào)節(jié)器，因此轉(zhuǎn)速環(huán)必然按典型II型系統(tǒng)設(shè)計。，這里有 （2—11） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)閉環(huán)等效動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可見，上圖已具備典型II型系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)形式，ASR調(diào)節(jié)器的參數(shù)