【文章內(nèi)容簡介】 采用 PI 調(diào)節(jié)的單個轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn) 定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速起制動，突加負(fù)載畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。 在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只能在超過臨界電流 dcrI 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。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，起動電流突破dcrI 以后， 受電流負(fù)反饋的作用，電流只能再升高一點，經(jīng)過某一最大值 dmI 后，就降低下來，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。 對于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運行的調(diào)速系統(tǒng)，例如龍門刨床、可逆軋鋼機(jī)等，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(jī)最大允許電流和轉(zhuǎn)矩受限制的條件下，應(yīng)該充分利用電機(jī)的過載能力，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)以最大的加速度起動，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時，立即讓電流降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行 。 實際上，由于主電路電感的作用，電流不可能突跳。為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值 dmI 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)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。問題是，應(yīng)該在起動過程中只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用。要想既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用，只用一個調(diào)節(jié)器顯然是不可能的，可以考 慮采用轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器。 (1) 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(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，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級）聯(lián)接，如圖 2— 3 所示。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)器的輸出去控制電力電子變換器 UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(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，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用 PI 調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成 的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖如圖 2— 4 所示。圖中標(biāo)出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓 cU 為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。圖中還表示了兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出限幅電壓 *imU 決定了電流給定電壓的最大值，畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸出限幅電壓 cmU 限制了電力電子變換器的最大輸出電壓 dmU 。 圖 2— 3 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 圖 2— 4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 (2) 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性 為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，必須先會出它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖 2— 5所示。它可以很方便地根據(jù)原理圖畫出來，只要注意用帶限幅的輸出特性表示 PI 調(diào)畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 節(jié)器就可以了。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聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時， PI 的作用使輸入偏差電壓 U? 在穩(wěn)態(tài)時總為零。 圖 2— 5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 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。 ① 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和時，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 0* nnUU nn ?? ??? dii IUU ???* 由第一個關(guān)系式可得 0* nUn n??? （ 2— 5） 此時，由于 ASR 不飽和， *iU ＜ *imU ，從上述第二個關(guān)系式可知 dI ＜ dmI 。 ② 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 器飽和時， ASR 輸出達(dá)到限幅值 *imU ，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)變成一個單閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時 dmimd IUI ?? ?* （ 2— 6） 畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 其中，最大電流 dmI 是由設(shè)計者選定的，取決于電動機(jī)的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于 dmI 時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差， 這時，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到 dmI 時，對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出 *imU ，這時，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截止負(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，特別是為了避免零點漂移而采用“準(zhǔn) PI 調(diào)節(jié)器”時，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差。 雙閉環(huán) 直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動態(tài)性能 (1) 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖 2— 6 所示。圖中 ??sASRW 和 ??sACRW 分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。 圖 2— 6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 (2) 動態(tài)抗擾性能分析 一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能。對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性是抗擾性能，主要是抗負(fù)載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。 ① 抗負(fù)載擾 動 由圖 2— 6 可以看出，負(fù)載擾動作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動的作用。在設(shè)計 ASR 時，應(yīng)要注有較好的抗擾性能指標(biāo)。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 ② 抗電網(wǎng)電壓擾動 電網(wǎng)電壓變化對調(diào)速系統(tǒng)也產(chǎn)生擾動作用。 dU? 和 dLI 都作用在被轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)包圍的前向通道上，僅就靜特性而言，系統(tǒng)對它們的抗擾效果是一樣的。但從動態(tài)性能上看，由于擾動作用點不同，存在著能否及時調(diào)節(jié)的差別。負(fù)載擾動能夠比較快地反映到被調(diào)量 n 上，從而得到調(diào)節(jié)，而電網(wǎng)電壓擾動的作用點離被調(diào)量稍遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抑制電壓擾動的性能要差一些。 在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速動態(tài)變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。 (3) 轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器的作用 綜上所述，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用可分別歸納如下。 ① 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用： a 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓 *nU 變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用 PI 調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。 b 對負(fù)載變化起抗擾作用。 c 其輸出限幅值決定電動機(jī)允許的最大電流。 ② 電流調(diào)節(jié)器的作用： a 作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中 ，它的作用是使電流緊緊跟隨其給定電壓 *iU （即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。 b 對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。 c 在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電動機(jī)允許的最大值，起快速的自動保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。這對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計方法 (1) 工程設(shè)計方法的基本思路 作為工程設(shè)計方法，首先要使問題簡化，突出主 要矛盾。簡化的基本思路是，把調(diào)節(jié)器的設(shè)計過程分作兩步： 第一步，先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度； 第二步，再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動態(tài)性能指標(biāo)的要求。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 在選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)時，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計算一下就可以了。這樣就使設(shè)計方法規(guī)范化，大大減少了設(shè)計工作量。 (2) 典型系統(tǒng) 一般來說，許多控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)都可用下式表示 ? ?? ?? ???????? niirmjjsTssKsW1111? （ 2— 7） 其中分子和分母上還有可能含有復(fù)數(shù)零點和復(fù)數(shù)極點。分母中的 rs 項表示該系統(tǒng)在原點處有 r 重極點，或者說，系統(tǒng)含有 r 個積分環(huán)節(jié)。根據(jù) r=0,1,2,?的不同數(shù)值，分別稱作 0 型、 I 型、 II 型、?系統(tǒng)。自動控制理論已經(jīng)證明， 0 型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度低，而III 型和 III 型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。因此，為了保證穩(wěn)定性和較好的穩(wěn)態(tài)精度，多用I 型和 II 型系統(tǒng)。 ① 典型 I 型系統(tǒng) 典型 I 型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)選擇為 ? ? ? ?1?? Tss KsW （ 2— 8） 式中 T— 系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)； K— 系統(tǒng)的開環(huán)增益。 它的閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 2— 7a所示，而 圖 2— 7b表示它的開環(huán)對數(shù)頻率特性。選擇它作為典型 I 型系統(tǒng)是因為其結(jié)構(gòu)簡單，而且對數(shù)幅頻特性的中頻段以－20dB/dec 的斜率穿越 0dB 線，只要參數(shù)的選擇能保證足夠的中頻帶寬度，系統(tǒng)就一定是穩(wěn)定的，且有足夠的穩(wěn)定裕量。顯然，要做到這一點，應(yīng)在選擇參數(shù)時保證 Tc 1?? 或 1?Tc? ?45?Tarctg c? 于是，相角穩(wěn)定 裕度 ???? 459090180 ?????? Ta r c tgTa r c tg cc ??? 。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 a) b) 圖 2— 7 典型 I 型系統(tǒng) 典型 I 型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 a 穩(wěn)態(tài)跟隨性能指標(biāo) 在階躍輸入下的 I型系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時是無誤差的；但在斜坡輸入下則有恒值穩(wěn)態(tài)誤差，且與 K 值成反比，在加速度輸入下穩(wěn)態(tài)誤差為∞。因此 I 型系統(tǒng)不能用于具有加速度輸入的隨動系統(tǒng)。 b 動態(tài)跟隨性能指標(biāo) 閉環(huán)傳遞函數(shù)的一般形式為 ? ? ? ?? ? 22 22nnncl sssR sCsW ???? ???? （ 2— 9） 式中 n? — 無阻尼時的自然振蕩角頻率，或稱固有角頻率； ?— 阻尼比，或稱衰減系數(shù)。 參數(shù) K、 T 與標(biāo)準(zhǔn)形式中的參數(shù) n? 、 ? 之間的換算關(guān)系 TKn?? （ 2— 10） 畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 KT121?? （ 2— 11） 則 Tn 21??? （ 2— 12） 表 2— 1 典型Ⅰ 型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 參數(shù)關(guān)系 KT 阻尼比 ξ 超調(diào)量 σ 0% % % % % 上升時間 tr ∞ 峰值時間 tp ∞ 相角穩(wěn)定裕度γ 截止頻率 c? 由二階系統(tǒng)的性質(zhì)可知，當(dāng) 1?? 時，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)是欠阻尼的振蕩特性；當(dāng) 1??時，是過阻尼的單調(diào)特性；當(dāng) 1?? 時，是臨界阻尼。由于過阻尼特性動態(tài)響應(yīng)較慢，所以一般常把系統(tǒng)設(shè)計成欠阻尼狀態(tài)，即 10 ??? 。由于在典型Ⅰ型系統(tǒng)中， 1?KT ，代入式（ 2— 11）得 ?? ，因此在典型 I 型系統(tǒng)中應(yīng)取 ??? 。 典型 I 型系統(tǒng)各項動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù) KT 的關(guān)系列于表 2— 1。由表中數(shù)據(jù)可見 ， 當(dāng)系統(tǒng)的時間常數(shù) T 為已知時，隨著 K 的增大，系統(tǒng)的快速性增強，而穩(wěn)定性變差。 具體選擇參數(shù)時，如果工藝上主要要求動態(tài)響應(yīng)快，可取 ?? ～ ，把 K 選大一些；如果主要要求超調(diào)小，可取 ?? ～ ，把 K 選小一些；如果要求無超調(diào)，則取 ?? ， TK ? ；無特 ω c殊要求時，可取折中值，即 ?? ， TK ? ，此時略有超調(diào)（ ? =%）。 典型 I 型系統(tǒng)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系列于表 22（ KT=）。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 表 22 典型 I 型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 221 TTTTm ?? 51 101 201 301 %100max ?? bCC