【正文】 ； ； ； 。 其中 0iT —— 電流反饋濾波時(shí)間常數(shù) 0nT —— 轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù) 圖 37 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動 態(tài)結(jié)構(gòu)圖 2. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則：“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)” 從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴(kuò)展。 第二步，設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以 滿足動態(tài)性能指標(biāo)的要求。 4 工程設(shè)計(jì)方法的基本思路： 作為工程設(shè)計(jì)方法，首先要使問題簡化，突出主要矛盾。這樣，就有了建立工程設(shè)計(jì)方 法的可能性。 ： 大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動自動控制系統(tǒng)均可由低階系統(tǒng)近似。 圖中 )(sWASR 和 )(sWACR 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)。 鑒于這一特點(diǎn)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)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(jì)算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)： 轉(zhuǎn)速反 饋系數(shù) max*nmnU?? （ 36） 電流反饋系數(shù) dm*imIU?? （ 37） 兩個(gè)給定電壓的最大值 *nmU 和 *imU 由設(shè)計(jì)者選定，設(shè)計(jì)原則如下： 1） *nmU 受運(yùn)算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電源的限制； 2） *imU 為 ASR 的輸出限幅值。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。 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各變量之間有下列關(guān)系 0n*n nnUU ?? ??? （ 33） dLdi*i IIUU ?? ??? （ 34） sdL*nesdesd0c /K RIUCK RInCKUU ????? ? （ 35） 上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上， 1）轉(zhuǎn)速 n 是由給定電壓 *nU 決定的； 2） ASR 的輸出量 *iU 是由負(fù)載電流 dLI 決定的； 3）控制電壓 cU 的大小則同時(shí)取決于 n 和 dI ，或者說，同時(shí)取決于 *nU 和 dLI 。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。 2）當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到 dmI 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)。這樣的下垂特性只適合于 n 0n 的情況，因?yàn)槿绻?n 0n ，則 nU *nU ， ASR 將退出飽和狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)時(shí) dm*imd IUI ?? ? （ 32） 式中，最大電流 dmI 是由設(shè)計(jì)者選定的，取決于電機(jī)的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。 2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 這時(shí)， 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。這就是說， CA 段靜特性從理想空載狀態(tài)的 dI =0 一直延續(xù)到 dI = dmI ，而 dmI 一般都是大于額定電流 dnI 的。 由第一個(gè)關(guān)系式可得 0*n nUn ?? ? （ 31） 從而得到上圖靜特性的 CA 段。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性如圖 35 所示。 實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會達(dá)到飽和狀態(tài)的。 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性 1. 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 圖 34 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 存在兩種狀況： 1) 飽和 —— 輸出達(dá)到限幅值 當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，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(shí)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)。 圖 33 雙閉環(huán)直流 調(diào)速 系統(tǒng)電路原理圖 圖中表出，兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。 2. 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu) 為了 獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)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)的電路原理圖示于下圖。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)。二者之間實(shí)行嵌套（或稱串級）聯(lián)接如下圖 32所示。 ： 1）起動過程，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋； 2）穩(wěn)態(tài)時(shí)，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，沒有電流負(fù)反饋。 a) b) ： 為了實(shí)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。 2) 理想起動過程波形如圖，這時(shí)，起動電流呈方形波，轉(zhuǎn)速按線性增長。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值 dcrI 以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。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)載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。 設(shè) dLI =0，從給定輸入作用上看，閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是 111)(1)1()1)(1(/)1)(1(/1)1)(1(/)(sm2sm3smespm2msespm2msespm2msespc???????????????????????sKTTsKTTTsKTTTKCKKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsTsTTsTCKKsWllllll ? 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為 0111 )(1 sm2sm3sm ?????? ??? sKTTsK TTTsKTTT ll （ 234） （ 233） 圖 214 反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 一般表達(dá)式為 0322130 ???? asasasa 系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是 00000 30213210 ?????? aaaaaaaa ， 各項(xiàng)系數(shù)顯然都是大于零的，因此穩(wěn)定條件就只有 0111 )( smsmsm ??????? ? KTTTKTTK TTT ll 或 ssms )1())(( TTKTTTT ll ???? 整理后得 s2ssm )(TT TTTTK ll ??? （ 235） 臨界放大系數(shù) crK ， crKK? 時(shí)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。帶比例放大器的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以近似看作是一個(gè)三階線性系統(tǒng)。如果是理想空載，則 dLI = 0，結(jié)構(gòu)圖即簡化成下圖 213b。前者是控制輸入量，后者是擾動輸入量。不同電力電子變換器的傳遞函數(shù)，它們的表達(dá)式是相同的，都是 1)( s ss ?? sTKsW （ 221） 他勵直流電動機(jī)在額定勵磁下的等效電路繪于圖 211，動態(tài)電壓方程為 EtILRIU ??? dd ddd0 （ 222） 忽略粘性磨擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電機(jī)軸上的動力學(xué)方程為 tnGDTT dd3752Le ?? （ 223） 額定勵磁下的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩分別為 nCE e? （ 224） 和 dme ICT ? （ 225） 整理后得 )dd( dd0d tITIREU l??? （ 226） tERTII ddmdLd ?? （ 227） 式中 dLI —— 負(fù)載電流， mLCTI ?dL。 D 圖 210 帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型 建立系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟如下： 1） 根據(jù)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列出描述該環(huán)節(jié)動態(tài)過 程的微分方程； 2）求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)； 3） 組成系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析 引入了轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，且放大系數(shù)足夠大時(shí)，就可以滿足系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能要求。這樣的兩段式靜特性常稱作下垂特性或挖土機(jī)特性， 令 n=0，得 sspc o m*nspdb )( RKKR UUKKI l ? ?? （ 219） 一般 RRKK SS ?P ，因此 s *ndb RUUI l ?? （ 220） dblI 應(yīng)小于電機(jī)允許的最大電流，一般為（ ~2） NI 。 AB 段特性和 CA 段相比有兩個(gè)特點(diǎn)： 1） 電流負(fù)反饋的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個(gè)大電阻 SSRKKP ，因而穩(wěn)態(tài)速降極大，特性急劇下垂。 b) 利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓 0 Ui Id Rs U 圖 28 電流截 止負(fù)反饋環(huán)節(jié) A）利用獨(dú)立直流電源作比較電壓 圖 29 帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 Ud Id VD U + M Rs + Ui 接放大器 接放大器 Ui Rs VST Ubr M Id Ud + nKp Ks 1 / C eU * nUc? UnIdEU d 0Un+ +RRsU c o mId Rs U c o m? 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 29，當(dāng) dcrd II ? 時(shí)，電流負(fù)反饋被截止，靜特性只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，即 )1()1( e de*nspKC RIKC UKKn ???? （ 217） dcrd II ? 后，引入了電流負(fù)反饋，靜特性變成 )1()()1( )(edsspec om*nsp KC IRKKRKC UUKKn ???? ?? （ 218） 對 應(yīng)式（ 217）和式（ 218）靜特性示于圖210，電流負(fù)反饋被截止的 CA 段，它就是閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)本身的靜特性，顯然是比較硬的。解決辦法：引入電流截止負(fù)反饋。 靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率，即 Nm inNm in0N nn nn ns ?????? (213) 最低轉(zhuǎn)速為 s nsnsnn NNNm in )1( ??????? (214) 而調(diào)速范圍為 0 TeN Te n0a n0b a b ? nNa ? nNb n O O 圖 27 不同轉(zhuǎn)速下的靜差率 minNminmax nnnnD ?? (215) 將上面的式代入 minn ，得 )1(N N sn snD ?? ?? (216) 調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系，一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。對于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度也就越差。它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。 生產(chǎn)機(jī)械要求電動機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速 maxn 和最低轉(zhuǎn)速 minn 之比叫做調(diào)速范圍，用字母 D 表示，即 minmaxnnD? (210) 其中 , maxn 和 minn 一般都指電機(jī)額定負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)的最高和最低轉(zhuǎn)速。 為了進(jìn)行定量的分析，可以針對前兩項(xiàng)要求定義兩個(gè)調(diào)速指標(biāo)，叫做“調(diào)速范圍”和“靜差率”。 用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入 輸出關(guān)系為 )(1 scs0d TtUKU ???