运动控制转速、电流双闭环直流调速系统.ppt

3.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性采用PI调节器、带电流截止环节的转速负反馈调速系统既实现了系统的稳定运行和无静差调速，又限制了起动时的最大电流。这对一般要求不太高的调速系统已基本满足要求，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，单闭环系统就难以满足需要。这主要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。,另外，在单闭环直流调速系统中只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在电流超过临界电流值Idcr以后才起作用，靠强烈的负反馈作用限制最大起动电流，而不能保证在整个起动过程中维持最大电流，因而并不能很理想地控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动时的电流和转矩波形如图3-1(a)所示。由图可见，随着转速的上升，电动机反电动势增加，使起动电流到达最大值后又迅速降下来，电磁转速也随之减小，影响了起动的快速性(即起动时间较长)，使起动过程延长。,图3-1直流调速系统起动过程的电流和转速波形,对于龙门刨床、可逆压钢机那样经常正反转运行的调速系统，尽量缩短其起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为了提高生产效率和加工质量，充分利用晶闸管元件及电动机的过载能力，要求实现理想的起动过程。带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统的理想起动过程如图3-1(b)所示，起动电流呈方形波，即在整个起动过程中，使起动电流一直保持最大允许值，此时电动机以最大转矩起动，转速迅速按线性规律增长，以缩短起动时间；起动过程结束后，电流从最大值迅速下降到负载电流值且保持不变，转速维持给定转速不变。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。,由于电流不能突变，图3-1(b)的理想波形只能近似得到，不能完全实现。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是在起动过程中要获得一段使电流保持为最大值Idm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，我们希望能实现这样的控制：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？转速、电流双闭环负反馈直流调速系统正是用来实现上述目标的。在电动机起动时，让转速调节器饱和，不起作用，电流环调节器起主要作用，用以调节起动电流并使之保持最大值，使得转速线性变化，迅速上升到给定值；在电动机稳定运行时，转速调节器退出饱和状态，开始起主要调节作用，使转速随着转速给定信号的变化而变化，电流环跟随转速环调节电动机的电枢电流以平衡负载电流。,3.1.1双闭环直流调速系统的组成1.双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套(或称串级)连接，如图3-2所示。图中：U*n为转速给定信号(电压信号形式)，Un为转速反馈信号，Un为转速偏差信号；ASR为转速调节器；U*i为电流给定的电压信号，Ui为电流反馈信号，Ui为电流偏差信号；ACR为电流调节器；Uct为晶闸管整流桥的脉冲触发控制信号；GT为脉冲触发装置；TG为测速发电机；TA为电流互感器；UPE为电力电子变换器(即三相全控桥式晶闸管整流器)。,图3-2转速、电流双闭环直流调速系统结构,图3-2中，电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环，转速调节器ASR和转速检测反馈环节构成了转速环，所以称此系统为双闭环调速系统。从闭环结构上看，转速环包围电流环。电流环在里面，称为内环(又称副环)；转速环在外边，称为外环(又称主环)。在电路中，转速环ASR和电流环ACR串联，即把ASR的输出当作ACR的输入，再由ACR的输出去控制电力电子变换器UPE的触发器。,2.双闭环直流调速系统的电路原理图为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用比例积分(PI)调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如图3-3所示。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uct为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。,图中还标出了两个调节器的输出都是带有限幅作用的，ACR的输出限幅值为Uctm，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值Udm；ASR的输出限幅值为U*im，它决定了电流调节器给定电压的最大值。当调节器饱和时，其输出值为一恒定值(等于限幅值)，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出之间的联系，相当于使该调节器开路。正常运行时，电流调节器不会饱和，只有转速调节器会出现饱和和不饱和两种情况，具体描述详见后面的动态分析。,图3-3双闭环直流调速系统电路原理图,3.1.2双闭环直流调速系统的工作原理为了更清楚地了解转速、电流双闭环直流调速系统的特性，必须对双闭环调速系统的稳态结构图进行分析。图3-4为双闭环调速系统的稳态结构图，它可以很方便地根据电路原理图(见图3-3)画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI调节器就可以了。电流调节器ACR和转速调节器ASR的输入、输出信号的极性主要视触发电路对控制电压Uct的要求而定。假如触发器要求电流调节器ACR的输出电压Uct为正极性，由于调节器一般为反相输入，那么则要求ACR的输入电压U*i为负极性，因此，转速调节器ASR的给定电压U*n则要求为正极性。下面主要根据电流环和转速环的工作过程来说明双闭环直流调速系统的工作原理。,图3-4双闭环直流调速系统的稳态结构图,1)以电流调节器ACR为核心的电流环电流环是由电流调节器ACR和电流负反馈环节组成的闭合回路，其主要作用是通过电流检测元件的反馈作用稳定电流。由于ACR采用PI调节器，在调速系统稳定运行时，ACR的输入偏差电压Ui=U*i-Ui=U*i-Id=0，即Id=U*I/，其中为电流反馈系数。,当U*i一定时，由于电流负反馈的调节作用，使整流装置的输出电流保持在U*i/数值上。当IdU*i/时，自动调节过程如下：IdUiUctUdId最终保持电流稳定。当电流下降时，也有类似的调节过程。,2)以转速调节器ASR为核心的转速环转速环是由转速调节器ASR和转速负反馈环节组成的闭合回路，其主要作用是通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差。由于ASR采用PI调节器，所以在系统达到稳态时应满足Un=U*n-Un=U*n-n=0，即n=U*n/，其中为转速反馈系数。,当U*n一定时，转速n将稳定在U*n/数值上。当nU*n/，在突加负载TL时，其自动调节过程如下：TLnUnUnU*iUiUctUdn最终保持转速稳定。当负载减小，转速上升时，也有类似的调节过程。,3.1.3双闭环直流调速系统的静特性及其稳态参数计算分析转速、电流双闭环直流调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征。在调速系统稳态运行时，电流调节器ACR和转速调节器ASR的输入电压偏差一定为零，因此，转速、电流双闭环直流调速系统属于无静差调速系统。,1.双闭环直流调速系统的静特性我们已经知道，在正常运行时，电流调节器ACR是不会出现饱和情况的，因此，对于静特性来说，只有转速调节器ASR会出现饱和和不饱和两种工作状态。当转速调节器ASR饱和时，ASR的输出达到限幅值，转速给定信号U*n的变化不再影响ASR的输出(除非U*n的极性发生改变使得ASR退出饱和状态)，这时转速调节器ASR相当于开环，调速系统中只有电流调节器起到主要调节作用，实现电流无静差调节；当转速调节器ASR不饱和时，ASR的输出未达到限幅值，ASR起到转速调节作用，使得转速给定信号U*n和转速反馈信号Un的差值为零，即Un=U*n-Un=0，实现转速无静差调节。,1)转速调节器饱和在电动机刚开始起动时，突加阶跃给定信号U*n，由于机械惯性，转速n很小，转速负反馈信号Un很小，则转速偏差电压Un=U*n-Un0很大，转速调节器ASR很快达到饱和状态，ASR的输出维持在限幅值U*im，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。在这种情况下，电流负反馈环起恒流调节作用，转速线性上升，从而获得极好的下垂特性，如图3-5中的AB段虚线所示。,此时，电流，Idm为最大电流，是由设计者选定的，取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度，一般选择为额定电流IdN的1.52倍。注意，图3-5中的AB段下垂特性只适合于nn0，则ASR退出饱和状态。,图3-5双闭环直流调速系统的静特性,2)转速调节器不饱和当转速n达到给定值且略有超调时(即nn0)，Un=U*n-Un0，则转速调节器ASR的输入信号极性发生改变，ASR退出饱和状态，转速负反馈环节开始起转速调节作用，最终使转速保持恒定，即Un=U*n-Un=0，,如图3-5中的CA段虚线所示。,但是由于转速环是外环，起主导作用，而电流环的作用只相当于转速环内部的一种扰动作用，因而只要转速环的开环放大倍数足够大，最终靠ASR的积分作用，可以消除转速偏差。因此，双闭环系统的稳态特性具有近似理想的“挖土机特性”(如图3-5中实线所示)。由图3-5可知，由于ASR不饱和，U*iU*im，则有IdIdm。也就是说，CA段静特性从理想空载状态的Id=0一直延续到Id=Idm，而Idm一般都是大于额定电流IdN的，这就是静特性的运行段，它是一条近似水平的特性曲线。,2.各变量的稳态工作点和稳态参数计算双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系：(3-1)(3-2),(3-3)(3-4),上述关系表明，在稳态工作点上，转速n是由给定电压U*n决定的；转速调节器ASR的输出量U*i是由负载电流IdL决定的；而控制电压Uc的大小则同时取决于n和Id，或者说，同时取决于U*n和IdL。这些关系反映了比例积分(PI)调节器不同于比例(P)调节器的特点。P调节器的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，其输出量在动态过程中取决于输入量的积分，到达稳态后，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多大的输出值，它就能提供多大，直到饱和为止。,3.2.2双闭环直流调速系统的起动特性 前面已经指出，设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环直流调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。双闭环直流调速系统突加给定电压U*n由静止状态起动时，转速和电流的动态过程如图3-7所示。在分析起动过程的阶段时，对电枢电流Id、负载电流IdL要抓住这样几个关键：,(1)IdIdL，n升速；(2)IdIdL，n降速；(3)Id=IdL，n恒速。在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图3-7中标明的、三个阶段。,图3-7双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形,1 起动过程的第阶段(0t1)(电流上升)双闭环直流调速系统突加给定电压U*n由静止状态起动时，经过转速电流调节器和转速调节器的跟随作用，触发脉冲控制电压Uc、晶闸管整流装置输出的整流电压Ud0、电枢电流Id都跟着上升，但是在Id没有达到负载电流IdL以前，电动机还不能转动；当IdIdL以后，电动机开始起动，由于机电惯性的作用，起动瞬间电动机转速n不能很快增长，转速n近似为零(即Un0)，则转速调节器ASR的输入偏差电压UnU*n，其数值较大，ASR很快达到饱和状态，其输出电压保持在限幅值U*im，强迫电枢电流Id迅速上升；当IdIdm，UiU*im时，电流调节器的作用使电枢电流Id不再迅速增长，标志着这一阶段的结束。,2 起动过程的第阶段(t1t2)(恒流升速)从电流上升到Idm开始，到转速n上升到给定值n*(即静特性上的理想空载转速n0)为止，属于恒流升速阶段，这是起动过程中的主要阶段。在这个阶段中，转速调节器ASR一直是饱和的，转速环相当于开环，系统实际上成为在恒值电流给定U*im下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电机的反电动势E也按线性增长，对电流调节系统来说，该反电动势E是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，整流装置输出电压Ud0和控制电压Uc也必须基本上按线性规律增长，才能保持电枢电流Id恒定。,由于电流调节器ACR采用PI调节器，要使它的输出量按线性规律增长，其输入偏差电压Ui=U*im-Ui必须维持一定的恒值，也就是说，电枢电流Id要略低于电流最大值Idm(参见图3-7)。此外还应该指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中ACR不应饱和，同时整流装置的最大输出电压也需留有余地，即晶闸管装置也不能饱和，这些都是设计时必须注意的。特征关系：ACR的输入电压偏差Ui=U*im-Ui维持一定的恒值，Uc线性上升。关键位置：n=n*，U*n=Un=n*。,3 起动过程的第阶段(t2以后)(转速调节阶段)这个阶段开始时，转速已经达到给定值n=n*=n0，则转速调节器ASR的输入偏差电压Un减小到零(Un=U*n-Un=U*n-n*=0)。但是，ASR的输出却由于积分作用还维持在限幅值U*im，所以电动机仍在最大电流Idm下加速，转速继续上升，必然使转速出现超调。转速超调后(即UnU*n)，转速调节器ASR的输入偏差电压Un=U*n-Un0，ASR开始退出饱和状态，ASR的输出电压U*i和电枢电流Id很快下降。,但是，由于电枢电流Id仍大于负载电流IdL，在一段时间内，转速仍将继续上升，直到Id=IdL时，转速Te=TL，则dn/dt=0，转速n才到达峰值(t=t3时)。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(t3t4)，电枢电流Id也出现一段小于负载电流IdL的过程，直到稳定，如果调节器参数整定得不够好，也会有一些振荡过程。在这最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使Id尽快跟随其给定值U*i，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。,注意：转速调节器ASR在第一阶段末达到饱和状态，第二阶段保持饱和状态，第三阶段为不饱和状态；而电流调节器ACR在三个阶段中都处于不饱和状态。综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点。,(1)饱和非线性控制。根据转速调节器ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态。当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；而当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流环则表现为电流随动系统。在不同情况下表现为不同结构的线性系统，这就是饱和非线性控制的特征，决不能简单地用线性控制理论来分析整个起动过程，也不能简单地用线性控制理论来笼统地设计这样的控制系统，只能采用分段线性化的方法来分析。,(2)准时间最优控制。起动过程中主要的阶段是第阶段，即恒流升速阶段。它的特征是维持电流恒定不变，一般选择为允许的最大值，以便充分发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能最快。这个阶段属于电流受限制条件下的最短时间控制，或称为“时间最优控制”。但是，整个起动过程与理想快速起动过程相比还有一些差距，主要表现在第、阶段电流不是突变的。不过这两段的时间只占全部起动时间中很小的部分，影响不大，所以双闭环调速系统的起动过程可以称为“准时间最优控制”过程。采用饱和非线性控制方法实现准时间最优控制是一种很有实用价值的控制策略，在各种多环控制系统中普遍应用。,(3)转速超调。由于采用饱和非线性控制，起动过程结束进入第阶段，即转速调整阶段后，必须使转速调节器退出饱和状态。按照PI调节器的特性，只有使转速超调，ASR的输入偏差电压Un为负值，才能使ASR退出饱和状态。这也就是说，采用PI调节器的双闭环直流调速系统的转速动态响应必然有超调。在一般情况下，转速略有超调是容许的，对实际运行影响不会太大；如果工艺上要求较严格，完全不允许超调，则应采用其它控制方法来抑制超调。,