第4章 電力拖動自動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)(第5版)

1、 Shanghai university 第第4章章 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控 制的直流調(diào)速系統(tǒng)制的直流調(diào)速系統(tǒng) 運動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng) Shanghai university 問題的提出 動態(tài)性能要求動態(tài)性能要求:對于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運行的調(diào)速系 統(tǒng)，縮短起、制動過程的時間是提高生產(chǎn)率的 重要因素。 Shanghai university 如何控制動態(tài)性能？ n電力拖動系統(tǒng)的運動方程：電力拖動系統(tǒng)的運動方程： n結論：要得到好的動態(tài)性能，必須控制好結論：要得到好的動態(tài)性能，必須控制好 轉(zhuǎn)矩，即控制好電流。轉(zhuǎn)矩，即控制好電流。 dt dnGD TT Le 375 2 dt dn C

2、GD II m Ld 375 2 Shanghai university n在起動（或制動）過渡過程中，希望始終保持電 流（電磁轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使調(diào)速系統(tǒng)以 最大的加（減）速度運行。 n當?shù)竭_穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時，最好使電流立即降下來，使 電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而迅速轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài) 運行。 Shanghai university 圖4-1 時間最優(yōu)的理想過渡過程 Shanghai university 單閉環(huán)系統(tǒng)的問題 n轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)不能控制電流（或轉(zhuǎn)矩）的動態(tài)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)不能控制電流（或轉(zhuǎn)矩）的動態(tài) 過程。過程。 n電流截止負反饋環(huán)節(jié)只是用來限制電流的沖擊，電流截止負反饋環(huán)節(jié)只是用來限制電流

3、的沖擊， 并不能很好地控制電流的動態(tài)波形。并不能很好地控制電流的動態(tài)波形。 Shanghai university a) 理想的快速起動過程 IdL n t Id O Idm b) 帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) n 理想的起動過程 IdL n t Id O Idm Idcr n Shanghai university 解決思路 為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關鍵為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關鍵 是要獲得一段使電流保持為最大值是要獲得一段使電流保持為最大值I Idm dm的恒流過 的恒流過 程。程。 按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負 反饋就可以保

4、持該量基本不變，那么，采用電反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電 流負反饋應該能夠得到近似的恒流過程流負反饋應該能夠得到近似的恒流過程。 在系統(tǒng)中設置兩個調(diào)節(jié)器，分別引入轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速 負反饋負反饋和電流負反饋電流負反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。 Shanghai university 4.1.1 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng) 的組成 n兩個調(diào)節(jié)器在系統(tǒng)中如何連接？系統(tǒng)結構是怎樣兩個調(diào)節(jié)器在系統(tǒng)中如何連接？系統(tǒng)結構是怎樣 的？電流調(diào)節(jié)器的輸入的？電流調(diào)節(jié)器的輸入-電流給定如何確定呢？電流給定如何確定呢？ n把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(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。 n從

5、閉環(huán)結構上看，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)。形成了轉(zhuǎn)速、電流反饋 控制直流調(diào)速系統(tǒng)（簡稱雙閉環(huán)系統(tǒng)）。 Shanghai university 圖4-2(a) 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖 Shanghai university 圖4-2(b) 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖 Shanghai university 圖4-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù) 4.1.1 穩(wěn)態(tài)結構圖與參數(shù)計算 Shanghai university 1. 穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性 n轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓輸出限幅電壓決定了電流給定的最大 值，電流調(diào)節(jié)器ACR

6、的輸出限幅電壓輸出限幅電壓限制了電力電子變 換器的最大輸出電壓。 n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，設計合理的設計合理的電流調(diào)節(jié)器不進入飽和狀態(tài) 。 n當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出達到限幅值，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； n當調(diào)節(jié)器不飽和時，PI調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，其 作用是使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時為零。 Shanghai university （1） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和 n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，即轉(zhuǎn)速、電流均無靜 差。 n dii nn IUU nnUU * 0 * dmd II 0 * n U n n

7、(4-1) Shanghai university （2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 nASR輸出達到限幅值時，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán) 狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對轉(zhuǎn)速環(huán)不再產(chǎn)生影響。 n雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單電流 閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時 (4-2) dm im d I U I * Shanghai university nAB段是兩個調(diào) 節(jié)器都不飽和 時的靜特性， IdIdm, n=n0。 nBC段是ASR調(diào) 節(jié)器飽和時的 靜特性，Id=Idm, nn0。 圖4-4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 Shanghai university n在負載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，轉(zhuǎn)速負 反饋起主要調(diào)節(jié)作用。 n當負載

8、電流達到Idm時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為飽和輸出 U*im，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。 n采用兩個PI調(diào)節(jié)器形成了內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。 n當ASR處于飽和狀態(tài)時，Id=Idm，若負載電流減小， Idn0，nIdm，電動機 仍處于加速過程，使n超過了n* ，稱之為起動過程 的轉(zhuǎn)速超調(diào)。 n轉(zhuǎn)速的超調(diào)造成了Un0，ASR退出飽和狀態(tài)，Ui 和Id很快下降。轉(zhuǎn)速仍在上升，直到t=t3時，Id= Idl ， 轉(zhuǎn)速才到達峰值。 n在t3t4時間內(nèi)， Id Idl，轉(zhuǎn)速由加速變?yōu)闇p速，直到 穩(wěn)定。 n如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會有一段振蕩的 過程。 n在第階段中， ASR和ACR都不飽

9、和，電流內(nèi)環(huán)是 一個電流隨動子系統(tǒng)。 Shanghai university n雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有以下三 個特點： （1）飽和非線性控制 （2）轉(zhuǎn)速超調(diào) （3）準時間最優(yōu)控制 Shanghai university 2.制動過程分析-以拖動位能性負載為例 圖4-7雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)正向制 動過渡過程波形 Shanghai university 正向電樞電流衰減階段（正向電樞電流衰減階段（ t0t1 ） 收到停車指令，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸 入偏差電壓為較大負值，其輸出電壓 很快下降達到反向限幅值- ，電流 環(huán)強迫電樞電流迅速下降到0，標志 著這一階段結束。 電 流 調(diào) 節(jié) 器 的 輸 入

10、偏 差 電 壓 ，調(diào)節(jié)器輸出控制電壓 快速下降，電樞電壓也隨之快速下降。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器很快進入并保持飽和狀 態(tài)。 * im U * iimi UUU Shanghai university 反向電樞電流建立階段（反向電樞電流建立階段（ ） 1 t 2 t ） n轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出始終處在反向飽和 狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)，系統(tǒng)成 為在恒值給定 控制下的電流單環(huán)系 統(tǒng)，強迫電流在 時刻反向增加至- Idm 。 n電流調(diào)節(jié)器輸入仍為負值，電樞電 流的快速下降，電流調(diào)節(jié)器中比例 輸出在快速增加，待電樞電流下降 到一定值后，輸出控制電壓 和電樞 電壓開始上升，但只要 , 電 流繼續(xù)下降。 n這個階段電機處于反

11、接制動狀態(tài)， 所占時間也很短，轉(zhuǎn)速仍來不及產(chǎn) 生明顯下降。 d UE Shanghai university 恒流制動階段（恒流制動階段（ ） n轉(zhuǎn)速仍舊開環(huán)，系統(tǒng)仍為恒值給定 - 控制下的電流單環(huán)系統(tǒng)，除短 暫的電流調(diào)節(jié)階段外， n在恒流制動階段中反電動勢 線性下 降，為維持 ，控制電壓線性 降低，電樞電壓也隨之線性下降。 n由于電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)的擾動量是電動 機的反電動勢，它是一個線性漸減 的擾動量，而擾動作用點之前只有 一個積分環(huán)節(jié)，所以系統(tǒng)做不到無 靜差，而是接近于 。 2 t 3 t - * im U dmd II Shanghai university Shanghai univers

12、ity 2動態(tài)抗擾性能分析 n雙閉環(huán)系統(tǒng)與單閉環(huán)系統(tǒng)的差別在于多了 一個電流反饋環(huán)和電流調(diào)節(jié)器。 n調(diào)速系統(tǒng)，最主要的抗擾性能是指抗負載 擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動性能， n閉環(huán)系統(tǒng)的抗擾能力與其作用點的位置有 關。 Shanghai university （1）抗負載擾動 n負載擾動作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR來產(chǎn)生抗負載擾動的作用。 n在設計ASR時，要求有較好的抗擾性能指標。 圖4-8 直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾作用 負載擾動 Shanghai university （2）抗電網(wǎng)電壓擾動 n電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)， 使抗擾性能得到改善。 n在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電

13、壓波動引起的轉(zhuǎn)速變 化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。 圖4-8 直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾作用 電網(wǎng)電壓擾動 Shanghai university 1. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用 n轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導調(diào)節(jié)器，它 使轉(zhuǎn)速很快地跟隨給定電壓變化, 如果采 用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)無靜差。 n對負載變化起抗擾作用。 n其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流。 Shanghai university 2. 電流調(diào)節(jié)器的作用 n在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，使電流緊緊跟隨 其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。 n對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。 n在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最 大電流。 n當電動機過載甚至堵

14、轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的 最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障 消失，系統(tǒng)立即自動恢復正常。 Shanghai university 4.3 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制 直流調(diào)速系統(tǒng)的設計 4.3.1 控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標 n在控制系統(tǒng)中設置調(diào)節(jié)器是為了改善系統(tǒng) 的靜、動態(tài)性能。 n控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標包括對給定輸入 信號的跟隨性能指標和對擾動輸入信號的 抗擾性能指標。 Shanghai university 1、跟隨性能指標 n以輸出量的初始值為零，給定信號階躍 變化下的過渡過程作為典型的跟隨過程， n此跟隨過程的輸出量動態(tài)響應稱作階躍 響應。 n常用的階躍響應跟隨性能指標有上升時 間、超調(diào)量和調(diào)

15、節(jié)時間。 Shanghai university 圖4-9 典型的階躍響應過程和跟隨性能指標 %100 max C CC 上升時間 峰值時間 調(diào)節(jié)時間 超調(diào)量 Shanghai university 2抗擾性能指標 n在調(diào)速系統(tǒng)中主要擾動來源于負載擾動和 電網(wǎng)電壓波動。 n當調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)定運行中，突加一個使輸 出量降低（或上升）的擾動量F之后，輸出 量由降低（或上升）到恢復到穩(wěn)態(tài)值的過 渡過程就是一個抗擾過程。 n常用的抗擾性能指標為動態(tài)降落和恢復時 間。 Shanghai university 圖4-10 突 加擾動的動 態(tài)過程和抗 擾性能指標 動態(tài)降落 恢復時間 Shanghai univ

16、ersity 3. 頻域性能指標和伯德圖頻域性能指標和伯德圖 n（1）中頻段以-20dB/dec的斜率穿越零分貝線 ，而且這一斜率占有足夠的頻帶寬度，則系統(tǒng)的 穩(wěn)定性好。 n（2）截止頻率 （或稱剪切頻率） 越高，則系 統(tǒng)的快速性越好。 n（3）低頻段的斜率陡、增益高，表示系統(tǒng)的穩(wěn) 態(tài)精度好（即靜差率小、調(diào)速范圍寬）。 n（4）高頻段衰減得越快，即高頻特性負分貝值 越低，說明系統(tǒng)抗高頻噪聲干擾的能力越強。 Shanghai university 圖4-11 典型的控制系統(tǒng)伯德圖 Shanghai university 4.3.2 調(diào)節(jié)器的工程設計方法 n工程設計方法： 在設計時，把實際系統(tǒng)校正

17、或簡化成典型系統(tǒng)，可以利用 現(xiàn)成的公式和圖表來進行參數(shù)計算，設計過程簡便得多。 n調(diào)節(jié)器工程設計方法所遵循的原則是： （1）概念清楚、易懂； （2）計算公式簡明、好記； （3）不僅給出參數(shù)計算的公式，而且指明參數(shù)調(diào)整的方向； （4）能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡單的計算公式； （5）適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。 Shanghai university n控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)都可以表示成 （4-9） 分母中的sr項表示該系統(tǒng)在s= 0處有r重極點，或者說，系 統(tǒng)含有r個積分環(huán)節(jié)，稱作r型系統(tǒng)。 n為了使系統(tǒng)對階躍給定無穩(wěn)態(tài)誤差，不能使用0型系統(tǒng) （ r =0），至少是型

18、系統(tǒng)（ r =1）；當給定是斜坡輸 入時，則要求是型系統(tǒng)（ r =2）才能實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無差。 n選擇調(diào)節(jié)器的結構，使系統(tǒng)能滿足所需的穩(wěn)態(tài)精度。由 于型（ r =3）和型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定，而0型系統(tǒng) 的穩(wěn)態(tài)精度低。因此常把型和型系統(tǒng)作為系統(tǒng)設計 的目標。 n 1j j r m 1i i )1sT(s )1s(K )s(W Shanghai university 1典型型系統(tǒng) n作為典型的I型系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)選擇為 （4-10） 式中， T系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)； K系統(tǒng)的開環(huán)增益。 n對數(shù)幅頻特性的中頻段以-20dB/dec的斜率穿越零分貝線， 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)

19、 定的。 n只包含開環(huán)增益K和時間常數(shù)T兩個參數(shù)，時間常數(shù)T往往是 控制對象本身固有的，唯一可變的只有開環(huán)增益K 。設計時， 需要按照性能指標選擇參數(shù)K的大小。 ) 1( )( Tss K sW Shanghai university 圖4-12 典型型系統(tǒng) (a)閉環(huán)系統(tǒng)結構圖 (b)開環(huán)對數(shù)頻率特性 Shanghai university n典型型系統(tǒng)的對數(shù)幅頻特性的幅值為 得到 (4-11) n相角裕度為 nK值越大，截止頻率c 也越大，系統(tǒng)響應越快， 相角穩(wěn)定裕度 越小，快速性與穩(wěn)定性之間存在 矛盾。 n在選擇參數(shù) K時，須在快速性與穩(wěn)定性之間取折 衷。 cc Klg20) 1lg(l

20、g20lg20 c K（當 T c 1 時） 18090arctg90arctg cc TT Shanghai university （1）動態(tài)跟隨性能指標 n典型型系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 （4-12） 式中， 自然振蕩角頻率； 阻尼比。 n 1，欠阻尼的振蕩特性， n 1，過阻尼的單調(diào)特性； n = 1，臨界阻尼。 n過阻尼動態(tài)響應較慢，一般把系統(tǒng)設計成欠阻尼，即 0 Ti，選擇i= Ti ，為提高快速性，用調(diào) 節(jié)器零點消去控制對象中大的時間常數(shù)極點， n希望電流超調(diào)量i 5%，選 =0.707， KI Ti =0.5，則 ) 1() 1( / )( sTs K sTs RKK sW i I

21、ii si opi （4-54） i ciI T K 2 1 22 l i sisi TRL K KTKT (4-56) (4-55) Shanghai university 圖4-22 校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán) (a)動態(tài)結構圖 (b）開環(huán)對數(shù)幅頻特性 Shanghai university n模擬式電流調(diào)節(jié)器電路 U*i 電流給定電壓； Id 電流負反饋電壓； Uc 電力電子變換器的 控制電壓。 圖4-23 含給定濾波與反饋濾波的 PI型電流調(diào)節(jié)器 0 R R K i i iii CR oioi CRT 0 4 1 (3-53) (3-54) (3-55) Shanghai univer

22、sity n電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為 (4-60) n降階近似為 （4-61） n 時，降價近似條件為 (4-62) cn轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。 1 1 1 )1( 1 )1( /)( )( )( 2 * s K s K T sTs K sTs K sU sI sW II i i I i I i d cli 1 1 1 )( s K sW I cli i cn T 23 1 0.5 Ii K T Shanghai university n電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中等效為 (4-63) n電流的閉環(huán)控制把雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象 近似地等效成只有較小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)， n加快了電流的跟隨作用，

23、這是局部閉環(huán)（內(nèi)環(huán)） 控制的一個重要功能。 1 1 1 )( )( )( * s K sW sU sI I cli i d Shanghai university 例題4-1 n某PWM變換器供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，開關頻率為 8kHz，與3.4節(jié)所用電機相同，電機型號為Z4-132-1 ，基本數(shù)據(jù)如下： n直流電動機：400V，52.2A，2610r/min， =0.1459Vmin/r，允許過載倍數(shù) =1.5； nPWM變換器放大系數(shù)： =107.5；(這是按照理想情況 計算的電壓放大系數(shù)。三相整流輸出的最大直流電壓為 537V，最大控制電壓最大為5V，因此， 538/5=107.5)

24、Shanghai university n電樞回路總電阻： ； n時間常數(shù)： =0.0144s， =0.18s； n電流反饋系數(shù)： =0.1277V/A（ ） n設計要求設計要求 按照典型型系統(tǒng)設計電流調(diào)節(jié)器， 要求電流超調(diào)量 。 n調(diào)節(jié)器，要求電流超調(diào)量 5% i 0.368R l T m T N IV5 . 1/10 Shanghai university 解 1）確定時間常數(shù) nPWM變換器滯后時間常數(shù)Ts=0.000125s。 。 n電流濾波時間常數(shù)：為濾除PWM紋波應有 n ， Toi=0.0006s。 n電流環(huán)小時間常數(shù)之和，按小時間常數(shù)近似處理， 取Ti=Ts+Toi=0.000

25、725s。 1111 () 510 oiPWM TT Shanghai university 2）選擇電流調(diào)節(jié)器結構 n要求i5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，按典型I型系 統(tǒng)設計電流調(diào)節(jié)器。用PI型電流調(diào)節(jié)器。 n檢查對電源電壓的抗擾性能： 參看表4-2的典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標 都是可以接受的。 0.0144 19.86 0.000725 l i T T Shanghai university 3）計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù) n電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：i=Tl=0.0144s。 n電流環(huán)開環(huán)增益：取 ， nACR的比例系數(shù)為 5 . 0 iIT K 1 0.50.5 689.655 0.0007

26、25 I i Ks T 689.6550.01440.368 0.266 107.50.1277 Ii i s KR K K Shanghai university 4）校驗近似條件 n電流環(huán)截止頻率ci=KI=689.655s-1 （1）校驗PWM變換器傳遞函數(shù)的近似條件 （2）校驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件 （3）校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 1 s 1 s 1 s ci ci ci 11 2666.7 33 0.000125 s T 11 3358.93 0.180.0144 ml T T 1111 1217.16 330.000125 0.0006 soi TT Sha

27、nghai university 5）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容 n取 n ,取100k n 取0.15F n 取6800pF 0 390Rk 3 0 0.266390*10103.7 ii RK Rk 6 3 0.0144 0.144 100.144 100 10 i i i CFF R 9 0 3 0 440.0006 6.15 106150 390 10 i oi T CFpF R 電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為 4.3%5% i Shanghai university B. 按照典型按照典型型系統(tǒng)設計電流調(diào)節(jié)器型系統(tǒng)設計電流調(diào)節(jié)器 n按照典型型系統(tǒng)設計電流調(diào)節(jié)器前提:超前環(huán) 節(jié)恰好對消掉

28、控制對象中的大慣性環(huán)節(jié)，電機參 數(shù)測量不準，大慣性環(huán)節(jié)并未被準確對消，會影 響電流環(huán)的動態(tài)性能。 n把電流環(huán)中大慣性環(huán)節(jié)降階，按照典型型系統(tǒng) 設計電流調(diào)節(jié)器，如圖4-24所示。 Shanghai university 圖圖4-24 4-24 電流環(huán)動態(tài)結構圖電流環(huán)動態(tài)結構圖 (a) (a) 大慣性環(huán)節(jié)近似成積分環(huán)節(jié)（大慣性環(huán)節(jié)近似成積分環(huán)節(jié)（b b）電流環(huán)校正成典型）電流環(huán)校正成典型型系統(tǒng)型系統(tǒng) Shanghai university 按照典型型系統(tǒng)設計電流調(diào)節(jié)器 n （4-67） n （4-68） n (4-69) n無特殊要求時，一般選擇h=5 。但查表4-4得 時電流超調(diào)量達到37.6%

29、，不能滿足電流環(huán)對 跟隨性能指標的要求！ ii hT 22 1 2 I i h K h T is l i TK RT h h K 2 1 Shanghai university n為了解決超調(diào)量大的問題，可在電流給定之后加 入低通濾波。關鍵是濾波參數(shù)如何設計？應當根 據(jù)系統(tǒng)中慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)選擇濾波常數(shù)。 圖4-25 在電流給定前面增設濾波環(huán)節(jié)的 結構圖 Shanghai university 分析方法： n使分析具有一般性，令 = 。當濾波時間常數(shù) 與系統(tǒng)中慣性環(huán)節(jié)常數(shù) 的比值不同時，以 為 時間基準，求出對應的單位階躍響應函數(shù)，從而 計算出系統(tǒng)的跟隨性能指標如表4-6所示， T i T T

30、T Tin/T123456 31.96%20.996%10.97%2.96%00 tr/T3.9665.0786.3188.147 ts/T10.80611.90611.967.2349.51114.887 in T Shanghai university 模擬實現(xiàn)方式 圖4-26 輸入濾波與含配合濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器串聯(lián) _ 1 4 iiiii TR C Shanghai university 按照典型型系統(tǒng)設計的電流環(huán)降階 n降階前電流閉環(huán)傳函 n降階后 n近似條件 22* 3322 1( )1 ( ) 22( )/1 1 11 id cl iin iii hT sIs Ws

31、hhUsT s TsTshT s hh 1 ( ) 14 cli i Ws T s 2 11 32 cn i h Th 11 53 cn i T * 1 ( )( ) ( )41 dcli ii IsWs UsT s Shanghai university n總結總結：按照典系統(tǒng)設計電流調(diào)節(jié)器，把雙慣性 環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象近似地等效成只有較小時 間常數(shù) 的一階慣性環(huán)節(jié)，加快了電流的跟隨作 用，只是按照典型系統(tǒng)設計的電流環(huán)響應速度 有所下降。 n不論把電流環(huán)校正成典型型系統(tǒng)還是典型型 系統(tǒng)，其動態(tài)響應速度均與 有關。所以要提高 系統(tǒng)動態(tài)性能，須盡量減小電流環(huán)各環(huán)節(jié)的延時 時間。 i T Sha

32、nghai university n例題例題4-2 電機參數(shù)同例題4-1。 n設計要求設計要求 按照典型型系統(tǒng)設計電流調(diào)節(jié)器，要求電流 超調(diào)量 。 n1）確定時間常數(shù)同例題4-1 n2）選擇電流調(diào)節(jié)器結構 n =0.0144s， =0.000725s，滿足 ，故將 電流環(huán)控制對象中大慣性環(huán)節(jié)做降階處理。 n為保證穩(wěn)態(tài)電流無差，按典型型系統(tǒng)設計電流調(diào)節(jié)器 。因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器，在輸入部分加入低通濾波 器，濾波時間常數(shù)為4倍 ，即為0.0029s。 5% i l T l T i T 10 li TT Shanghai university n（3）計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù) n電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)

33、： n =0.003625s。 n比例系數(shù)： n（4）校驗近似條件 ii hT 15 10.3680.0144 0.319 22*5107.5*0.1277 0.000725 l i si ThR K h KT Shanghai university n電流環(huán)截止頻率： n1）校驗 PWM變換器傳遞函數(shù)的近似條件：滿 足近似條件 n2）校驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的 條件：滿足近似條件 n3）校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：滿足 近似條件 n 4）校驗大慣性環(huán)節(jié)近似處理條件 n 滿足近似條件 0.251 344.83 40.000725 ci i w T 1 s 33 208.33

34、0.0144 ci l T Shanghai university 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容 n電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖4-26所示，按所用運算 放大器取 ， ，各電阻和電 容值計算如下： n ，取3.3 n ，取1 n ， 取220 n ， 取2.2 0 10RM _ 1.3 ii RM 0 0.319 100000003.19 ii RK RM M 9 0.003625 1.1 101.1 3.3*1000000 i i i CFnF R nF 9 0 0 440.0006 0.24 10240 10*1000000 i oi T CFpF R p F _ _ 40.0029 2.2 130000

35、0 i ii ii T CnF R nF Shanghai university Toi電流反饋濾波時間常數(shù)； Ton轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù) 圖3-18 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖 2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計 Shanghai university n把電流環(huán)用一階慣性環(huán)節(jié)代替，時間常數(shù) n把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時 將給定信號改成 U*n(s)/， n把時間常數(shù)為 和 Ton 的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并T non TTT T Shanghai university 圖4-27 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結構圖及其簡化 (a)用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán) (b)等效成單位負反饋系統(tǒng)和小慣 性的近似處理 (c)校正后

36、成為典型型系統(tǒng) 電流環(huán) Shanghai university n轉(zhuǎn)速環(huán)的控制對象是由一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性 環(huán)節(jié)組成，IdL(s)是負載擾動。 n系統(tǒng)實現(xiàn)無靜差的必要條件是：在負載擾動點之 前必須含有一個積分環(huán)節(jié)。 n轉(zhuǎn)速開環(huán)傳遞函數(shù)應有兩個積分環(huán)節(jié)，按典型 型系統(tǒng)設計。 nASR采用PI調(diào)節(jié)器 s sK sW n nn ASR ) 1( )( （4-78） Kn 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； n 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。 Shanghai university n調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 n令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益KN為 (4-79) n則 （4-80） ) 1( ) 1( ) 1( ) 1( )(

37、2 sTsTC sRK sTsTC R s sK sW nmen nn nmen nn n men n N TC RK K ) 1( ) 1( )( 2 sTs sK sW n nN n Shanghai university 圖4-27 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結構圖及其簡化 (c)校正后成為典型型系統(tǒng) nn hT 22 2 1 n N Th h K n me n RTh TCh K 2 ) 1( （4-81） （4-82） （4-82） 無特殊要求時，一般以選擇h=5 為好。 Shanghai university n模擬式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路 U*n 轉(zhuǎn)速給定電壓； n 轉(zhuǎn)速負反饋電壓； U*i 電流調(diào)節(jié)

38、器的給定電 壓。 (4-84) (4-85) (4-86) 圖4-28 含給定濾波與反饋濾波的PI型 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 0 R R K n n nnn CR onon CRT 0 4 1 Shanghai university 例題4-3 n在例題4-1中，除已給數(shù)據(jù)外，已知：轉(zhuǎn)速 反饋系數(shù) Vmin/r（10V/nN）， n電流環(huán)按照典型型系統(tǒng)設計， ， n要求轉(zhuǎn)速無靜差，空載起動到額定轉(zhuǎn)速時 的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n 5% 。 n試按工程設計方法設計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，并校 驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量的要求能否得到滿足。 0.00383 0.5 Ii K T Shanghai university 解 1）確定時間常數(shù) n（1

39、）電流環(huán)等效時間常數(shù)。 由例題4-1，已取KITi=0.5， 則 n s n（2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)。根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況， 取Ton=0.01s。 n（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取 n s=0.01145s 22 0.0007250.00145 i T 20.001450.01 nion TTT （） Shanghai university 2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結構 n選用PI調(diào)節(jié)器， 3）計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) n取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為 s n轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益： nASR的比例系數(shù)為 s sK sW n nn ASR ) 1( )( 5 0.011450.0572

40、5 nn hT 22 2222 16 s915.3s 22 50.01145 N n h K h T (1)6 0.1277 0.1459 0.18 124.686 22 5 0.00383 0.368 0.01145 em n n hC T K h RT Shanghai university 4）檢驗近似條件 n轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 n s-1 （1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件 滿足簡化條件 （2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 滿足近似條件 cn cn 1 1 915.3 0.05725s52.4 N cnNn K K 1 11689.655 325.1s 330.000725 I i K T 1

41、 11689.655 87.538s 330.01 I on K T Shanghai university 5）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容 n取 k， n k， 取4.7 M n 取10 n 取1 F 0 39R k 0 124.686 39k4863 nn RK R 9 3 0 05725 12 1 10 4700 10 n n n . CF.F R nF 6 3 0 440 01 1 02 101 02 39 10 on on T. CF.F.F R Shanghai university 6）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 n當h=5時，由表4-4查得，n%=37.6%，不能滿足 設計要求。實際上，由于表4

42、-4是按線性系統(tǒng)計 算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線 性系統(tǒng)的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計 算超調(diào)量。 n點動起動或斜坡給定起動的傳動設備，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié) 器未能進入飽和狀態(tài)，在給定信號之后增加一階 輸入濾波環(huán)節(jié)，由表4-6查得， ， 此時轉(zhuǎn)速超調(diào)為2.9%，也可以滿足設計要求。 加入低通濾波器后進一步降低系統(tǒng)截止頻率，例 題4-3中的近似條件仍舊成立。 40.0458 inn TTs Shanghai university 3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計算 Shanghai university 圖4-29 ASR飽和時轉(zhuǎn)速環(huán)按典型II型系統(tǒng)設計的 調(diào)速系統(tǒng)起動過程 Sha

43、nghai university n當ASR飽和時，相當于轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，電流環(huán)輸入 恒定電壓 ，如果忽略電流環(huán)短暫的跟隨過程， 其輸出量也基本上是恒值 ，因而電動機基本上 按恒加速起動，其加速度為 n （4-88） () dmdL em dnR II dtC T * 2 () em dmdL C T n t IIR * 2 * 2 1 ( ) nn n imdL K Uh tT hUI Shanghai university n當轉(zhuǎn)速超過給定值之后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR由飽和 限幅狀態(tài)進入線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，此時的轉(zhuǎn)速環(huán)由開 環(huán)進入閉環(huán)控制，迫使電流由最大值Idm降到負載 電流Idl 。 nASR開始退飽

44、和時，由于電動機電流Id仍大于負 載電流Idl ，電動機繼續(xù)加速，直到Id Idl時，轉(zhuǎn) 速才降低。 n這不是按線性系統(tǒng)規(guī)律的超調(diào)，而是經(jīng)歷了飽和 非線性區(qū)域之后的超調(diào)，稱作“退飽和超調(diào)”。 Shanghai university n假定調(diào)速系統(tǒng)原來是在Idm的條件下運行于 轉(zhuǎn)速n*， n在點O 突然將負載由Idm降到Idl ，轉(zhuǎn)速會在 突減負載的情況下，產(chǎn)生一個速升與恢復 的過程， n突減負載的速升過程與退飽和超調(diào)過程是 完全相同的。（數(shù)學模型、初始條件相同） Shanghai university 圖4-30 調(diào)速系統(tǒng)的等效動態(tài)結構圖 (a)以轉(zhuǎn)速n為輸出量 只考慮穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速n*以上的超調(diào)部

45、分， n=n-n*，坐標原點移到O點， Shanghai university 圖4-30 調(diào)速系統(tǒng)的等效動態(tài)結構圖 (b）以轉(zhuǎn)速超調(diào)值為輸出量 初始條件則轉(zhuǎn)化為 dmd IIn)0(, 0)0( Shanghai university n把n的負反饋作用反映到主通道第一個環(huán)節(jié)的輸出量上 來，得圖 (c)，圖中Id和IdL的+、- 號都作了相應的變化。 n圖 (c)和討論典型II型系統(tǒng)抗擾過程所用的圖完全相同。 可以利用表4-5給出的典型II型系統(tǒng)抗擾性能指標來計算 退飽和超調(diào)量， 圖4-30 調(diào)速系統(tǒng)的等效動態(tài)結構圖 (c) 圖(b)的等效變換 Shanghai university n取

46、， n于是（4-35） （4-34） hTKKKKKK dpi 12111 ,/ ) 1( ) 1( )( 1 1 Tss hTsK sW 圖4-17 典型型系統(tǒng)在一種擾動作用下的動態(tài)結構圖 等效框圖 s K sW 2 2 )( Shanghai university Cb = 2FK2T 取2T時間內(nèi)的累加值作為基準值 h 3 4 56 7 8 9 10 Cmax/Cb tm / T tv / T 72.2% 2.45 13.60 77.5% 2.70 10.45 81.2% 2.85 8.80 84.0% 3.00 12.95 86.3% 3.15 16.85 88.1% 3.25 19.

47、80 89.6% 3.30 22.80 90.8% 3.40 25.85 Shanghai university n在典型II型系統(tǒng)抗擾性能指標中， C的基 準值是 (4-37) nn的基準值是 (4-89) TFKCb 2 2 n me TT TC R K 2 dLdm IIF me dLdmn b TC IIRT n )(2 Shanghai university n作為轉(zhuǎn)速超調(diào)量n%，其基準值應該是n*，退飽和 超調(diào)量可以由表3-5列出的數(shù)據(jù)經(jīng)基準值換算后求得， 即 m nN b b b n T T n n z C C n n C C * max * max )%)(2%)(% 電動機允

48、許的過載倍數(shù)， z負載系數(shù)， (4-91) dNdm II dNdL zII m n Nb T T nzn )(2 (4-90) e dN N C RI n Shanghai university 例題4-4 試按退飽和超調(diào)量的計算方法計算例題4-3中 調(diào)速系統(tǒng)空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量， 并校驗它是否滿足設計要求。 n解解 當h=5時，由表4-5查得 5% m nN b b b n T T n n z C C n n C C * max * max )%)(2%)(% %2 .81/ max b CC ?%793. 0 18. 0 01154. 0 2610 145. 0 368. 0

49、2 .52 5 . 1%2 .812 n Shanghai university 從例題4-14-4的計算結果來看，有三個問題是值得 注意的。 （1）轉(zhuǎn)速的退飽和超調(diào)量與穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速有關。 n 按線性系統(tǒng)計算轉(zhuǎn)速超調(diào)量時，當h選定后，不論穩(wěn) 態(tài)轉(zhuǎn)速n*有多大，超調(diào)量n%的百分數(shù)都是一樣的。 n 按照退飽和過程計算超調(diào)量，其具體數(shù)值與n*有關 （2）反電動勢對轉(zhuǎn)速環(huán)和轉(zhuǎn)速超調(diào)量的影響 。 n反電動勢的動態(tài)影響對于電流環(huán)來說是可以忽略的。 n對于轉(zhuǎn)速環(huán)來說，忽略反電動勢的條件就不成立了。 好在反電動勢的影響只會使轉(zhuǎn)速超調(diào)量更小，不考慮 它并無大礙。 Shanghai university （3）內(nèi)、外

50、環(huán)開環(huán)對數(shù)幅頻特性的比較 n外環(huán)的響應比內(nèi)環(huán)慢，這是按上述工程設計方法設計多環(huán)控 制系統(tǒng)的特點。 圖4-31 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)環(huán)和外環(huán)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性 I電流內(nèi)環(huán) n轉(zhuǎn)速外環(huán) 3 .270 0037. 0 11 i T 1 s 1 .135 ci 1 s 5 .57 0174. 0 11 n T 1 s 5 .34 cn 1 s 5 .11 087. 0 11 n 1 s Shanghai university 4.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的弱磁控制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的弱磁控制 n為什么要進行弱為什么要進行弱 磁控制？磁控制？ n變壓與弱磁配合控制變壓與弱磁配合控制 圖4-32弱磁與調(diào)壓配合控

51、制特性 Shanghai university n把調(diào)壓與弱磁的給定裝置統(tǒng)一成一個電位器把調(diào)壓與弱磁的給定裝置統(tǒng)一成一個電位器 ，弱磁升速靠系統(tǒng)內(nèi)部的信號自動進行。，弱磁升速靠系統(tǒng)內(nèi)部的信號自動進行。 n在基速以下，應該在滿磁的條件下調(diào)節(jié)電壓在基速以下，應該在滿磁的條件下調(diào)節(jié)電壓 ，在基速以上，應該在額定電壓下調(diào)節(jié)勵磁，在基速以上，應該在額定電壓下調(diào)節(jié)勵磁 ，因此存在恒轉(zhuǎn)矩的變壓調(diào)速和恒功率的弱，因此存在恒轉(zhuǎn)矩的變壓調(diào)速和恒功率的弱 磁調(diào)速兩個不同的區(qū)段。磁調(diào)速兩個不同的區(qū)段。 n選擇一種合適的控制方法，可以在這兩個區(qū)選擇一種合適的控制方法，可以在這兩個區(qū) 段中交替工作，也能從一個區(qū)段平滑地過渡段中交替工作，也能從一個區(qū)段平滑地過渡 到另一個區(qū)段中去，到另一個區(qū)段中去， Shanghai university 勵磁電流的閉環(huán)控制勵磁電流的閉環(huán)控制 圖4-33 帶有勵磁