电力拖动自动控制系统-运动控制系统-阮毅陈伯时(第四版)第3章__转速、电流反馈控制的直流调速系统

电力拖动自动控制系统—运动控制系统第3章转速、电流反馈控制的直流调速系统内容提要转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性转速、电流反馈控制直流调速系统的动态数学模型转速、电流反馈控制直流调速系统调节器的工程设计方法MATLAB仿真软件对转速、电流反馈控制直流调速系统的仿真3.1转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性对于经常正、反转运行的调速系统，缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。在起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运行。当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。0tIdnnIdm-IdmIdL图3-1时间最优的理想过渡过程起动电流呈矩形波，转速按线性增长。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（制动）过程。3.1.1转速、电流反馈控制直流调速系统的组成在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。形成了转速、电流反馈控制直流调速系统（简称双闭环系统）。3.1.2稳态结构图与参数计算MTGASRACRUPETA~nnUnUn*UiUcUdIdIUi*图3-2转速、电流反馈控制直流调速系统原理图ASR——转速调节器ACR——电流调节器TG——测速发电机1.稳态结构图和静特性转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压，当调节器饱和时，输出达到限幅值，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；当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况，电流调节器不进入饱和状态。Ks1CeRαβASRACRUnUn*Ui*UiUcUd0IdIdRnE图3-3双闭环直流调速系统的稳态结构图α——转速反馈系数β——电流反馈系数（1）转速调节器不饱和两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。diinnIUUnnUU*0*ddLdmIII0*nUnn(3-1)（2）转速调节器饱和ASR输出达到限幅值时，转速外环呈开环状态，转速的变化对转速环不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时(3-2)dmimdIUI*AB段是两个调节器都不饱和时的静特性，IdIdm,n=n0。BC段是ASR调节器饱和时的静特性，Id=Idm,nn0。ABCnn00IdIdmIdN图3-4双闭环直流调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到Idm时，转速调节器为饱和输出U*im，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差。采用两个PI调节器形成了内、外两个闭环的效果。当ASR处于饱和状态时，Id=Idm，若负载电流减小，IdIdm，使转速上升，nn0，Δn0，ASR反向积分，使ASR调节器退出饱和。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(3-3)(3-4)(3-5)0*nnUUnndLdiiIIUU*sdLnesdesdcKRIUCKRInCKUU/*0根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：转速反馈系数(3-6)电流反馈系数(3-7)两个给定电压的最大值U*nm和U*im由设计者选定。max*nUnmdmimIU*3.2转速、电流反馈控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析3.2.1转速、电流反馈控制直流调速系统的动态数学模型αβWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTms1CeUn*UnUi*UiUcUd0IdLIdEn图3-5双闭环直流调速系统的动态结构图3.2.2转速、电流反馈控制直流调速系统的动态过程分析对调速系统而言，被控制的对象是转速。跟随性能可以用阶跃给定下的动态响应描述。能否实现所期望的恒加速过程，最终以时间最优的形式达到所要求的性能指标，是设置双闭环控制的一个重要的追求目标。1．起动过程分析电流Id从零增长到Idm，然后在一段时间内维持其值等于Idm不变，以后又下降并经调节后到达稳态值IdL。转速波形先是缓慢升速，然后以恒加速上升，产生超调后，到达给定值n*。起动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段，转速调节器在此三个阶段中经历了不饱和、饱和以及退饱和三种情况。ⅠⅡⅢnn*ttt1t2t3t4IdIdLIdm00图3-6双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形第Ⅰ阶段：电流上升阶段（0~t1）ⅠⅡⅢnn*ttt1t2t3t4IdIdLIdm00电流从0到达最大允许值dmI。在t=0时，系统突加阶跃给定信号Un*，在ASR和ACR两个PI调节器的作用下，Id很快上升，在Id上升到Idl之前，电动机转矩小于负载转矩，转速为零。当Id≥IdL后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，ASR输入偏差电压仍较大，ASR很快进入饱和状态，而ACR一般不饱和。直到Id=Idm，Ui=U*im。第Ⅱ阶段:恒流升速阶段（t1~t2）ⅠⅡⅢnn*ttt1t2t3t4IdIdLIdm00Id基本保持在Idm,电动机加速到了给定值n*。ASR调节器始终保持在饱和状态，转速环仍相当于开环工作。系统表现为使用PI调节器的电流闭环控制，电流调节器的给定值就是ASR调节器的饱和值U*im，基本上保持电流Id=Idm不变，电流闭环调节的扰动是电动机的反电动势，它是一个线性渐增的斜坡扰动量，系统做不到无静差，而是Id略低于Idm。第Ⅲ阶段：转速调节阶段（t2以后）ⅠⅡⅢnn*ttt1t2t3t4IdIdLIdm00起始时刻是n上升到了给定值n*。n上升到了给定值n*，ΔUn=0。因为IdIdm，电动机仍处于加速过程，使n超过了n*，称之为起动过程的转速超调。转速的超调造成了ΔUn0，ASR退出饱和状态，Ui和Id很快下降。转速仍在上升，直到t=t3时，Id=Idl，转速才到达峰值。在t3~t4时间内，IdIdl，转速由加速变为减速，直到稳定。如果调节器参数整定得不够好，也会有一段振荡的过程。在第Ⅲ阶段中，ASR和ACR都不饱和，电流内环是一个电流随动子系统。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（2）转速超调（3）准时间最优控制2．动态抗扰性能分析双闭环系统与单闭环系统的差别在于多了一个电流反馈环和电流调节器。调速系统，最主要的抗扰性能是指抗负载扰动和抗电网电压扰动性能，闭环系统的抗扰能力与其作用点的位置有关。（1）抗负载扰动负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，要求有较好的抗扰性能指标。αβWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTms1CeUn*UnUi*UiUcUd0IdLIdEn图3-7直流调速系统的动态抗扰作用（2）抗电网电压扰动电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，使抗扰性能得到改善。在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速变化会比单闭环系统小得多。αβWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTms1CeUn*UnUi*UiUcUd0IdLIdEn±ΔUd图3-7直流调速系统的动态抗扰作用1.转速调节器的作用转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速很快地跟随给定电压变化,如果采用PI调节器，则可实现无静差。对负载变化起抗扰作用。其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。2.电流调节器的作用在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。对电网电压的波动起及时抗扰的作用。在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流。当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。有关电流反馈信号的检测方法主回路电流有哪几种检测方法？LEM电流传感器LEM集团是全球电量传感器的知名制造者，也是电量传感器领域的领导者。早在1972年，LEM公司在瑞士日内瓦成立，专注于研发和生产基于霍尔原理的电流传感器，并将电流传感器率先用于瑞士有轨电车上。随着公司的发展，LEM集团于1986年在瑞士证券交易所上市，并于2次荣获日内瓦IndustrialMerit奖。LEM集团全球拥有多家公司，销售办事处遍布全球。其中日内瓦（瑞士）、哥本哈根（丹麦）、町田（日本）、北京（中国）作为LEM的全球四大生产中心。LEMSA是LEM总部在瑞士的研发中心，主要研发闭环原理传感器及新产品规划及预研；LEMJAPAN是LEM日本的研发中心，主要研发开环原理传感器；LEM拥有先进的电力电子研发能力，拥有经验丰富的工艺、装备设计能力。在08/09财年的销售额为1.968亿瑞士法郎。LEM现在有4大业务领域，分别是：工业、铁路、能源与自动化、汽车。工业领域主要目标市场为：变频器、伺服、电源及UPS、电焊机，以及新兴的太阳能、风能等新能源装置；铁路领域主要的目标市场为：铁路机车、地铁及轨道信号等；能源与自动化主要涉及到电池监控等领域；而汽车是LEM的新型业务领域，主要关注在汽车电子以及混合动力汽车及燃料电池汽车的控制。霍尔效应美国物理学家EdwinHerbertHall在1879年发现的。/HCOHVKdIBV()LFqVB开环的电流检测原理闭环的电流检测原理电流关系：PPSSNINI特点频带宽：DC～200kHZ响应快：上升时间1～2微秒精度高，线性好，温度漂移小可用于电压测量电压测量原理3.3转速、电流反馈控制直流调速系统的设计3.3.1控制系统的动态性能指标在控制系统中设置调节器是为了改善系统的静、动态性能。控制系统的动态性能指标包括对给定输入信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标。1、跟随性能指标以输出量的初始值为零，给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程，此跟随过程的输出量动态响应称作阶跃响应。常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间、超调量和调节时间。trtptst0C(t)C∞(Cmax-C∞)Cmax±5%(或±2%)C∞图3-8典型的阶跃响应过程和跟随性能指标上升时间调节时间峰值时间超调量σ%100maxCCC2．抗扰性能指标当调速系统在稳定运行中，突加一个使输出量降低（或上升）的扰动量F之后，输出量由降低（或上升）到恢复到稳态值的过渡过程就是一个抗扰过程。常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间。FFCC∞1ΔCmax±5%(或±2%)Cb0ttmtvC∞2动态降落恢复时间图3-9突加扰动的动态过程和抗扰性能指标2.3.2调节器的工程设计方法工程设计方法：在设计时，把实际系统校正或简化成典型系统，可以利用现成的公式和图表来进行参数计算，设计过程简便得多。调节器工程设计方法所遵循的原则是：（1）概念清楚、易懂；（2）计算公式简明、好记；（3）不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；（4）能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简单的计算公式；（5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。在典型系统设计的基础上，利用MATLAB/SIMULINK进行计算机辅助分析和设计，可设计出实用有效的控制系统。控制系统的开环传递函数都可以表示成（3-9）分母中的sr项表示该系统在s=0处有r重极点，或者说，系统含有r个积分环节，称作r型系统。为了使系统对阶跃给定无稳态误差，不能使用0型系统（r=