理想起動過程波形如圖所示，起動電流呈方形波，轉速按線性增長。這是在最大電流（轉矩）受限制時調速系統所能獲得最快起動過程。b)理想的快速起動過程IdLntIdOIdmn理想起動過程（續）3.PI調節器局部飽和PI調節器的輸入端有穩定不變的輸入信號、有變化較快的電流反饋信號、有變化較慢的轉速反饋信號相疊加，雙方相互牽制，調節器局部飽和，啟動電流沒有得到改善，使靜特性變軟。4.解決思路

為實現在允許條件下最快起動，關鍵要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程。按照反饋控制規律，采用某個物理量的負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。希望實現：起動過程，只有電流負反饋，沒有轉速負反饋。穩態時，只有轉速負反饋，沒有電流負反饋。

4.解決思路（續）2.1.1轉速、電流雙閉環直流調速系統組成為實現轉速和電流兩種反饋分別起作用，可在系統中設置兩個調節器，分別調節轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。從閉環結構看，電流環在里面，稱作內環；轉速環在外邊，稱作外環，這就形成轉速、電流雙閉環調速系統。+TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAM+-UdIdUPE-MTG轉速、電流雙閉環直流調速系統結構1.系統組成ASR—轉速調節器ACR—電流調節器TG—測速發電機TA—電流互感器UPE—電力電子變換器內環外環ni2.系統原理雙閉環直流調速系統電路原理圖

++--TG+-+-RP2U*nR0R0UcUiRiCi++-R0R0RnCnASRACRLMRP1UnU*iLM+MTAIdUdMTGUPE+-+-轉速調節器ASR的輸出限幅電壓U*im決定了電流給定電壓的最大值；電流調節器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。2.系統原理3.電流檢測電路電流檢測電路TA---電流互感器TA1.從靜態特性上看：

ASR不飽和：電流負反饋產生的速降由ASR的PI調節器消除；ASR飽和：外環失去作用，電流環起作用，恒流調節，特性變陡。2.從動態響應過程看：突加給定信號，ASR飽和，轉速產生超調，利用ASR飽和非線性控制，轉速負反饋作用隔斷，系統變為恒流調節系統3.從動態穩定性看：先設計內環，后設計外環。2.1.2雙閉環調速系統動、靜態品質2.1.3限幅輸出的PI調節器的動態響應采用PI調節器的自動調節系統PI調節器的動態響應PI調節器的動態響應對于PI調節器，經過tm時間，輸出u達到限幅值分三種情況。1）是階躍信號，PI飽和；2）衰減緩慢，PI飽和；3）衰減很快，PI不飽和。結果：1）調節對象滯后時間常數遠大于調節器時間常數時，衰減緩慢；2）調節對象滯后時間常數遠小于調節器時間常數時，衰減很快。雙閉環直流調速系統的穩態結構框圖—轉速反饋系數

—電流反饋系數

Ks

1/CeU*nUcIdEnUd0Un++-ASR+U*i-IdR

R

ACR-UiUPE2.1.3雙閉環系統穩態結構和靜特性

1.限幅作用

1）飽和---輸出達到限幅值當調節器飽和，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節器退出飽和；即飽和調節器暫時隔斷輸入和輸出，相當于該環開環。2）不飽和---輸出未達到限幅值當調節器不飽和，PI調節器的作用使輸入偏差電壓在穩態時總是零。

2.系統靜特性實際上，在正常運行時，電流調節器是不會達到飽和狀態的。因此，對于靜特性來說，只有轉速調節器飽和與不飽和兩種情況。

雙閉環直流調速系統靜特性

n0IdIdmIdNOnABCA.轉速調節器不飽和式中，---

轉速和電流反饋系數。得到靜特性CA段。

ASR不飽和，U*i>U*im，可知:Id<Idm。這就是說，CA段靜特性從理想空載狀態Id=0一直延續到Id=Idm

，而Idm

一般都大于額定電流IdN

。這就是靜特性的運行段，它是水平的特性。

A.轉速調節器不飽和

ASR輸出達到限幅值U*im

，轉速外環呈開環狀態，轉速的變化對系統不產生影響。雙閉環系統變成一個電流無靜差的單電流閉環調節系統。穩態時

式中，最大電流Idm

由設計者選定，取決于電機的容許過載能力和拖動系統允許的最大加速度。

這樣的下垂特性只適合于n<n0的情況，因為如果n>n0，則Un>U*n

，ASR將退出飽和狀態。B.轉速調節器飽和2.1.4各變量穩態工作點和穩態參數

雙閉環系統穩態工作，兩個調節器都不飽和時，各變量之間有下列關系:

轉速n是由給定電壓U*n決定的；ASR的輸出量U*i是由負載電流IdL決定的；控制電壓Uc

的大小則同時取決于n和Id，或取決于U*n

和IdL。反饋系數計算

雙閉環系統穩態參數計算與單閉環有靜差系統完全不同，而和無靜差系統穩態計算相似，根據各調節器給定與反饋值計算有關的反饋系數：

轉速反饋系數

電流反饋系數

兩個給定電壓的最大值U*nm和U*im由設計者選定，設計原則如下：U*nm

受運算放大器允許輸入電壓和穩壓電源的限制；U*im為ASR的輸出限幅值。2.2雙閉環直流調速系統數學模型和動態性能分析本節提要雙閉環直流調速系統的動態數學模型起動過程分析動態抗擾性能分析轉速和電流兩個調節器的作用1.系統動態結構雙閉環直流調速系統動態結構圖

U*n

Uc-IdLnUd0Un+--

-UiWASR(s)WACR(s)Ks

Tss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E2.2.1雙閉環直流調速系統動態數學模型2.數學模型圖中WASR(s)和WACR(s)分別表示轉速調節器和電流調節器的傳遞函數。如果采用PI調節器，則有2.2.2起動過程分析

雙閉環直流調速系統起動時的轉速和電流波形

n

OOttIdm

IdL

Id

n*

IIIIIIt4

t3

t2

t1

1.第I階段電流上升階段

突加給定電壓U*n后，Id上升，當Id

小于負載電流IdL時，電機還不能轉動。當Id≥

IdL

后，電機開始起動，由于機電慣性作用，轉速不會很快增長，因而轉速調節器ASR的輸入偏差電壓的數值仍較大，其輸出電壓保持限幅值U*im，強迫電流Id迅速上升。

起動過程轉速調節器ASR經歷不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態過程分I、II、III三個階段。

IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3t2

t1tt1.第I階段（續）1.第I階段（續）直到，Id=Idm

，Ui

=U*im

電流調節器很快就壓制Id

了的增長，標志著這一階段的結束。

在這一階段中，ASR很快進入并保持飽和狀態，而ACR一般不飽和。2.第II階段恒流升速階段

ASR始終飽和，轉速環開環，系統成為在恒值電流U*im給定下電流調節系統，基本上保持電流Id恒定，因而系統的加速度恒定，轉速呈線性增長。n

IdL

Id

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

tt2.第II階段（續）2.第II階段（續）電機反電動勢E按線性增長，對電流調節系統來說，E是一個線性漸增的擾動量，為克服擾動，Ud0和Uc

也必須基本上按線性增長，才能保持Id

恒定。當ACR采用PI調節器時，要使其輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，

Id

應略低于Idm。3.第Ⅲ階段轉速調節階段

轉速上升到給定值時，轉速調節器ASR輸入偏差減少到零，但輸出由于積分作用還維持在限幅值U*im

，所以電機仍在加速，使轉速超調。轉速超調后，ASR輸入偏差電壓變負，使它開始退出飽和狀態，U*i

和Id

很快下降。但是，只要Id

仍大于負載電流IdL，轉速就繼續上升。IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

tt3.第Ⅲ階段（續）3.第Ⅲ階段（續）直到Id

=IdL時，轉矩Te=TL

，則dn/dt=0，轉速n才到達峰值（t=t3時）。IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4t3

t2

t1

tt3.第Ⅲ階段（續）此后，電動機開始在負載的阻力下減速，與此相應，在一小段時間內（t3~t4

），Id<

IdL

，直到穩定，如果調節器參數整定得不夠好，也會有一些振蕩過程。IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3t2

t1

tt3.第Ⅲ階段（續）

在最后轉速調節階段內，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導的轉速調節作用，而ACR則力圖使Id

盡快地跟隨其給定值U*i

，或者說，電流內環是一個電流隨動子系統。

5.分析結果

綜上所述，雙閉環直流調速系統的起動過程有以下三個特點：

（1）飽和非線性控制（2）轉速超調（3）準時間最優控制

（1）飽和非線性控制

根據ASR的飽和與不飽和，整個系統處于完全不同的兩種狀態：當ASR飽和時，轉速環開環，系統表現為恒值電流調節的單閉環系統。當ASR不飽和時，轉速環閉環，整個系統是一個無靜差調速系統，而電流內環表現為電流隨動系統。（2）轉速超調

由于ASR采用飽和非線性控制，起動過程結束進入轉速調節階段后，必須使轉速超調，ASR的輸入偏差電壓△Un

為負值，才能使ASR退出飽和。這樣，采用PI調節器的雙閉環調速系統的轉速響應必然有超調。（3）準時間最優控制A恒流升速是起動過程的主要階段，特征是保持電流恒定。一般選擇為電動機允許最大電流，以充分發揮電動機的過載能力，使起動過程盡可能最快。這階段屬于有限制條件的最短時間控制。因此，起動過程可看作為是一個準時間最優控制。雙閉環控制只能保證良好的起動性能，卻不能產生回饋制動，在制動時，當電流下降到零以后，只好自由停車。必須加快制動時，只能采用電阻能耗制動或電磁抱閘。

（3）準時間最優控制B

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R

Tls+1R

TmsKsTss+1ACR

U*iUi--EId1.抗負載擾動±?IdL直流調速系統的動態抗負載擾作用2.2.3動態抗擾性能分析

直流調速系統的動態抗擾作用a)單閉環系統2.抗電網電壓擾動±?UdU*n-IdLUn+-ASR

1/CenUd01/R

Tls+1R

TmsIdKsTss+1-E2.2.3動態抗擾性能分析

-IdL±?Udb)雙閉環系統±△Ud—電網電壓波動在整流電壓上的反映

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R

Tls+1R

TmsIdKsTss+1ACR

U*iUi--E2.2.3動態抗擾性能分析

3.對比分析單閉環系統，電網電壓擾動的作用點遠離被調量，調節作用受到多個環節的延滯，因此抵抗電壓擾動的性能要差一些；雙閉環系統，增設電流內環，電壓波動可通過電流反饋得到比較及時調節，不必等它影響到轉速后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。1.轉速調節器的作用

（1）轉速調節器是主導調節器，它使轉速n跟隨給定電壓U*n的變化，穩態無靜差；（2）對負載變化起抗擾作用；（3）其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。2.2.4轉速和電流調節器的作用2.電流調節器的作用（1）在轉速調節過程中使電流跟隨給定電壓

U*i變化；（2）對電網電壓的波動起及時抗擾的作用；（3）電機起動時，保證獲得電機允許的最大電流，加快動態過程；（4）當電機過載甚至堵轉時，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，系統立即自動恢復正常。2.2.4轉速和電流調節器的作用2.3轉速超調的抑制---轉速微分負反饋一.問題的提出對于不允許出現轉速超調的系統，應該加以抑制。二.帶轉速微分負反饋雙閉環調速系統的基本原理帶轉速微分負反饋的ASR在原ASR輸入端，反饋環節并聯一個微分電容Cdn和濾波電阻Rdn，轉速變化時，Un和Udn一起與Un*疊加，結果使原系統提前超調，在tt時刻，ASR退飽和。

注意：轉速微分負反饋對起動過程的影響圖見筆記二.帶轉速微分負反饋雙閉環調速系統虛地點A的電流平衡方程式：整理得，

二.帶轉速微分負反饋雙閉環調速系統二.帶轉速微分負反饋雙閉環調速系統式中，

---轉速微分時間常數

---轉速微分濾波時間常數Cdn作用：對轉速反饋信號進行微分Rdn作用：濾去微分后帶來的高頻噪聲二.帶轉速微分負反饋雙閉環調速系統將代入上式，得取Todn=Ton，將濾波環節移到轉速環內，按小慣性環節近似處理，令化簡如下，結論：帶轉速微分負反饋的雙閉環系統相當于在轉速反饋通道中并聯了微分項二.帶轉速微分負反饋雙閉環調速系統三.退飽和時間和退飽和轉速AASR進退飽和后，系統進入線性過渡過程，初始條件就進入退飽和點，即轉速為nt,電流為Idm。時，ASR仍飽和，Id=Idm，n線性增大；時，近似看作轉速上升前的純滯后時間；在期間，轉速上升過程描述為：代入，則三.退飽和時間和退飽和轉速B以后，ASR開始退飽和，它的輸入信號為零：因為三.退飽和時間和退飽和轉速C退飽和時間為：退飽和轉速為：引入轉速微分負反饋后，動態速降大大降低，越大，動態速降降低，但恢復時間拖長。返回本章目錄三.退飽和時間和退飽和轉速D2.4電流斷續對動特性影響和電流自適應調節器設Id連續時，ACR傳遞函數為：Id斷續時，ACR`傳遞函數為:應滿足:選擇:結論:電流斷續時,電流調節器是一個小時間常數的積分調節器。一.電流斷續時，V-M系統動、靜態特性的變化1、電流斷續時，整流裝置外特性變陡，等效內阻增大，ACR環總放大倍數Ki降低；2、電流連續時，TL存在，從Udo的突變到Id的響應不能瞬時完成，而按照指數規律上升；Id斷續時，△Udo突變，△Id立即變化，相當于TL=0；3、Id斷續，Udo與Id之間是比例環節；4、Id連續，Udo與Id之間是慣性環節。

二.電流自適應調節器A△-++△-++RP20K20K1.5M20KD1R120KC1R0-電流檢測Ui*UcR2TLDJGSD電流連續時，T截止電流斷續時，T導通，R2接地通常選R1》R2，則：二.電流自適應調節器B二.電流自適應調節器C其中：Ki=R1/R0---id連續時，PI比例系數；---Id斷續時，積分時間常數；---Id連續時，PI時間常數。二.電流自適應調節器D結論：id斷續時，調節器為一個小時間常數的PI調節器，積分時間常數小，過渡過程輸出電壓的積分分量增長快，只要輸出不飽和，過一瞬間，比例分量忽略不計，近似看作一個小時間常數的積分調節器。帶電流變化率內環的三環調速系統2.5三環調節系統

較大的電流變化率，使直流電機產生很高的換向電動勢，產生火花，同時伴隨很大的脈動轉矩，產生振動、沖擊、加快磨損。+-TA+-UdIdMTGUfUPE???ASRACRADRUn*-+UnεnUi*+Ui-εiUdi*-+εdiUdiUc圖中ADR：一、帶電流變化率內環的三環調速系統A△-++UcR0βdiIdRdiCdi-+Udi*ADRCdR3R4ρ虛地點A列KCL方程：一、帶電流變化率內環的三環調速系統一、帶電流變化率內環的三環調速系統

---ADR積分常數

---ADR時間常數分壓比

---電流微分時間常數

---電流微分濾波時間常數令：電流變化率環動態結構圖一、帶電流變化率內環的三環調速系統Id(s)一、帶電流變化率內環的三環調速系統式中：一般Todi很小，可以忽略，化簡為：一、帶電流變化率內環的三環調速系統

Kdi足夠大時，二階慣性環節部分的時間常數大大縮小，提高了電流控制的快速性。二.帶電壓調節器內環的三環調速系統AVR---電壓調節器；TVD---直流電壓隔離變換器UPEUc+-+Un*-UnTA+-UdIdMTG???εnASRACRAVRTVD+Ui*-Uiεi-Uv*+Uvεvn3~二.帶電壓調節器內環的三環調速系統

---AVR的積分時間常數---AVR時間常數調整器的分壓比忽略電動勢變化的影響，求上式各量增量二.帶電壓調節器內環的三環調速系統對上式在零初始條件下求拉氏變換，令}二.帶電壓調節器內環的三環調速系統化簡為：二.帶電壓調節器內環的三環調速系統式中，，Tv和同一量級，為不降低系統快速性，它們都應遠小于Tla和Tl，上式簡化為：返回本章目錄電壓環缺點：電壓反饋信號含有諧波分量，帶來諧波干擾，嚴重時帶來系統振蕩。2.6弱磁控制的直流調速系統本節提要調壓與弱磁的配合控制非獨立控制勵磁的調速系統弱磁過程的直流電機數學模型和弱磁控制系統轉速調節器的設計2.6.1調壓與弱磁的配合控制概述

他勵直流電動機調壓方法是從基速（即額定轉速nN）向下調速。如果需要從基速向上調速，則要采用弱磁調速方法，通過降低勵磁電流，以減弱磁通來提高轉速。1.兩種調速方式A

（1）恒轉矩調速方式按照電力拖動原理，在不同轉速下長期運行時，為了充分利用電機，都應使電樞電流達到其額定值IN。于是，由于電磁轉矩Te

=Km

I

，在調壓調速范圍內，因為勵磁磁通不變，容許的轉矩也不變，稱作“恒轉矩調速方式”。

（2）恒功率調速方式在弱磁調速范圍內，轉速越高，磁通越弱，容許的轉矩不得不減少，轉矩與轉速的乘積則不變，即容許功率不變，是為“恒功率調速方式”。1.兩種調速方式B可見，所謂“恒轉矩”和“恒功率”調速方式，是指在不同運行條件下，當電樞電流達到其額定值IN時，所容許的轉矩或功率不變，是電機能長期承受的限度。實際的轉矩和功率究竟有多少，還要由其具體的負載來決定。1.兩種調速方式C恒轉矩類型的負載適合于采用恒轉矩調速方式，而恒功率類型的負載更適合于恒功率的調速方式。但是，直流電機允許的弱磁調速范圍有限，一般電機不超過1:2，專用的“調速電機”也不過是1:3或1:4。1.兩種調速方式D當負載要求的調速范圍更大時，就不得不采用調壓和弱磁配合控制的辦法，即在基速以下保持磁通為額定值不變，只調節電樞電壓，而在基速以上則把電壓保持為額定值，減弱磁通升速。2.調壓和弱磁配合控制3.電樞電壓與勵磁配合控制特性TeNnNnmax調電壓調速弱磁調速UNUPPTeUnO調壓與弱磁配合控制特性2.6.2非獨立控制勵磁的調速系統1.

系統設計要點：在基速以下調壓調速時，保持磁通為額定值不變；在基速以上弱磁升速時，保持電壓為額定值不變；弱磁升速時，由于轉速升高，使轉速反饋電壓也隨著升高Un，因此必須同時提高轉速給定電壓Un*，否則轉速不能上升。2.獨立控制勵磁的調速系統獨立控制勵磁的調速系統結構-AFR+GTFCUif-VFCU*ifRP2MTGnASRACRU*nRP1-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPE+TGMRP2---給定電位器；AFR---勵磁電流調節器VFC---勵磁電流可控整流裝置3.工作原理在基速以下調壓調速時，RP2不變，保持磁通為額定值，用RP1調節轉速，此時，轉速、電流雙閉環系統起控制作用；在基速以上弱磁升速時，通過RP2減少勵磁電流給定電壓，從而減少勵磁磁通，以提高轉速；為保持電樞電壓為額定值不變，同時需要調節RP1，以提高電壓；由于需要分別調節RP1和RP2，因此稱為獨立控制勵磁的調速系統。3.非獨立控制勵磁的調速系統A

在調壓調速系統的基礎上進行弱磁控制，調壓與調磁的給定裝置不應該完全獨立，而是要互相關聯的。從上圖可以看出，在基速以下，應該在滿磁的條件下調節電壓，在基速以上，應該在額定電壓下調節勵磁，因此存在恒轉矩的調壓調速和恒功率的弱磁調速兩個不同的區段。

實際運行中，需要選擇一種合適的控制方法，可以在這兩個區段中交替工作，也應該能從一個區段平滑地過渡到另一個區段中去，下圖便是一種已在實踐中證明很方便有效的控制系統，稱作非獨立控制勵磁的調速系統。3.非獨立控制勵磁的調速系統B4.系統組成TVDAE非獨立控制勵磁的調速系統TGnASRACRU*nRPn-UnUiU*i-UcTAVM-UdIdUPE-AFR+Uif+UPEFU*if+RPeAERUi-U*eUeTAFUvTGM+Ucf～～-TVD---電壓隔離器；AE---電動勢運算器；AER---電動勢調節器5.工作原理控制的基本思想根據E=Ken原理，若能保持電動勢E不變，則減少電動機的勵磁磁通，可以達到提高轉速的目的。

為此，在勵磁控制系統中引入電動勢調節器AER，利用電動勢反饋，使勵磁系統在弱磁調速過程中保持電動勢E基本不變。6.

電動勢的檢測

由于直接檢測電動勢比較困難，因此，采用間接檢測的方法。通過檢測電壓Ud

和電流Id，根據E=Ud–RId+LdId/dt，由電動勢運算器AE，算出電動勢E的反饋信號Ue。電動勢的給定由RP2提供基速時電動勢的給定電壓Ue*

，并使Ue*

=

95%UN。7.控制過程在基速以下調壓調速設置n<95%UN

，則，E<95%UN；此時，Ue*

>Ue

，

AER飽和，相當于電勢環開環。AER的輸出限幅值設置為滿磁給定，加到勵磁電流調節器AFR，由AFR調節保持磁通為額定值。用RP1調節轉速，此時，轉速、電流雙閉環系統起控制作用。7.控制過程（續）在基速以上弱磁升速:調節RP1提高轉速給定電壓，使轉速上升。當n>95%UN

時，E>95%UN，使Ue*

<Ue，AER開始退飽和，減少