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转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法 内容提要 转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广、性能很好的直流调速系统。 本章着重阐明其控制规律、性能特点和设计方法，是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。我们将重点学习： 2.1 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 问题的提出 第1章中表明，采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。 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等，单闭环系统就难以满足需要。 1. 主要原因 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。 在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值 Idcr 以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。 性能比较 带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程如图 所示， 起动电流达到最大值 Idm 后，受电流负反馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。 性能比较（续） 理想起动过程波形如图所示，这时，起动电流呈方形波，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过程。 3. 解决思路 为了实现在允许条件下的最快起动，关键是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。 怎样才能做到这种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？ 2.1.1 转速、电流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）联接如下图所示。 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。 这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 ACR和ASR的作用 ACR的作用是在系统的起动过程中，保持电流为允许最大值Imax的恒流过程，满足系统快速起动要求。 ASR的作用是保持系统稳态运行时无静差。 从而实现转速和电流两种负反馈分别在不同阶段各自起的调节作用。 系统原理图 ASR 和ACR的限幅问题 饱和问题 特别强调： 既然输出存在限幅，那么当ASR或者ACR的输出达到限幅值的时候，就意味着饱和。 为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图。只要注意用带限幅的输出特性表示PI 调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的 PI 调节器的稳态特征。 2. 限幅作用 存在两种状况： 饱和——输出达到限幅值 当调节器饱和时，输出为恒值，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间的联系，相当于使该调节环开环。 (2)稳态分析 正常运行时，电流调节器ACR不会达到预先设计的饱和程度。因此只有ASR具备饱和和不饱和两种情况。 1)ASR不饱和，此时两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都为零（因为无静差）。从而得到图2.17的n0-A段。 不饱和稳态特性的运行段 由于ASR不饱和，则: U*i U*im Id Idm 即n0-A段稳态特性一直从Id =0(理想空载状态)一直延续到 Id = Idm 。 而Idm一般都大于额定电流 Id N 的 。 ASR饱和运行分析 转速调节器饱和 此时输出达到限幅值U*im ，转速外环呈开环状态，转速变化对系统不再产生影响，这时系统由恒转速变为恒电流调节，是一个电流无静差的单闭环系统。 稳态时： 式中Idm取决于电动机的过载能力和传动系统允许的最大加速度。对应于图2-17的A-B段。 ASR饱和运行分析 在AB段的转速是小于n0的。 这样的下垂特性只适用于n n0情形。 结论 双闭环调速系统的稳态特性总结： 在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，ASR起主要作用。 当负载电流达到Idm后表现为电流无静差，使系统得到过电流保