《电力拖动自动控制系统——运动控制系统(第五版)》学习笔记
本节内容对应书中第四章 转速、电流双闭环控制的直流调速系统
第一节 转速、电流双闭环控制直流调速系统的组成及其静特性；对应页码p53-p56
转速单闭环控制的直流调速系统存在的问题
转速单闭环控制的直流调速系统使用PI调节器后可以实现转速稳态无静差，消除负载转矩对稳态转速的影响，并使用电流截止负反馈限制电枢电流的冲击，避免出现过电流现象。但转速单闭环系统不能充分控制电流（或电磁转矩）的动态过程，电流截止负反馈不能很好地控制电流的动态波形。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。
图1 时间最优的理想过渡过程
时间最优的理想过渡过程如上图所示，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。当达到稳态转速时，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。
转速、电流双闭环控制直流调速系统的组成
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\(I_{dm}\)的恒流过程，采用电流负反馈可以得到近似的恒流过程。需要在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈。达到稳态转速后，使转速负反馈发挥主要作用，使转速跟随给定，而电流负反馈不起阻碍作用。
为了实现上述要求，需要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，且两者需要在系统中以特定的方式连接。
图2 双闭环直流调速系统原理图
图3 双闭环直流调速系统电路图ASR—转速调节器 ACR—电流调节器 TG—测速发电机 TA—电流互感器 UPE—电力电子变换器
\(U_n^*\)—转速给定电压 \(U_n\)—转速反馈电压 \(U_i^*\)—电流给定电压 \(U_i\)—电流反馈电压
转速、电流双闭环直流调速系统原理图如图2所示，其电路图如图3所示。可见转速调节器(ASR)与电流调节器(ACR)两者实行串级连接。转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器输出作为电力电子变换器(UPE)的输入。
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、电流双闭环控制直流调速系统。
稳态结构图与参数计算
图4 双闭环直流调速系统稳态结构图\(\alpha\)—转速反馈系数 \(\beta\)—电流反馈系数
双闭环直流调速系统的稳态结构图如上图所示。可见转速与电流调节器均采用带限幅作用的PI控制。转速调节器的输出限幅电压决定了电流给定的最大值，电流调节器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；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。
对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况，设计合理的电流调节器不进入饱和状态。
双闭环直流调速系统的静特性
图5 双闭环直流调速系统静特性
转速调节器不饱和
两个调节器都不饱和，输入偏差电压都为零，即转速、电流均无静差。
对应图上静特性AB段，此时负载电流\(I_d <
I_{dm}\)，转速\(n =
\frac{U_n^*}{\alpha} = n_0\)。此时转速调节器起主要调节作用。
\[U_n^*=U_n=\alpha n=\alpha n_0\]
\[U_i^*=U_i=\beta I_d\]
转速调节器饱和
ASR输出输出达到限幅值时，转速外环呈开环状态，转速的变化对转速环不再产生影响。
对应图上静特性BC段，此时负载电流\(I_d =
\frac{U_{im}^*}{\beta} = I_{dm}\)，转速\(n <
n_0\)。此时电流调节器起主要调节作用，双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。
当ASR处于饱和状态时，\(I_d=I_{dm}\)，若负载电流减小，\(I_d<I_{dm}\)，使转速上升，\(n>n_0\)，\(\Delta n<0\)，ASR反向积分，使ASR调节器退出饱和。
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，各变量关系为：
\[U_n^*=U_n=\alpha n=\alpha n^*\]
\[U_i^*=U_i=\beta I_d=\beta I_{dL}\]
\[U_c=\frac{U_{d0}
}{K_s}=\frac{C_en+I_dR}{K_s}=\frac{C_eU_n^*/\alpha+I_{dL}R}{K_s}\]
上述关系表明，在稳态工作点上，转速\(n\)由给定电压\(U_n^*\)决定，ASR的输出量\(U_i^*\)由负载电流\(I_{dL}\)决定，ACR的输出量由即控制电压\(U_c\)的大小同时取决于\(n\)和\(I_d\)（或\(U_n^*\)和\(I_{dL}\)）
当转速给定和电枢电流分别为\(U_{nm}^*\)和\(I_{dm}\)，调节器输出对应最大控制电压\(U_{cm}\)。
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\(\alpha=\frac{U_{nm}^*}{n_{max}
}\)，电流反馈系数\(\beta=\frac{U_{im}^*}{I_{dm} }\)。
两个给定电压的最大值\(U_{nm}^*\)和\(U_{im}^*\)由设计者选定。