4.3 转速、电流双闭环直流调速系统的动态分析

前节讨论的单环调速系统由于不能实现对转矩的有效控制，因而系统的动态性能不能令人满意。通过本节对转速、电流双闭环调速系统的动态分析可以知道，双环系统具有优良的动态性能，因此现代直流调速系统几乎都采用这种转速、电流双闭环直流调速系统，经过多年的实践，转速、电流双闭环直流调速系统已成为一种工业标准。

4.3.1 转速、电流双闭环直流调速系统的动态结构

转速、电流双闭环直流调速系统的动态结构图如图4-16所示，图中W_ASR（s）和W_ACR（s）分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流I_d显露出来。

4.3.2 转速、电流双闭环直流调速系统的动态过程分析

1.起动过程分析

对调速系统而言，被控制的对象是转速。它的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，是设置双闭环控制的一个重要的追求目标。

在恒定负载条件下转速变化的过程与电动机电磁转矩（或电流）有关，对电动机起动过程n=f（t）的分析离不开对I_d（t）的研究。图4-17是双闭环直流调速系统在带有负载I_dL条件下起动过程的转速波形和电流波形。

从图4-17可以看到，电流I_d从零增长到I_dm，然后在一段时间内维持其值等于I_dm不变，以后又下降并经调节后到达稳态值I_dL。转速波形显示缓慢升速，然后以恒加速上升，产生超调后，达到给定值n^∗。从电流与转速变化过程所反映出的特点可以把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不饱和、饱和及退饱和三种情况。

第Ⅰ阶段（0～t₁）是电流上升阶段：突加给定电压后，经过两个调节器的跟随作用，U_c、U_d0、I_d都上升，但是在I_d没有达到负载电流I_dL以前，电动机还不能转动。当I_d≥I_dL后，电动机开始起动，由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压（ΔU_n=-U_n）的数值仍较大，其输出电压保持限幅值，强迫电枢电流I_d迅速上升。直到I_d≈I_dm，U_i=，电流调节器很快就压制了I_d的增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。

第Ⅱ阶段（t₁～t₂）是恒流升速阶段：在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给定下的电流调节系统，基本上保持电流I_d恒定。因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长（见图4-17第Ⅱ阶段），是起动过程中的主要阶段。要说明的是，ACR一般采用PI调节器，电流环按典型Ⅰ型系统设计（电流环的设计见工程设计方法）。当阶跃扰动作用在ACR之后时，能够实现稳态无静差，而对斜坡扰动则无法消除静差。在恒流升速阶段，电流闭环调节的扰动是电动机的反电动势，如图4-16所示，它正是一个线性渐增的斜坡扰动量（见图4-17），所以系统做不到无静差，而是I_d略低于I_dm。为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中ACR不应饱和。

第Ⅲ阶段（t₂以后）是转速调节阶段：当转速上升到给定值n^∗时，转速调节器ASR的输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，和I_d很快下降。但是，只要I_d仍大于负载电流I_dL，转速就继续上升。直到I_d=I_dL时，转矩T_e=T_L，则，转速n到达峰值（t=t₃）。此后，在t₃～t₄时间内，I_d＜I_dL，电动机开始在负载的阻力下减速，直到稳态。如果调节器参数整定得不够好，也会有一段振荡过程。在这最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使I_d尽快地跟随其给定值，或者说，电流内环是一个电流跟随系统。

综上所述，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。随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态，在不同情况下表现为不同结构的线性系统，不能简单地用线性控制理论来分析整个起动过程，也不能简单地用线性控制理论来笼统地设计这样的控制系统，只能采用分线段线性化的方法来分析。

2）转速超调。当转速调节器ASR采用PI调节器时，转速必然有超调。转速略有超调一般是允许的，对于完全不允许超调的情况，应采用别的控制措施来抑制超调。

3）准时间最优控制。在允许条件下实现最短时间的控制称作“时间最优控制”，对于调速系统，在电动机允许过载能力限制下的恒流起动，就是时间最优控制（见图4-7调速系统理想起动过程）。但由于在起动过程Ⅰ、Ⅲ两个阶段中电流不能突变，所以实际起动过程与理想起动过程相比还有一些差距，不过这两段时间只占全部起动时间中很小的部分，影响不大，故可称为“准时间最优控制”。采用饱和非线性控制的方法实现准时间最优控制是一种很有实用价值的控制策略，其在各种多环控制系统中普遍地得到应用。

最后，应该指出，对于不可逆的电力电子变换器，双闭环控制只能保证良好的起动性能，却不能产生回馈制动。在制动时，当电流下降到零以后，只好自由停止运行。在必须加快制动时，只能采用电阻能耗制动或电磁抱闸。在必须回馈制动时，可采用可逆的电力电子变换器，详见第5章。

2.双闭环系统的抗扰性能分析

下面介绍两种典型扰动引起系统的动态过程。

（1）电网电压扰动

电网电压波动称为电网电压扰动。在双闭环系统中，由于电网电压扰动作用于电流环内，它将引起电流I_d变化。可以经过电流调节器调节I_d，维持电流为给定值。由于电流环的惯性远小于转速环的惯性，调节速度快，因此当发生电网电压扰动时，不必等到转速变化才调节，而是在电流I_d变化后即可调节。电流会较快地趋向于电流给定值，而不致引起较大的转速变化，所以，双闭环系统对电网电压扰动调节及时，且所引起的动态速降也比单闭环系统小得多。

（2）负载扰动

拖动系统负载的变化，称之为负载扰动。由图4-16可见，负载电流I_L作用于电流环外，它将直接引起转速的变化，通过转速调节器调节到原有的给定转速。它的动态过程与单闭环系统负载变化时引起的动态过程相似。

双闭环系统突加负载时，调节过程为

当T_ed=T_L时，转速不再下降，如图4-18所示。但由于转速n仍小于n₁，ΔU_n=（-U_n）＞0，所以，上述调节过程还将进行，使T_ed≥T_L。这时，电动机转速n才开始回升，在n回升到n₁值之前，有ΔU_n＞0→↑→I_d↑→n↑。

一直到n＞n₁，产生超调后才使 ΔU_n＜0，使↓，从而使I_d↓。在I_d↓＜I_L时，转速n又下降，上述过程重复进行，只要系统是稳定的，上述过程是衰减的，最终将使转速n=n₁，电动机电枢电流I_d=I_L，电磁转矩T_ed=T_L，系统稳定下来，进入稳态运行状态。

3.双闭环直流调速系统的特点及其转速、电流两个调节器的作用

（1）转速调节器和电流调节器为嵌套式串级结构电流闭环嵌套在转速闭环之内，转速调节器（ASR）和电流调节器（ACR）串级连接，转速调节器的输出作为电流调节器的输入。这种控制结构的最大优点是两个调节器的调节作用各自独立，互不干扰；在动态过程中两者相互配合、协调工作，从而保证了闭环直流调速系统具有优良的动态性能。

（2）转速、电流两个调节器的作用

转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用可分别归纳如下。

1）转速调节器的作用

① 转速调节器是调速系统的主导调节器，完成电动机转速的控制和调节，如果采用PI调节器，则可实现无静差调速。

② 对负载变化起抑制作用。

③ 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

① 作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电枢电流紧紧跟随其给定值（即ASR调节器的输出量）变化。

② 对电网电压的波动起及时抗扰的作用。

③ 在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。

④ 当电动机过载或者堵转时，限制电枢电流的最大值，起到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。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。