2.2 閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

一般而言，開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、工作穩(wěn)定，當(dāng)系統(tǒng)的輸入量（信號(hào)）及擾動(dòng)作用能夠已知時(shí)，采用開環(huán)控制可以取得較好的效果。然而，由于開環(huán)控制系統(tǒng)不能自動(dòng)修正被控制量的偏差，當(dāng)系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化及外來(lái)的未知擾動(dòng)將對(duì)系統(tǒng)的控制性能產(chǎn)生較大的負(fù)面影響，為此，在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)情況下將調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

根據(jù)自動(dòng)控制原理，將系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)量以負(fù)反饋方式引入系統(tǒng)的輸入端，與給定量進(jìn)行比較，用比較后的偏差值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，并最后消除偏差。這樣系統(tǒng)能夠有效地抑制甚至消除擾動(dòng)造成的影響，而維持被調(diào)節(jié)量很少變化或不變，這就是反饋控制的基本優(yōu)點(diǎn)。依據(jù)這一原理組成的系統(tǒng)，其輸出量反饋的傳遞途徑構(gòu)成一個(gè)閉合的環(huán)路，因此被稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。在直流調(diào)速系統(tǒng)中，被調(diào)節(jié)量是轉(zhuǎn)速，所構(gòu)成的是轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)，如圖2-31所示。轉(zhuǎn)速給定量用電壓表示，在電動(dòng)機(jī)軸上安裝測(cè)速發(fā)電機(jī)用以得到與被測(cè)轉(zhuǎn)速成正比的反饋電壓U_n。與U_n相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓ΔU_n，經(jīng)過(guò)比例（P）調(diào)節(jié)器（放大器）A，產(chǎn)生電力電子變換器UPE所需的控制電壓U_c。從A以后一直到直流電動(dòng)機(jī)，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)相同，而閉環(huán)控制系統(tǒng)和開環(huán)控制系統(tǒng)的主要差別就在于轉(zhuǎn)速n經(jīng)過(guò)測(cè)量元件反饋到輸入端參與控制。

2.2.1 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)

調(diào)速的任務(wù)就是控制和調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，由圖2-23可知，在額定勵(lì)磁狀態(tài)下，直流調(diào)速系統(tǒng)的被控量應(yīng)是直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n。依據(jù)圖2-23，將n作為被控量，并對(duì)n進(jìn)行閉環(huán)控制（設(shè)置轉(zhuǎn)速n的調(diào)節(jié)器及n的負(fù)反饋通道），即可得到轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-32所示。其中W_ASR（s）為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的傳遞函數(shù)。根據(jù)圖2-32，可以得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，其原理框圖如圖2-33所示。圖中記號(hào)“”表示調(diào)節(jié)器輸出的限幅作用。

由圖2-33a可知，系統(tǒng)通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器BRT，檢測(cè)到一個(gè)與轉(zhuǎn)速成正比的信號(hào)U_n，作為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋信號(hào)送到ASR，在ASR中與給定值相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差信號(hào)ΔU_n，該偏差信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)速控制器進(jìn)行運(yùn)算處理，產(chǎn)生電力電子變換器UPE的控制信號(hào)U_ct，用以控制和調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖2-33b所示系統(tǒng)中，UPW為脈沖調(diào)制器（根據(jù)ASR輸出值大小產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(hào)）；GM為三角波發(fā)生器；DLD為邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)（防止同一橋臂功率開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通的延時(shí)環(huán)節(jié)）；GD為功率放大器（將系列脈沖信號(hào)進(jìn)行功率放大，用來(lái)開通或關(guān)閉功率開關(guān)器件）。

2.2.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)

調(diào)速的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)矩控制，可是圖2-33所示調(diào)速系統(tǒng)并沒(méi)有轉(zhuǎn)矩控制的措施。因?yàn)轭~定勵(lì)磁狀態(tài)下的直流電動(dòng)機(jī)電樞電流I_d（或I_a）與直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩成正比，所以通過(guò)控制電樞電流I_d就能達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制。為了有效地控制轉(zhuǎn)矩就必須對(duì)電樞電流進(jìn)行獨(dú)立的閉環(huán)控制，因此依據(jù)圖2-32所示的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)引入電樞電流負(fù)反饋，設(shè)置電樞電流調(diào)節(jié)器，構(gòu)成電流閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖2-34所示。

由圖2-34可以看到，系統(tǒng)中設(shè)置了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，形成轉(zhuǎn)速閉環(huán)嵌套電流閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器之間實(shí)行串級(jí)連接，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出為電流調(diào)節(jié)器的輸入，以電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面的結(jié)構(gòu)稱為內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊的結(jié)構(gòu)稱作外環(huán)，構(gòu)成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)。

對(duì)應(yīng)圖2-34可以畫出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成框圖，如圖2-35所示。圖中兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出應(yīng)是具有限幅作用的。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅值決定了電樞電流的最大值I_dm；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓U_ctm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓U_dm。

圖2-35b中，UPEM為橋式電力電子變換器；GD為驅(qū)動(dòng)電路；UPW為PWM波生成環(huán)節(jié)；ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；ACR為電流調(diào)節(jié)器；BRT為測(cè)速發(fā)電機(jī)；TA為霍爾電流傳感器。

2.2.3 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁閉環(huán)控制系統(tǒng)

1.勵(lì)磁電流的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的控制系統(tǒng)

依據(jù)圖2-27，取勵(lì)磁電流I_f（可檢測(cè)）作為反饋量，設(shè)置I_f的調(diào)節(jié)器AFR，就構(gòu)成了勵(lì)磁電流的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，如圖2-36a所示。相應(yīng)的控制系統(tǒng)如圖2-36b所示。

2.磁通閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的控制系統(tǒng)

要實(shí)現(xiàn)精確的勵(lì)磁控制，必須對(duì)磁通進(jìn)行閉環(huán)控制。要實(shí)現(xiàn)磁通的閉環(huán)控制，必須引入磁通量Φ_d作為反饋控制量。但是磁通量Φ_d難以直接檢測(cè)，實(shí)際磁通的獲取是通過(guò)檢測(cè)勵(lì)磁電流I_f間接得到的。由圖2-30可知，磁通反饋量Φ_df獲取的方法是，在設(shè)置的反饋通道中，將產(chǎn)生磁通的電流分量I_Φ從I_f中分離出來(lái)，即設(shè)置一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其輸入為，輸出為。該慣性環(huán)節(jié)稱為模擬電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)的磁場(chǎng)模擬環(huán)節(jié)。磁通Φ_df和產(chǎn)生它的電流之間的關(guān)系，用一個(gè)描述電動(dòng)機(jī)磁化曲線的函數(shù)發(fā)生器HF（見(jiàn)圖2-37a）來(lái)實(shí)現(xiàn)，其輸入為，輸出為Φ_df。反饋通道設(shè)置完成后，再設(shè)置磁通調(diào)節(jié)器，就構(gòu)成了磁通閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，如圖2-37a所示。相應(yīng)的物理系統(tǒng)如圖2-37b所示。

2.2.4 直流電動(dòng)機(jī)雙域閉環(huán)控制系統(tǒng)（先升壓后弱磁調(diào)速系統(tǒng)）

在他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法中，調(diào)壓調(diào)速是從基速（額定轉(zhuǎn)速）往下調(diào)，在不同轉(zhuǎn)速下容許的輸出轉(zhuǎn)矩恒定，所以又稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。調(diào)磁調(diào)速是從基速往上調(diào)，勵(lì)磁電流變小，也稱弱磁調(diào)速，在不同轉(zhuǎn)速時(shí)容許輸出功率基本相同，稱為恒功率調(diào)速。對(duì)于一些生產(chǎn)機(jī)械，如連軋機(jī)主傳動(dòng)、機(jī)床主傳動(dòng)等要求采用調(diào)壓和弱磁配合控制的雙域調(diào)速方式，即在基速以下保持額定磁通不變，只調(diào)節(jié)電樞電壓；在基速以上則保持電樞電壓為額定值，減弱磁通升速。這就是直流電動(dòng)機(jī)雙域調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其控制特性如圖2-38所示。

雙域調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用滿磁升壓起動(dòng)，當(dāng)電壓達(dá)到額定值以后，再減弱磁通繼續(xù)升速。減速時(shí)，則應(yīng)該先增磁，后降壓調(diào)速。

根據(jù)磁通的控制方法不同，雙域調(diào)速系統(tǒng)可以分為獨(dú)立控制勵(lì)磁的調(diào)速系統(tǒng)和非獨(dú)立控制勵(lì)磁的調(diào)速系統(tǒng)。

1.獨(dú)立控制勵(lì)磁的調(diào)速系統(tǒng)

將圖2-35a所示控制電樞電壓的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)與圖2-37b所示，磁通閉環(huán)控制系統(tǒng)合并在一起組成了獨(dú)立勵(lì)磁的雙域調(diào)速系統(tǒng)如圖2-39所示。

由圖2-39看出，電樞控制和勵(lì)磁控制互相獨(dú)立，分別給出設(shè)定值。調(diào)速時(shí)，必須滿足調(diào)壓和弱磁配合控制的要求，即先保證設(shè)定值為滿磁給定，當(dāng)轉(zhuǎn)速和電樞電壓達(dá)到額定值時(shí)，才減少弱磁設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)弱磁調(diào)速。顯然調(diào)壓和勵(lì)磁控制設(shè)定操作不方便，因此獨(dú)立勵(lì)磁的雙域控制系統(tǒng)已經(jīng)很少采用了。

2.非獨(dú)立控制勵(lì)磁的雙域調(diào)速系統(tǒng)

圖2-40為常用的非獨(dú)立控制勵(lì)磁的雙域調(diào)速系統(tǒng)。電樞電壓控制也是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方式，在勵(lì)磁控制電路也有兩個(gè)控制環(huán)：電動(dòng)勢(shì)環(huán)和磁通環(huán)，電動(dòng)勢(shì)調(diào)節(jié)器（AER）和磁通調(diào)節(jié)器（AΦR）通常采用比例-積分調(diào)節(jié)器（Proportisnal-Integrated Regulator, PI）。由于很難直接測(cè)得電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)E_d，常采用間接方法近似求取，根據(jù)E_d=U_d-I_dR_a（R_a為電樞內(nèi)阻），由U_d和I_d的檢測(cè)信號(hào)U_df和I_df通過(guò)電動(dòng)勢(shì)運(yùn)算器（AE）運(yùn)算，獲得反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)E_df。

電動(dòng)勢(shì)給定信號(hào)與電動(dòng)勢(shì)運(yùn)算器（AE）的輸出信號(hào)E_df比較后，經(jīng)過(guò)電動(dòng)勢(shì)調(diào)節(jié)器（AER），得到磁通給定信號(hào)，再與磁通檢測(cè)信號(hào)Φ_df比較，通過(guò)磁通調(diào)節(jié)器（AΦR）運(yùn)算，得到控制信號(hào)U_ctf，用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁。

直流電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)E_d可寫成E_d=K_eΦ_dn。當(dāng)磁通Φ減弱而轉(zhuǎn)速n上升時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)E_d應(yīng)維持不變，電動(dòng)勢(shì)調(diào)節(jié)器（AER）采用PI調(diào)節(jié)器，AER保證了電動(dòng)勢(shì)無(wú)靜差的控制要求，同時(shí)也是自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電樞電壓與勵(lì)磁的配合控制所需要的。

由上述可知，在這種系統(tǒng)中，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速設(shè)定是由同一個(gè)設(shè)定來(lái)完成的，電樞控制電路和磁場(chǎng)控制電路是相關(guān)聯(lián)的，因此稱為非獨(dú)立控制勵(lì)磁的調(diào)速系統(tǒng)。