2.2 闭环控制的直流调速系统

一般而言，开环控制系统结构简单、成本低廉、工作稳定，当系统的输入量（信号）及扰动作用能够已知时，采用开环控制可以取得较好的效果。然而，由于开环控制系统不能自动修正被控制量的偏差，当系统的参数发生变化及外来的未知扰动将对系统的控制性能产生较大的负面影响，为此，在实际应用中，大多数情况下将调速系统设计成闭环控制系统。

根据自动控制原理，将系统的被调节量以负反馈方式引入系统的输入端，与给定量进行比较，用比较后的偏差值对系统进行控制，并最后消除偏差。这样系统能够有效地抑制甚至消除扰动造成的影响，而维持被调节量很少变化或不变，这就是反馈控制的基本优点。依据这一原理组成的系统，其输出量反馈的传递途径构成一个闭合的环路，因此被称为闭环控制系统。在直流调速系统中，被调节量是转速，所构成的是转速反馈控制的直流调速系统，如图2-31所示。转速给定量用电压表示，在电动机轴上安装测速发电机用以得到与被测转速成正比的反馈电压U_n。与U_n相比较后，得到转速偏差电压ΔU_n，经过比例（P）调节器（放大器）A，产生电力电子变换器UPE所需的控制电压U_c。从A以后一直到直流电动机，系统的结构与开环调速系统相同，而闭环控制系统和开环控制系统的主要差别就在于转速n经过测量元件反馈到输入端参与控制。

2.2.1 转速单闭环直流调速系统的控制结构及其相应的自动控制系统

调速的任务就是控制和调节电动机的转速，由图2-23可知，在额定励磁状态下，直流调速系统的被控量应是直流电动机的转速n。依据图2-23，将n作为被控量，并对n进行闭环控制（设置转速n的调节器及n的负反馈通道），即可得到转速单闭环调速系统动态结构图，如图2-32所示。其中W_ASR（s）为转速调节器ASR的传递函数。根据图2-32，可以得到相应的转速单闭环直流调速系统，其原理框图如图2-33所示。图中记号“”表示调节器输出的限幅作用。

由图2-33a可知，系统通过转速传感器BRT，检测到一个与转速成正比的信号U_n，作为转速负反馈信号送到ASR，在ASR中与给定值相比较后，得到转速偏差信号ΔU_n，该偏差信号通过转速控制器进行运算处理，产生电力电子变换器UPE的控制信号U_ct，用以控制和调节电动机转速。

图2-33b所示系统中，UPW为脉冲调制器（根据ASR输出值大小产生脉宽调制信号）；GM为三角波发生器；DLD为逻辑延时环节（防止同一桥臂功率开关管同时导通的延时环节）；GD为功率放大器（将系列脉冲信号进行功率放大，用来开通或关闭功率开关器件）。

2.2.2 转速、电流双闭环直流调速系统的控制结构及相应的自动控制系统

调速的关键是转矩控制，可是图2-33所示调速系统并没有转矩控制的措施。因为额定励磁状态下的直流电动机电枢电流I_d（或I_a）与直流电动机的电磁转矩成正比，所以通过控制电枢电流I_d就能达到对转矩的控制。为了有效地控制转矩就必须对电枢电流进行独立的闭环控制，因此依据图2-32所示的转速闭环控制动态结构图，在转速环内引入电枢电流负反馈，设置电枢电流调节器，构成电流闭环控制系统，如图2-34所示。

由图2-34可以看到，系统中设置了转速调节器和电流调节器，形成转速闭环嵌套电流闭环的控制结构，两个调节器之间实行串级连接，转速调节器的输出为电流调节器的输入，以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，电流环在里面的结构称为内环；转速环在外边的结构称作外环，构成了转速、电流双闭环调速系统的控制结构。

对应图2-34可以画出相应的转速、电流双闭环直流调速系统的组成框图，如图2-35所示。图中两个调节器的输出应是具有限幅作用的。转速调节器ASR的输出限幅值决定了电枢电流的最大值I_dm；电流调节器ACR的输出限幅电压U_ctm限制了电力电子变换器的最大输出电压U_dm。

图2-35b中，UPEM为桥式电力电子变换器；GD为驱动电路；UPW为PWM波生成环节；ASR为转速调节器；ACR为电流调节器；BRT为测速发电机；TA为霍尔电流传感器。

2.2.3 他励直流电动机励磁闭环控制系统

1.励磁电流的闭环控制结构及相应的控制系统

依据图2-27，取励磁电流I_f（可检测）作为反馈量，设置I_f的调节器AFR，就构成了励磁电流的闭环控制结构，如图2-36a所示。相应的控制系统如图2-36b所示。

2.磁通闭环控制结构及其相应的控制系统

要实现精确的励磁控制，必须对磁通进行闭环控制。要实现磁通的闭环控制，必须引入磁通量Φ_d作为反馈控制量。但是磁通量Φ_d难以直接检测，实际磁通的获取是通过检测励磁电流I_f间接得到的。由图2-30可知，磁通反馈量Φ_df获取的方法是，在设置的反馈通道中，将产生磁通的电流分量I_Φ从I_f中分离出来，即设置一个惯性环节，其输入为，输出为。该惯性环节称为模拟电动机磁场的磁场模拟环节。磁通Φ_df和产生它的电流之间的关系，用一个描述电动机磁化曲线的函数发生器HF（见图2-37a）来实现，其输入为，输出为Φ_df。反馈通道设置完成后，再设置磁通调节器，就构成了磁通闭环控制结构，如图2-37a所示。相应的物理系统如图2-37b所示。

2.2.4 直流电动机双域闭环控制系统（先升压后弱磁调速系统）

在他励直流电动机的调速方法中，调压调速是从基速（额定转速）往下调，在不同转速下容许的输出转矩恒定，所以又称为恒转矩调速。调磁调速是从基速往上调，励磁电流变小，也称弱磁调速，在不同转速时容许输出功率基本相同，称为恒功率调速。对于一些生产机械，如连轧机主传动、机床主传动等要求采用调压和弱磁配合控制的双域调速方式，即在基速以下保持额定磁通不变，只调节电枢电压；在基速以上则保持电枢电压为额定值，减弱磁通升速。这就是直流电动机双域调节系统，其控制特性如图2-38所示。

双域调速系统起动时，应当采用满磁升压起动，当电压达到额定值以后，再减弱磁通继续升速。减速时，则应该先增磁，后降压调速。

根据磁通的控制方法不同，双域调速系统可以分为独立控制励磁的调速系统和非独立控制励磁的调速系统。

1.独立控制励磁的调速系统

将图2-35a所示控制电枢电压的转速、电流双闭环直流调速系统与图2-37b所示，磁通闭环控制系统合并在一起组成了独立励磁的双域调速系统如图2-39所示。

由图2-39看出，电枢控制和励磁控制互相独立，分别给出设定值。调速时，必须满足调压和弱磁配合控制的要求，即先保证设定值为满磁给定，当转速和电枢电压达到额定值时，才减少弱磁设定值，实现弱磁调速。显然调压和励磁控制设定操作不方便，因此独立励磁的双域控制系统已经很少采用了。

2.非独立控制励磁的双域调速系统

图2-40为常用的非独立控制励磁的双域调速系统。电枢电压控制也是转速、电流双闭环控制方式，在励磁控制电路也有两个控制环：电动势环和磁通环，电动势调节器（AER）和磁通调节器（AΦR）通常采用比例-积分调节器（Proportisnal-Integrated Regulator, PI）。由于很难直接测得电动机的反电动势E_d，常采用间接方法近似求取，根据E_d=U_d-I_dR_a（R_a为电枢内阻），由U_d和I_d的检测信号U_df和I_df通过电动势运算器（AE）运算，获得反电动势信号E_df。

电动势给定信号与电动势运算器（AE）的输出信号E_df比较后，经过电动势调节器（AER），得到磁通给定信号，再与磁通检测信号Φ_df比较，通过磁通调节器（AΦR）运算，得到控制信号U_ctf，用来控制电动机的励磁。

直流电动机的反电动势E_d可写成E_d=K_eΦ_dn。当磁通Φ减弱而转速n上升时，反电动势E_d应维持不变，电动势调节器（AER）采用PI调节器，AER保证了电动势无静差的控制要求，同时也是自动实现电枢电压与励磁的配合控制所需要的。

由上述可知，在这种系统中，系统的转速设定是由同一个设定来完成的，电枢控制电路和磁场控制电路是相关联的，因此称为非独立控制励磁的调速系统。