内容拷贝自 电力拖动自动控制系统(第三版),介绍直流电机的速度电流双闭环控制。
道理相通, 分析及理论计算、设计同样适用于异步电机和PMSM的矢量控制。
有兴趣的可以去下载这本书看看!
2013年9月14日补充主帖相关内容:
坦诚地说我的贴子里非常不喜欢刘志斌大师的回帖,因为我觉得跟刘志斌大师搅到一起是一种非常不明智、并且无益于自身修养提高及展现基本素质的一件事。
在我多次的表达该意愿的回帖后刘志斌大师依旧笔耕不缀的奋笔疾书一些前言不搭后语、张冠李戴、不知所云的论调, 并且将我对部分网友的回帖内容肆意解读、采取不符合科学原理的人为主观评判, 妄图采用刷屏等方式为主的疲劳战术达到别人不再搭理、不再回复的效果来获取其所谓的“胜利”,借此维护其自以为的一点论坛高积分会员的权威。
其实, 刘志斌大师的论调一直是饱受争议的话题。据我所知,从“软启动是个无知的骗局”起经历过很多,有过被众版主联名举荐取消论坛排名第一的事迹,有过在运动控制论坛被禁言的先例,更有过被众人群起轮流批斗的几次经历,甚至屡屡发生讨论到某个话题后不知缘故的躲起一段时间闭关修炼、不见踪迹,过段时间重出江湖的、洗把脸重新战斗的历程,等等等等。。。。。
这些曲折丰富的轶事充分显示了刘志斌大师对科学知识的向往,也许只有经历过上山下乡的那个年代的老一代才明白知识的重要!这份对知识的追求已经达到了宁愿身心受辱也不言放弃的境界!在改革开放的新时代里,"爹亲娘亲不如毛主席亲"的观念得到了升华,“将欲取之必先与之”的理念得到了开拓性的创新,先树立标靶让别人批判、然后潜心在别人的白眼里汲取科学知识,这种忍辱负重、韬光养晦的精神值得我们晚辈学习!
在学术创作上,刘志斌大师也充分的发挥了敢想敢为的英勇魄力, 提出了制动电阻并联电容的新思路,并勇于反驳世俗的看法,并针对恒压供水采用变频控制是否节能的问题上也积极的提出新观点........。
大师探索永无止境,最近涉猎于运动控制领域,对伺服的控制提出了颠覆性的设计思路, 开拓性的提出了刘氏步进伺服的原理、从伺服电机到光电编码器、PLC等完全推翻了现有的体系架构,“结束了祖国现代化技术受制于西方科技制约的瓶颈”。
在进行一系列创新的同时, 刘志斌大师仍旧全身心投入到工控论坛在研项目------“矢量控制是个无知的谎言”的学术研究中去,该项目启动于2008年,至今已达5年之久。刘志斌大师自信的表示,该科研课题的成功将会导致全球几十万甚至上百万从事电机控制科研院校、生产单位技术人员的失业,彻底打破中华工控事业受制于西方的局面!
刘志斌百忙之中不忘参与论坛的发帖回复, 本着诲人不倦的精神积极的畅所欲言、无所畏的冲刷地板, 将不管什么东西都要插一杠子的精神发挥到了极致。
在本人的当前发帖中,刘志斌大师以一个前辈的身份对我帖子中的内容进行评析及判断,并提出了和蔼的建议,对其而言纵然无益却也聊胜于无。
鉴于大师的身份和过去的光辉事迹,纵观其过去,惊世骇俗居多,至于将来,何须展望?
我无意于与大师探讨,只能提供当前相关教科书中的内容供论坛的网友去自我甄别、自加判断。
对于刘志斌大师对本帖技术内容的否定以及质问,我保持沉默!
沉默不是发帖内容有错误、没有话说,沉默是因为其不值得我去辩解、不值得我去探讨,但作为帖子的发帖者,我需要对浏览帖子的网友做一个说明!同时对于提出问题的网友,我会尽量解答!
只要刘志斌大师愿意,就没人能够阻止其在这个帖子的继续回帖!
以上言辞如有不符合客观情况、言辞过激之处, 请刘志斌大师向论坛的管理者举报!同时也欢迎版主及管理员仔细审核该发帖内容,如有违规之处请删除相关内容!
先整理部分教科书中关于双闭环的部分内容如下,便于网友浏览、自我甄别!
然后摘录刘志斌大师的部分开拓性创新(仅限于帖子第一页内容)如下:
5楼中:
“4、在任何情况下, “速度闭环”和“电流闭环”不可能同时工作,因为同一个负载,你不能给定它的速度,又给定它的电流!”
7楼中:
“
3、这个“电流环”是在“速度闭环”饱和时,不起控制作用时工作的,举例说启动时,速度环饱和,起不到调控作用,启动电流很大,这
时电流环起作用,调节电压,限制启动电流的无限增大;
4、如果你不懂原理,但是你只要知道,速度环饱和不起作用时,电流环才起作用,不是同时工作的;
”
8楼:
“5、正常工作状态,速度环未饱和,速度环起调控作用,电流环不工作!”
9楼:
“7、而这个双闭环的内电流环的给定,不是电机的电流,是电机电流大或突变时,速度环饱和输出的限幅电压;”
10楼:
“ 9、举例说,在速度闭环控制模式下,负载过重,电机电流出现严重过载,这时用失速保护来保护电机,就是说,这个时候让电机的速度迅速降下来;
10、谁让电机速度迅速降下来的,当然是电流环,电流环在速度环失去作用时,迅速调低频率,调低电机速度,调低电流!
11、大家看到,速度环和电流环还是不能同时工作的!
”
13楼:
“
4、我上网这么多年了,发言也不少,“征”如果能找到一句错话或者一个错误观点,把它贴上来,指出错的是什么,正确的是什么,我当
众认错!当然我自己已经纠正过的错误就不用了!
”
31楼:
“
10、征贴的“双闭环”,一个环饱和时停止工作,另一个环工作;
11、类似交流变频调速时的失速保护,失速保护时,速度环停止工作电流环调低电机速度,调低过载电流,实现过载保护一样!
”
35楼:
“1、说心里话,“征”如果能虚心学习,不懂就问,这几年我可以把你培养成一个不错的高级专业技术人员;
2、对我来说,这些都是熟透的知识和技能,我可以用简短而有效的文字明白的教你,而且是百问不厌、诲人不倦、鞠躬尽瘁!
3、你不该骂我,我是给你们送知识来的,不仅不要钱,而且是在书里、课堂里、……那里也买不到的知识!?
”
41楼:
“
1、我说的“速度环”和“电流环”是:
1)给定电机速度,检测电机速度,调节控制电机速度为给定速度;
2)给定电机电流,检测电机电流,调节控制电机电流为给定电力;
2、所以,你不可能同时控制一台电机速度为给定速度,电流为给定电流;
3、所以,我的结论是任意时刻“速度环”和“电流环”不能同时起作用!
”
43楼:
“
6、速度的“双闭环”控制中,或者速度的“电流正反馈”控制中,“电流的检测反馈”是与给定速度比较,而不是与给定电流比较,是为
了进一步控制好“速度”,而不是控制电机的电流为给定电流!
”
44楼:
“
8、“双闭环”不是“征”认为的那样,“一个环控制速度,一个环控制电流。”;
9、电流的检测反馈与给定电流比较,是控制电流大小;速度的检测反馈与给定速度比较,是控制速度。
”
回复网友的比分内容:
50楼中:
“转速电流双闭环直流调速系统电流环是只有在转速环饱和时发挥恒流调节的作用,保证电机的安全运行。当转速环不饱和时,电流环没有发挥电流调节的作用,只是随动。这点刘老师讲的是对的啊,我觉得,请赐教。”
解答如下:
转速环的输出是什么?先搞明白这个问题!
(修改后补充内容)转速环的输出是克服速度偏差所需要的电磁转矩, 在直流电机或采用矢量控制的交流电机中,力矩与电流成正比,因此可以简单地理解为转速环的输出是产生需要力矩的电流。在某些高端的驱动器中, 会添加一个转矩控制的计算部分,国内的低端驱动器没有这一部分。
在闭环调节的过程中,由于速度偏差是不停变化的,因此转速环输出的电磁转矩也是变化的, 其最终目的是保证速度的稳定,在负载作用下尽量小的速度跌落和快速的调节时间。
这个转速环一般采用PI控制, 通过PI参数的整定可以达到需要的性能要求。
通电线圈在磁场中受到的电磁力怎么计算、和哪些物理量有关?最基本的公式F=BILSIN(theta),
如果磁通密度B能够保持恒定,并且导线长度在设计好的线圈中是固定值,而此时在theta为90度时,那么电磁力只与电流I成正比,也就是说电磁力F通过控制电流I后,力的大小是可控的。
只有力是可控的,才能精确控制加速度a,加速度a可控了,速度v才能精确控制。
这就是采用电流内环的目的。
电流内环控制的是电磁力的大小,所以又称为转矩控制。
(修改后补充内容)电流环的输出是保证电流达到速度环要求的电流指令所需要的电压。在上面已经说明了速度环的输出,即电流环的输入指令-------- 产生需要的力矩的电流值,是不断变化的, 跟克服速度偏差所需要的转矩有关。
而电磁转矩可以通过某些控制方法做到只跟电流成比例, 因此电流内环实质上控制电流, 就是控制了电机输出的电磁转矩。
电磁转矩得到了控制, 物体运动的加速度就是可控的, 加速度对时间的积分就是速度, 速度对时间的积分就是位移。
因此只有电磁转矩可控, 才能精确地控制速度和位置。所以电机控制, 归根结底就是对电磁转矩的控制。
内环的作用只管控制电流达到期望的电流就可以了,至于期望电流是多少, 也就是电磁转矩的大小是由外环----速度环控制的, 电流环不需要知道。
如果速度环外面还有位置闭环,位置环可以根据位置偏差计算需要的速度值, 把速度指令发送给速度环。 速度环不需要知道当前位置偏差的大小,速度指令的大小由位置闭环决定,速度环只要按照速度指令执行速度控制就行了,这就是伺服驱动器中的三闭环控制。
单闭环的速度控制, 直接根据速度偏差计算需要的电压,在整个控制过程中不能精确地控制电磁转矩, 因此在不同的速度和负载及负载变化波动下其控制时间和精度是难以保证的、不确定,只用于低端变频器等需要简单调速的应用, 不能应用于高要求的运动控制!
"当转速环不饱和时,电流环没有发挥电流调节的作用,只是随动。"
这句话有点问题,既然“电流环没有发挥电流调节的作用”,又如何“只是随动”, 随什么随动?
你还是没有搞明白问题的本质!
这是采用模拟器件时候的电路原理图, ASR和ACR部分是通过硬件在PCB板上实现的, PCB制作完成后,电路的连接方式不能改变。
从电路图上可以看出,速度环ASR的输出Ui*接到ACR运算放大器的反相输入端上,ACR的输出Uc驱动UPE控制输出到电机的直流电压Ud。
这个电路原理图很容易看出,ASR只能输出电流环的给定输入Ui*, 驱动电机的电压Ud是通过ACR的输出Uc驱动UPE得到的。这两个环是级联的方式。
起动过程已经在主帖的图上分析过了, 两个环的作用也有说明。
现在的你的问题在转速不饱和时, 你认为电流环没有发生调节作用,
首先电流环肯定是工作的, 如果不工作,速度环的输出Ui*怎么输过去改变Uc控制UPE输出的电压Ud?硬件PCB可都是已经焊接固定死了的。
假如当前给定指令是100rpm, 稳定运行后,负载没有变化。速度指令改为110rpm,假定在这种变化的过程中指令变化的速率不足以导致速度环饱和,如果电流环ACR不发挥电流调节作用,那么Uc就不会改变,试问在Uc是一种状态的情况下,Ud怎么被调节到满足在110rpm时速度恒定并且带动负载旋转?
电流内环的调节可以克服以下问题:
1)电机长时间运行的电机参数变化, 如温升导致的电阻和电感变化。
电机运行时铜损I2R, 这个发热会随着时间逐步导致电机相对于环境温度的温升, 温度升高后, 电阻的阻值会变大。
在恒定速度下, 负载不变, 电阻阻值变大, 会导致在恒定电压下电流变小,因此电流内环的ACR要改变输出Uc驱动UPE是输出电压Ud变大,保持电流恒定
2)电源电压的变化
当供电电压变大时,在相同占空比的情况下通过PWM调制输出的Ud电压会升高, 会导致电流变大, 电流内环的ACR要改变输出Uc改变占空比驱动UPE使输出电压Ud变小, 保持电流恒定。
供电电压变小时, ACR同样调节输出Uc保持电流恒定。
这些快速的调节都是通过电流内环来实现的, 电流内环都在起电流的调节作用。以上为什么没有考虑速度环的作用?
应为速度环中有个电机惯量J导致速度不能突变, 也就是速度偏差的形成需要时间, 在速度偏差形成以前就有可能电压波动、电阻变化等已经发生好长时间了。这种快速的扰动之能同快速的电流内环来克服扰动, 避免由于这些扰动导致转速波动!
如果靠转速环来调节, 转速已经发生波动了,调解时已经晚了,如何能更好的保持速度恒定?
双闭环系统内环和外环都是同时工作的, 只不过在某些特殊情况下外环饱和或者内环饱和,但不能说外环和内环不能同时起调节作用!
在某个时刻, 有可能速度环ASR和电流环ACR分别起主导作用, 一个起主导调节器的作用并不意味着另外一个调节器不起作用!
所以:
“5、正常工作状态,速度环未饱和,速度环起调控作用,电流环不工作!”和“我的结论是任意时刻“速度环”和“电流环”不能同时起作用!”之类的问题,实在是勇敢的“创新”!
后续内容看情况添加!
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引用 刘志斌 的回复内容:
1、在电力拖动中,负载增大时,电机速度下降,而电流上升;
1)所以速度闭环与电流闭环不能同时工作;并级不能同时工作,级联也不能同时工作;
2)并级时,会出现一个要调高频率或电压,另一个调要低频率或电压;
3)级联时,会出现前级偏差增大完成主控作用,而后级偏差不变随动!
2、设想一下,如果负载增大时,电机速度下降,而电流也下降;那速度闭环、电流闭环就可以并级,也可以级联,这说明以上讨论的问题是个控制逻辑的问题!
我知道刘老师为什么说两个环不能同时工作了----因为当负载扰动时,这两个环的控制逻辑是反的。
这是对的,两个环的逻辑确实是反的,但是不表示两个环不能同时工作,因为它们的带宽不同!反应速度可能差一个数量级,电流环很快,速度环比电流环慢很多,两个环基本上没有干扰。
正因为双环控制逻辑是反的,所以比速度换单环直接控制电压会稍慢一点。
也有一种扰动,两个环的逻辑是同向的,即母线电压扰动,母线电压下降-》电机电流下降-》电磁力矩下降-》转速下降-》,这时电流环想要提高电压,速度环想要提高电流,两个的逻辑是同向的。
所以有电流环的一个好处是:对母线电压的扰动反应非常快,可能速度环还没感觉到扰动,电流环已经先把它摆平了。
虽然速度环直接控制电压的单环反应快一点,但电流的控制没有双环的平顺,在要求高的场合是不好用的。因为电机里面有两个惯性环节,一个是转子动能,一个是电感电流,这是个二阶系统,用二阶的控制比较好,分工明确。
我举一个双环控制的例子,可以清楚地说明双环控制对转速稳定来说在逻辑上是反的,但是又能同时协调地工作。
一个速度环电流环双环控制器,控制一个力矩周期变化的负载。
我学刘老师的方法,用12345.
1、速度环电流环都关闭,开环工作,给定固定电压驱动负载。因为负载力矩的周期波动,所以转速也呈周期波动。
根据直流电机的开环机械特性分析一下扰动情况:负载变大-》转速变小-》反电动势降低-》电流变大-》电磁力矩变大。说明直流电机有自动抵抗负载扰动的能力,当然转速还是有扰动,这个不用细说。
2、关速度环开电流环,给定固定命令电流给电流环的输入。此时负载的速度波动和1比变大了!电流环调得越硬速度波动越大,分析扰动情况:负载变大-》转速变小-》反电动势降低-》电流变大-》电流环检测到电流变大-》调低电压。
这就是说,电流环的控制让速度波动更大。如果把电流环调得很硬,电流可以基本不波动,但速度波动就很大。
3、开速度环开电流环,此时由于速度环的速度反馈控制,负载的转速波动比2变小了,但是和1比,则不一定呢,要看速度环的软硬,还要看电流环的软硬,如果想要速度波动小,要调软电流环,调硬速度环。
当然这样调想要控制周期速度波动基本没戏,因为反馈是滞后的,要想抑制波动,要用前溃,当然这是题外话。
4、那么我们明显看到双环在扰动上的调节是逻辑上反向的,为什么可以同时工作呢?
答案是带宽。电流环我100us调一次,速度环我1ms才调一次,一个反应快的电流环,在10个调节周期内已经稳定了,速度环根本感觉不到逻辑上的反向。对于速度环来说,给5A,电流环经过10个周期调到5A,速度环又说:6A,电流环经过10个周期又调到6A。。。。。。这期间,电压是怎么动的,速度环不必知道,只要电流环的反应跟得上就行了。
引用 x_p_zhang 的回复内容:
……
4、那么我们明显看到双环在扰动上的调节是逻辑上反向的,为什么可以同时工作呢?
答案是带宽。电流环我100us调一次,速度环我1ms才调一次,一个反应快的电流环,在10个调节周期内已经稳定了,速度环根本感觉不到逻辑上的反向。
……
1、那就是说负载增大时,“电流环我100us调一次,速度环我1ms才调一次,一个反应快的电流环,在10个调节周期内”将频率速度降低,不让电流增大;
2、那就是说负载增大时,“电流环我100us调一次,速度环我1ms才调一次,一个反应快的电流环,在10个调节周期内”,将频率速度降低,不让电流增大;对于速度环来说,她又把频率速度升高,不让电机速度下降;
3、“速度环根本感觉不到逻辑上的反向”是个谎话!
4、“速度闭环”、“电流闭环”,都是模拟量的PID闭环连续控制的,压根就没有“带宽”的问题,说谎是没有用的;
“速度闭环”、“电流闭环”,无论是模拟的连续PID或数字的离散PID,都有“带宽”的问题,我没说谎。你百度一下“电流环带宽”“速度环带宽”就知道了。
带宽是控制系统的重要指标,带宽高则动态性好,电流环带宽一般都比速度环高很多倍,因为电机中电气时间常数比机械时间常数小多了。
5、不过你承认“速度闭环”、“电流闭环”控制在“逻辑上反向”,是你的功劳,值得表扬!
怎么叫“我承认”呢?我老早就知道是这样的啊,功劳谈不上,讨论问题嘛,互相学习!
1、如图,负载增大,转速n下降,电机电流Id增大;
2、ASR检测反馈速度n下降,Un减小;
3、ASR给定速度Un*,与反馈Un比较,偏差△n=Un*-Un增大;
4、ASR调节器,调高电压、调高电流,ACR给定电流Ui*增大;
5、ACR检测反馈电流Id,Ui增大;
6、ACR给定电流Ui*,与反馈电流Ui比较,偏差△i=Ui*-Ui不变;
7、这样,负载增大,转速下降,电流增大,ASR偏差增大,其速度闭环起主速度调节作用;ACR偏差不变,ACR没有电流调节作用,处于随动状态!
上面是引用老刘的原话,老刘是个很严谨的人,最容不得逻辑错误,但上面犯了个致命的逻辑错误,即第4条:
4、ASR调节器,调高电压、调高电流,ACR给定电流Ui*增大;
这句话要这么说才是对的:
4、ASR调节器,调高电流,ACR给定电流Ui*增大;
这两句话有什么区别呢?
区别在于,ASR只调高给定电流Ui*,它不能直接调高电压,它手没那么长,或者说它就没那只手!它只能把Ui*给电流环,除此之外无输出!如果设计过这个电路或者写过这个程序,就知道只能是这样。
但是电压确实是被调高了,这老刘也知道。那么是谁把电压调高的?这个电压是怎么高起来的?必须要严谨地、一步一步地、不漏过一个细节地把这个动态过程分析清楚。
引用 刘志斌 的回复内容:
2、那就是说负载增大时,“电流环我100us调一次,速度环我1ms才调一次,一个反应快的电流环,在10个调节周期内”,将频率速度降低,不让电流增大;对于速度环来说,她又把频率速度升高,不让电机速度下降;
3、“速度环根本感觉不到逻辑上的反向”是个谎话!
我来说,大概是这样的:
2、那就是说负载增大时,“电流环我100us调一次,速度环我1ms才调一次,一个反应快的电流环,在10个调节周期内已经稳定了”,从时间0开始,内环电流环在10次调节中,将电压调低,不让电流增大,速度会再下降一点(这也就是老刘说的逻辑相反!);到1ms了,外环速度环将命令电流升高,这个命令电流给了电流环的输入;电流环又经过10次调节,根据这个命令电流,把电压调高,直到电机电流等于命令电流;下个1ms,如果速度还不够,速度环会再提高命令电流,电流环会再根据这个命令电流去调高电压从而调高电流。
就是说,命令电流是个动态值。电流环会乖乖地履行自己的职责把电机电流调得等于这个动态值。
(不好意思我这说的是数字的控制,但是数字的和模拟的原理是一样的,数字的说起来更容易理解)
引用 x_p_zhang 的回复内容:
……上面是引用老刘的原话,老刘是个很严谨的人,最容不得逻辑错误,但上面犯了个致命的逻辑错误,即第4条:
4、ASR调节器,调高电压、调高电流,ACR给定电流Ui*增大;
这句话要这么说才是对的:
4、ASR调节器,调高电流,ACR给定电流Ui*增大;
1、速度调节器,负载增大时,电机转速降低,速度闭环就要调高电压(或频率};
2、电流调节器,负载增大时,电机电流增大,电流闭环就要调低电压(或频率};
3、级联时,把速度闭环饱和时的输出电压(电压区间的门槛电压)折算成电流环的给定电流(电机允许最大电流),这时候检测的电流信号大于这个给定电流,有偏差,电流调节器是调低电流,所以电机电流最大为允许最大电流,起到一个保护作用;
4、级联时,速度闭环未饱和时的输出电压,折算成电流环的给定电流,这时候检测的电流信号与这个给定电流同时增大或减小,无偏差,电流调节器无调节作用;
5、这就是本质,速度调节器输出的是电压,电流调节器给定的是电流,这里有一个换算关系,也就是你说的设计人员知道电压是多少时,电流调节器的给定是多少电流;
6、任何时候都是“ASR调节器,调高(或低)电压”,而不是“ASR调节器,调高(或低)电流”!
7、任何时候都是“ACR调节器,给定电流”;
8、级联时,“ACR调节器,给定电流最大值,是电机的最大允许电流。”
引用 刘志斌 的回复内容:
1、“百度一下”,2012年12月是世界末日!
2、你还“百度一下”吗?
3、电机调速不管直流调压调速,还是交流变频调速,都是模拟量调压或调频,没有数字、离散的情况;
好吧,百度也是个骗局,从今天起,我不百度了。
但是电机调速是有数字、离散的情况的,这就是你知识太落后了,不但有,现在的电机调速几乎都是数字、离散的,就是用单片机、DSP,把双环的控制逻辑都写成程序,程序在芯片中运行。这是我每天在做的工作,我的工作就是写电机控制的软件----程序!如果你没听说过单片机、程序,或者听说过,但是却说单片机、程序都是个骗局,那我就投降!
引用 刘志斌 的回复内容: 引用 x_p_zhang 的回复内容:
这句话要这么说才是对的:
4、ASR调节器,调高电流,ACR给定电流Ui*增大;
对不起,这句话我的表达有问题,要这么说才是对的:
4、ASR调节器,调高命令电流Ui*,ACR给定电流Ui*增大;
解释如下:
一、在单速度环控制中,ASR直接调高电压。
二、在单电流环控制中,ACR直接调低电压。
三、但在双环控制中,ASR不能直接调高电压,只能调高命令电流Ui*。
请老刘仔细看一下红色的两句话是什么意思,搞清楚两个环的输入输出分别是什么,连接关系是怎样的,然后再想一下:电机的电压是怎么被调高的?是谁调高的?