浅谈限流保护——电流截止负反馈分析及应用
科技信息 2008 年 第 25 期SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION
1.引言
众所周知, 直流电动机全电压起动时, 如果没有限 流措施, 会产生
很大的冲 击电流, 这不仅对换向 不利, 对过载 能力低的晶闸管 来说更
是不能允 许的。采用转速负反 馈的闭环调速系 统突然加上给 定电压
时, 由 于惯性, 转速不可能立即建 立起来, 反馈 电压仍为零, 相 当于偏
差电压△Un= Un*( 给定电压) ,差不多是其稳态工作值的( 1+K) 倍。这
时, 由于放大器和 触发器的 惯性都很 小, 整 流电压 Ud 一下子就 达到
它的最高值。对电动机来说, 相当于全压起动, 当然是不允许的。
另外, 有些 生产机械的电动 机可能会遇到堵 转的情况, 例 如由于
故障、机械轴被卡住或电机运行时负载过大等等。 由于闭环系统的静
特性很硬, 若无限流环节继续运行下去, 电流将远远超过允许值。如果
只依靠 过流继电器或熔断器保护 , 一过载就跳闸 , 也会给正常 工作带
来不便。
为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流 过大问题, 系统
中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原 理, 要维持哪一
个物理量基本不变, 就应该引入那个物理量的负反 馈。那么引入电流
负反馈, 应该能够保持电流基本不变, 使它不超过允许值。但是这种作
用只应 在起动和堵转时存在, 在 正常运行时又得 取消, 让电流 自由地
随着负载增减, 这样的当电流大到一定程度时才出 现的电流负反馈叫
做电流截止负反馈, 简称截流反馈[1]。
2.电流截止负反馈环节
为了实现截流反馈, 须在系统中引入电流截止 负反馈环节。如图
2- 1 所示, 电流反馈信号取自串人电动机电枢回路的小 阻值电阻 R S,
IdRS 正比于电流。设 Idcr 为临界的截止电流, 当电流大于 Idcr 时将电流负
反馈信号加到放大器的输入端, 当电流小于 Idcr 时将电流反馈切断。为
了实现 这一作用, 须引入比较电压 Ucom。图 2—1a 中利用独立 的直流
电源作比 较电压, 其大小可用电 位器调节, 相 当于调节截止电 流。在
IdRS 与 Ucom 之间串接一个二极管 VD,当 IdRS>Ucom 时, 二 极管导通, 电流
负反馈 信号 Ui 即可 加到放大器上去 ; 当 IdRS≤Ucom 时 , 二极管截止 , Ui
即消失。显然, 在这一线路中, 截止电流 Idcr=Ucom/RS。
图 2- 1b 中利用稳压管 VST 的击穿电压 Ubr 作为比较电 压, 线路
要简单得多, 但不能平滑调节截止电流值。首先给 出下列物理量的定
义:
电动机的额定电流 Inom 整流电压 Ud
电流负反馈信号电压 Ui 比较电压 Ucom
堵转电流 Idbl 给定电压 Un
临界的截止电流 Idcr 偏差电压 △Un
转速负反馈信号电压 Un 电枢回路的小阻值电阻 RS
图 — 电流截止负反馈环节
3. 带 电流截止负反馈的闭环调速系统稳态结构 图和静特
性
图3—1 电流截止负反馈环节的输入输出特性图
3—3 带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性
电流截止负反馈环节的输入输出特性如 图 3—1 所 示, 它表明: 当
输入 信号( IdRS- Ucom) 为正值时, 输出和输入相 等; 当( IdR S- Ucom) 为 负值
时, 输出为 零。这是一个非线性 环节( 两段线 性环节) , 将它画 在方框
中, 再和系 统的其它部分联接起 来, 即得带电 流截截止负反馈 的闭环
调速 系统稳态结构图 [2], 图 3- 2 所示, 图中 Ui 表示电流 负反馈信 号电
压, Un 表示转速负反馈信号电压。
图 3—2 带电流截止负反馈的闭环调速系统稳态结构图
由结构图可导出 该系统两段静特性的方 程式 当( 下 转第 3 页)
浅 谈 限 流 保 护 — —— 电 流 截 止 负 反 馈 分 析 及 应 用
韩恩典 李 培
( 中国卫星海上测控部 江苏 江阴 214431)
【摘 要】本文从直流电机限流保护 问题的提出入手, 着重阐述了带电流截止负 反馈的闭环调速系统的稳态结构图和静特 性, 及其在直流
电动机系统中的应用。
【关键词】直流电机; 负反馈环节; 限流保护
Discussing briefly r estr ict cur rent safeguard ———the analysis and applyingof negative feedback for r estricting cur rent
Han Endian
(China satellite maritime tracking and control depar tment, Jiangyin Jiangsu 214431)
【Abstr act】This article firstly introduce the current restricting of DC motor ,expatiate mostly negative feedback controlling system of current
restricting . Analyze its static characteristic and its applying in the DC motor system.
【Key word】DC motor negative feedback the safeguard of the current restricting
○科教前沿○
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改变了激励信号, 以 CMAC 的 输入输出差通 过遗传算法来调 整
权值, 这样 可以消除原有 控制方案 中的累积误 差的影响 [6 ] , 进而消 除
系统的过学习现象。可以看出 CMAC 控制可以分为两个过程: 控制过
程和学 习过程, 其工作原 理为: ( 1) 初始状态 下 CMAC 的所 有权值 设
为 0; ( 2) 将系统当前误差及其 变化率量化后作 为地址输入到 CMAC,
在 CMAC 存储器中映射出与之对应的 C 个地址, 并将 C 个地址 权重
相加得到 CMAC 的书橱, 也就 是被控对象的控制输 出, 即控制量。 但
是 CMAC 的输出不能直接控制 执行机构, 必须加以 量化还原, 恢复 为
原来的数量级才可以直接驱动执行机构; ( 2) 学习过程。在每一个控制
过程结束时, 将下一步的 误差期望值 e(k- 1)与当前 误差 e(k)相比较 来
修正权值。经过学习使误差信号快速到 0, 以获得满意的输出。
4.仿真研究
在化工生产过程中, 温度的调节主要是利用热水与冷水散热 与吸
热进行的, 如果控制器不够灵敏, 很容易发生延迟, 直接影响产品 的质
量, 本文把新的 CMAC 控制器 与原来的控制器进行 仿真比较, 图中 能
快速达到稳定的是利用新型的控制器进行控制的曲线, 另一个是 常规
的控制器响应曲线。 由图可以看出, 新的控制器超 调量小, 稳定时 间
短, 具有较好的动态性能。
5.结论
针对石化工业中对温度控制要求较高的问题, 把 CMAC 神经网络
直接应用到控 制过程当中, 由仿真结果可以 看出, 新型的 控制方法几
乎无滞后, 超调量也比传统的控制方法 小得多。具有良好的处理非线
性和跟踪变化信号的能力。同时利用遗传算法训练 CMAC 权值, 在避
免了传统算法 存在过学习现 象的同时, 还具 有学习速度快 , 学习率较
高等优点, 不失为一种很好的智能控制方法。
【参考文献】
[1]Albus, J S. Data Storage in the Cerebellar Model Articulation Controller
(CMAC). Transaction of ASME, J.Dynam. Syst.Meas.Control,1975,97:228- 233
[2] 杨胜跃, 樊晓 平, 黄浩江. 一类具 有多维存 储机构的 小脑模 型.信 息与控 制.
2001.30(7): 669- 672.
[3]蒋志 明.基 于小脑模型的电 液位置伺服 系统在线学习 控制研究.西安 交通大
学学报.2000.1(34): 58- 61.
[4]刑东峰, 董海鹰.遗传小脑神经网络在液位控制中的作用.计算机测量与控制.
2006.14(9): 1198- 1199.
[5]一种居于模糊浮点数编码的遗传算法.
[6]Sahoo N C,Panigrahi B K,Dash P K,etc.Application of a multivariable feedback
linearization scheme for STAYTCOM control.Electric Power System Research,
2002,62(1):81- 89.
作者简介: 郑兰(1979—) , 女, 2005 年毕业于河 南科技大学, 现在河 南油田
从事仪表及自动化工作。
[ 责任编辑: 韩铭]
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科
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( 上接第 23 页) Id≤Idcr 时, 电流负反馈被截止,
n= KpKsUn*
Ce(1+K) - RId
Ce(1+K) ( 3—1)
当 Id>Idcr 时, 电流负反馈起作用,
n= KpKsUn*
Ce(1+K)
- KpKs
Ce(1+K)
(RsId- Ucom)- RId
Ce(1+K)
= KpKs(Un*+Ucom)
Ce(1+K)
- (R+KpKsRs)Id
Ce(1+K)
( 3—2)
将(3—1)、(3—2) 式画成静特性如图 3—3 所示。电 流负反馈被截
止的式(3—1)相当于 图中 n0 —A 段, 它就 是闭环调速系 统本身的 静特
性, 显然是比较硬的。电流负反馈起作用时, 得 A—B 段, 从试(3- 2) 可
以看出, 这一段特性和 n0—A 段相比有两个特点:
(1) 电 流 负 反 馈 的 作 用 相 当 于 在 主 电 路 中 串 入 一 个 大 电 阻
KpKsRs, 因而稳态速降极大, 特性急剧下垂。
(2)比较电压与给定电压的作用一致, 好象把理想空载转速提高到
no'= KpKs(Un*+Ucom)
Ce(1+K)
当然, 图中 3- 3 中用虚线画出的 n0’—A 一段实际 上是不起作用
的。
这样的两段式静特性常被称作下垂特性。当直流电动机出现故障
而过载时 , 电动机停下 , 电流也不 过等于堵 转电流 Idbl, 在式 (3- 2) 中,
令 n=0, 得
Idbl= KpKs(Un*+Ucom)
R+KpKsRs ( 3—3)
一般 KPKSRS>>R, 因此 Idbl≈ Un*+Ucom
Rs
Idbl 应小于电动机的允许最大电流( 1.5～2) Inom。另一方面, 从 n0 —A
这一运行段上看, 有足够的运行范围, 截止电流 Idcr 应大于电动机的额
定电流, 例如取 Idcr≥( 1.1～1.2) Inom。这些就是设计电流截止负反馈环节
参数的依据。
4.结束语
上面从静特性上分析了电流截止负反馈环节的起 动限流作用, 实
际起动时电流的变化过程还取决于系统的动态结构与 惯性等参数, 以
及转速给定信号的加人情况, 因此采用电流截止负 反馈环节解决限流
起动问题并不是十分精确的, 它只适用于小容量的 对于动态特性要求
不太高的系统。对于要求较高的系统而言, 建议采 用多环控制的直流
调速系统, 这样 就能获得比较理 想的动态控制、极宽的调速范 围和良
好的低速平稳性能。
【参考文献】
[1]夏德铃.《反馈控制理论》.[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2001.
[2]张明达.《电力拖动自动控制系统》.[M].北京:冶金工业出版社,1999.
[ 责任编辑: 张艳芳]
( 上接第 90 页) 设局城市规划、建设和管理工作提供决策支持。
【参考文献】
[1]赵峰等.上海基础地理数据库的设计与建设.测绘通报, 2006, (8).
[1]李翔等.警用综合地理信息系统数据模式设计与实现.测绘通报, 2006, (8) .
[3]孔云峰等 关于 GIS 设计内容与方法的探讨 测绘通报, 6, ( )
[ ] 张志华 GIS 技术 在重庆市消防通讯指挥系统 中的构建与应用 测绘通报 ,
2007, (10) .
作 者简介: 胡晓东( 1971—) , 男, 山 东寿光人, 工程师 , 主要 从事工程测 量、
管线测量、GPS 与 GIS 应用。
[ 责任编辑 张慧]
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