直流電機雙閉環調速系統仿真

劉德志

(東營職業學院，山東 東營 257091)

具有電流負反饋和速度負反饋的直流電機的雙閉環調速系統，不僅能加快啟動過程，還能在正常工作時提高響應速度。在閉環結構的基礎上，進一步采用晶閘管逆變電路，夠成可逆調速系統，就具有快速制動，快速反饋等功能[1]。

1 直流電機雙閉環調速系統的結構

直流電機的雙閉環調速系統的結構如圖1所示，電流調節和速度調節之間實行串聯聯接，及以速度調節器ASR的輸出，作為電流調節器ACR的輸入，再用電流調節器ACR的輸出，作為晶閘管觸發器AT的控制電壓，從而調節晶閘管變流器的整流電壓Ud，這樣，兩種調節作用就能互相配合，相輔相成。為了獲得良好的靜態、動態性能，兩個調節器一般都采用PI調節器。

圖1 轉速/電流雙閉環系統框圖

圖1中轉速調節器ASR和電流調節器ACR的型式和參數將在設計過程中決定。

轉速電流雙閉環調速系統屬于多環系統，電流環是內環，轉速環是外環。設計先從內環入手，首先設計電流調節器，把電流環等效為轉速環中的一個環節，再設計轉速調節器。設計方法是根據對閉環工作的要求，選擇典型系統的類型，然后按最佳參數為閉環系統設計合適的調節器，最后求出調節器參數。

圖2 轉速電流雙閉環調速系統的動態結構

雙閉環調速系統的動態結構圖如圖2所示。由于檢測信號和轉速檢測信號中常含有交流諧波成分，在反饋端加上T型濾波器。同時為了補償反饋通道中的慣性作用，在給定通道中也加入時間常數相同的慣性環節。

2 建立模型

2.1 電流環設計

電流環設計主要為電流調節器的選擇及參數計算。

（1）電流環結構的簡化。由于電流的響應過程比轉速響應過程快得多，因此假定在電流調節過程中，轉速來不及變化，從而不考慮反電動勢E的影響，所以反電勢的反饋支路相當于斷開，再把反饋環節等效地移到環內。

因為Ts和Toi一般都比Tl小得多，可作小慣性環節處理，故取TΣi=Ts+Toi。其中簡化條件應滿足擾動作用下的閉環傳遞函數[2]：

電流環結構圖最終簡化為如下框圖：

圖3 電流環的動態結構簡化圖

（2）電流調節器的選擇。對于經常起制動的生產機械，希望電流環跟隨性能好，起超調量越小越好。在這種情況下，應該選擇典型I型系統設計電流環。如果生產機械工作環境的電網電壓波動較大，希望電流環有較強的抗電網電壓擾動能力。從這個觀點出發，電流環應該采用典型II型系統設計電流環。另外，電流環中兩個時間常數之比，也可決定選擇方案。在這里選用典型I型系統進行電流環的設計。

圖3表明電流調節ACR的調節對象是雙慣性環節，為了把電流環校正成典型I型系統，ACR函數必須是PI調節器形式。其傳遞函數為

為了消去控制對象的大慣性時間常數的極點，選擇τi=Tl,則電流環的動態結構圖簡化為

圖4 校正成典型I型系統的電流環

其中，

比較典型的二階開環傳遞函數，得KI=Ks，TΣi=T。

（3）電流調節器參數選擇。電流調節器參數是KI和τi。現已選定τi=Tl，而τi取決于所需的ωci和動態性能指標。根據生產機械要求的動態性能指標,查表決定[KT]的數值[3]。因為KI=K,Ti=T，所以

在一般情況下，希望超調量σ%<=5%，從中得到[KT]=0.5，因此

2.2 轉速環設計

（1）電流環的閉環傳遞函數。在設計轉速環時，把設計好的電流環作為轉速調節器的調節對象的一部分，所以電流環的傳遞函數為

轉速環的截止頻率ωcn較低，因此電流閉環傳遞函數可降階近似處理，即

（2）轉速環的簡化即調節器的選擇。

轉速閉環部分的簡化圖如圖5，其中

圖 5 轉速環的動態結構簡化圖

圖 6 轉速環的動態結構簡化圖

圖6為不考慮負載IL的擾動情況下的簡化。因為調速系統首先需要有較好的抗擾動性能，所以采用抗擾能力強的典型II型系統設計轉速調節器。要把轉速環校正為典型II型系統，A，R應該采用PI型[4]，其傳遞函數為

調速系統的開環傳遞函數為

（3）轉速調節器參數的選擇。轉速調節器的參數是Kn和τn，按照典型II型系統參數選擇方法可得

3 仿真及其結果分析

3.1 SIMULINK方框圖仿真

對直流電動機雙閉環調速系統的參數選擇，根據電動機性能指標進行，根據上面所建立的模型用SIMULINK方框圖（圖7）仿真及其仿真結果（圖8）如下：

圖7 直流電動機雙閉環調速系統的方框圖

SIMULINK方框圖仿真結果為

圖8 SIMULINK方框圖仿真結果

3.2 MATLAB語言編程仿真

直流電動機雙閉環調速系統的閉環傳遞函數為

（2）程序運行結果如下。

圖9 MATLA語言編程仿真結果

3.3 仿真結果分析

滿足超調量σ小于10%的要求，超調量σ是反映系統的相對穩定性，超調量σ越小，相對穩定性越好，動態響應越平穩；系統的調節時間（又稱為過渡過程時間）ts＜=1.5 s，它是衡量系統調節過程的快慢，本系統調節過程很短，系統很快達到穩態值；系統的上升時間tr＜=0.2 s，系統的上升時間tr表征了動態相應的快速性，系統的上升時間tr很小，說明系統具有很快速的動態響應特性。另外，本系統還具有良好的抗負載擾動的能力。

4 結束語

總之，直流電動機雙閉環調速系統具有快速起動，快速調速，能獲得很快的響應速度的性能，而且能使系統在過渡過程中，處于最佳狀態，起動時間最短。由于雙閉環系統不僅能加快起動過程，還能在正常工作時提高響應速度，所以是直流拖動控制中常用的結構形式。

[1]梁亦鉑，王正茂，何 濤.全數字直流電機調速系統的原理及數學模型[J].中小型電機，2001，（6）：17-20.

[2]曲永印，邵世煌.自抗擾控制器在變頻調速系統中的應用[J].北京科技大學學報，2006，（4）：388-391.

[3]蔣 軍，皇金鋒，董鋒斌.異步電動機的直接轉矩控制系統的仿真研究[J].日用電器，2006，（3）：38-41.

[4]李 宏，徐德民，焦振宏.基于DSP的大功率永磁直流電機調速系統設計[J].電力電子技術，2006（5）：29-31.