基于工程設計方法的雙閉環直流調速系統設計和仿真分析

李民，李之乾，狄愛景，張小瑜，劉子琪（哈爾濱理工大學榮成學院，山東威海，264300）

基于工程設計方法的雙閉環直流調速系統設計和仿真分析

李民，李之乾，狄愛景，張小瑜，劉子琪
（哈爾濱理工大學榮成學院，山東威海，264300）

在工程實際中，雙閉環直流調速是一種實用的調速方式，它相比單閉環直流調速系統在抗擾等方面有很多的優勢。工程設計方法是實踐應用中常用的雙閉環調速系統的設計方法。文章采用工程設計方法對某雙閉環直流調速系統進行了設計，并采用Simulink對系統進行了仿真。提出了轉速反饋通路斷線故障的一種仿真方法并對這一故障進行了理論分析。

雙閉環直流調速；調速系統工程設計方法；Simulink仿真；反饋斷線故障

1 工程設計對象

該對象為電流雙閉環控制直流調速系統，其電源為PWM變換器。已知電動機的參數為PN=60kW，UN=220V，IN=305A，nN=1000r/min，電樞Ra=0.12?電阻，電樞回路總電阻R=0.15?，電樞回路總電感L=1mH，允許的電流過載倍數λ=2，飛輪力矩GD2=60N? m2，電流反饋濾波時間常數Toi=0.000212s 。轉速反饋濾波時間常數Ton=0.005s 。設調節器的輸入輸出電壓Unm*=Uim

2 電流環(ACR)的設計

2.1 確定時間常數和電流反饋系數

由于供電電源為PWM變換器， TS=T=0.0002s ，根據設計要求，電流反饋時間常數oi0.000212。故可知小慣性群時間常數TΣi=Toi+TS=0.000412s 。另外β== =0.016。

2.2 ACR的結構

ACR作為系統的內環，在調速過程中作為隨動系統。因為它對系統的控制精度要求不高，PI系統或者P系統即可滿足其控制要求。在此，我們取其為PI系統[1]。傳函如(1)式所示。

2.3 ACR參數的計算

電流環開環傳遞函數為

2.4 ACR近似條件的校驗

在ACR的設計過程中，使用了三次近似計算。電流環截止頻率ωci=KI=1213.6。

2.4.1 PWM變換器的傳遞函數近似

PWM變換器[3]傳遞函數為

W=KSPWM1+T S+1?T2S2+1?T3S3+… (2)

S2!S3!S在設計過程中，把(2)式近似W=KSPWM1+T S

S之所以可以近似，要求參數滿足(3)式。

1=1666.7>ω (3) 3Tci

S

2.4.2 忽略反電動勢變化對電流環的影響

2.4.3 電流環小慣性環節合并的近似條件

3 轉速環(ASR)的設計

3.1 確定時間常數和轉速反饋系數

3.2 確定轉速調節器的結構

轉速調節器是調速系統的外環，是定值系統，它的控制精度直接影響調速系統的控制品質。在本設計中，采用PI調節器。傳函如(6)式所示。

3.3 ASR參數的計算

按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取中頻寬h=5[4]，ASR的超前時間常數為

3.4.1 電流環傳遞函數簡化條件

3.4.2 電流環小慣性環節合并的近似條件

4 系統仿真與故障分析

4.1 系統仿真和分析

根據系統的結構，搭建了仿真框圖[6]。如圖1所示。

圖2 仿真波形

圖1 系統仿真框圖

運行仿真圖，得到Scope[7]波形如圖2。由圖像可以發現系統的輸出經過了三個階段。

第一階段電流上升階段，由于轉速上升的慣性較大，電流已急劇上升，轉速才剛開始上升。直到負載電流Id→Idm，作用使得高壓區周期性的、均勻的分布在軸承工作面上。

（3）沒有螺旋槽的軸承，其軸向和徑向偏心的壓力場分布截然不同。在徑向偏心3%時存在一個對稱分布的高壓區和低壓區，二者夾角近似180度。高壓區的支撐力指向球碗外側，低壓區的支撐力指向球碗內側。在軸向偏心時，無螺旋槽軸承的支撐力和剛度近似為0，即無法承受軸向載荷。

（4）雖然有、無螺旋槽軸承在徑向偏心3%時支撐力和剛度相差不大，但無螺旋槽軸承的姿態角和功率明顯大于有螺旋槽軸承。此外，當發生軸向偏心時，有螺旋槽的軸承可以提供足夠的支撐力和剛度支撐轉子浮起，但無螺旋槽軸向支撐力和剛度卻近似為0。因此綜合考慮，為保證電機在不同工況下都能高速穩定旋轉，半球動壓氣浮軸承應選用刻有螺旋槽的方案。

[1] 陸元九，朱敬任.慣性器件[M].北京：中國宇航出版社,1990.

[2] 周恒，劉延柱.氣體動壓軸承的原理及計算[ M] .北京:國防工業出版社, 1981.

[3] 林惠光，戴韌.動壓氣膜軸承間隙平面流動的數值分析[J].上海理工大學學報.2007，29（5）:440-444.

[4] 季旭，耿雷，劉憲偉.平面螺旋槽氣體止推軸承壓力場數值模擬研究[J].現代制造工程. 2008，8，50-51.

The Design and Simulation of Double Closed Loop DC Speed Control System Basing on Engineering Designing Method

Li Min,Li Zhiqian,Di Aijing,Zhang Xiaoyu,Liu Ziqi
（Rongcheng College Harbin Univ.Sci.Tech.,Weihai Shandong,264300）

In the engineering practice, double closed loop DC speed control is an applied method to control the speed, with plenty of advantages especially in the nature of resisting the disturbance than the single closed loop speed control. In addition, the engineering designing method is also a common way for the design of the system. In this paper, we adopt the engineering designing method to design the speed control system and made adequate simulation of our design by Simulink to make sure that our design is perfect. Finally we put forward a way for simulating the turnoff of the speed feed-back and deliver an academic analysis of the fault basing on the engineering designing method.

Double closed loop DC speed control system; Engineering designing method of speed control system; Simulink; The turnoff of feed-back circuit

哈爾濱理工大學大學生創新創業訓練計劃項目（201610214199）。

*=Ucm=10V，設調節器的輸入電阻R0=40k?。已知PWM電源輸出電壓波形周期T=0.0002s ，PWM環節的放大倍數Ks=4.8。要求設計穩態無靜差，電流超調量σi≤5%；空載起動到額定轉速時的轉速超調量σn≤20%。