基于Simulink的雙閉環直流調速系統研究

馬宇威

【摘 ?要】采用PI調節的單個轉速閉環直流調速系統可以保證系統穩定的前提下實現轉速無靜差。但是如果對系統的動態性能要求比較高，單閉環性能有所缺陷，這是因為雖然實現了轉速的控制，但是無法控制電流和轉矩的動態過程。采用雙閉環直流調速系統可以極大該神其動態性能和靜態特性。本文內容主要介紹雙閉環直流調速系統，首先給出提出這一控制模式的現實需求，再給出該系統的基本設計思路。然后利用simulink模塊對已有的單閉環直流調速系統進行改進。并對系統的性能進行檢驗。

【關鍵詞】直流電機;調速系統

1雙閉環直流調速系統的引入

在單閉環直流調速系統中，電流截止負反饋環節是專門用來控制電流的，但他只有在超過預設的臨界電流后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態波形。對于經常正反轉運行的調速系統，如龍門刨床、可逆軋鋼機等，盡量縮短起動和制動的時間是提高生產效率。為此，在電機最大允許電流和轉矩的受限制條件下，應該充分利用電機的過載能力，最好是在過度過程中始終保持電流為允許的最大值，使電力拖動系統以最大的加速度起動，到達穩態轉速時，立馬讓電流降下來，使得定子轉矩馬上與負載轉矩相平衡，從而進入穩態運行階段。按照反饋的基本原理，要想恒流起動，必須引入電流負反饋。但是問題是，應該在起動的過程中只有電流負反饋，沒有轉速負反饋，達到穩態之后，希望只要轉速負反饋起主要作用。要做到這種同時對電流和轉速進行控制，必須同時引入這兩個物理量的負反饋，顯然用一個反饋裝置是不可能實現的，必須采用雙饋模式。

為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可以在系統中設置兩個調節器，分別調節轉速和電流。二者之間實行嵌套連接。從閉環結構上看，電流環在里面，稱為內環;轉速環在外邊，稱為外環。這就形成了轉速電流雙閉環調速系統。轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制晶閘管的移相觸發角。

在分析的過程中，PI調節器的限幅環節其實是一個非線性環節，在分析過程中應采用分段線性的模式。限幅模塊在飽和時，輸出為恒定值，輸入量的變化不會影響輸出量，除非有反向的信號削弱原信號使之退出飽和，也就是說限幅功能使得調節器暫時割斷了輸入與輸出之間的聯系，相當于開反饋環被打斷。當調節器不飽和時，PI調節器正常發揮作用，消除靜態誤差，跟蹤給定輸入。

2 雙閉環直流調速系統的啟動物理過程分析

第一階段：電流上升階段。當給定外加轉速后，經過兩個調節器的跟隨作用，各物理量開始上升，通過合理設計ASR的限幅值，使得電機上升到預先設定的峰值，當電流值快速上升到閾值時，依靠強烈的負反饋使得電樞電流不能繼續增長。

第二階段是恒流升速階段，是啟動過程中的主要階段。在這個階段中，ASR始終飽和，轉速環等效于開環，即輸入一個恒定的預設值，該值的含義為最大電樞電流。系統在恒定電流驅動調節，由于受到調節器作用，使得電流基本為常數，即系統的電磁轉矩恒定不變。根據剛體運動規律：

給定一個恒定的負載轉矩后，直流電機相當于在恒轉矩下升速，所以轉速n為線性增長。此外應該保證電流環的PI調節器在這一過程中不應飽和，給傳給晶閘管的電壓值留有一定裕量。同時也可看出決定加速時間的是電磁轉矩，在實際中如果希望加速時間盡可能短，應當增大轉速調節ASR的限幅值。

第三階段是轉速調節階段。當轉速升至給定值時，由于電動機的機械慣性較大，故仍在加速，所以會有一個轉速超調。轉速超調后，從轉速引回的反饋超過給定值。在最后的穩態階段，兩個調節器都應該處于不飽和狀態。當有負載變化或要求調速的指令到來時，ASR起主要的調速功能，而ACR起跟蹤給定輸入的作用。換言之，電流內環應該是一個電流隨動子系統。

當即將達到穩態時，ASR會迅速退出飽和，在這一過程中理論上必然有轉速的超調，但是轉速略有超調一般是允許的，對于完全不允許超調的情況，可以采用轉速微分負反饋來抑制。本實驗仿真波形發現超調現象并不嚴重，故而沒有采用該方式做進一步完善。

3 雙閉環直流調速系統的simulink仿真

本次實驗中采用Matlab中的Simulink模塊建立了雙閉環直流調速系統模型，Simulink中內置的Simscape中的Powersystem庫中集成了大量電氣工程元器件。下面介紹其結構。主回路是由三相交流電源，晶閘管整流器，以及直流電機構成。同時引出了轉速和電流的負反饋，通過設定轉速環的比較器件，可以實現對直流電動機的調速。控制環節直接采用內置的PI調節器，兩個調節器均采用內置的限幅功能對輸出值進行控制。

經過反復調整，設定外環PI調節器的P參數為21.5，I參數選為1，限幅值為15。內環PI調節器的P選為22，I選為22/0.3。限幅值選定為80。在給定轉速1900R/MIN，負載轉矩為恒轉矩選取為30Nm。得到轉速，電樞電流，勵磁電流，電磁轉矩波形如下圖

從圖中不難看出：在最一開始起動時，電流迅速上升，達到ASR的限幅值后，有一個微小的超調，然后略微衰減到預設值，此后進入恒轉矩升速階段。可以看出轉速為線性增長。當達到預設值1900r/min后，電流迅速降低，之后進入電磁轉矩與負載轉矩相等的階段。可以看出穩態時電樞電流并不大。此外由于電磁轉矩與電流成正比的關系，二者波形走向完全相同。勵磁電流看似有所減小，但其實是由于分度值過小所致。在實際中勵磁電流由于是它勵，與電機主回路不在一個支路里，故而相對獨立，認為是一恒定量。

參考文獻：

[1] 王兆安，劉進軍主編.電力電子技術.北京：機械工業出版社，2018

[2] 陳伯時主編.電力拖動自動控制系統.北京：機械工業出版社，2005

[3]胡壽松主編.自動控制原理.北京：科學出版社，2007

（作者單位：華北電力大學）