直流电机双闭环调速系统仿真

2010-03-28刘德志

装备制造技术 2010年8期

刘德志

(东营职业学院，山东东营 257091)

具有电流负反馈和速度负反馈的直流电机的双闭环调速系统，不仅能加快启动过程，还能在正常工作时提高响应速度。在闭环结构的基础上，进一步采用晶闸管逆变电路，够成可逆调速系统，就具有快速制动，快速反馈等功能[1]。

1 直流电机双闭环调速系统的结构

直流电机的双闭环调速系统的结构如图1所示，电流调节和速度调节之间实行串联联接，及以速度调节器ASR的输出，作为电流调节器ACR的输入，再用电流调节器ACR的输出，作为晶闸管触发器AT的控制电压，从而调节晶闸管变流器的整流电压Ud，这样，两种调节作用就能互相配合，相辅相成。为了获得良好的静态、动态性能，两个调节器一般都采用PI调节器。

图1 转速/电流双闭环系统框图

图1中转速调节器ASR和电流调节器ACR的型式和参数将在设计过程中决定。

转速电流双闭环调速系统属于多环系统，电流环是内环，转速环是外环。设计先从内环入手，首先设计电流调节器，把电流环等效为转速环中的一个环节，再设计转速调节器。设计方法是根据对闭环工作的要求，选择典型系统的类型，然后按最佳参数为闭环系统设计合适的调节器，最后求出调节器参数。

图2 转速电流双闭环调速系统的动态结构

双闭环调速系统的动态结构图如图2所示。由于检测信号和转速检测信号中常含有交流谐波成分，在反馈端加上T型滤波器。同时为了补偿反馈通道中的惯性作用，在给定通道中也加入时间常数相同的惯性环节。

2 建立模型

2.1 电流环设计

电流环设计主要为电流调节器的选择及参数计算。

（1）电流环结构的简化。由于电流的响应过程比转速响应过程快得多，因此假定在电流调节过程中，转速来不及变化，从而不考虑反电动势E的影响，所以反电势的反馈支路相当于断开，再把反馈环节等效地移到环内。

因为Ts和Toi一般都比Tl小得多，可作小惯性环节处理，故取TΣi=Ts+Toi。其中简化条件应满足扰动作用下的闭环传递函数[2]：

电流环结构图最终简化为如下框图：

图3 电流环的动态结构简化图

（2）电流调节器的选择。对于经常起制动的生产机械，希望电流环跟随性能好，起超调量越小越好。在这种情况下，应该选择典型I型系统设计电流环。如果生产机械工作环境的电网电压波动较大，希望电流环有较强的抗电网电压扰动能力。从这个观点出发，电流环应该采用典型II型系统设计电流环。另外，电流环中两个时间常数之比，也可决定选择方案。在这里选用典型I型系统进行电流环的设计。

图3表明电流调节ACR的调节对象是双惯性环节，为了把电流环校正成典型I型系统，ACR函数必须是PI调节器形式。其传递函数为

为了消去控制对象的大惯性时间常数的极点，选择τi=Tl,则电流环的动态结构图简化为

图4 校正成典型I型系统的电流环

其中，

比较典型的二阶开环传递函数，得KI=Ks，TΣi=T。

（3）电流调节器参数选择。电流调节器参数是KI和τi。现已选定τi=Tl，而τi取决于所需的ωci和动态性能指标。根据生产机械要求的动态性能指标,查表决定[KT]的数值[3]。因为KI=K,Ti=T，所以

在一般情况下，希望超调量σ%<=5%，从中得到[KT]=0.5，因此

2.2 转速环设计

（1）电流环的闭环传递函数。在设计转速环时，把设计好的电流环作为转速调节器的调节对象的一部分，所以电流环的传递函数为

转速环的截止频率ωcn较低，因此电流闭环传递函数可降阶近似处理，即

（2）转速环的简化即调节器的选择。

转速闭环部分的简化图如图5，其中

图 5 转速环的动态结构简化图

图 6 转速环的动态结构简化图

图6为不考虑负载IL的扰动情况下的简化。因为调速系统首先需要有较好的抗扰动性能，所以采用抗扰能力强的典型II型系统设计转速调节器。要把转速环校正为典型II型系统，A，R应该采用PI型[4]，其传递函数为

调速系统的开环传递函数为

（3）转速调节器参数的选择。转速调节器的参数是Kn和τn，按照典型II型系统参数选择方法可得

3 仿真及其结果分析

3.1 SIMULINK方框图仿真

对直流电动机双闭环调速系统的参数选择，根据电动机性能指标进行，根据上面所建立的模型用SIMULINK方框图（图7）仿真及其仿真结果（图8）如下：

图7 直流电动机双闭环调速系统的方框图

SIMULINK方框图仿真结果为

图8 SIMULINK方框图仿真结果

3.2 MATLAB语言编程仿真

直流电动机双闭环调速系统的闭环传递函数为

（2）程序运行结果如下。

图9 MATLA语言编程仿真结果

3.3 仿真结果分析

满足超调量σ小于10%的要求，超调量σ是反映系统的相对稳定性，超调量σ越小，相对稳定性越好，动态响应越平稳；系统的调节时间（又称为过渡过程时间）ts＜=1.5 s，它是衡量系统调节过程的快慢，本系统调节过程很短，系统很快达到稳态值；系统的上升时间tr＜=0.2 s，系统的上升时间tr表征了动态相应的快速性，系统的上升时间tr很小，说明系统具有很快速的动态响应特性。另外，本系统还具有良好的抗负载扰动的能力。