无超调小功率直流调速系统设计

龙剑

摘 要：分析直流-转速双闭环调速系统的工作原理与设计方法，重点对电流环和转速环的设计作说明，提出ASR（转速调节器）和ACR（电流调节器）的设计方案，并在Matlab软件上进行仿真调试，实现系统的转速无超调。

关键词：调速系统 双闭环 调节器

中图分类号：TM383.4 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）008-123-02

1 引言

在工控中，虽然转速单闭环系统应用了PI调节器后可实现转速无差别控制，应用了电流截止负反馈环节来避免过流现象。但此类系统不能控制电流的动态过程，如果系统中另设一个电流调节器，串联在转速调节器之后，形成以电流反馈作为内环、转速反馈作为外环的双闭环调速系统，便可以兼顾对转速与电流的控制，使得控制过程更加的精准与快速。

2 系统总体设计

2.1 设计原理与方法

系统设计的一般原则是：先内环后外环。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。由于调速系统的主要被控量是转速， 故把转速负反馈组成的环作为外环， 以保证电动机的转速准确跟随给定电压， 把由电流负反馈组成的环作为内环， 把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE，这就形成了转速、电流双闭环调速系统，如图1所示。

2.2 设计要求与给定参数

设计无超调小功率直流调速系统，要求满足以下指标：转速无超调，电流最大超调量小于5%；转速与电流调节器均为带限幅输出的调节器；阶跃负载扰动作用下的恢复时间小于0.1S，电机各相关参数如表1。

3 反馈环的设计

3.1 电流内环的设计

（1）校正类型的选择：从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素。为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型I型系统。要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器。

3.2 转速外环的设计

（1）校正类型的选择：由于需要实现转速无静差，而且在后面已经有一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型Ⅱ型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR也应该采用PI调节器。

4 仿真结果

4.1 系统仿真模型

在MATLAB中依照原理图选择合适模块完成系统框图。注意转速调节器不能用普通的传递函数模块，而应采用比例积分分离器，且转速调节器输出端应加入限幅环节，以防止电机过流并使电机在启动时实现线性启动；设计中本是不希望电流调节器进入限幅，但为了限制了电力电子变换器的最大输出电压，电流调节器同样要加以限幅。系统框图如图2所示。

4.2 仿真调试结果

系统调试的一般原则是：先内环后外环，因为如果内环性能稍差，不能完全满足设计要求，还可以通过外环加以矫正，而对于外环相关参数的偏差，内环的调节能力明显要差得多。因此，首先调试电流内环的相关参数，基本符合要求后再调整转速外环的相关参数。实际调试过程中应在转速反馈环加测速微分环节以减小超调量，最终实现了转速的无超调。经不断调试参数：最终取Toi=0.0005s时，电流的超调才满足要求，如图3所示。

5 结语

要实现电流超调小于5%的同时转速无超调，必须同时有电流负反馈和转速负反馈两个反馈。由于最终目的是控制电机转速，故转速环必须在外，无论是电流环还是转速环，均需要加入滤波环节，以滤除环内的噪声干扰，并使系统的型别满足要求。Matlab软件的运用使系统调节过程快速、明了，是工程控制中的重要工具。

参考文献：

[1] 薛定宇.反馈控制系统设计与分析——MATLAB语言应用[M].北京：清华大学出版社，2000.

[2] 阮毅，陈维钧.运动控制系统[M].北京：清华大学出版社，2007.

[3] 肖诚，毛永文，颉方正.基于PWM装置的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真[J].机械研究与应用，2012（6）：122-125.