双闭环直流调速系统的设计与仿真分析

施鹏

摘要：本文简要介绍了双闭环直流调速系统的组成与基本工作原理，并对双闭环转速、直流调速系统设计展开分析论述，阐明了双闭环直流调速系统的模型仿真。

关键词：双闭环;直流调速系统;仿真

直流电动机因易于控制，起、制动、运行方便等特征在生活中的应用范围较广。近年来，经济的增长推动了该调速系统在我国经济市场中的进一步发展，很多高性能高调速设备均需使用该系统（包括直流电力推进、海洋钻机、金属切割机床、纺织、造纸、轧钢、高层电梯、矿山采掘等），设备运行时，对调速系统的性能要求均较高，需弄清双闭环直流调速系统的基本工作原理，并对其进行仿真分析，使其更好为现代经济的发展服务。

1.双闭环直流调速系统组成与工作原理

双闭环直流调速系统中有两个调节器，即电流ACR调节器与转速ASR调节器，两种调节器可对系统的电流与设备转速造成影响，若二者串联，且均带输出限幅电路，限幅值依次可为Usim与Ucm。因调速系统的关键性被控量为转速，因而需将转速负反馈组成的环视作外环，这可让电动机转速无误的跟随给定电压，再将电流负反馈生成的环视作内环，以让设备在最大电流节约下，使得整个转速过渡过程得到最佳控制。整个双闭环直流调速系统工作原理图如下所示：

图1双闭环直流调速系统工作原理

从上图中双闭环直流调速系统工作原理图可知，电动机的转速与给定电压之间的关系紧密，且受给定电压影响，调速系统的速度调节器ASR的输入偏差电压即△usr=usn-ufn，ASR的输出电压usi可视作整个调节系统的给定信号，电流调节器的输入偏差电压计算公式即为△ucr=-usi+ufi，ACR的输出电压Uc可视作直流调速系统的控制电压。在系统运行过程中，若控制电压Uc改变，就可直接影响触发器控制角α与系统运行时的输出电压Udo，进而改变和控制电动机的转速，可自由调节、改变其运行速度[1]。

2.双闭环转速、直流调速系统设计

在调速系统中，若要保证转速与电流负反馈均各自发挥相应作用，就应在系统的正确位置处安装两个调节器，用以快速调节转速与电流，并将二者串联。此后将转速调节器ASR的输出视作电流调节ACR的输入，并用电流调节器来管控品闸管整流器触发装置GT，从图1中可看出由内环、外环构成的转速、电流双闭环调速系统已初步形成。

双闭环控制系统设计过程如下：

（一）电流调节器设计

若需校正典型I型系统，即需通过PI调节器，那么其最终的传递函数可为：

（二）转速调节器设计

从电动机的稳态性能来看，为了保证转速无静差，转速控制环的干扰点前需有一个积分环节。而从电动机的动态性能来看，系统转速环的抗扰性更受关注，但典型Ⅱ系统的抗扰性明显优于I系统[2]。可见，若要保证电动机正常运行，还应选择典型Ⅱ系统，并选择PI转速调节器，传递数可为：

3.双闭环直流调速系统抗干扰分析

因系统中的转速环与电流环均采用了PI调节器，静态无误差，动态抗扰动性较强。

（一）受电网扰动

双闭环调速系统内，电网电压扰动位于电流环中，若电压变化会引起电流变化，在电流负反馈环节即已调节。

（二）负载扰动

负载扰动是发生在电流环外，转速环内，可见负载扰动主要是靠转速负反馈环节来进行系统调节。这又分为两种情况：

（1）当电流正常时，若：负载增加→速度n减弱→Ufn减弱→△uSR更负→在PI的推动下，Uc持续变大→最终转速n回升，直至转速无差。

（2）若电动机过载（Id≥Idm），并表现出Id>Idm→ufi变大→usi迅速变大，AuCR为正值→PI积分效果导致Uc值变小→Udo变小→n快速降低，直至堵转。

4.小结

双闭环直流调速系统可获取良好的静、动态调速特性，即电机系统在运行过程中，若受电机过载能力影响，就会出现较快的动态跟随性，若系统中调节器参数改变，也会直接改变其特性。在仿真时，需注意，若波形超调量过高，建立时间过长，是不符合调速系统“稳、准、快“特征的。可见，在仿真时，还应对双闭环直流调速系统的结构参数进行调整，以保证其能更准确的实现双闭环控制，最终完成对整个调速系统的可逆运行，均显示出了双闭环调速系统更具优势。

参考文献：

[1]张健，孙海旺，岳敬国.状态观测器在双闭环直流调速系统中的应用[J].农业科技与装备，2014（3）：42-43

[2]陈德海，潘兴宾.模糊自整定PID双闭环直流调速系统建模及仿真分析[J].价值工程，2014（22）：57-60

[3]吴燕翔，张朝君，周超群，霍海波.基于参数自整定模糊PID双闭环直流调速系统的设计仿真[J].化工自动化及仪表，2013（2）：136-139