基于电流截止负反馈的单闭环直流调速控制系统仿真

魏 宁 中国阿拉伯化肥有限公司 河北秦皇岛 066004



基于电流截止负反馈的单闭环直流调速控制系统仿真

魏 宁 中国阿拉伯化肥有限公司 河北秦皇岛 066004

【文章摘要】

针对反馈控制系统中的启动和堵转等问题，本文基于常用电动机的参数，设计了带电流截止负反馈的单闭环直流调速控制系统，并对系统利用Matlab进行了仿真实验。

【关键词】

单闭环；转速调节器；电流截止负反馈；直流调速

引言

直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，在工业生产中得到很广泛的应用。为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统。为了解决反馈控制单闭环调速系统起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须设有自动限制电枢电流的环节。本文设计采用电流负反馈来保持电流不变，使它不超过允许值。并且，电流负反馈的限流作用只应在起动和堵转时存在，在正常运行时必须去掉，使电流能自由地随着负载增减，当电流大到一定程度时才起作用。在对调速性能有较高要求的领域常利用直流电动机作动力，但直流电动机开环系统稳态性能不能满足要求，可利用速度负反馈提高稳态精度，而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的，为了消除系统的静差，可用积分调节器代替比例调节器。本文根据给定参数设计了带电流截止负反馈的单闭环控制的直流调速系统。

1　参数计算及判断

电动机参数：PN=55kW，nN=1500rpm，UN=220V，IN=287A，Ra=0.1。主回路总电阻R=0.15，系统主电路：Tm=0.12s，Tl=0.012s。三相桥式整流电路，Ks=40。其他参数：Unm*=8V，Uim*=8V，Ucm=8V，调速指标：静差率s≤2，调速范围D≥10。三相桥式电路的失控时间Ts=0.00167s。

按系统动态稳定性要求得：

电动机的电动势系数为：

开环系统额定速降为：

为了满足调速要求，闭环系统额定速降为：

因此，要满足稳态性能指标，闭环系统的开环放大系数：

显然系统不能再满足稳态性能要求下运行。

2　PI调节器的设计

已知系统为不稳定的。设计PI调节器，使系统能在保证稳定性能要求下稳定运行。

2.1根据上述参数求解

现在我们利用PI调节器来校正，原系统的传递函数如下：

闭环系统的开环放大系数取为：

于是，原始闭环系统的开环传递函数为：

得到伯德图，可知相位裕度和增益裕度都是负值，所以原始闭环系统不稳定。为了是系统稳定设置PI调节器，考虑到原始系统中包含了放大系数为的比例调节器，现在换成PI调节器，它在原始系统的基础上新添加的部分传递函数应为：

由于原始系统不稳定，表现为放大系数K过大，截止频率过高，应该设法把他们压下来。因此，把校正环节的转折频率设置在远低于原始系统截止频率处，令，使校正装置的比例微分项与原始系统中时间常数最大惯性环节对消，从而选定。

其次，为了使校正后的系统具有足够的稳定裕度，它的对数幅频特性应以的斜率穿越线，将原始的对数幅频和相频特性压低，使校正以后系统的对数幅频和相频特性的截止频率。这样，在处，应有，可得：

图1　校正前伯德图

校正后系统的开环传递函数为：

综上，转速调节器的类型和参数选择是正确的，即选为PI调节器，参数为

2.2转速调节环节

超调量计算：

3　带电流截止负反馈单闭环系统系统仿真

3.1搭建仿真图

截止电流环的实现使用Switch开关，开关具有选择功能，设置门槛电压等于0，step2也为0，当输入大于0时，输出上开关，当输入小于0时，输出下开关，如图2所示，即能实现电流截止功能。

3.2仿真结果

转速和电流的仿真结果如图3所示。

图2　系统仿真图

图3　系统仿真结果图

由图3可知，转速的响应比较迅速，稳定后加入负载，转速先变小再迅速恢复稳定。电流受到截止作用，开始时维持较大数值使得转速迅速增长，转速快要达到稳定时电流急剧下降直到0，效果较为理想。

【参考文献】

［1］陈伯时. 电力拖动自动控制. 北京：机械工业出版社，2008

［2］王兆安，黄俊. 电力电子技术. 北京：机械工业出版社，2004

［3］洪乃刚. 电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真. 北京：机械工业出版社，2006

【作者简介】

魏宁（1988-），男（汉族），河北秦皇岛人，本科，现就职于中国－阿拉伯化肥有限公司，从事设备维护及改造工作。