劉德志

(東營職業(yè)學(xué)院，山東 東營 257091)

具有電流負(fù)反饋和速度負(fù)反饋的直流電機(jī)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，不僅能加快啟動(dòng)過程，還能在正常工作時(shí)提高響應(yīng)速度。在閉環(huán)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用晶閘管逆變電路，夠成可逆調(diào)速系統(tǒng)，就具有快速制動(dòng)，快速反饋等功能[1]。

1 直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

直流電機(jī)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，電流調(diào)節(jié)和速度調(diào)節(jié)之間實(shí)行串聯(lián)聯(lián)接，及以速度調(diào)節(jié)器ASR的輸出，作為電流調(diào)節(jié)器ACR的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出，作為晶閘管觸發(fā)器AT的控制電壓，從而調(diào)節(jié)晶閘管變流器的整流電壓Ud，這樣，兩種調(diào)節(jié)作用就能互相配合，相輔相成。為了獲得良好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能，兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。

圖1 轉(zhuǎn)速/電流雙閉環(huán)系統(tǒng)框圖

圖1中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR的型式和參數(shù)將在設(shè)計(jì)過程中決定。

轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)屬于多環(huán)系統(tǒng)，電流環(huán)是內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)是外環(huán)。設(shè)計(jì)先從內(nèi)環(huán)入手，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，把電流環(huán)等效為轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。設(shè)計(jì)方法是根據(jù)對(duì)閉環(huán)工作的要求，選擇典型系統(tǒng)的類型，然后按最佳參數(shù)為閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合適的調(diào)節(jié)器，最后求出調(diào)節(jié)器參數(shù)。

圖2 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。由于檢測信號(hào)和轉(zhuǎn)速檢測信號(hào)中常含有交流諧波成分，在反饋端加上T型濾波器。同時(shí)為了補(bǔ)償反饋通道中的慣性作用，在給定通道中也加入時(shí)間常數(shù)相同的慣性環(huán)節(jié)。

2 建立模型

2.1 電流環(huán)設(shè)計(jì)

電流環(huán)設(shè)計(jì)主要為電流調(diào)節(jié)器的選擇及參數(shù)計(jì)算。

（1）電流環(huán)結(jié)構(gòu)的簡化。由于電流的響應(yīng)過程比轉(zhuǎn)速響應(yīng)過程快得多，因此假定在電流調(diào)節(jié)過程中，轉(zhuǎn)速來不及變化，從而不考慮反電動(dòng)勢E的影響，所以反電勢的反饋支路相當(dāng)于斷開，再把反饋環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內(nèi)。

因?yàn)門s和Toi一般都比Tl小得多，可作小慣性環(huán)節(jié)處理，故取TΣi=Ts+Toi。其中簡化條件應(yīng)滿足擾動(dòng)作用下的閉環(huán)傳遞函數(shù)[2]：

電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡化為如下框圖：

圖3 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)簡化圖

（2）電流調(diào)節(jié)器的選擇。對(duì)于經(jīng)常起制動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械，希望電流環(huán)跟隨性能好，起超調(diào)量越小越好。在這種情況下，應(yīng)該選擇典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流環(huán)。如果生產(chǎn)機(jī)械工作環(huán)境的電網(wǎng)電壓波動(dòng)較大，希望電流環(huán)有較強(qiáng)的抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)能力。從這個(gè)觀點(diǎn)出發(fā)，電流環(huán)應(yīng)該采用典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流環(huán)。另外，電流環(huán)中兩個(gè)時(shí)間常數(shù)之比，也可決定選擇方案。在這里選用典型I型系統(tǒng)進(jìn)行電流環(huán)的設(shè)計(jì)。

圖3表明電流調(diào)節(jié)ACR的調(diào)節(jié)對(duì)象是雙慣性環(huán)節(jié)，為了把電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)，ACR函數(shù)必須是PI調(diào)節(jié)器形式。其傳遞函數(shù)為

為了消去控制對(duì)象的大慣性時(shí)間常數(shù)的極點(diǎn)，選擇τi=Tl,則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖簡化為

圖4 校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)

其中，

比較典型的二階開環(huán)傳遞函數(shù)，得KI=Ks，TΣi=T。

（3）電流調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇。電流調(diào)節(jié)器參數(shù)是KI和τi?，F(xiàn)已選定τi=Tl，而τi取決于所需的ωci和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械要求的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo),查表決定[KT]的數(shù)值[3]。因?yàn)镵I=K,Ti=T，所以

在一般情況下，希望超調(diào)量σ%<=5%，從中得到[KT]=0.5，因此

2.2 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)

（1）電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)時(shí)，把設(shè)計(jì)好的電流環(huán)作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)對(duì)象的一部分，所以電流環(huán)的傳遞函數(shù)為

轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率ωcn較低，因此電流閉環(huán)傳遞函數(shù)可降階近似處理，即

（2）轉(zhuǎn)速環(huán)的簡化即調(diào)節(jié)器的選擇。

轉(zhuǎn)速閉環(huán)部分的簡化圖如圖5，其中

圖 5 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)簡化圖

圖 6 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)簡化圖

圖6為不考慮負(fù)載IL的擾動(dòng)情況下的簡化。因?yàn)檎{(diào)速系統(tǒng)首先需要有較好的抗擾動(dòng)性能，所以采用抗擾能力強(qiáng)的典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。要把轉(zhuǎn)速環(huán)校正為典型II型系統(tǒng)，A，R應(yīng)該采用PI型[4]，其傳遞函數(shù)為

調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

（3）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)是Kn和τn，按照典型II型系統(tǒng)參數(shù)選擇方法可得

3 仿真及其結(jié)果分析

3.1 SIMULINK方框圖仿真

對(duì)直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)選擇，根據(jù)電動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)進(jìn)行，根據(jù)上面所建立的模型用SIMULINK方框圖（圖7）仿真及其仿真結(jié)果（圖8）如下：

圖7 直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的方框圖

SIMULINK方框圖仿真結(jié)果為

圖8 SIMULINK方框圖仿真結(jié)果

3.2 MATLAB語言編程仿真

直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

（2）程序運(yùn)行結(jié)果如下。

圖9 MATLA語言編程仿真結(jié)果

3.3 仿真結(jié)果分析

滿足超調(diào)量σ小于10%的要求，超調(diào)量σ是反映系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，超調(diào)量σ越小，相對(duì)穩(wěn)定性越好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)越平穩(wěn)；系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間（又稱為過渡過程時(shí)間）ts＜=1.5 s，它是衡量系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程的快慢，本系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程很短，系統(tǒng)很快達(dá)到穩(wěn)態(tài)值；系統(tǒng)的上升時(shí)間tr＜=0.2 s，系統(tǒng)的上升時(shí)間tr表征了動(dòng)態(tài)相應(yīng)的快速性，系統(tǒng)的上升時(shí)間tr很小，說明系統(tǒng)具有很快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。另外，本系統(tǒng)還具有良好的抗負(fù)載擾動(dòng)的能力。

4 結(jié)束語

總之，直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有快速起動(dòng)，快速調(diào)速，能獲得很快的響應(yīng)速度的性能，而且能使系統(tǒng)在過渡過程中，處于最佳狀態(tài)，起動(dòng)時(shí)間最短。由于雙閉環(huán)系統(tǒng)不僅能加快起動(dòng)過程，還能在正常工作時(shí)提高響應(yīng)速度，所以是直流拖動(dòng)控制中常用的結(jié)構(gòu)形式。

[1]梁亦鉑，王正茂，何 濤.全數(shù)字直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的原理及數(shù)學(xué)模型[J].中小型電機(jī)，2001，（6）：17-20.

[2]曲永印，邵世煌.自抗擾控制器在變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，（4）：388-391.

[3]蔣 軍，皇金鋒，董鋒斌.異步電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真研究[J].日用電器，2006，（3）：38-41.

[4]李 宏，徐德民，焦振宏.基于DSP的大功率永磁直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù)，2006（5）：29-31.