龍劍

摘 要：分析直流-轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理與設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)對(duì)電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)作說(shuō)明，提出ASR（轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器）和ACR（電流調(diào)節(jié)器）的設(shè)計(jì)方案，并在Matlab軟件上進(jìn)行仿真調(diào)試，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速無(wú)超調(diào)。

關(guān)鍵詞：調(diào)速系統(tǒng) 雙閉環(huán) 調(diào)節(jié)器

中圖分類號(hào)：TM383.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）008-123-02

1 引言

在工控中，雖然轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用了PI調(diào)節(jié)器后可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)差別控制，應(yīng)用了電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)來(lái)避免過(guò)流現(xiàn)象。但此類系統(tǒng)不能控制電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程，如果系統(tǒng)中另設(shè)一個(gè)電流調(diào)節(jié)器，串聯(lián)在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器之后，形成以電流反饋?zhàn)鳛閮?nèi)環(huán)、轉(zhuǎn)速反饋?zhàn)鳛橥猸h(huán)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，便可以兼顧對(duì)轉(zhuǎn)速與電流的控制，使得控制過(guò)程更加的精準(zhǔn)與快速。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理與方法

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般原則是：先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。由于調(diào)速系統(tǒng)的主要被控量是轉(zhuǎn)速， 故把轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成的環(huán)作為外環(huán)， 以保證電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確跟隨給定電壓， 把由電流負(fù)反饋組成的環(huán)作為內(nèi)環(huán)， 把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE，這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，如圖1所示。

2.2 設(shè)計(jì)要求與給定參數(shù)

設(shè)計(jì)無(wú)超調(diào)小功率直流調(diào)速系統(tǒng)，要求滿足以下指標(biāo)：轉(zhuǎn)速無(wú)超調(diào)，電流最大超調(diào)量小于5%；轉(zhuǎn)速與電流調(diào)節(jié)器均為帶限幅輸出的調(diào)節(jié)器；階躍負(fù)載擾動(dòng)作用下的恢復(fù)時(shí)間小于0.1S，電機(jī)各相關(guān)參數(shù)如表1。

3 反饋環(huán)的設(shè)計(jì)

3.1 電流內(nèi)環(huán)的設(shè)計(jì)

（1）校正類型的選擇：從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無(wú)靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，再?gòu)膭?dòng)態(tài)要求上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時(shí)有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾作用只是次要的因素。為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器。

3.2 轉(zhuǎn)速外環(huán)的設(shè)計(jì)

（1）校正類型的選擇：由于需要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，而且在后面已經(jīng)有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型Ⅱ型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見(jiàn)，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器。

4 仿真結(jié)果

4.1 系統(tǒng)仿真模型

在MATLAB中依照原理圖選擇合適模塊完成系統(tǒng)框圖。注意轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不能用普通的傳遞函數(shù)模塊，而應(yīng)采用比例積分分離器，且轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出端應(yīng)加入限幅環(huán)節(jié)，以防止電機(jī)過(guò)流并使電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)線性啟動(dòng)；設(shè)計(jì)中本是不希望電流調(diào)節(jié)器進(jìn)入限幅，但為了限制了電力電子變換器的最大輸出電壓，電流調(diào)節(jié)器同樣要加以限幅。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

4.2 仿真調(diào)試結(jié)果

系統(tǒng)調(diào)試的一般原則是：先內(nèi)環(huán)后外環(huán)，因?yàn)槿绻麅?nèi)環(huán)性能稍差，不能完全滿足設(shè)計(jì)要求，還可以通過(guò)外環(huán)加以矯正，而對(duì)于外環(huán)相關(guān)參數(shù)的偏差，內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)能力明顯要差得多。因此，首先調(diào)試電流內(nèi)環(huán)的相關(guān)參數(shù)，基本符合要求后再調(diào)整轉(zhuǎn)速外環(huán)的相關(guān)參數(shù)。實(shí)際調(diào)試過(guò)程中應(yīng)在轉(zhuǎn)速反饋環(huán)加測(cè)速微分環(huán)節(jié)以減小超調(diào)量，最終實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的無(wú)超調(diào)。經(jīng)不斷調(diào)試參數(shù)：最終取Toi=0.0005s時(shí)，電流的超調(diào)才滿足要求，如圖3所示。

5 結(jié)語(yǔ)

要實(shí)現(xiàn)電流超調(diào)小于5%的同時(shí)轉(zhuǎn)速無(wú)超調(diào)，必須同時(shí)有電流負(fù)反饋和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋兩個(gè)反饋。由于最終目的是控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，故轉(zhuǎn)速環(huán)必須在外，無(wú)論是電流環(huán)還是轉(zhuǎn)速環(huán)，均需要加入濾波環(huán)節(jié)，以濾除環(huán)內(nèi)的噪聲干擾，并使系統(tǒng)的型別滿足要求。Matlab軟件的運(yùn)用使系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程快速、明了，是工程控制中的重要工具。

參考文獻(xiàn)：

[1] 薛定宇.反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析——MATLAB語(yǔ)言應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000.

[2] 阮毅，陳維鈞.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[3] 肖誠(chéng)，毛永文，頡方正.基于PWM裝置的直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2012（6）：122-125.