（廣東松山職業(yè)技術學院 科研處，韶關 512126）

0 引言

電動機調速控制系統(tǒng)根據(jù)其原動機的類型主要分為交流調速控制系統(tǒng)和直流調速控制系統(tǒng)。雖然近年來交流電動機的調速控制技術發(fā)展很快，但直流電動機的調速控制仍長期主導調速控制領域。直流電動機電樞和磁場能獨立進行激勵，且轉速和輸出轉矩的描述是對可控電壓激勵的線性函數(shù)，容易實現(xiàn)各種直流電動機調速控制，容易實現(xiàn)各項性能指標的“最佳化”。隨著計算機仿真技術的發(fā)展，為控制系統(tǒng)的研究提供了強大的工具。通過仿真技術來分析控制系統(tǒng)性能，安全、方便、直觀、經(jīng)濟、有效。雙閉環(huán)直流調速控制系統(tǒng)結構經(jīng)典、復雜，涉及到的靜態(tài)性能指標和動態(tài)性能指標互相制約。在研究和設計的過程中，若想得到合理的參數(shù)組合，各參數(shù)的選擇需要反復調試，直接硬件實驗成本昂貴且安全風險系數(shù)高，運用計算機仿真技術對系統(tǒng)進行模擬調試，可以方便地對各參數(shù)進行設置，為控制系統(tǒng)研究和設計的實現(xiàn)提供了條件，使系統(tǒng)設計周期縮短、設計成本降低、提高了工作效率、提升了系統(tǒng)的性價比。文章用Matlab軟件中的Powersystems模塊對雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)進行設計與仿真，仿真結果達到預期設計目標要求。

1 系統(tǒng)的組成及動態(tài)結構圖

1.1 系統(tǒng)的硬件組成

雙閉環(huán)直流調速控制系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示[1]。其組成包括給定、轉速調節(jié)器、電流調節(jié)器、可控整流（包括主電路和觸發(fā)電路）、直流電動機、電流檢測和速度檢測七部分。其中電流檢測部分采用電流互感器或霍耳傳感器；速度檢測部分采用直流測速發(fā)動機和電位器。

1.2 系統(tǒng)的動態(tài)結構圖

根據(jù)系統(tǒng)的硬件組成，畫出系統(tǒng)的動態(tài)結構圖如圖2所示。動態(tài)結構圖包含電流調節(jié)內環(huán)和轉速調節(jié)外環(huán)兩大部分，其中ASR和ACR分別為轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器[2]，Ton和Toi分別為轉速環(huán)節(jié)和電流環(huán)節(jié)的濾波時間常數(shù)，Ts是晶閘管環(huán)節(jié)的滯后時間常數(shù)，Ks是觸發(fā)與整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)，R為電樞回路總電阻，Tl和Tm分別為直流電動機電樞回路的電磁時間常數(shù)和電力拖動系統(tǒng)的機電時間常數(shù)。

圖1 系統(tǒng)的硬件組成

電流內環(huán)主要作用：一是在系統(tǒng)起動過程起調節(jié)作用，保證在最大電流下實現(xiàn)快速起動；二是電動機過載或堵轉時起限流保護作用；三是對電源電壓波動起調節(jié)作用。轉速外環(huán)主要作用：一是調速系統(tǒng)的主導調節(jié)器，采用PI調節(jié)器時實現(xiàn)無靜差調速；二是對負載變化起調節(jié)作用；三是其輸出限幅決定了電機允許的最大電流。

圖2 系統(tǒng)的動態(tài)結構圖

2 直流調速系統(tǒng)的設計指標及參數(shù)選取

2.1 直流調速系統(tǒng)已知條件

直流電動機的額定參數(shù)為：額定電壓Unom=220V，Inom=136A，nnom=1460r/min，磁極為4極，Ra=0.21Ω，GD2=22.5N·m，Ce=0.132V·min/r。采用三相橋式整流電路，整流電路內阻Rrec=1.3Ω。勵磁電流If=1.5A，勵磁電壓Uf=220V。機電時間常數(shù)Tm=0.161s；電磁時間常數(shù)Tl=0.076s；平波電抗器Ld=200mH。

2.2 系統(tǒng)設計指標要求

設計一轉速、電流雙閉環(huán)控制調速系統(tǒng)。設計指標為：轉速超調量σn%≤10%（空載起動到額定轉速時）。過載倍數(shù)λ=1.5，取電流反饋濾波時間常數(shù)Toi=0.002s，轉速饋濾波時間常數(shù)Ton=0.01s。上流上升時電流超調量σi%≤5%。

2.3 調節(jié)器參數(shù)和結構選取

根據(jù)系統(tǒng)設計指標要求，按工程設計方法設計ASR和ACR，先設計內環(huán)再設計外環(huán)。根據(jù)電流超調量σi%≤5%的要求，電流內環(huán)采用工程最佳典型I型系統(tǒng)；根據(jù)轉速超調量σn%≤10%（空載起動到額定轉速時），同時為了加快系統(tǒng)的調節(jié)過程，減少系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)靜差，轉速外環(huán)采用工程最佳典型II型系統(tǒng)設計，中頻段寬度h=5；根據(jù)系統(tǒng)動態(tài)結構圖被控對像的傳遞函數(shù)，ACR和ASR均選用PI調節(jié)器，且?guī)л敵鱿薹?，線性調節(jié)器的傳遞函數(shù)為：

式中：Kp為比例系數(shù)，KI為積分系數(shù)，TI為積分時間。

3 控制系統(tǒng)的模型建立及仿真

3.1 控制系統(tǒng)仿真模型的建立

根據(jù)控制系統(tǒng)的硬件組成、動態(tài)結構圖及直流電動機的額定參數(shù)，使用Matlab軟件中的Powersystems模塊建立系統(tǒng)的拓撲仿真模型如圖3所示。其中ACR和ASR子系統(tǒng)[4]如圖4所示。

圖3 控制系統(tǒng)的拓撲仿真模型

圖4 仿真模型的子系統(tǒng)

仿真模型由主電路和控制電路組成。主電路包括交流電源、變壓器、可控整流（包括整流器、觸發(fā)器、移相控制）和電動機等環(huán)節(jié)?？刂齐娐钒娏髡{節(jié)器、轉速調節(jié)器及各自的反饋濾波環(huán)節(jié)[5]。

觸發(fā)器為同步6脈沖發(fā)生器（Synchromized 6-Pulse Generator），該模塊有5個輸入端和1個輸出端。輸入端AB、BC、CA用于接同步信號，alpha_deg用于給定移相的控制角，控制角由控制信號Uct通過移相的控制模塊F on置換而來。移相特性如圖5所示，其數(shù)學表達式為：

圖5 移相特性

控制電路中轉速反饋信號和電流反饋信號均取自電動機測量單元的轉速和電流輸出端，不會影響仿真的真實性；ACR的輸出限幅決定了移相控制角αmin和αmax的值；電流環(huán)的反饋系數(shù)β取0.05，轉速環(huán)的反饋系數(shù)α取0.007。

3.2 設置仿真模塊參數(shù)

供電電源電壓為（αmin=30°）：

電動機參數(shù)Rf、La、Laf、J根據(jù)額定參數(shù)分別計算，參數(shù)值如圖6所示。其他模塊的參數(shù)按常規(guī)進行設置，不再此累述。

圖6 電動機參數(shù)設置

系統(tǒng)額定轉速運行時給定電壓Un*=10V；轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的飽和值是12V，輸出限幅值為10V。

3.3 控制系統(tǒng)仿真及結果分析

仿真算法采用ode15，仿真時間為2s，電動機空載起動，起動1s后突加額定負載。仿真輸出波形如圖7所示。共有4個量值的輸出波型，分別為電動機轉速n、電樞電流Id、勵磁電流If和負載轉矩TL。

由圖7可見，當ACR和ASR參數(shù)設計合理時，雙閉環(huán)系統(tǒng)起動時實現(xiàn)了允許的最大電流下準時間最優(yōu)控制要求，電流超調σi%=4.3%，滿足σi%≤5%的要求，0.87s時進入穩(wěn)定運行，空載起動時轉速超調約為σn%=7.8%，滿足σn%≤10%的要求。穩(wěn)定運行后，突加額定負載，轉速動態(tài)降落小，恢復時間約為tv=0.45s，滿足II型系統(tǒng)工程最佳設計指標[6]要求。通過以上結果分析，系統(tǒng)反應的快速性和抗干擾性能符合系統(tǒng)設計指標要求，實現(xiàn)了預期控制目標。

圖7 系統(tǒng)仿真輸出波形

4 結束語

雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)在自動控制領域一直是高頻率使用的傳統(tǒng)的經(jīng)典的控制系統(tǒng)，其是交直流調速控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)、直流脈寬調速控制系統(tǒng)及先進智能制造控制系統(tǒng)等理論研究及工程實踐的基礎，針對不同的被控對象、不同控制系統(tǒng)的指標要求，采用文章中的基于Matlab軟件的Powersystems模塊進行建模和仿真調試，與傳統(tǒng)的實驗室硬件設計調試方法相比，其表現(xiàn)出安全、高效、低成本等眾多優(yōu)點，在能夠滿足控制系統(tǒng)設計要求的前提下，縮短了系統(tǒng)設計的周期，提升了系統(tǒng)設計的性價比，提高了勞動生產(chǎn)效率。