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1、摘要双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。本文介绍了基于工程设计对直流调速系统的设计，根据直流调速双闭环控制系统的工作原理，设计了设计了转速控制环和电流控制环。详细分析了系统的起动过程及参数设计，运用Simulink对直流电动机双闭环调速系统进行数学建模和系统仿真。根据仿真结果分析该调速系统满足我们的设计要求。关键词：双闭环控制系统 Simulink 电流控制环 仿真双闭环调速系统调节器设计及MTALAB仿真验证1双闭环直流调速系统1.1双闭环直流调速系统的介绍双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广
2、泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b)(a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 (b)理想快速起动过程图1-1 调速系统起动过程的电流和转
3、速波形在实际工作中，我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形如图1-1（b）所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变
4、，那么采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。1.2 双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图1-2所示，即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面
5、，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。图1-2 转速、电流双闭环直流调速系统图中U*n、Un转速给定电压和转速反馈电压；U*i、Ui电流给定电压和电流反馈电压； ASR转速调节器； ACR电流调节器；TG测速发电机；TA电流互感器；UPE电力电子变换器1.3 双闭环直流调速系统的
6、稳态结构图和静特性Ks a 1/CeU*nUctIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R b ACR-UiUPE图1-3 双闭环直流调速系统的稳态结构图双闭环直流系统的稳态结构图如图3所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征。一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值；不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳太时总是为零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。1转速调节器不饱和这时，两个调节器都不
7、饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此， （1-1） （1-2）由式（1-1）可得：从而得到静特性曲线图1-3中的CA段。与此同时，由于ASR不饱和，可知，这就是说，CA段特性从理想空载状态的一直延续到。而，一般都是大于额定电流的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。2转速调节器饱和这时，ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时： （1-3）其中，最大电流取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度，由上式可得静特性的AB段，它是一条垂直的特性。这样是下垂特性只适合于的情况，因为如果，
8、则，ASR将退出饱和状态。图1-4 双闭环直流调速系统的静特性曲线1.4 双闭环直流调速系统的动态数学模型双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图5所示。图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流显露出来。U*na Uct-IdLnUd0Un+- -UiWASR(s)WACR(s) Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E图1-5 双闭环直流调速系统的动态结构框图2直流双闭环调速系统电路设计2.1 电流调节器设计图2-1 电流环动
9、态结构图电流环动态结构图如图2-1所示。实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，转速的变化往往比电流变化慢的多。对电流环来说，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变。这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响。(1)确定时间常数1)查表可得，三相桥式电路的平均失控时间。2)三相半波整流电路每个波头的时间是，为了基本滤平波头，应有 ，因此取。3)(2)选择电流调节器结构根据设计要求，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电路调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为： (2-1) 电流环开环传递函数为：
10、 (2-2)因为，所以选择，用调节器零点消去控制对象中大的时间常数点，以便矫正成典型I型系统，因此 (2-3)(3)计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：。电流开环增益：要求，可取。ACR的比例系数 (2-4)(4)检验近似条件电流环截至频率 =135.11)校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件： 满足近似条件2)检验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件： 满足近似条件3)检验电流环小时间常数近似处理条件： 满足近似条件(5)计算调节器电阻和电容电流调节器原理图如图2-2所示，所用运放取： （2-5） (2-6) (2-7)图2-2 含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器2.2 转速调节
11、器设计图2-3 用等效环节代替电流环把电流环的等效环节接入转速环后，整个转速控制系统的动态结构框图如图2-4所示。由于需要实现转速无静差，而且在后面已经有一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为： (2-8)图2-4校正为典型型系统(1)确定时间常数1)电流环等效时间常数为 2)转速滤波时间常数。取。3)转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取。(2)选择转速调节器结构：按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为： (2-9)则校正后的典型型系统为： （2-
12、10）(3)计算转速调节器参数：按跟随和抗扰性能都较好的原则，取，则ASR的超前时间常数。转速开环增益为 （2-11）ASR的比例系数为 （2-12）(4)检验近似条件：转速环截止频率1)电流环传递函数简化条件为 满足简化条件。2)转速环小时间常数近似处理条件为 满足简化条件。(5)计算调节器电阻和电容取，则 取 （2-13） 取（2-14） 取（2-15）含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器如图2-5所示 图2-5 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器2.3超调量地计算如果转速调节器没有饱和限幅的约束，调速系统可以在很大范围内线性工作，则双闭环系统起动的转速过渡过程就会产生较大的超调量。实际上，突加给定电压后，转速调节器很快就进入了饱和状态，输出恒定的限幅电压，使电动机在恒流条件下起动，起动电流，而转速则按线性规律增长。虽然这时起动过程要比调节器没有限幅时慢得多，但是为了保证起动电流不超过允许值，这是必须的。 当电动机空载起动时z=0，作为转速超调量，其基准值应该是，查表可以得出当h=5时，则可以求出转速调节器退饱和时转速超调量为 （2-16）满足设计要求。3 仿真与调试由上面电路设计计算出来的参数，用MATLAB画出方框图，仿真方框图如图3-1所示。图3-1 双闭环直流调速系统仿真图置空载启动，转速和电流波形如图
