基于Simulink的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)研究

馬宇威

【摘 ?要】采用PI調(diào)節(jié)的單個轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但是如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求比較高，單閉環(huán)性能有所缺陷，這是因為雖然實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的控制，但是無法控制電流和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)過程。采用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以極大該神其動態(tài)性能和靜態(tài)特性。本文內(nèi)容主要介紹雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，首先給出提出這一控制模式的現(xiàn)實需求，再給出該系統(tǒng)的基本設(shè)計思路。然后利用simulink模塊對已有的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。并對系統(tǒng)的性能進(jìn)行檢驗。

【關(guān)鍵詞】直流電機(jī);調(diào)速系統(tǒng)

1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的引入

在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但他只有在超過預(yù)設(shè)的臨界電流后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。對于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)，如龍門刨床、可逆軋鋼機(jī)等，盡量縮短起動和制動的時間是提高生產(chǎn)效率。為此，在電機(jī)最大允許電流和轉(zhuǎn)矩的受限制條件下，應(yīng)該充分利用電機(jī)的過載能力，最好是在過度過程中始終保持電流為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng)以最大的加速度起動，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時，立馬讓電流降下來，使得定子轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段。按照反饋的基本原理，要想恒流起動，必須引入電流負(fù)反饋。但是問題是，應(yīng)該在起動的過程中只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，達(dá)到穩(wěn)態(tài)之后，希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要作用。要做到這種同時對電流和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，必須同時引入這兩個物理量的負(fù)反饋，顯然用一個反饋裝置是不可能實現(xiàn)的，必須采用雙饋模式。

為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可以在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。二者之間實行嵌套連接。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱為內(nèi)環(huán);轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱為外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。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)器的輸出去控制晶閘管的移相觸發(fā)角。

在分析的過程中，PI調(diào)節(jié)器的限幅環(huán)節(jié)其實是一個非線性環(huán)節(jié)，在分析過程中應(yīng)采用分段線性的模式。限幅模塊在飽和時，輸出為恒定值，輸入量的變化不會影響輸出量，除非有反向的信號削弱原信號使之退出飽和，也就是說限幅功能使得調(diào)節(jié)器暫時割斷了輸入與輸出之間的聯(lián)系，相當(dāng)于開反饋環(huán)被打斷。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI調(diào)節(jié)器正常發(fā)揮作用，消除靜態(tài)誤差，跟蹤給定輸入。

2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的啟動物理過程分析

第一階段：電流上升階段。當(dāng)給定外加轉(zhuǎn)速后，經(jīng)過兩個調(diào)節(jié)器的跟隨作用，各物理量開始上升，通過合理設(shè)計ASR的限幅值，使得電機(jī)上升到預(yù)先設(shè)定的峰值，當(dāng)電流值快速上升到閾值時，依靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋使得電樞電流不能繼續(xù)增長。

第二階段是恒流升速階段，是啟動過程中的主要階段。在這個階段中，ASR始終飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)等效于開環(huán)，即輸入一個恒定的預(yù)設(shè)值，該值的含義為最大電樞電流。系統(tǒng)在恒定電流驅(qū)動調(diào)節(jié)，由于受到調(diào)節(jié)器作用，使得電流基本為常數(shù)，即系統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)矩恒定不變。根據(jù)剛體運(yùn)動規(guī)律：

給定一個恒定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩后，直流電機(jī)相當(dāng)于在恒轉(zhuǎn)矩下升速，所以轉(zhuǎn)速n為線性增長。此外應(yīng)該保證電流環(huán)的PI調(diào)節(jié)器在這一過程中不應(yīng)飽和，給傳給晶閘管的電壓值留有一定裕量。同時也可看出決定加速時間的是電磁轉(zhuǎn)矩，在實際中如果希望加速時間盡可能短，應(yīng)當(dāng)增大轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)ASR的限幅值。

第三階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。當(dāng)轉(zhuǎn)速升至給定值時，由于電動機(jī)的機(jī)械慣性較大，故仍在加速，所以會有一個轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，從轉(zhuǎn)速引回的反饋超過給定值。在最后的穩(wěn)態(tài)階段，兩個調(diào)節(jié)器都應(yīng)該處于不飽和狀態(tài)。當(dāng)有負(fù)載變化或要求調(diào)速的指令到來時，ASR起主要的調(diào)速功能，而ACR起跟蹤給定輸入的作用。換言之，電流內(nèi)環(huán)應(yīng)該是一個電流隨動子系統(tǒng)。

當(dāng)即將達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，ASR會迅速退出飽和，在這一過程中理論上必然有轉(zhuǎn)速的超調(diào)，但是轉(zhuǎn)速略有超調(diào)一般是允許的，對于完全不允許超調(diào)的情況，可以采用轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋來抑制。本實驗仿真波形發(fā)現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象并不嚴(yán)重，故而沒有采用該方式做進(jìn)一步完善。

3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的simulink仿真

本次實驗中采用Matlab中的Simulink模塊建立了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)模型，Simulink中內(nèi)置的Simscape中的Powersystem庫中集成了大量電氣工程元器件。下面介紹其結(jié)構(gòu)。主回路是由三相交流電源，晶閘管整流器，以及直流電機(jī)構(gòu)成。同時引出了轉(zhuǎn)速和電流的負(fù)反饋，通過設(shè)定轉(zhuǎn)速環(huán)的比較器件，可以實現(xiàn)對直流電動機(jī)的調(diào)速。控制環(huán)節(jié)直接采用內(nèi)置的PI調(diào)節(jié)器，兩個調(diào)節(jié)器均采用內(nèi)置的限幅功能對輸出值進(jìn)行控制。

經(jīng)過反復(fù)調(diào)整，設(shè)定外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的P參數(shù)為21.5，I參數(shù)選為1，限幅值為15。內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的P選為22，I選為22/0.3。限幅值選定為80。在給定轉(zhuǎn)速1900R/MIN，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為恒轉(zhuǎn)矩選取為30Nm。得到轉(zhuǎn)速，電樞電流，勵磁電流，電磁轉(zhuǎn)矩波形如下圖

從圖中不難看出：在最一開始起動時，電流迅速上升，達(dá)到ASR的限幅值后，有一個微小的超調(diào)，然后略微衰減到預(yù)設(shè)值，此后進(jìn)入恒轉(zhuǎn)矩升速階段?？梢钥闯鲛D(zhuǎn)速為線性增長。當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)值1900r/min后，電流迅速降低，之后進(jìn)入電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等的階段。可以看出穩(wěn)態(tài)時電樞電流并不大。此外由于電磁轉(zhuǎn)矩與電流成正比的關(guān)系，二者波形走向完全相同。勵磁電流看似有所減小，但其實是由于分度值過小所致。在實際中勵磁電流由于是它勵，與電機(jī)主回路不在一個支路里，故而相對獨立，認(rèn)為是一恒定量。

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（作者單位：華北電力大學(xué)）