基于Simulink的双闭环直流调速系统研究

马宇威

【摘  要】采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是如果对系统的动态性能要求比较高，单闭环性能有所缺陷，这是因为虽然实现了转速的控制，但是无法控制电流和转矩的动态过程。采用双闭环直流调速系统可以极大该神其动态性能和静态特性。本文内容主要介绍双闭环直流调速系统，首先给出提出这一控制模式的现实需求，再给出该系统的基本设计思路。然后利用simulink模块对已有的单闭环直流调速系统进行改进。并对系统的性能进行检验。

【关键词】直流电机;调速系统

1双闭环直流调速系统的引入

在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但他只有在超过预设的临界电流后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。对于经常正反转运行的调速系统，如龙门刨床、可逆轧钢机等，尽量缩短起动和制动的时间是提高生产效率。为此，在电机最大允许电流和转矩的受限制条件下，应该充分利用电机的过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立马让电流降下来，使得定子转矩马上与负载转矩相平衡，从而进入稳态运行阶段。按照反馈的基本原理，要想恒流起动，必须引入电流负反馈。但是问题是，应该在起动的过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态之后，希望只要转速负反馈起主要作用。要做到这种同时对电流和转速进行控制，必须同时引入这两个物理量的负反馈，显然用一个反馈装置是不可能实现的，必须采用双馈模式。

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可以在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流。二者之间实行嵌套连接。从闭环结构上看，电流环在里面，称为内环;转速环在外边，称为外环。这就形成了转速电流双闭环调速系统。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的移相触发角。

在分析的过程中，PI调节器的限幅环节其实是一个非线性环节，在分析过程中应采用分段线性的模式。限幅模块在饱和时，输出为恒定值，输入量的变化不会影响输出量，除非有反向的信号削弱原信号使之退出饱和，也就是说限幅功能使得调节器暂时割断了输入与输出之间的联系，相当于开反馈环被打断。当调节器不饱和时，PI调节器正常发挥作用，消除静态误差，跟踪给定输入。

2 双闭环直流调速系统的启動物理过程分析

第一阶段：电流上升阶段。当给定外加转速后，经过两个调节器的跟随作用，各物理量开始上升，通过合理设计ASR的限幅值，使得电机上升到预先设定的峰值，当电流值快速上升到阈值时，依靠强烈的负反馈使得电枢电流不能继续增长。

第二阶段是恒流升速阶段，是启动过程中的主要阶段。在这个阶段中，ASR始终饱和，转速环等效于开环，即输入一个恒定的预设值，该值的含义为最大电枢电流。系统在恒定电流驱动调节，由于受到调节器作用，使得电流基本为常数，即系统的电磁转矩恒定不变。根据刚体运动规律：

给定一个恒定的负载转矩后，直流电机相当于在恒转矩下升速，所以转速n为线性增长。此外应该保证电流环的PI调节器在这一过程中不应饱和，给传给晶闸管的电压值留有一定裕量。同时也可看出决定加速时间的是电磁转矩，在实际中如果希望加速时间尽可能短，应当增大转速调节ASR的限幅值。

第三阶段是转速调节阶段。当转速升至给定值时，由于电动机的机械惯性较大，故仍在加速，所以会有一个转速超调。转速超调后，从转速引回的反馈超过给定值。在最后的稳态阶段，两个调节器都应该处于不饱和状态。当有负载变化或要求调速的指令到来时，ASR起主要的调速功能，而ACR起跟踪给定输入的作用。换言之，电流内环应该是一个电流随动子系统。

当即将达到稳态时，ASR会迅速退出饱和，在这一过程中理论上必然有转速的超调，但是转速略有超调一般是允许的，对于完全不允许超调的情况，可以采用转速微分负反馈来抑制。本实验仿真波形发现超调现象并不严重，故而没有采用该方式做进一步完善。

3 双闭环直流调速系统的simulink仿真

本次实验中采用Matlab中的Simulink模块建立了双闭环直流调速系统模型，Simulink中内置的Simscape中的Powersystem库中集成了大量电气工程元器件。下面介绍其结构。主回路是由三相交流电源，晶闸管整流器，以及直流电机构成。同时引出了转速和电流的负反馈，通过设定转速环的比较器件，可以实现对直流电动机的调速。控制环节直接采用内置的PI调节器，两个调节器均采用内置的限幅功能对输出值进行控制。

经过反复调整，设定外环PI调节器的P参数为21.5，I参数选为1，限幅值为15。内环PI调节器的P选为22，I选为22/0.3。限幅值选定为80。在给定转速1900R/MIN，负载转矩为恒转矩选取为30Nm。得到转速，电枢电流，励磁电流，电磁转矩波形如下图

从图中不难看出：在最一开始起动时，电流迅速上升，达到ASR的限幅值后，有一个微小的超调，然后略微衰减到预设值，此后进入恒转矩升速阶段。可以看出转速为线性增长。当达到预设值1900r/min后，电流迅速降低，之后进入电磁转矩与负载转矩相等的阶段。可以看出稳态时电枢电流并不大。此外由于电磁转矩与电流成正比的关系，二者波形走向完全相同。励磁电流看似有所减小，但其实是由于分度值过小所致。在实际中励磁电流由于是它励，与电机主回路不在一个支路里，故而相对独立，认为是一恒定量。

参考文献：

[1] 王兆安，刘进军主编.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2018

[2] 陈伯时主编.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社，2005

[3]胡寿松主编.自动控制原理.北京：科学出版社，2007

（作者单位：华北电力大学）