双闭环直流调速系统设计和仿真分析

双闭环直流调速系统设计和仿真分析

曹源 曹弋 （ 通讯作者 ）

南京师范大学 江苏省南京市 210000

摘要：本文简要介绍了双闭环直流调速系统的组成与基本工作原理,并对双闭环转速,直流调速系统设计展开分析论述,阐明了双闭环直流调速系统的模型仿真。

关键词：双闭环；直流调速系统；仿真

1.概述

双闭环直流调速系统设计和仿真分析

仿真时间8s。具体要求如下：

在一个由三相零式晶闸管整流装置供电的转速、电流双闭环调速系统中，已知电动机的额定数据为： kW , V , A , r/min , 电动势系数 =0.196 V·min/r , 主回路总电阻 =0.18Ω,变换器的放大倍数 =35。电磁时间常数 =0.012s,机电时间常数 =0.12s,电流反馈滤波时间常数 =0.0025s,转速反馈滤波时间常数 =0.015s。额定转速时的给定电压Un*N =10V,调节器ASR，ACR饱和输出电压Uim*=8V,Ucm =6.5V。

系统的静、动态指标为:稳态无静差,调速范围D=10,电流超调量 ≤5% ,空载起动到额定转速时的转速超调量 ≤10%。试求：

（1）确定电流反馈系数β(假设起动电流限制在1.1IN以内)和转速反馈系数α。

（2）试设计电流调节器ACR和转速调节器ASR。

（3）在matlab/simulink仿真平台下搭建系统仿真模型。计算电动机带40%额定负载起动到最低转速时的转速超调量σn。并与仿真结果进行对比分析。

（4）估算空载起动到额定转速的时间。说明系统的起动过程，并与仿真结果进行对比分析。

（5）在4s突加40%额定负载，给出转速、电流、转速调节器输出、转速调节器积分部分输出波形，并对系统的抗扰过程加以分析。

（6）若要求转速超调量 ≤3%，研究该系统的转速超调解决方法，并进行仿真验证。

2.双闭环直流调速系统的动态数学模型

图1双闭环直流调速系统动态数学模型

动态数学模型如图1所示。对调速系统而言，被控制的对象是转速。随性能可以用阶跃给定下的动态响应描述。能否实现所期望的恒加速过程，最终以时间最优的形式达到所要求的性能指标，是设置双闭环控制的一个重要的追求目标。

（1）起动过程分析

电流Id从零增长到Idm，然后在一段时间内维持其值等于Idm不变，以后又下降并经调节后到达稳态值IdL。

转速波形先是缓慢升速，然后以恒加速上升，产生超调后，到达给定值n*。

起动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段，

转速调节器在此三个阶段中经历了不饱和、饱和以及退饱和三种情况。

（2）第Ⅰ阶段：电流上升阶段（0~t1）

电流从0到达最大允许值Idm

在t=0时，系统突加阶跃给定信号Un*，在ASR和ACR两个PI调节器的作用下， Id很快上升，在Id上升到Idl之前，电动机转矩小于负载转矩，转速为零。

当 Id ≥ IdL 后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，ASR输入偏差电压仍较大， ASR很快进入饱和状态，而ACR一般不饱和。直到Id = Idm ， Ui = U*im 。如图2所示。

（3）第Ⅱ阶段:恒流升速阶段（t1~t2）

Id基本保持在Idm,电动机加速到了给定值n*。ASR调节器始终保持在饱和状态，转速环仍相当于开环工作。系统表现为使用PI调节器的电流闭环控制，电流调节器的给定值就是ASR调节器的饱和值U*im，基本上保持电流Id = Idm不变，电流闭环调节的扰动是电动机的反电动势，它是一个线性渐增的斜坡扰动量，系统做不到无静差，而是Id略低于Idm。如图3所示。

图2双闭环直流调速电流波形

（4）第Ⅲ阶段：转速调节阶段（t2以后）

起始时刻是n上升到了给定值n*。n上升到了给定值n*，ΔUn=0。因为Id>Idm，电动机仍处于加速过程，使n超过了n* ，称之为起动过程的转速超调。转速的超调造成了ΔUn<0，ASR退出饱和状态，Ui和Id很快下降。转速仍在上升，直到t=t3时，Id= Idl ，转速才到达峰值。在t3~t4时间内， Id

图3 转速波形

参考文献：

[1] 阮毅，陈伯时. 电力拖动自动控制系统－运动控制系统 [M]. 4版. 北京：机械工业出版社，2012.

[2]张小青,杨小岗,樊战亭,冯自立,陈国栋.直流调速系统减少超调及加强抗扰的研究[J].电子测试,2016(24):57-59.

[3]陈玉庆.双闭环直流调速系统调节器优化设计与分析[J].电子技术,2018,47(11):55-60.

[4]郭昊坤.基于MATLAB的双闭环直流调速系统调节器的设计与仿真[J].自动化应用,2017(09):55-56.

作者简介：曹源（1999-08-09），男，汉族，籍贯：江苏丹阳，学历：本科生，研究方向：电气工程及其自动化。

通讯作者：曹弋，当前职称：副教授，研究方向：电气工程及其自动化。