基于场路耦合的直流电机电流与转速控制方法

基于场路耦合的直流电机电流与转速控制方法

高峰 1 宋文强 2 张洪亮 2

1.国能（天津）港务有限责任公司，天津 300400

2. 天津商业大学信息工程学院，天津 300134

摘要：以Simplorer为平台，对直流电机进行调速控制，其调速系统采用双闭环调速系统，其中包括转速控制器（ASR）与电流控制器（ACR），两个控制器分别实现电机电流与转速精准控制，同时在Simplorer平台中建立场路耦合的直流电机双闭环控制系统研究模型，对电流、转速双闭环控制方法进行研究，仿真结果证明该控制方法可以使直流电机稳定、平滑运行。

关键词：直流电机；电流控制；电压控制；转速控制；双闭环；Simplorer

1 引言

直流电动机相比其他电机，直流电机在调速特性、稳定性、调速范围上都具有很大优势，同时直流电机的过载性能也具有很强的承受力^[1-3]。在频繁的快速起动，制动和反转上，都能完成在生产和生活过程需要的严苛的特殊要求^[4-5]。经过不断发展，直流电机调速系统发展相当完善，在很多领域发挥重要作用。尤其在全数字直流系统出现之后，直流调速系统可靠性得到极大提高^[6]。早期，基于直流电机的传动控制系统实际上是采用模拟分离器件构成，但模拟器件都会有其固有不足，如温漂、零漂电压^[7]。因此模拟直流传动系统控制精度及可靠性较低。但随着计算机控制技术发展进步，直流传动系统因实现全数字化控制而得到广泛应用。

本文基于Simplorer平台，采用场路耦合多物理域分析方法，从场路与磁路相结合角度，建立直流电机电流与转速双闭环控制系统，并对其控制方法进行研究与分析，为该类电机调速系统控制方法的进一步发展起到理论指导意义。

2 直流电机结构与数学模型

直流电机主要由定子和转子两大部分构成。定子可以产生磁场，以供转子在运动中切割，由端盖、机座、换向极、主磁极、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，是直流电机进行能量转换的关键部位，又被称为电枢。

本文以三相直流电机为研究对象，并做出以下理想化处理：① 三相绕组、定子电流、转子磁场都对称分布；② 忽略齿槽、换向过程和电枢反应的影响；③ 电枢绕组在定子内表面均匀连续分布；④ 磁路不计饱和，不计磁滞损耗和涡流损耗；⑤ 不计电机转动时的机械损耗和阻尼损耗。在此基础上，电压平衡方程式所示。

（1）

式中U_a，U_b，U_c为定子绕组相电压；i_a，i_b，i_c为定子绕组相电流；e_a，e_b，e_c 为定子绕组相反电动势；L为每相绕组的自感；M为每相绕组间的互感；P为微分子算子d/d_t U_a。直流电机电磁转矩表达式为

（2）

其运动方程为

（3）

式中，T_em为电磁转矩;；T_L为负载转矩； 为电机的机械角速度；J为电机的转动惯量。

3 场路耦合多物理域分析法

实际工业生产情况比较复杂，被控制对象在控制过程中是多物理域共同参与的。多物理场模拟仅仅停留在理论阶段，仅可对单个现象进行建模。但计算机的飞速发展使多物理域模型之间的场路耦合的建模分析得到实现，这就使得有限元分析打破了只能模拟单一现象的限制。场路耦合多物理域分析法才能更加有效地解决复杂模型建立问题。Simplorer仿真分析软件用于电气、电磁、电力电子、控制等机电一体化系统的建模、设计、仿真分析和优化，提供了一个功能强大的跨科学多领域的高性能系统仿真平台，并实现多物理域模型之间的无缝链接。

4 控制系统模型建立与分析

在Simplorer软件中采用三相不控整流电路，该电路包括4个电阻、4个电感、1个电容、3个电压源、7个二极管、1个三极管、1个直流电机和1个滞环控制元件。图1为直流电机输出电流，从图中可看出，从0s开始到40s左右A相电流在17.5到22.5之间上下波动负载在75s左右是发生阶跃上升。转速在前40s是平稳上升的状态在40s时趋于平稳不在发生变化，在负载阶跃上升时转速略有下降但是立马趋于稳定，因输入负载转矩没有选择线性插值，其值是一个阶跃函数，在0.75s处发生阶跃。

图1 仿真结果显示

5 总结

本设计采用Simplorer软件对于直流电机的电流和转速控制系统仿真研究，采用双闭环调速系统。为使电机获得接近于理想的起动过程，加入电流负反馈环节，使电机在允许条件下最快起动，即可精准的控制速度，获得良好的动态性能。该法能够很好模拟电机系统特性，最终达到电流和转速对直流电机控制的分析目的。

参考文献：

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项目资助：大学生创新创业训练项目（202110069054）