雙閉環V—M調速系統仿真設計

黨曉圓+馬冬梅+曹強

摘 要：該文在分析雙閉環V-M調速系統的基礎上，根據動態參數工程設計方法，設計了電流環和轉速環，確定了時間常數，計算了系統中ASR和ACR兩個調節器的相關參數，校驗了調節器參數，校核了轉速超調量和最大速降，并利用MATLAB軟件中Simulink工具建立了雙閉環V-M調速控制系統的仿真模型，仿真了電機的輸出轉速。仿真結果表明：電機轉速很快達到穩定狀態，動態過程比較平穩，超調量小于3%，實現了小超調快過渡時間的轉速控制。

關鍵詞：雙閉環 V-M調速 MATLAB/Simulink

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）06（c）-0025-03

近年來雖然交流電機的應用比較廣泛，但是交流電機不能在低速環境下運行，轉矩不容易控制，同時調速精度不高，因此直流電機仍在變速運動控制和閉環位置伺服控制系統中擁有無與倫比的地位，被廣泛應用于精確控制和大范圍調速場合。尤其是在晶閘管被發明之后，運用電力電子技術理論設計出晶閘管整流裝置，組成晶閘管-電動機調速系統（簡稱V-M系統），再利用自動控制理論中的雙閉環控制，在電機調速系統中加裝速度調節器（ASR，Adjustable Speed Regulator）和電流調節器（ACR，Adjustable Current Regulator），使得直流電動機調速精度更精確，調速范圍更廣泛，可以實現精確、高效的調速控制，并且能耗低節省資源。

1 雙閉環V-M調速系統

雙閉環V-M調速系統是在單閉環直流調速系統中加入了轉速調節器和電流調節器，分別調節轉速和電流，二者之間實行串聯連接。轉速調節器ASR的輸出作為電流調節器ACR的輸入，電流調節器的輸出控制可控電壓源。從閉環結構上看，電流調節環在里面，是內環，轉速調節環在外面，是外環，其動態結構圖如圖1所示。

2 調節器設計

對于雙閉環調速系統，通常采用工程設計的方法來設計電流和轉速調節器，遵循先內環后外環的設計流程。

2.1 電流調節器的設計

設計電流調節器時首先將電流環進行一些變換處理，然后再根據控制要求選擇系統的型別，最后通過系統的動態性能指標確定系統參數。

由于來自電流檢測單元的反饋信號中常含有諧波或者其他的干擾信號，為了解決這個問題需要增加低通濾波器，而低通濾波器可以用一階慣性環節來表示，但是慣性環節會造成反饋信號的延遲。為了平衡延遲，在給定信號通道中也加入一個時間常數與之相同的慣性環節，稱為“給定濾波”環節。

2.1.1 確定時間常數

由電流調節器的數學模型可知，需要對其中的時間常數、電流濾波時間常數取值，這樣才能得到電流環小時間常數。

三相橋式電路晶閘管的平均失控時間為，電流濾波時間常數由三相橋式整流電路波形可以得到。我國電力系統提供的頻率是50 Hz，三相橋式整流電路產生6脈波，在一個周期內的時間為3.3 ms，因此取電流濾波時間常數。Toi=4 ms= 0.004 s這樣得到電流環小時間常數

2.1.2 電流調節器參數計算

因為V-M系統中絕對不能產生靜差，而且系統不允許電流在突然增加的控制下有太大的超調，不能超過電流的允許值，電流環需跟隨系統，超調量越小越好，所以選擇典型I型系統。顯然，應該采用PI調節器。檢查對電源電壓的抗擾性能：

，抗干擾性能適中。由典型I型系統參數與動態跟隨性能指標的關系可知，各項指標均滿足要求。電流調節器的超前時間常數等于電磁時間常數0.0434 s。

2.2.3 轉速調節器參數校驗

轉速截止頻率：，轉速環小時間常數近似處理條件，而滿足設計要求。

2.2.4 轉速超調量的校核

當時，由典型Ⅱ型系統階躍輸入跟隨性能指標可知，，沒有達到要求的設計條件。但是，典型Ⅱ型系統階躍輸入跟隨性能指標是按線性系統計算的，突然增加階躍信號，ASR飽和時不能滿足線性定常系統的條件，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調量。系統在理想空載起動時，負載系數，若， 600r/min，允許過載倍數，電樞回路電阻 Ω， V·min/r， s， s，，則調速系統開環機械特性的額定穩態速降為：

3 仿真

該設計使用MATLAB軟件中的Simulink工具進行仿真，雙閉環V-M調速控制系統的仿真模型如圖2所示。

利用MATLAB軟件中的Simulink工具對電機的輸出轉速進行仿真模擬得圖3。由圖3可以看出，電機轉速很快達到穩定狀態，動態過程比較平穩，超調量小于3%，實現了對過渡時間的轉速控制。因此，將直流晶閘管和電機結合再運用雙閉環調速控制可以很好地實現對電機轉速“穩”“準”“快”的控制。

參考文獻

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