直流電機雙閉環調速控制系統研究

蔣國波

（中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第四鉆井工程分公司，河北 滄州 062550）

0 引 言

如今，電力自動控制系統最廣泛的應用之一就是速度調節控制系統，即調速系統。作為近年來應用最廣泛的系統，交流調速系統迅速發展，在很多研究和應用方向上基本取代了直流調速系統。然而，直流調速系統也具有交流調速系統無法取代的優勢，如直流電機具有簡單的結構、優良的調速性能，無論是理論還是技術都越來越成熟[1]。所以，當前的生產中，直流電機依然具有重要作用。

1 直流電機雙閉環調速系統的概述

正、反轉運行的直流調速系統在實際生產中頻繁使用，縮短了啟動和制動時間，大大提高了生產效率。因此，要求調速系統的啟動和制動過程中，通過電機的電流始終為最大允許值，從而使得電磁轉矩最大。所以，直流電機調速系統以最大加、減速來滿足實際工作調速系統的需求。同時，系統需要實現電機轉速達到所需穩定轉速時工作與負載電流大小相等，以保證電動機的電磁轉矩平衡于實際的負載轉矩[2]。

所以，在直流電機調速系統中，通過采用電流環的雙閉環調速系統以滿足需求。如果調速和電流調節器成比例，可以滿足調速系統的動態性能要求，且當利用比例積分控制轉速電流調節器時，就能夠實現無靜差控制轉速[3]。需要注意的是，采用直流電機雙閉環調速系統，其系統結構會變得復雜，提高造價成本。但是，它高效、穩定、可靠的調速運行，能夠在實際工業生產中大大提高工作效率。

通常，常見的直流電動機調速方法包括調壓、調阻以及弱磁調速三種。其中，采用通過改變電阻以調速的方法缺陷較多，且一般調阻實現的只是有級調速，其所采用的數字電阻元件價格昂貴，市場使用率很小，僅用于一些起重機、電車等對速度調節性能要求一般的傳統系統；若磁調速沒有磁飽和極限轉速低轉速范圍，且在高速時限制于換向器的承受強度。由于勵磁線圈電感很大，其動態響應反應很慢。通過上述分析，這兩者存在諸多劣勢，因此可以采用調壓方式進行調速。如今，電力電子技術飛速發展，斬波電壓調節可以用PWM斬波器來實現[4]。

2 電流雙閉環直流調速系統的組成及工作原理

直流電動機的能量轉化方式是將電能轉化為機械能，從而驅動機械進行生產工作。基于此，出于工作的目標不一，其負載也不相同。所以，需要針對不同的負載在一定范圍內進行電動機的轉速調節。出于生產目的，調節范圍應該盡可能大，若能夠使調速方法簡單、經濟，則更加優異。相比于交流電機，采用直流電機，其調速性能更加良好，技術方面也更加成熟[5]。

圖1為直流調速系統的原理圖。它由電流與轉速調節器——雙閉環共同組成，且電流控制器負責給轉速調節器輸出電壓。基于該種原理，電樞電流由電流環進行調節轉速偏差。簡言之，電機轉速低時，轉速調節器增加輸出，電機電流隨著給定電流持續增加而增加，使得電機加速運動；若電機轉速高于給定轉速，由于電流減小，調速器輸出減小，迫使電機減速；若出現速度調節器飽和輸出，電流環最大電流使得電機加速啟動，從而使啟動時間達到最小值，因此使電機被強制快速制動。

圖1 直流調速系統原理

3 關于電流雙閉環直流調速系統的設計

通過加以電流反饋在單閉環系統上實現電流雙閉環系統，這兩者相互限制、相互反饋，無法同時進行工作。特別是在啟動控制系統中，只有電流負反饋，而不是速度負反饋，從而以最大恒定電流啟動，以最大起動轉矩減少電機啟動需要的時間。電動機正常運行需要轉速負反饋，從而實現對電機轉速的平衡。為使速度、電流兩負反饋分別發揮作用，必須以不同的調節器進行控制，以實現直流電機的轉速和電流雙閉環控制系統。該系統由給定環節、轉速調節器（ASR）、電流調節器（ACR）等部分組成。電流雙閉環直流調速系統、轉速調節器ASR和轉速檢測反饋回路共同組成轉速環，而另外一環的電流環則由電流調節器ACR和電流檢測反饋回路組成。其中，因為位置分布，轉速環位于系統外部，電流環位于系統內部，也分別叫做外環和內環。兩者的關系是轉速環包圍著電流環。因此，可以說轉速環包含于電流環。所以，實質上，該環是電流環的一部分。工作環境中，需求實現直流調速系統達到無靜差的目的，同時要系統達到各性能要求。因此，對電流與轉速調速器采用比例積分調節器來滿足調速系統的各項要求。

直流雙閉環調速系統包括轉速給定、轉速檢測、電流檢測、電源模塊以及控制模塊。雙閉環直流調速給定的環節之一是轉速給定模塊。給定信號的電壓值由滑動變阻器調節電阻值進行改變；給定轉速可以產生可調節幅值和極性的電壓。

在轉速檢測模塊，目的在于進行轉速測量和檢測調節。輸入通過對輸入的轉速檢測信號與反饋量實行定量比較，即可進行轉速的檢測與調節。負責進行電流負反饋的模塊是電流檢測模塊，目的在于當電機啟動與制動需要的電流能夠得到滿足時，將電動機的實際電流送至控制器并進行控制。直流電機的供電系統是最重要的組成部分。顧名思義，供電系統的作用是為直流電機雙閉環系統中的各個模塊供電。電路部分包括整流與濾波電路兩個部分，前者的作用在于實現交流電到直流電的轉換，而后者的作用在于濾除干擾信號，保證輸出功率平滑、穩定。對于直流電機雙閉環調速系統中的控制模塊，它的工作原理是通過控制調速裝置和電流調節器處于不同的工作狀態，實現速度環和電流環雙環的有效分離，使直流電機調速系統滿足工作實際的動態性能要求，以滿足工作生產需要。

4 結 論

本文對電流雙閉環直流調速系統展開研究，通過轉速調節器和電流調節器的相互配合，保證了快速啟動，滿足了對電機系統快速啟動的要求，從而保證其能夠高效、穩定、可靠地運行，充分體現了直流電機雙閉環調速控制系統的優越性。實際工業生產中，它可以進一步提高工作效率，提升企業的生產效益。

[1] 林 森.基于DSP控制直流電機雙閉環調速的研究[J].山東工業技術，2017，（19）：185.

[2] 梁永春，王少坤，劉雅麗.基于DSP的無刷直流電機控制系統[J].電子技術與軟件工程，2017，（8）：94.

[3] 楊 旭，姜銀光，彭開香，等.雙閉環直流調速系統動態補償控制器的在線優化設計[J].中國電機工程學報，2017，37（8）：2409-2418.

[4] 周曉華，藍會立，張 銀，等.直流電機神經元PID調速系統設計與仿真[J].計算技術與自動化，2017，36（1）：23-26.

[5] 田紅霞.單周期控制直流電機雙閉環調速系統設計[J].煤礦機械，2014，35（6）：24-25.