基于Powersystems的雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

（廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 科研處，韶關(guān) 512126）

0 引言

電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)根據(jù)其原動(dòng)機(jī)的類型主要分為交流調(diào)速控制系統(tǒng)和直流調(diào)速控制系統(tǒng)。雖然近年來交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制技術(shù)發(fā)展很快，但直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制仍長期主導(dǎo)調(diào)速控制領(lǐng)域。直流電動(dòng)機(jī)電樞和磁場能獨(dú)立進(jìn)行激勵(lì)，且轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩的描述是對(duì)可控電壓激勵(lì)的線性函數(shù)，容易實(shí)現(xiàn)各種直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制，容易實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)性能指標(biāo)的“最佳化”。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，為控制系統(tǒng)的研究提供了強(qiáng)大的工具。通過仿真技術(shù)來分析控制系統(tǒng)性能，安全、方便、直觀、經(jīng)濟(jì)、有效。雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)經(jīng)典、復(fù)雜，涉及到的靜態(tài)性能指標(biāo)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)互相制約。在研究和設(shè)計(jì)的過程中，若想得到合理的參數(shù)組合，各參數(shù)的選擇需要反復(fù)調(diào)試，直接硬件實(shí)驗(yàn)成本昂貴且安全風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)高，運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬調(diào)試，可以方便地對(duì)各參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，為控制系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)提供了條件，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期縮短、設(shè)計(jì)成本降低、提高了工作效率、提升了系統(tǒng)的性價(jià)比。文章用Matlab軟件中的Powersystems模塊對(duì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，仿真結(jié)果達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

1 系統(tǒng)的組成及動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

1.1 系統(tǒng)的硬件組成

雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示[1]。其組成包括給定、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、可控整流（包括主電路和觸發(fā)電路）、直流電動(dòng)機(jī)、電流檢測和速度檢測七部分。其中電流檢測部分采用電流互感器或霍耳傳感器；速度檢測部分采用直流測速發(fā)動(dòng)機(jī)和電位器。

1.2 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)系統(tǒng)的硬件組成，畫出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖包含電流調(diào)節(jié)內(nèi)環(huán)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)外環(huán)兩大部分，其中ASR和ACR分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器[2]，Ton和Toi分別為轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)和電流環(huán)節(jié)的濾波時(shí)間常數(shù)，Ts是晶閘管環(huán)節(jié)的滯后時(shí)間常數(shù)，Ks是觸發(fā)與整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)，R為電樞回路總電阻，Tl和Tm分別為直流電動(dòng)機(jī)電樞回路的電磁時(shí)間常數(shù)和電力拖動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)。

圖1 系統(tǒng)的硬件組成

電流內(nèi)環(huán)主要作用：一是在系統(tǒng)起動(dòng)過程起調(diào)節(jié)作用，保證在最大電流下實(shí)現(xiàn)快速起動(dòng)；二是電動(dòng)機(jī)過載或堵轉(zhuǎn)時(shí)起限流保護(hù)作用；三是對(duì)電源電壓波動(dòng)起調(diào)節(jié)作用。轉(zhuǎn)速外環(huán)主要作用：一是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)速；二是對(duì)負(fù)載變化起調(diào)節(jié)作用；三是其輸出限幅決定了電機(jī)允許的最大電流。

圖2 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

2 直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)及參數(shù)選取

2.1 直流調(diào)速系統(tǒng)已知條件

直流電動(dòng)機(jī)的額定參數(shù)為：額定電壓Unom=220V，Inom=136A，nnom=1460r/min，磁極為4極，Ra=0.21Ω，GD2=22.5N·m，Ce=0.132V·min/r。采用三相橋式整流電路，整流電路內(nèi)阻Rrec=1.3Ω。勵(lì)磁電流If=1.5A，勵(lì)磁電壓Uf=220V。機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.161s；電磁時(shí)間常數(shù)Tl=0.076s；平波電抗器Ld=200mH。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求

設(shè)計(jì)一轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制調(diào)速系統(tǒng)。設(shè)計(jì)指標(biāo)為：轉(zhuǎn)速超調(diào)量σn%≤10%（空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)）。過載倍數(shù)λ=1.5，取電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.002s，轉(zhuǎn)速饋濾波時(shí)間常數(shù)Ton=0.01s。上流上升時(shí)電流超調(diào)量σi%≤5%。

2.3 調(diào)節(jié)器參數(shù)和結(jié)構(gòu)選取

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)ASR和ACR，先設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)再設(shè)計(jì)外環(huán)。根據(jù)電流超調(diào)量σi%≤5%的要求，電流內(nèi)環(huán)采用工程最佳典型I型系統(tǒng)；根據(jù)轉(zhuǎn)速超調(diào)量σn%≤10%（空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)），同時(shí)為了加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程，減少系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)靜差，轉(zhuǎn)速外環(huán)采用工程最佳典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，中頻段寬度h=5；根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖被控對(duì)像的傳遞函數(shù)，ACR和ASR均選用PI調(diào)節(jié)器，且?guī)л敵鱿薹?，線性調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：

式中：Kp為比例系數(shù)，KI為積分系數(shù)，TI為積分時(shí)間。

3 控制系統(tǒng)的模型建立及仿真

3.1 控制系統(tǒng)仿真模型的建立

根據(jù)控制系統(tǒng)的硬件組成、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及直流電動(dòng)機(jī)的額定參數(shù)，使用Matlab軟件中的Powersystems模塊建立系統(tǒng)的拓?fù)浞抡婺Ｐ腿鐖D3所示。其中ACR和ASR子系統(tǒng)[4]如圖4所示。

圖3 控制系統(tǒng)的拓?fù)浞抡婺Ｐ?/p>

圖4 仿真模型的子系統(tǒng)

仿真模型由主電路和控制電路組成。主電路包括交流電源、變壓器、可控整流（包括整流器、觸發(fā)器、移相控制）和電動(dòng)機(jī)等環(huán)節(jié)?？刂齐娐钒娏髡{(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器及各自的反饋濾波環(huán)節(jié)[5]。

觸發(fā)器為同步6脈沖發(fā)生器（Synchromized 6-Pulse Generator），該模塊有5個(gè)輸入端和1個(gè)輸出端。輸入端AB、BC、CA用于接同步信號(hào)，alpha_deg用于給定移相的控制角，控制角由控制信號(hào)Uct通過移相的控制模塊F on置換而來。移相特性如圖5所示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

圖5 移相特性

控制電路中轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)和電流反饋信號(hào)均取自電動(dòng)機(jī)測量單元的轉(zhuǎn)速和電流輸出端，不會(huì)影響仿真的真實(shí)性；ACR的輸出限幅決定了移相控制角αmin和αmax的值；電流環(huán)的反饋系數(shù)β取0.05，轉(zhuǎn)速環(huán)的反饋系數(shù)α取0.007。

3.2 設(shè)置仿真模塊參數(shù)

供電電源電壓為（αmin=30°）：

電動(dòng)機(jī)參數(shù)Rf、La、Laf、J根據(jù)額定參數(shù)分別計(jì)算，參數(shù)值如圖6所示。其他模塊的參數(shù)按常規(guī)進(jìn)行設(shè)置，不再此累述。

圖6 電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)給定電壓Un*=10V；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的飽和值是12V，輸出限幅值為10V。

3.3 控制系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

仿真算法采用ode15，仿真時(shí)間為2s，電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)，起動(dòng)1s后突加額定負(fù)載。仿真輸出波形如圖7所示。共有4個(gè)量值的輸出波型，分別為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n、電樞電流Id、勵(lì)磁電流If和負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL。

由圖7可見，當(dāng)ACR和ASR參數(shù)設(shè)計(jì)合理時(shí)，雙閉環(huán)系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)了允許的最大電流下準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制要求，電流超調(diào)σi%=4.3%，滿足σi%≤5%的要求，0.87s時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行，空載起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)約為σn%=7.8%，滿足σn%≤10%的要求。穩(wěn)定運(yùn)行后，突加額定負(fù)載，轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)降落小，恢復(fù)時(shí)間約為tv=0.45s，滿足II型系統(tǒng)工程最佳設(shè)計(jì)指標(biāo)[6]要求。通過以上結(jié)果分析，系統(tǒng)反應(yīng)的快速性和抗干擾性能符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期控制目標(biāo)。

圖7 系統(tǒng)仿真輸出波形

4 結(jié)束語

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在自動(dòng)控制領(lǐng)域一直是高頻率使用的傳統(tǒng)的經(jīng)典的控制系統(tǒng)，其是交直流調(diào)速控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)、直流脈寬調(diào)速控制系統(tǒng)及先進(jìn)智能制造控制系統(tǒng)等理論研究及工程實(shí)踐的基礎(chǔ)，針對(duì)不同的被控對(duì)象、不同控制系統(tǒng)的指標(biāo)要求，采用文章中的基于Matlab軟件的Powersystems模塊進(jìn)行建模和仿真調(diào)試，與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)計(jì)調(diào)試方法相比，其表現(xiàn)出安全、高效、低成本等眾多優(yōu)點(diǎn)，在能夠滿足控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的前提下，縮短了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的周期，提升了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性價(jià)比，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率。