黨曉圓+馬冬梅+曹強(qiáng)

摘 要：該文在分析雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)動(dòng)態(tài)參數(shù)工程設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)，確定了時(shí)間常數(shù)，計(jì)算了系統(tǒng)中ASR和ACR兩個(gè)調(diào)節(jié)器的相關(guān)參數(shù)，校驗(yàn)了調(diào)節(jié)器參數(shù)，校核了轉(zhuǎn)速超調(diào)量和最大速降，并利用MATLAB軟件中Simulink工具建立了雙閉環(huán)V-M調(diào)速控制系統(tǒng)的仿真模型，仿真了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。仿真結(jié)果表明：電機(jī)轉(zhuǎn)速很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，動(dòng)態(tài)過(guò)程比較平穩(wěn)，超調(diào)量小于3%，實(shí)現(xiàn)了小超調(diào)快過(guò)渡時(shí)間的轉(zhuǎn)速控制。

關(guān)鍵詞：雙閉環(huán) V-M調(diào)速 MATLAB/Simulink

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）06（c）-0025-03

近年來(lái)雖然交流電機(jī)的應(yīng)用比較廣泛，但是交流電機(jī)不能在低速環(huán)境下運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩不容易控制，同時(shí)調(diào)速精度不高，因此直流電機(jī)仍在變速運(yùn)動(dòng)控制和閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)中擁有無(wú)與倫比的地位，被廣泛應(yīng)用于精確控制和大范圍調(diào)速場(chǎng)合。尤其是在晶閘管被發(fā)明之后，運(yùn)用電力電子技術(shù)理論設(shè)計(jì)出晶閘管整流裝置，組成晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng)），再利用自動(dòng)控制理論中的雙閉環(huán)控制，在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中加裝速度調(diào)節(jié)器（ASR，Adjustable Speed Regulator）和電流調(diào)節(jié)器（ACR，Adjustable Current Regulator），使得直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速精度更精確，調(diào)速范圍更廣泛，可以實(shí)現(xiàn)精確、高效的調(diào)速控制，并且能耗低節(jié)省資源。

1 雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)

雙閉環(huán)V-M調(diào)速系統(tǒng)是在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中加入了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串聯(lián)連接。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出作為電流調(diào)節(jié)器ACR的輸入，電流調(diào)節(jié)器的輸出控制可控電壓源。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，是內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，是外環(huán)，其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

對(duì)于雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，通常采用工程設(shè)計(jì)的方法來(lái)設(shè)計(jì)電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，遵循先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的設(shè)計(jì)流程。

2.1 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器時(shí)首先將電流環(huán)進(jìn)行一些變換處理，然后再根據(jù)控制要求選擇系統(tǒng)的型別，最后通過(guò)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)確定系統(tǒng)參數(shù)。

由于來(lái)自電流檢測(cè)單元的反饋信號(hào)中常含有諧波或者其他的干擾信號(hào)，為了解決這個(gè)問(wèn)題需要增加低通濾波器，而低通濾波器可以用一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)表示，但是慣性環(huán)節(jié)會(huì)造成反饋信號(hào)的延遲。為了平衡延遲，在給定信號(hào)通道中也加入一個(gè)時(shí)間常數(shù)與之相同的慣性環(huán)節(jié)，稱為“給定濾波”環(huán)節(jié)。

2.1.1 確定時(shí)間常數(shù)

由電流調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)模型可知，需要對(duì)其中的時(shí)間常數(shù)、電流濾波時(shí)間常數(shù)取值，這樣才能得到電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)。

三相橋式電路晶閘管的平均失控時(shí)間為，電流濾波時(shí)間常數(shù)由三相橋式整流電路波形可以得到。我國(guó)電力系統(tǒng)提供的頻率是50 Hz，三相橋式整流電路產(chǎn)生6脈波，在一個(gè)周期內(nèi)的時(shí)間為3.3 ms，因此取電流濾波時(shí)間常數(shù)。Toi=4 ms= 0.004 s這樣得到電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)

2.1.2 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算

因?yàn)閂-M系統(tǒng)中絕對(duì)不能產(chǎn)生靜差，而且系統(tǒng)不允許電流在突然增加的控制下有太大的超調(diào)，不能超過(guò)電流的允許值，電流環(huán)需跟隨系統(tǒng)，超調(diào)量越小越好，所以選擇典型I型系統(tǒng)。顯然，應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器。檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：

，抗干擾性能適中。由典型I型系統(tǒng)參數(shù)與動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)的關(guān)系可知，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)等于電磁時(shí)間常數(shù)0.0434 s。

2.2.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)校驗(yàn)

轉(zhuǎn)速截止頻率：，轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件，而滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.4 轉(zhuǎn)速超調(diào)量的校核

當(dāng)時(shí)，由典型Ⅱ型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)可知，，沒(méi)有達(dá)到要求的設(shè)計(jì)條件。但是，典型Ⅱ型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)是按線性系統(tǒng)計(jì)算的，突然增加階躍信號(hào)，ASR飽和時(shí)不能滿足線性定常系統(tǒng)的條件，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。系統(tǒng)在理想空載起動(dòng)時(shí)，負(fù)載系數(shù)，若， 600r/min，允許過(guò)載倍數(shù)，電樞回路電阻 Ω， V·min/r， s， s，，則調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)械特性的額定穩(wěn)態(tài)速降為：

3 仿真

該設(shè)計(jì)使用MATLAB軟件中的Simulink工具進(jìn)行仿真，雙閉環(huán)V-M調(diào)速控制系統(tǒng)的仿真模型如圖2所示。

利用MATLAB軟件中的Simulink工具對(duì)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行仿真模擬得圖3。由圖3可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，動(dòng)態(tài)過(guò)程比較平穩(wěn)，超調(diào)量小于3%，實(shí)現(xiàn)了對(duì)過(guò)渡時(shí)間的轉(zhuǎn)速控制。因此，將直流晶閘管和電機(jī)結(jié)合再運(yùn)用雙閉環(huán)調(diào)速控制可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速“穩(wěn)”“準(zhǔn)”“快”的控制。

參考文獻(xiàn)

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