试论双闭环直流调速系统性能改善的根本原因

1、电机控制技术论文题目试论双闭环直流调速系统性能改善的根本原因 姓 名： 班 级： 学 号： 指导教师： 引 言直流电动机具有良好的启动，制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。近年来，虽然高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统已逐步取代直流调速系统。然而，直流拖动控制系统不仅在理论上和实践上都比较成熟，目前还在应用：而且从控制规律的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础。因此，掌握直流拖动控制系统的基本规律和控制方法是非常必要的。就目前而言，转速，电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广的直流调速系统。因为转速

2、单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电流（或电磁转矩）的动态过程，要使经常正反转运行的调速系统缩短起、制动时间以提高生产率，就要使转矩和电流两个负反馈分别起作用，在系统中设置两个调节器，二者之间实行嵌套连接。本文中首先讨论了直流电动机的运动方程和数学模型，然后论述了双闭环直流调速系统的组成，最后分析了双闭环直流调速系统的静态特性、动态特性和启动特性，利用MATLAB/Simulink搭建双闭环直流调速系统仿真模型，通过仿真结果说明双闭环直流调速系统有良好的动态特性。通过这门课程的学习，我懂得了很多关于电力拖动系统运动控制的知识，也具备了一定的通过运用理论上所掌握的知识来独立发现问题、思考问题、

3、解决问题的能力。而在这次的论文中，我又一次重新学习了转速、电流双闭环直流调速系统，对双闭环直流调速系统的控制方式有了进一步的了解。1、电动机的运动方程 运动控制系统的基本运动方程式： （1-1）式中 J机械转动惯量（kg）； 转子的机械角速度（rad/s）； 转子的机械转角（rad）； 电磁转矩（Nm）； 负载转矩（Nm）； D阻转矩阻尼系数； K扭转弹性转矩系数。若忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，则运动控制系数的基本运动方程式可简化为 （1-2） 则电力拖动系统的运动方程可写为： （1-3） 式中，为转动惯量，称为飞轮力矩，单位为；n为转子的机械转速（r/min）；T为电磁转矩，为负载转矩。运动

4、控制系统的任务就是控制电动机的转速和转角，对于直线电动机来说是控制速度和位移。由式（1-1）和式（1-2）可知，要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机的电磁转矩，使转速变化率按人们期望的规律变化。因此，转矩控制是运动控制的根本问题。 对于电机而言，主要是控制电磁转矩，在励磁电流稳定的情况下，主要是对电流的控制。2、直流电动机的数学模型双闭环直流调速系统的动态数学模型：图一 双闭环控制系统的动态结构框图双闭环直流调速系统的动态结构图如图所示，图中WASR(s)和WACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流显露出来。 3、双闭

5、环直流调速系统的组成为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套（或称串级）连接，如图所示。把转速调节器ASR的输出当做电流调节器ACR的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称为内环；转速环在外边，称做外环。这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，输入输出均设有限幅电路，转速调节器ASR的输出限幅(饱和)电压是，它决定了电流调节器给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压是，它限制了晶闸

6、管整流器输出电压的最大值。其中转速调节器是转速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。它还对负载变化起扰动作用，其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。电流调节器作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压变化。它还对电网电压的波动起及时抗扰的作用，在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用，一旦故障消失，系统立即自动恢复正常，这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。其原理图如下： 图二 转速、电流反馈控

7、制直流调速系统原理图第一阶段为电流上升阶段，突加给定电压后，经过两个调节器的跟随作用，、都上升，但是在没有达到负载电流以前，电动机还不能转动，当后，电动机开始启动，由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，故障因而转速调节器ASR的输入偏差电压（）的数值仍较大，其输出电压很快达到限幅值，强迫电枢电流迅速上升，直到，电流调节器很快就压制了的增长。第二阶段为恒流升速阶段，在这一阶段中，ASR始终时是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给定下的电流调节系统，基本上保持电流恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长，是启动过程的主要阶段。当阶跃扰动作用在ACR之后时，能够实现稳态无静差，而对斜坡扰

8、动则无法消除静差。在恒流升速阶段，电流闭环调节的扰动是电动机的反电动势，所以系统做不到无静差，而是略低于。为了保证电流环的这种调节作用，在启动过程中ACR不应饱和。第三阶段为转速调节阶段，当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差为零，但其输出却是由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入无偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，和很快下降。但是，只要仍大于负载电流，转速就会继续上升。直到=时，转矩，=0，转速n达到峰值。在最后的转速调节阶段，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使尽快地跟随其给定值，或者说，电流内环是一个

9、电流跟随子系统。双闭环直流调速系统启动过程的转速和电流波形如下图所示：图三 双闭环直流调速系统启动过程动态波形由此可见，双闭环直流调速系统的启动过程有以下三个特点：（1）、饱和非线性控制。随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于两种完全不同的状态，在不同的情况下表现为不同结构的线性系统，只能采用分段方法来分析。（2）、转速超调。当转速调节器ASR采用PI调节器时，转速必然会有超调。（3）、准时间最优控制。在设备物理上的允许条件下实现最短时间的控制称为“时间最优控制”。对于调速系统，在电动机允许过载能力限制下的恒流启动，就是时间最优控制。由于在启动过程中，第I、III两段电流不能突变，所以实际启动

10、过程与理想启动过程还是有一些差距，不过这两段的时间只占全部起动时间中很小的成份，已无伤大局，故可称作为“准时间最优控制”。 对于不可逆的电力电子变换器，双闭环控制只能保证良好的启动性能，却不能产生回馈制动，在制动时，当电流下降到零以后，只好自由停车。4、性能分析 1、 动态跟随性能： （1）、上升时间t：表示动态响应的快速性。 （2）、超调量与峰值时间：超调量反应系统的相对稳定性，超调量越小，系统相对越稳定。 （3）、调节时间：调节时间既反映了系统的快速性，也包含了它的稳定性。2、动态抗扰性能 ：一般来说，双闭环直流调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，另一个重要的动态性能是扰动性能，

11、主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。 （1）抗负载扰动。负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，应要求有较好的的抗扰性能指标。 （2）抗电网电压扰动。电网电压变化对调速系统也产生扰动作用。电网电压扰动和负载扰动在系统动态结构图中作用的位置不同，系统对它的动态抗扰效果也不一样。单闭环调速系统中，电网电压扰动和负载电流扰动都作用在被负反馈环包围的前向通道上，仅就静特性而言，系统对它们的抗扰效果是一样的。但是从动态性能上看，由于扰动作用的作用点不同，还存在着能否及时调节的差别。负载扰动能够比较快地反应到被调量n的上。而电网电压扰动的作用点则离被

12、调量更远，调节作用受到延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能差一些。在双闭环调速系统中，由于增设了电流内环，由于电网电压扰动被包围在电流环之内，当电压波动时，可以通过电流反馈得到及时的调节，不必等到影响到转速后才在系统中有所反应，因而使抗扰性能的到改善。因此，在双闭环调速系统中，由电网电压波动引起的动态速降会比单闭环系统中小得多。采用了转速，电流反馈控制直流调速系统，设计者要选择ASR和ACR两个调节器的PI参数，有效的方法是使用调节器的工程设计方法。这样可使设计方法规范化，大大减少了设计工作量。但工程设计是在一定的近似条件下得到的，如果用MATLAB仿真软件进行仿真，可以根据仿真结果对设

13、计参数进行必要的修正和调整。（1） 电流环的仿真：电流环的仿真模型如下图：图四 电流环的仿真模型例如，以KT=0.25的关系式按典型I型系统的设计方法得到了PI调节器的传递函数为0.5067+，很快得到了电流环的阶跃响应的仿真结果如下图：图五 电流环仿真结果（2） 转速环的仿真：转速环的仿真模型如下图：图六 转速环的仿真模型转速环的仿真结果如下图：图七 转速环的仿真结果5、结论有以上的分析可见，双闭环直流直流调速系统具有良好的启动过程，既可以保证动态稳定性又可以消除静差，相对于单闭环调速系统，双闭环具有很大的优势。由此可见对转速进行控制的根本就是对转矩进行控制，根本上就是对电流进行控制。双闭环系统性能改善的根本原因就在于在控制回路中加入了电流环，对电流进行了控制。参考文献：1阮毅,陈伯时.电力