1、1双闭环直流调速系统的研究摘要：随着社会的发展与进步，重视双闭环直流调速系统的研究对于现实生活中具有重要的意义。本文主要介绍双闭环直流调速系统的研究的有关内容。 关键词 双闭环；直流；调速；系统；原理；结构；仿真； 中图分类号：U262.27 文献标识码： A 文章编号： 引言 目前，需要高性能可控调速系统的领域多数都采用直流调速系统。转速、电流双闭环调速系统（简称双闭环调速系统）是由单闭环调速系统发展而来的。单闭环调速系统可以实现转速调节无静差，但单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，而用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调
2、速系统，则可以获得近似理想的过渡过程。 一、双闭环直流调速系统原理 双闭环直流调速系统具有良好的稳态和动态性能，它已经成为应用非常广泛的一种调速系统。 在转速、电流双闭环调速系统中，既要控制转速，实现转速无静差调节，又要控制电流使系统在充分利用电动机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，其关键是处理好转速控制与电流控制之间的关系，就是将二者分开，用转速调节器 ASR 调节转速，用电流调节器 ACR 调节电流。2ASR 与 ACR 之间实现串级联接，即以 ASR 的输出电压 Ui 作为电流调节器的电流给定信号，再用 ACR 的输出电压 Uc 作为晶闸管触发电路的移相控制电压。从闭环反馈的结构看，转速
3、环在外面为外环，电流环在里面为内环。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具有输入、输出限幅电路 PI 调节器，且转速与电流都采用负反馈闭环。双闭环调速系统中转速调节器的作用为：（1）实现转速调节无静差，使转速 n 跟随给定电压变化；（2）对负载变化起抗扰作用；（3）能对电流环进行饱和非线性控制，且其输出限幅值决定允许的最大电流。电流调节器的作用为：（1）对电网电压波动起及时抗扰作用；（2）起动时保证获得允许的最大电流，实现最佳起动过程；（3）在转速调节过程中，能使电流跟随其给定电压变化；（4）静态时依靠 ACR 的恒流调节作用可获得理想的下垂特性；（5）当电动机过载甚至堵
4、转时，可限制最大电枢电流，起到快速的安全保护作用，一旦故障消失，系统能自动恢复正常。 二、系统动态结构分析 （1）动态启动过程分析。双闭环直流调速系统突加给定电压 Un*由静止状态启动时，转速和电流的动态启动过程如图 1 所示。由于在起动过程中，转速调节器 ASR 经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的、三个阶段。第阶段是电流上升阶段。第阶段是恒流升速阶段。第阶段是转速调节阶段。 3图 1 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形 用工程设计的方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器，应按照设计多环控制系统“先内环后外环”的一般原则。从内环开始，逐步向外扩展。
5、在双闭环系统中，应该首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统的一个环节，再设计转速调节器。双闭环调速系统系统的实际动态结构框图如图 2 所示，图中增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用 Ton 表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入 时间常数为 Ton 的给定滤波环节。 图 2 双闭环调速系统的动态结构框图 （2）系统保护措施。在电力电子电路中，除了电力电子器件参数选择合适、驱动电路设计良好外，采用合适的过电压保护、过电流保护、du/dt 保护和 di/dt 保护也是
6、必要的。当直流电动机的额定电压为 400V(或 440V)时，主电路交流进线可采用进线电抗器或整流变压器两种方式。当直流电动机额定电压为 220V 时，主电路进线只有采用整流变压器方式。由于设计的双闭环直流调速系统的额定电压是 220V，所以过电压保护选择压敏电阻过电压抑制器 RV 和阀件换相过电压抑制 RC3；过电流保护选择快速熔断器。 （3）相控电路的驱动控制。为保证相控电路的正常工作，很重要的4一点是，应保证按触发角 的大小在正确的时刻，向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。三相全控桥整流电路的集成触发器电路只需用 3 个 KJ004 集成块和 1 个 KJ041 集成块，即可形成六路双脉
7、冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，即构成完整的三相全控桥触发电路。其中，KJ041 内部实际是由 12 个二极管构成 6 个部门，其作用是将 6 路单脉冲输入转换为 6 路双脉冲输出。 三相桥整流器大量用于直流电动机调速系统，且通常要求可实现再生制动，使 Ud= 0 的触发角 = 90。当 90时为整流工作；90时为逆变工作。将 = 90确定为锯齿波的中点，锯齿波向前后各有 90的移相范围。于是 =90与同步电压 300对应，也就是 = 0与同步电压的 210对应。由图 4 可知， = 0对应于阳极电压 ua 的 30。位置，则其同步信号的 180应与 ua 的 0对应，说明 VT1 的同步电压
8、应滞后于 ua180。 图 3 三相全控桥中同步电压与主电路电压关系示意图 三、系统仿真 双闭环直流调速系统主电路，是由交流电源、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成根据转速、电流双闭环直流调速系统的电气原理结构图，采用面向电气原理结构图方法构作的双闭环系统仿真模型如图 4 所示。在仿真模型的整流桥后面，并联了一个二级管桥，它的作用是加快电动机的减速过程，同时避免在整流桥5输出端出现负电压而使波形畸变。 图 4 双闭环直流调速系统仿真 仿真结果如图 5 所示。从图中可以看出，动态调节速度快，而且精度高，能很好的达到高转速、高电压的要求。从此可知双闭环直流调速控制系统的
9、许多优势：容易实现对现有电动机的调速控制，可以实现大范围的高效连续调速控制；容易实现电动机的正反转切换，可以进行高频度的起停运转；可以进行电气制动；电源功率因数大，所需电源容量小，可以组成高性能的控制系统。 图 5 双闭环直流调速系统转速曲线 结束语 纵观运动控制系统的发展历程，交、直流两大电气传动并存于各个工业领域，虽然各个时期科学技术的发展使它们所处的地位、所起的作用不同，但它们始终是随着工业技术的发展，特别是电力电子和微电子技术的发展，在相互竞争、相互促进中，不断完善并发生着变化。从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制有调速系统、位置随动系统、张力控制系统、多电机同步控制系统等
10、多种类型，而各种系统往往都是通过控制转速（更本质地说，是控制电动机的转矩）来实现的，因此调速系统是最基本的拖动控制系统。本文所述的直流调速控制系统6有许多优势，具有较广泛的应用。例如：节能，容易实现对现有电动机的调速控制，可以实现大范围的高效连续调速控制，容易实现电动机的正反转切换，可以进行高频度的起停运转，可以进行电气制动，电源功率因数大，所需电源容量小，可以组成高性能的控制系统。 参考文献 1陈伯时电力拖动自动控制系统M北京：机械工业出版社，2011 2Texas Instruments, Incorporated. TMS320LF240x DSP ControllersRTexas Instruments，Incorporated，2001， （8） 3戴晓星，颜晓河基于 TMS320F240 的双闭环调速系统J机电工程，2010， （12） 4郭东栋单片机控制的直流调速系统J可编程控制器与工厂自动化，2007， （3） 5加云岗，陈增禄计算机控制的双闭环直流调速系统设计J制造业自动化，2006， （4）
