基于PWM轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

韋建德

（海南師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，海南 ?？?571158）

基于PWM轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

韋建德

（海南師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，海南 海口 571158）

對(duì)PWM轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了研究，以PWM電力電子變換器產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的直流電源，驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)；選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu),進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和近似校驗(yàn).并對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析，給出其仿真波形.

調(diào)節(jié)器；雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)；穩(wěn)定性；穩(wěn)態(tài)性能；動(dòng)態(tài)性能

在各類(lèi)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中,由于直流電機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)和大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速的性能,直流調(diào)壓調(diào)速技術(shù)已廣泛運(yùn)用于工業(yè)、航天領(lǐng)域的各個(gè)方面.而脈寬調(diào)制（PWM）控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單、靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，最常用的PWM直流調(diào)壓調(diào)速技術(shù)具有調(diào)速精度高、響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬和損耗低等特點(diǎn)，特別在中、小容量的系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用.

1 PWM轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 PWM轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程

起動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速和電流波形見(jiàn)圖1.圖中Id為整流器整流電流，IdL為負(fù)載電流.

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程有以下三個(gè)特點(diǎn)：

1）飽和非線性控制.在第Ⅰ階段的電流上升過(guò)程，當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）不飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng).當(dāng)ASR飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng).

圖1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程Fig.1 Startup process of double close-loop DC motor control system

2）轉(zhuǎn)速超調(diào).在第Ⅲ階段的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程，由于ASR采用了飽和非線性控制，起動(dòng)過(guò)程結(jié)束進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR的輸入偏差電壓△Un為負(fù)值，才能使ASR退出飽和.這樣，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)必然有超調(diào).3）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制.起動(dòng)過(guò)程中的主要階段是第II階段的恒流升速，它的特征是電流保持恒定.

一般選擇為電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，以便充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，使起動(dòng)過(guò)程盡可能最快.這階段屬于有限制條件的最短時(shí)間控制.因此，整個(gè)起動(dòng)過(guò)程可看作為是一個(gè)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制[1].

1.2 PWM轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

為了實(shí)現(xiàn)直流調(diào)速系統(tǒng)快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小，在系統(tǒng)中能夠隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過(guò)程，設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖2，系統(tǒng)中有電流調(diào)節(jié)器（ACR）和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）兩個(gè)調(diào)節(jié)器，為了濾除電流檢測(cè)信號(hào)中的交流分量，電流檢測(cè)通路中加入一階慣性環(huán)節(jié)起低通濾波作用；由于轉(zhuǎn)速反饋電壓中含有換向紋波和交流分量（噪聲），轉(zhuǎn)速反饋通路中也加入濾波環(huán)節(jié)，為了平衡反饋通路中的濾波環(huán)節(jié)帶來(lái)的延遲作用，電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入都加入了同等時(shí)間常數(shù)的濾波環(huán)節(jié).電流調(diào)節(jié)器處于內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)處于外環(huán)，設(shè)計(jì)過(guò)程先進(jìn)行內(nèi)環(huán)后進(jìn)行外環(huán).設(shè)計(jì)的基本數(shù)據(jù)為：

采用三相橋式整流裝置，直流電動(dòng)機(jī)：額定電壓220 V，額定電流13.6 A，額定轉(zhuǎn)速1 480 r/min，電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ce=0.131 V/（r·min-1），允許過(guò)載倍數(shù)λ=1.5；晶閘管裝置放大系數(shù)Ks=76；電樞回路總電阻R=6.58 Ω；電磁和機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tl=0.018 s，Tm=0.25 s；轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)α=0.003 37 V/（r·min-1），β=0.4 V/A；反饋濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.005 s，Ton=0.005 s.

1.3 設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器

為使在突加控制作用時(shí)電流沒(méi)有太大的超調(diào)，電流環(huán)以跟隨性能為主，穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，將電流內(nèi)環(huán)校正成典型Ⅰ型系統(tǒng)，電流調(diào)節(jié)器ACR采用PI調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)為：

式中τi為電流調(diào)節(jié)器時(shí)間常數(shù)，Ki為電流調(diào)節(jié)器放大系數(shù).要求電流超調(diào)量σi≤5%，選擇電力電子變換器滯后時(shí)間參數(shù)TS：

1.4 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，設(shè)計(jì)系統(tǒng)成典型Ⅱ型系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR采用PI調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)為：

式中τn為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時(shí)間常數(shù)，Kn為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器放大系數(shù).經(jīng)推算化簡(jiǎn)得調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)（輸入等效為/α）為：

其中：（以空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量σn≤10%，取開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性中頻寬h=5）

1.5 PWM轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

系統(tǒng)的特征方程為：

由勞斯判據(jù)可知系統(tǒng)是穩(wěn)定的.

2 借助Simulink仿真得到PWM轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真波形

2.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR輸出、電流調(diào)節(jié)器ACR輸出和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)動(dòng)態(tài)特性仿真

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR輸出仿真波形、電流調(diào)節(jié)器ACR輸出仿真波形和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性仿真波形分別見(jiàn)圖3～圖5.

圖3 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性Fig.3 The startup characteristic curve of the motor

圖4ASR的輸出特性Fig.4 The output characteristic curve of ASR

圖5ACR的輸出特性Fig.5 The output characteristic curve of ACR

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可見(jiàn)：

1）圖3所示的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性十分接近理想特性，如圖1示，起動(dòng)過(guò)程已達(dá)到預(yù)期目的.

但對(duì)于系統(tǒng)性能指標(biāo)來(lái)說(shuō)，起動(dòng)過(guò)程中電流的超調(diào)量為5.3%，轉(zhuǎn)速的超調(diào)量達(dá)21.3%，顯然這一指標(biāo)與理論最佳設(shè)計(jì)尚有一定的差距，尤其是轉(zhuǎn)速的超調(diào)量略高一些.

2）由圖5示的電流調(diào)節(jié)器ACR從起動(dòng)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行只經(jīng)歷線性調(diào)節(jié)一種狀態(tài).而由圖4示的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR從起動(dòng)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行經(jīng)歷了飽和限幅輸出與線性調(diào)節(jié)兩種狀態(tài).

2.2 系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在突加負(fù)載及電網(wǎng)電壓突加情況下動(dòng)態(tài)特性的仿真

一般情況下，雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的外部干擾主要是“負(fù)載突變與電網(wǎng)電壓波動(dòng)”兩種情況，其仿真波形見(jiàn)圖6、圖7，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可見(jiàn)：

圖6 突加負(fù)載抗擾特性Fig.6 The anti-interference characteristic curve of load

圖7 電網(wǎng)電壓突加抗擾特性Fig.7 The anti-interference characteristic curve of electric power voltage

1）系統(tǒng)對(duì)負(fù)載的大幅度突變具有良好的抗擾能力，在ΔI=12 A的情況下系統(tǒng)速降為Δn=44 r/min，恢復(fù)時(shí)間為tf=1.5 s.2）系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電壓的大幅波動(dòng)也同樣具有良好的抗擾能力.在ΔU=100 V的情況下，系統(tǒng)速降僅為9 r/min，恢復(fù)時(shí)間為tf=1.5 s.3）與理想的電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性相比較，該系統(tǒng)的起動(dòng)和恢復(fù)時(shí)間顯得略長(zhǎng)一些（輕載狀態(tài)下接近4 s）.

3 結(jié)語(yǔ)

1）仿真結(jié)果與理論設(shè)計(jì)有一定的差距，由圖3可見(jiàn)，電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量為δ=5.3%（理論值為小于5%，取4.3%），轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)超調(diào)量為δ=21.3%（理論值為小于10%，取8.3%）.另外，ASR與ACR的參數(shù)與理論設(shè)計(jì)值也有差距.

2）由仿真結(jié)果，從動(dòng)態(tài)過(guò)渡時(shí)間及動(dòng)態(tài)恢復(fù)時(shí)間體現(xiàn)出系統(tǒng)還未調(diào)整到最佳狀態(tài)，對(duì)于小功率電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)系統(tǒng)的響應(yīng)慢了一點(diǎn).

所以，對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)，還需進(jìn)行實(shí)際調(diào)整調(diào)節(jié)器參數(shù)以使系統(tǒng)達(dá)到最佳狀態(tài)，滿足實(shí)際要求.

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The Speed&Current Double Close-loop DC Motor Control System Based on PWM

WEI Jiande
（College of Physics and Electronic Engineering，Hainan Normal University，Haikou571158，China）

The speed¤t double close-loop DC motor control system based on PWM produced adjustable DC power supply with the PWM electric power electronics transformation and adjustable speed of DC.A modulator structure was selected and computed,and its parameter was corrected.The system stability,&steady-state performane and dynam?ic-state performance were analyzed,and its simulation waveform was given.

Regulator；double close-loop DC motor control system；stability；steady-state performance；dynamic-state performance

TM 33

A

1674-4942（2010）04-0383-04

2010-07-09

黃 瀾