轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)

摘 要：在需要高性能調(diào)速控制的工業(yè)生產(chǎn)中，直流調(diào)速系統(tǒng)有著極其重要的作用。分析了單閉環(huán)控制和雙閉環(huán)控制各自的特點(diǎn)，若采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制，可以使直流調(diào)速系統(tǒng)能更好地滿足電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能要求，實(shí)現(xiàn)快速的啟制動(dòng)。為此進(jìn)行了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙閉環(huán)控制。

關(guān)鍵詞：直流調(diào)速系統(tǒng)；電機(jī)；反饋；單閉環(huán)；雙閉環(huán)

調(diào)速系統(tǒng)是目前電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的系統(tǒng)，近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)迅速發(fā)展，基本取代了直流調(diào)速系統(tǒng)，但是，直流電動(dòng)機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速性能優(yōu)良，直流拖動(dòng)系統(tǒng)在理論和技術(shù)上都比較成熟，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用，目前的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中在需要高性能調(diào)速的領(lǐng)域大多采用直流調(diào)速系統(tǒng)。

1 單閉環(huán)和雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的概述

直流調(diào)速系統(tǒng)目前雖然被交流調(diào)速取代，但是直流調(diào)速在某些場(chǎng)合大有用處，其中最簡(jiǎn)單的直流調(diào)速控制是采用單閉環(huán)控制，也就是系統(tǒng)中只有一個(gè)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制。單閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定性好、可靠性高，當(dāng)采用比例積分調(diào)節(jié)器還可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無靜差控制，但是，如果實(shí)際調(diào)速系統(tǒng)不僅要求轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，還需要較高的調(diào)速動(dòng)態(tài)性能時(shí)，比如要求調(diào)速系統(tǒng)能快速的起制動(dòng)，系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)能減小動(dòng)態(tài)速降等，則單閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)就難以滿足要求了，主要原因在于單閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)在工作時(shí)不能隨心所欲地控制轉(zhuǎn)矩和電流的動(dòng)態(tài)變化過程，在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，雖然采用電流截止負(fù)反饋能控制電流，但這種反饋只能在電機(jī)超過臨界電流值以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔脕硐拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)變化波形。在實(shí)際生產(chǎn)中需要頻繁正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的直流調(diào)速系統(tǒng)，提高生產(chǎn)率的重要因素就是縮短起、制動(dòng)過程的時(shí)間。就這要求調(diào)速系統(tǒng)在起動(dòng)和制動(dòng)過程中，要始終保持電流為電機(jī)允許的最大值，以便使電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大值，才能使調(diào)速系統(tǒng)以最大的加減速度運(yùn)行，滿足實(shí)際工作中對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的要求。實(shí)際系統(tǒng)中除了要滿足快速的啟制動(dòng)外，還要實(shí)現(xiàn)當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到希望的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，電流降到與負(fù)載電流一致，使電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，最終使直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。為此在直流調(diào)速系統(tǒng)中普遍采用轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，就可以滿足對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求，若其中的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器采用比例積分控制，還可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差控制。采用轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)控制的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，雖然系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，但是能保證調(diào)速系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，同時(shí)能滿足調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)要求，很好地滿足了實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的需求。

2 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是在單閉環(huán)轉(zhuǎn)速反饋的基礎(chǔ)上，又增加了電流反饋，并且兩種反饋要相互限制，不能同時(shí)工作，具體是要使調(diào)速系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，以便實(shí)現(xiàn)最大恒值電流的啟動(dòng)，使啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大，減少電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間，而在電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，則需要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起作用，暫不需要電流負(fù)反饋，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的平衡。為了使轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)負(fù)反饋分別起作用，必須在系統(tǒng)里設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器以達(dá)到分別控制，才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的直流調(diào)速控制，具體系統(tǒng)由給定環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）、電流調(diào)節(jié)器（ACR）、整流觸發(fā)裝置、兩個(gè)反饋環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)速檢測(cè)和電流檢測(cè)、被控對(duì)象直流電機(jī)等。系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速環(huán)是由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)速檢測(cè)反饋回路構(gòu)成的，電流環(huán)是由電流調(diào)節(jié)器ACR以及電流檢測(cè)反饋回路構(gòu)成的，轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的連接采用嵌套結(jié)構(gòu)，具體來說是電流環(huán)在里面，轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，所以，電流環(huán)也稱為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)則稱為外環(huán)，兩者之間的連接關(guān)系是外環(huán)包圍內(nèi)環(huán)，也就是電流環(huán)是轉(zhuǎn)速環(huán)的其中一部分。為了使直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，滿足工作性能要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器通常都采用比例積分調(diào)節(jié)器，以滿足對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。

3 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)單元模塊設(shè)計(jì)

3.1 轉(zhuǎn)速給定模塊 轉(zhuǎn)速給定模塊是雙閉環(huán)直流調(diào)速中的給定環(huán)節(jié)，主要是通過滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)電阻值來改變給定信號(hào)的電壓值。轉(zhuǎn)速給定可以產(chǎn)生極性可變、幅值可調(diào)的可平滑調(diào)節(jié)的給定電壓。

3.2 轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊 轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊主要由測(cè)速發(fā)電機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)同軸相連來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量，并把轉(zhuǎn)速檢測(cè)信號(hào)反饋到給定輸入端，通過給定量與反饋量的比較，開控制轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。

3.3 電流檢測(cè)模塊 電流檢測(cè)模塊主要是實(shí)現(xiàn)電流負(fù)反饋，目的是控制電流使其滿足電機(jī)啟動(dòng)和制動(dòng)的要求，它是將電機(jī)的實(shí)際電流反饋送到控制器中，實(shí)現(xiàn)電流的控制。

3.4 電源模塊 電源系統(tǒng)是直流調(diào)速系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，主要給系統(tǒng)給定模塊提供電源，直流穩(wěn)壓電源主要由整流電路和濾波電路兩部分組成。整流電路主要將交流電變換成直流電。濾波電路主要是濾除干擾信號(hào)，使輸出電源平滑。

3.5 控制模塊 控制模塊是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，主要是通過控制轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR的不同工作情況，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)分開工作，有助于直流調(diào)速系統(tǒng)滿足實(shí)際工作動(dòng)態(tài)性能的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的相互配合，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)暫不起作用，讓電流環(huán)起主要作用，實(shí)現(xiàn)最大恒值電流啟動(dòng)，保證啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大，電機(jī)啟動(dòng)快，時(shí)間短，能滿足對(duì)電機(jī)系統(tǒng)快速啟動(dòng)的要求。當(dāng)直流電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，則轉(zhuǎn)速環(huán)起主要作用，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差控制，電流環(huán)則不起作用，電機(jī)額定電流與負(fù)載電流達(dá)到平衡，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差控制，滿足對(duì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的要求。這就充分體現(xiàn)了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的優(yōu)越性，可以更好的滿足實(shí)際需求。

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作者簡(jiǎn)介：

肖寶（1993-），男，新疆石河子人，塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化專業(yè)，本科，電氣化16-3班學(xué)生。