基于带PI调节器和电流截止负反馈的直流调速系统研究

摘 要 传统直流电动机调速系统主要以变压调速为主，通过控制专门的直流电源来调节电枢电压。由于是开环系统，存在静态特性差、静差率高、调速范围有限等问题，根据直流电动机数学模型，电力电子装置传递函数，提出了转速负反馈直流闭环控制系统，再加上比例放大器，解决了开环所产生的问题。在此基础上，针对闭环调速系统中的动态稳定性和稳态性能指标的问题，提出了运用PI调节器进行动态串联校正，同时针对系统起动和堵转时电流过大的问题，提出了电流截止反馈。最后通过matlab/simulink仿真软件分别对三种控制方式进行了仿真，仿真结果表明，PI调节器和电流截止负反馈能够解决上述问题。

关键词 开环系统；转速反馈；PI调节器；电流截止

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）20-0067-02

在现代工业生产中，大量的机械要求能改变工作速度。例如使用车床切削金属，当选择不同的材料或者加工零件时选择精加工、粗加工，要求的速度就不同。又如轧钢机，根据不同品种和厚度的材料，需要合适的转速。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速。近年来，虽然高性能交流调速技术发展迅速，并在逐步取代直流调速系统，但是，直流电机控制在理论和实践都比较成熟，仍然在很多场合应用广泛。因此，控制好直流电机对于工业生产具有重要的意义。

所谓调速就是根据电力拖动系统的负载特性，改变电动机的机械特性来人为地改变系统的转速，使电动机运行在另一条机械特性曲线上而使系统的转速发生相应的变化。主要有三种方式：1）改变电枢串联电阻调速；2）改变电动机的弱磁调速；3）改变电枢电压调速。在这三种方式中，电枢电压调速应用最多，因为它能够实现无极调速、稳定性较好、调速范围较广、调速过程中损耗量较少。本文在调压调速的基础上，对转速负反馈、带PI调节器、带电流截止负反馈的直流闭环调速系统进行了分析，并运用matlab/simulink软件对其三种控制方式进行了仿真，并进行了对比分析，验证了带PI调节器和电流截止负反馈的优越性。

1 转速负反馈闭环控制系统

传统直流调速系统运用较多的是晶闸管-电动机调速系统，但由于其是开环系统，其静态特性差、静差率高、调速范围有限，而闭环调速系统在增设电压放大器以及检测和反馈装置后，能够改进此问题。通过分析直流电动机在额定励磁下的等效电路，得出了其电压与转速之间的传递函数，并在此基础上加入比例放大器和电力电子环节，得到转速负反馈直流调速系统的动态结构框图，包括比例环节，电力电子一阶惯性环节，直流电机动态模型。

2 带PI调节器的转速负反馈系统

在设计闭环调速系统时，常常会遇到动态稳定性和稳态性指标发生矛盾的情况，为了解决此问题，需要设计合适的动态校正装置同时满足动态稳定性和稳态性能指标两方面的要求。对于带电力电子变换器的直流变换调速系统，由于其传递函数阶次低，一般采用PID调节器来进行校正，将其串联在电路中。由于PI调节器构成的滞后校正，可以保证稳态精度，但是其快速性降低，一般调速系统以动态稳定性和稳态精度为主，快速性要求不高，所以采用PI调节器进行校正能满足其要求。

3 带电流截止负反馈的转速闭环系统

直流电动机全压启动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这对于电动机的换向器和电力电子器件来说书是不允许的。在转速负反馈的闭环系统中，突然加上给定电压，由于放大器和变换器惯性都很小，其反馈电压几乎为0，此时偏差电压过大，会产生全压启动。另外，有些生产机械的电动机可能会遇到堵转问题，由于闭环系统的静态性很硬，若无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值，如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一旦过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。

根据自动控制原理，为了解决转速闭环反馈系统起动和堵转电流过大的问题，就应该控制电枢电流基本不变，使它不超过允许值。这种结构应在起动和堵转发生作用，在正常运行和停转时又要取消工作，这种结构就叫做电流截止负反馈。

4 仿真

仿真是系统分析控制的重要手段和方法，随着计算机技术飞速发展，可以运用计算机软件对控制系统进行模拟实验，当在计算机运行，并可行后，就可以把控制系统应用到实际中去。本文采用美国Math Works公司的Matlab2008a版本仿真软件，其在控制系统、系统处理、模糊控制、神经网络及电力系统等领域应用广泛，本文运用SimPowerSystems和Simulink模块对系统进行仿真。

本控制系统的仿真参数：电动机额定电压220 V，额定电流52 A，额定转速1460 r/min， 飞轮力矩GD2=10 N.m2，电枢电阻Rs=0.5Ω，系统主电路电阻R=1Ω，整流变压器采用Y/Y联结，二次侧线电压220 V，整流环节的放大系数Ks=40，测速发电机额定数据为23.1 W，110 V，0.18 A，1800 r/min，系统调速指标D=10，转差率s≤5。在此基础上，分别对转速负反馈、带PI调节器、带电流截止负反馈的直流闭环调速系统进行仿真，并对其电枢电流和转速波形进行分析对比。

运用matlab/simulink仿真软件搭建的转速负反馈模型，包括比例环节，电力电子一阶惯性环节，直流电动机等效数学模型，通过查表和计算，得到滞后的时间常数Ts为0.00167 s，电力拖动机电时间常数TM为0.158 s，电枢回路电磁时间常数TL为0.0177 s。

图1（a）为电枢电流波形图，其电枢电流呈现振荡衰减趋势，一开始超调量很大，最大值达到2000，时间到达0.25 s后，才基本稳定，图1（b）为转速波形图，从图中可以看出，其转速波形一开始呈现振荡趋势，且超调量很大，最高达到2300 r/min，时间到达0.25 s后才能基本稳定，稳定值为1400 r/min。可以看出，转速负反馈中的起动电流过大，转速偏差值大，对电机具有一定的危害。

（a）电枢电流波形

（b）转速波形

图1 转速负反馈电枢电流和转速波形图

带PI调节器的转速负反馈搭接模型，在转速负反馈模型图的基础上，在比例放大器和电力电子一阶惯性关节中加入PI调节器，选择适当的比例积分参数最后得到波形，图2（a）为电枢电流波形，从图中可以看出，其最大值540 r/min，时间达到0.2 s时基本稳定在0。图2（b）为转速波形，从图中可以看出，其最大值为1560 r/min，时间达到0.2 s后基本稳定在

1440 r/min.相比于转速负反馈，电枢电压和转速的超调量小，稳定时间短，系统的动态稳定性和稳态性能指标较好。

（a）电枢电流波形

（b）转速波形

图2 带PI调节器的转速负反馈电枢电流和转速波形图

带电流截止负反馈环节的搭接模型是在带PI调节器转速负反馈的基础上加入了电流截止环节。图3（a）为电枢电压波形，从图中可以看出，虽然稳定时间较长，但电枢电流最大值不到100 A，大大减小了起动电流过大的问题。图3（b）为转速波形虽然转速稳定在1440 r/min的时间较长，但是其超调量非常小。从以上分析可以得出，带电流截止负反馈环节的闭环系统相比于带PI调节器的转速闭环系统，其起动电流较小，转速偏差很小，对直流电动机起动冲击较小。

（a）电枢电流波形

（b）转速波形

图3 带电流截止的转速负反馈电枢电流和转速波形图

5 结论

本文主要分析了直流电动机调速控制方法，从传统的开环晶闸管-电动机调速系统中出现的静态特性差、静差率高、调速范围有限等问题，提出了转速负反馈直流调速系统，问题得到了解决。但转速负反馈系统中，动态稳定性和稳态性指标会有所矛盾，为解决此问题，根据自动控制中的校正，将PI调节器串入电路中，其动态稳定性和稳态性指标都较好。但该系统中，起动电流较大，转速超调过大，这对电动机损害较大，为解决此问题，在电枢电流回路中加入电流截止环节。最后通过matlab/simulink软件对这三种控制方式进行了仿真，从仿真波形图中可以看出，带PI调节器和带电流截止负反馈的转速闭环系统，解决了动态稳定性和稳态性能指标和起动时电流过大的问题，提高了系统的稳定性，对电机冲击较小。

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