双闭环直流调速系统

　随着生产技术的发展，对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面，提出了更高的要求，这就要大量使用调速系统。由于直流电动机的调速和转矩控制性能好，从20 世纪30 年代起就开始使用，其中最典型的是转速电流双闭环控制的直流调速系统。
1、系统设计原理
为了实现转速和电流两种负反馈分别作用，我们在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间嵌套联接。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，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，称作内环；转速环在外面，称作外环。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PI 调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路如图1 所示。

图1 转速、电流双闭环直流调速系统电路原理图
图中标出了两个调节器输入输出的电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc 为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR 的输出限幅电压Uim* 决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR 的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。
2、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2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Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个阶段。第Ⅰ阶段是电流上升阶段。第Ⅱ阶段是恒流升速阶段。第Ⅲ阶段是转速调节阶段。

图2 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。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3 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3 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，很重要的一点是，应保证按触发角α 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α = 90°。当α＜90°时为整流工作；α＞90°时为逆变工作。将α = 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α =90°与同步电压300°对应，也就是α = 0°与同步电压的210°对应。由图4 可知，α = 0°对应于阳极电压ua 的30°的位置，则其同步信号的180°应与ua的0°对应，说明VT1 的同步电压应滞后于ua180°。

图4 三相全控桥中同步电压与主电路电压关系示意图
3、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5 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，同时避免在整流桥输出端出现负电压而使波形畸变。

图5 双闭环直流调速系统仿真
仿真结果如图6 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6 双闭环直流调速系统转速曲线
4、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。