的双闭环直流调速系统仿真负载怎么设置
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的双闭环直流调速系统仿真负载怎么设置
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- 2021-12-22 02:14
在分析电压负反馈电流补偿直流调速系统的基础上，本文提出在主电路中增加了串联的取样电感，用来提取电枢自感电动势产生的压降。改进后的电流正反馈能补偿由电枢内阻和自感电动势产生的压降，提高了动态电流变化时电流补偿的精度。根据转速、电流双闭环调速系统的设计方法，用Simulink做了带电流补偿的电压负反馈直流调速系统仿真，仿真结果证明，增加取样电感后可以消除电流补偿的滞后，在忽略参数变化的影响下精确地补偿电枢压降，改进后的电压负反馈电流补偿能够获得跟转速负反馈同样的效果。
关键词：电流补偿 电枢压降 直流双闭环调速系统
中图分类号：TM13 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2006）09-0071-02
一、引言
在励磁电流不变的前提下，直流电动机的转速与直流电机电枢绕组的感应电动势成正比。利用电压负反馈电流补偿来代替转速负反馈，可以节省测速装置，降低调速系统成本。
采用主电路串入取样电阻Rs，形成电流正反馈，只能补偿电枢内阻产生的压降，而不能补偿电枢自感产生的压降。文献[1]提出利用电桥法检测电枢电动势来代替转速负反馈，这种法可没有考虑电枢自感电动势的影响。在直流双闭环调速系统的调速过程中，电枢电流变化率很大，产生的自感电动势也大，因此电流补偿的误差也很大。针对电流补偿的缺点可以做以下改进，在主电路中增加一个串联电感，来提取由电枢自感电动势产生的压降，这样就可以保证在电流变化率很大时，电流补偿能精确地补偿电枢压降。
二、电流补偿的改进
如图（1）为改进后的电压负反馈电流补偿直流调速系统原理图。针对电流补偿电路不能补偿电枢自感电动势产生的压降，可以在调速系统的主电路中增加一个取样电感Ls，和取样电阻Rs一起提取电枢压降信号。L0为平波电抗器，Ra为电枢电阻，La为电枢自感，当它们满足如下关系时：
M
Un
R0
R1
Rf
Uct
L0
Rbal
B
A
Ls
Rs
R1
R2
C
D
图（1） 带电流正反馈电压负反馈调速系统原理图
（1）
k为分压电阻的分压比，根据以上比例关系就可以计算出电枢的反电动势：
（2）
（3）[2]
（4）
Ea为电枢反电动势，Ia为电枢电流。将（1），（2），（4）代入（3）可得
（5）
（6）
由（6）可知UAB的大小跟电枢反电动势成正比，将UAB经过电阻Rf引入到给定电压的反向输入端，形成电动势负反馈，来代替转速反馈。通过调整反馈电阻Rf的大小，可以调节电动势反馈的强度。与普通电流正反馈电路相比，加入了取样电感，只要满足（1），在电枢电流变化时也能精确地测量出电枢电动势，提高调速系统的快速性。电压负反馈加上电流补偿，形成电动势负反馈，电动势的大小跟转速成正比。
三、电动势负反馈的双闭环调速系统仿真
对于经常需要正反转运行的可逆调速系统，为了提高调速系统的动态性能，采用转速、电流双闭环调节。
调速系统基本参数如下：
直流电动机：220V，136A，1460r/min，Ce=0.132min/r，允许过载倍数λ=1.5。晶闸管放大倍数Ks=40、电枢电阻Ra=0.5Ω、时间常数：Tl=0.03s，Tm=0.18s、电流反馈系数：β=0.05V/A、转速反馈系数：α=0.007Vmin/r
转速和电流调节器都采用PI调节器，转速调节器的限幅值为：V
主电路增加串联电感后，能够获得根转速成正比的电动势负反馈信号，因此可以根据转速、电流双闭环调速系统[3]来设计仿真。图（2）为电动势反馈双闭环直流调速系统图，在仿真模型中引入电压信号代替转速信号。
由于仿真比较复杂，可以将框图分解成若干个具有独立功能的子系统[4]，两个PI调节器都用到了子系统模块。仿真还用到了Simulink/Power System模块[5]。
为了减小超调量，提高系统的稳定性可以在电动势负反馈中加入适当的微分环节。微分反馈系数太小时效果不显著，系数太大时，调速过程延长，容易引起振荡，使系统不稳定。微分反馈系数可以采用试凑法来确定，也可以根据经验公式求出来，再用仿真来检验和调整。
图（2） 电动势反馈双闭环直流调速系统模型图
仿真采用ode23s算法，给定转速设为1400转，负载设为10%额定负载，仿真时间设为2秒，设好各模块的初始值之后，运行仿真，可以得到如图（3）、图（4）的电流曲线和转速的曲线。
2
1
2
图（3） 电流曲线
3
4
图（4）转速曲线
在图（3），（4）中，曲线1，3分别为加入了取样电感的电流时间曲线和转速时间曲线，在起动过程中电流快速上升或下降、电流变化率很大时，补偿电路仍然能精确地补偿电枢压降。起动时，转速偏差很大，转速调节器迅速达到饱和状态，由电流调节器来调节电枢电流，电枢电流从零迅速增加到所允许的最大值，然后保持最大值基本不变，电机在最大允许转矩下快速起动。当转速达到给定值时，转速调节器仍处于饱和状态，电机电磁转矩大于负载转矩，转速继续增加，出现一定的超调，然后转速调节器退饱和，转矩迅速减小，转速回落到接近给定值。
然后去掉取样电感，图（2）中BA两点的电压跟电枢的互感电动势与自感电动势之和成正比。其它参数不变，运行仿真，得到如图（3）和图（4）的电流时间曲线（2）和转速时间曲线（4），在电机起动过程中，电流变化率比较大，电枢自感电动势产生的压降也很大，而分压电阻只能补偿电枢电阻产生的压降，不能补偿电枢自感的压降，因此起动过程不能迅速达到并保持最大允许电流起动，起动过程延长。
为了验证电压负反馈电流补偿调速系统的能达到和转速负反馈一样的效果，可以去掉电动势负反馈，改用转速负反馈，其电流曲线和转速曲线和曲线（1）、（3）几乎相同。
电动势反馈采用的是跟转速成正比的互感电动势信号代替转速信号，构成闭环调速系统，使用PI调节器可以达到转速无静差。但电动势负反馈依赖参数的比例关系，易受干扰。
电动势反馈存在以下缺点：
（1）不能抑制励磁电流变化对转速的影响。
（2）负载很小，电枢电流很小甚至为零时，电动势反馈信号容易受到干扰。
（3）电动温升引起电阻和电感变化而产生误差。
（4）电压负反馈电流补偿电路要消耗一定的电功。
因此，要保证系统散热良好，使用相同材料的电阻，减小温度变化对电阻比例变化的影响。
四、结束语
本文分析了电压负反馈电流正反直流调速系统的控制规律，对电流正反馈做了改进，在主电路中增加了取样电感，来抵消电枢自感电动势的影响。按照双闭环调速系统设计了电动势负反馈直流调速系统仿真，主电路增加串联取样电感后，电流正反馈能够补偿由电枢内阻和自感电动势产生的压降，仿真结果表明电压负反馈电流补偿能达到和转速负反馈一样的效果。
关键词：电流补偿 电枢压降 直流双闭环调速系统
中图分类号：TM13 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2006）09-0071-02
一、引言
在励磁电流不变的前提下，直流电动机的转速与直流电机电枢绕组的感应电动势成正比。利用电压负反馈电流补偿来代替转速负反馈，可以节省测速装置，降低调速系统成本。
采用主电路串入取样电阻Rs，形成电流正反馈，只能补偿电枢内阻产生的压降，而不能补偿电枢自感产生的压降。文献[1]提出利用电桥法检测电枢电动势来代替转速负反馈，这种法可没有考虑电枢自感电动势的影响。在直流双闭环调速系统的调速过程中，电枢电流变化率很大，产生的自感电动势也大，因此电流补偿的误差也很大。针对电流补偿的缺点可以做以下改进，在主电路中增加一个串联电感，来提取由电枢自感电动势产生的压降，这样就可以保证在电流变化率很大时，电流补偿能精确地补偿电枢压降。
二、电流补偿的改进
如图（1）为改进后的电压负反馈电流补偿直流调速系统原理图。针对电流补偿电路不能补偿电枢自感电动势产生的压降，可以在调速系统的主电路中增加一个取样电感Ls，和取样电阻Rs一起提取电枢压降信号。L0为平波电抗器，Ra为电枢电阻，La为电枢自感，当它们满足如下关系时：
M
Un
R0
R1
Rf
Uct
L0
Rbal
B
A
Ls
Rs
R1
R2
C
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图（1） 带电流正反馈电压负反馈调速系统原理图
（1）
k为分压电阻的分压比，根据以上比例关系就可以计算出电枢的反电动势：
（2）
（3）[2]
（4）
Ea为电枢反电动势，Ia为电枢电流。将（1），（2），（4）代入（3）可得
（5）
（6）
由（6）可知UAB的大小跟电枢反电动势成正比，将UAB经过电阻Rf引入到给定电压的反向输入端，形成电动势负反馈，来代替转速反馈。通过调整反馈电阻Rf的大小，可以调节电动势反馈的强度。与普通电流正反馈电路相比，加入了取样电感，只要满足（1），在电枢电流变化时也能精确地测量出电枢电动势，提高调速系统的快速性。电压负反馈加上电流补偿，形成电动势负反馈，电动势的大小跟转速成正比。
三、电动势负反馈的双闭环调速系统仿真
对于经常需要正反转运行的可逆调速系统，为了提高调速系统的动态性能，采用转速、电流双闭环调节。
调速系统基本参数如下：
直流电动机：220V，136A，1460r/min，Ce=0.132min/r，允许过载倍数λ=1.5。晶闸管放大倍数Ks=40、电枢电阻Ra=0.5Ω、时间常数：Tl=0.03s，Tm=0.18s、电流反馈系数：β=0.05V/A、转速反馈系数：α=0.007Vmin/r
转速和电流调节器都采用PI调节器，转速调节器的限幅值为：V
主电路增加串联电感后，能够获得根转速成正比的电动势负反馈信号，因此可以根据转速、电流双闭环调速系统[3]来设计仿真。图（2）为电动势反馈双闭环直流调速系统图，在仿真模型中引入电压信号代替转速信号。
由于仿真比较复杂，可以将框图分解成若干个具有独立功能的子系统[4]，两个PI调节器都用到了子系统模块。仿真还用到了Simulink/Power System模块[5]。
为了减小超调量，提高系统的稳定性可以在电动势负反馈中加入适当的微分环节。微分反馈系数太小时效果不显著，系数太大时，调速过程延长，容易引起振荡，使系统不稳定。微分反馈系数可以采用试凑法来确定，也可以根据经验公式求出来，再用仿真来检验和调整。
图（2） 电动势反馈双闭环直流调速系统模型图
仿真采用ode23s算法，给定转速设为1400转，负载设为10%额定负载，仿真时间设为2秒，设好各模块的初始值之后，运行仿真，可以得到如图（3）、图（4）的电流曲线和转速的曲线。
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图（3） 电流曲线
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图（4）转速曲线
在图（3），（4）中，曲线1，3分别为加入了取样电感的电流时间曲线和转速时间曲线，在起动过程中电流快速上升或下降、电流变化率很大时，补偿电路仍然能精确地补偿电枢压降。起动时，转速偏差很大，转速调节器迅速达到饱和状态，由电流调节器来调节电枢电流，电枢电流从零迅速增加到所允许的最大值，然后保持最大值基本不变，电机在最大允许转矩下快速起动。当转速达到给定值时，转速调节器仍处于饱和状态，电机电磁转矩大于负载转矩，转速继续增加，出现一定的超调，然后转速调节器退饱和，转矩迅速减小，转速回落到接近给定值。
然后去掉取样电感，图（2）中BA两点的电压跟电枢的互感电动势与自感电动势之和成正比。其它参数不变，运行仿真，得到如图（3）和图（4）的电流时间曲线（2）和转速时间曲线（4），在电机起动过程中，电流变化率比较大，电枢自感电动势产生的压降也很大，而分压电阻只能补偿电枢电阻产生的压降，不能补偿电枢自感的压降，因此起动过程不能迅速达到并保持最大允许电流起动，起动过程延长。
为了验证电压负反馈电流补偿调速系统的能达到和转速负反馈一样的效果，可以去掉电动势负反馈，改用转速负反馈，其电流曲线和转速曲线和曲线（1）、（3）几乎相同。
电动势反馈采用的是跟转速成正比的互感电动势信号代替转速信号，构成闭环调速系统，使用PI调节器可以达到转速无静差。但电动势负反馈依赖参数的比例关系，易受干扰。
电动势反馈存在以下缺点：
（1）不能抑制励磁电流变化对转速的影响。
（2）负载很小，电枢电流很小甚至为零时，电动势反馈信号容易受到干扰。
（3）电动温升引起电阻和电感变化而产生误差。
（4）电压负反馈电流补偿电路要消耗一定的电功。
因此，要保证系统散热良好，使用相同材料的电阻，减小温度变化对电阻比例变化的影响。
四、结束语
本文分析了电压负反馈电流正反直流调速系统的控制规律，对电流正反馈做了改进，在主电路中增加了取样电感，来抵消电枢自感电动势的影响。按照双闭环调速系统设计了电动势负反馈直流调速系统仿真，主电路增加串联取样电感后，电流正反馈能够补偿由电枢内阻和自感电动势产生的压降，仿真结果表明电压负反馈电流补偿能达到和转速负反馈一样的效果。
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