直流电机的双闭环调速系统设计

引言

在机械工程中，由于生产需要，电机频繁处于启动、制动、反转过程，因此电机的启动和制动时间在很大程度上决定了其生产效率。为了缩短时间，采用转速负反馈的单闭环调速系统很难达到要求，而双闭环直流调速系统在单闭环控制的基础上增加了电流负反馈，获得了良好的性能。

1 他励直流电机的调速方法

他励直流电机的机械特性是指在励磁电流、电枢电压和电枢回路总电阻一定的条件下，转速与电磁转矩的关系，即n=f（7）。他励直流电动机的机械特性表达式为：

式中，n0为理想空载转速：UN为电机额定电压：CE为直流电机的电动势常数：CT是电磁转矩常数：o是励磁磁通：Ra是电枢电阻：7em为电磁转矩：8为机械特性斜率，8越小，机械特性越硬。

他励直流电动机固有机械特性如图1所示。图中nN为电机额定转速，7N为额定电磁转矩。

他励直流电动机的调速方法有降低电枢电压的调速、降低电枢回路串电阻的调速和减弱磁通的调速3种。

2 双闭环直流调速系统的设计

电动机调速系统（V-M系统）是通过调节晶闸管的控制角改变电动机电枢电压进而实现调速的，转速受负载影响比较大，因难以保持转速的稳定而无法满足生产工艺要求。所以，本文设计引入转速负反馈，根据转速的偏差自动调节整流电路的输出电压，从而保持转速稳定。为缩短启动时间，又加入了电流负反馈电路，形成双闭环控制电路，如图2所示。

图2中的电流环ACR以跟随性能为主，采用P1型的电流调节器，其传递函数如下：

式中，Ki为电流调节器的比例系数：Ti为电流调节器的超前时间常数，s是拉普拉斯变换参数。

转速环AsR也采用P1型的转速调节器，其传递函数如下：

式中，Kn为转速调节器的比例系数：Tn为转速调节器的超前时间常数［2］，s是拉普拉斯变换参数。

根据上述原理及分析，结合晶闸管构成的三相全桥整流电路，可获得双闭环直流电机调速系统的电路图，如图3所示。

其中，调节器1为速度调节器，调节器Ⅱ为电流调节器，系统工作时，改变给定电压Ug的大小就可以改变电动机的转速［3］，速度调节器的输出作为电流调节器的给定，利用速度调节器的输出限幅达到限制启动电流的目的。电流调节器的输出作为触发电路的控制电压Uct［4］。实验中利用示波器观察波形，如图4所示，从波形上可以看出，全桥整流波形稳定，采用本文设计的双闭环调速系统，电机启动的超调量小。

3 结语

本文在转速控制单闭环调速系统的基础上，加入了电流负反馈，形成双闭环调速系统，设计P1调节器采用具有输入、输出限幅的电路，在电机启动和过载时能够限制电流，并且确保转速静差率≤1%，转速超调量≤10%，同时具有弱磁调速功能，提高了直流电机调速系统的调速性能、调速精度和系统稳定性等。