直流電機(jī)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

引言

在機(jī)械工程中，由于生產(chǎn)需要，電機(jī)頻繁處于啟動、制動、反轉(zhuǎn)過程，因此電機(jī)的啟動和制動時間在很大程度上決定了其生產(chǎn)效率。為了縮短時間，采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)很難達(dá)到要求，而雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在單閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上增加了電流負(fù)反饋，獲得了良好的性能。

1 他勵直流電機(jī)的調(diào)速方法

他勵直流電機(jī)的機(jī)械特性是指在勵磁電流、電樞電壓和電樞回路總電阻一定的條件下，轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，即n=f（7）。他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式為：

式中，n0為理想空載轉(zhuǎn)速：UN為電機(jī)額定電壓：CE為直流電機(jī)的電動勢常數(shù)：CT是電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)：o是勵磁磁通：Ra是電樞電阻：7em為電磁轉(zhuǎn)矩：8為機(jī)械特性斜率，8越小，機(jī)械特性越硬。

他勵直流電動機(jī)固有機(jī)械特性如圖1所示。圖中nN為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，7N為額定電磁轉(zhuǎn)矩。

他勵直流電動機(jī)的調(diào)速方法有降低電樞電壓的調(diào)速、降低電樞回路串電阻的調(diào)速和減弱磁通的調(diào)速3種。

2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）是通過調(diào)節(jié)晶閘管的控制角改變電動機(jī)電樞電壓進(jìn)而實現(xiàn)調(diào)速的，轉(zhuǎn)速受負(fù)載影響比較大，因難以保持轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定而無法滿足生產(chǎn)工藝要求。所以，本文設(shè)計引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，根據(jù)轉(zhuǎn)速的偏差自動調(diào)節(jié)整流電路的輸出電壓，從而保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。為縮短啟動時間，又加入了電流負(fù)反饋電路，形成雙閉環(huán)控制電路，如圖2所示。

圖2中的電流環(huán)ACR以跟隨性能為主，采用P1型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)如下：

式中，Ki為電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)：Ti為電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)，s是拉普拉斯變換參數(shù)。

轉(zhuǎn)速環(huán)AsR也采用P1型的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)如下：

式中，Kn為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)：Tn為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)［2］，s是拉普拉斯變換參數(shù)。

根據(jù)上述原理及分析，結(jié)合晶閘管構(gòu)成的三相全橋整流電路，可獲得雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的電路圖，如圖3所示。

其中，調(diào)節(jié)器1為速度調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器Ⅱ為電流調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)工作時，改變給定電壓Ug的大小就可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速［3］，速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定，利用速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅達(dá)到限制啟動電流的目的。電流調(diào)節(jié)器的輸出作為觸發(fā)電路的控制電壓Uct［4］。實驗中利用示波器觀察波形，如圖4所示，從波形上可以看出，全橋整流波形穩(wěn)定，采用本文設(shè)計的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，電機(jī)啟動的超調(diào)量小。

3 結(jié)語

本文在轉(zhuǎn)速控制單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加入了電流負(fù)反饋，形成雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)計P1調(diào)節(jié)器采用具有輸入、輸出限幅的電路，在電機(jī)啟動和過載時能夠限制電流，并且確保轉(zhuǎn)速靜差率≤1%，轉(zhuǎn)速超調(diào)量≤10%，同時具有弱磁調(diào)速功能，提高了直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速性能、調(diào)速精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性等。