转速闭环控制的直流调速系统仿真

1 带负反馈的有静差直流调速系统原理

晶闸管—直流电动机系统可以通过调节晶闸管控制角改变电动机电枢电压实现调速，但是存在两个问题，一是全电压启动时启动电流大；二是转速随着负载变化而变化，负载越大，转速降落越大，难于在负载变动时保持转速的稳定而满足生产工艺的要求。为了减小负载波动 对电动机转速的影响，可以采取带转速负反馈的闭环调速系统，根据转速的偏差来自动调节整流器的输出电压，从而保持转速的稳定。

带转速负反馈的有静差直流调速系统的结构如图1所示。系统有转速给定环节Un 放大器Kp、移相触发器CF、晶闸管整流器和直流电动机M、测速发电机TG等组成。该系统在电动机负载增加时，转速将下降，转速反馈 Un 减小，而转速的偏差Un 将增大 (Un=Un-Un)

同时放大器输出 UC 增加，并经移相触发器使整流器输出电压Ud 增加，电枢电流Id 增加，从而使电动机电磁转矩增加，转速也随之升高，补偿了负载增加造成的转速降。

带负载负反馈的直流调速系统的稳态特征方程为

n

KKURI C1KC1KpSNdEE图1 带转速负反馈的有静差直流调速系统组成

电机转速降为

nC1KeRIdKKPKS式中 , C e ， Kp 为放大器放大倍数； e 为晶闸管整流器C的放大倍数； 为转速反馈系数；R为电枢回路总电阻。

从稳态特性方程可以看到，如果适当增加放大器的放大倍数Kp ，电动机的转速降n将减小，电动机将有更硬的机械特性，也就是说，在负载变化时，电动机的转速变化将减小，电动机有更好的保持速度稳定的性能。如果放大倍数过大，也可能造成系统运行的不稳定。

2转速负反馈有静差调速系统的仿真模型

转速负反馈有静差调速系统的仿真模型如图2：

图2 转速负反馈有静差调速系统的仿真模型

模型参数设置如表1：

表1 转速负反馈有静差直流调速系统模型参数 模块 三相电源 直流电动机 参数名 Peak amplitude/V 参数 130*sqrt(2) Ra=0.21 La=-0.00021H Rf=146.7 L平波电抗器 放大器（gain1） 饱和限幅 f=0 Laf=0.84H J=0 0．01 0.0067 20 10 -10 电感inductance/H 转速反馈系数（n-need） Alpha Kp Upper limit Lower limit

3仿真结果和分析

（a）KP10 UN10电流相应曲线



（b）KP5 UN10速度响应曲线



（c）KP10 UN10速度响应曲线



（d）KP20 UN10速度响应曲线

图3 额定转速时的响应曲线

波形分析：在给定转速 UN10时，随着放大器放大倍数KP的增加，系统的稳态转速提高，即稳态转速降减小。从图3（a）可以看出，KP10 UN10电流相应曲线，由于没有电流的限制措施，在启动过程中电流仍然很大。



（a） UN5 KP10 、KP20移相控制信号响应曲线

图4 转速给定 UN5 时波形



（b） UN5 KP10 、KP20转速响应曲线

波形分析：在KP=10和20两种情况下比较，在KP=20时稳态转速降减小，但是调节过程中振荡次数增加，这从相应的移相信号的变化也可以看出相同的情况。由于晶闸管镇流器控制的非线性，其输出电压只能在0-Udmax范围内变化，尽管放大倍数很高，转速还没有出现严重的不稳定现象。

