關鍵詞：電流補償 電樞壓降 直流雙閉環調速系統
中圖分類號：TM13 文獻標識碼：A 文章編號：1006-7973（2006）09-0071-02
壹、引言
在勵磁電流不變的前提下，直流電動機的轉速與直流電機電樞繞組的感應電動勢成正比。利用電壓負反饋電流補償來代替轉速負反饋，可以節省測速裝置，降低調速系統成本。
采用主電路串入取樣電阻Rs，形成電流正反饋，只能補償電樞內阻產生的壓降，而不能補償電樞自感產生的壓降。文獻[1]提出利用電橋法檢測電樞電動勢來代替轉速負反饋，這種法可沒有考慮電樞自感電動勢的影響。在直流雙閉環調速系統的調速過程中，電樞電流變化率很大，產生的自感電動勢也大，因此電流補償的誤差也很大。針對電流補償的缺點可以做以下改進，在主電路中增加壹個串聯電感，來提取由電樞自感電動勢產生的壓降，這樣就可以保證在電流變化率很大時，電流補償能精確地補償電樞壓降。
二、電流補償的改進
如圖（1）為改進後的電壓負反饋電流補償直流調速系統原理圖。針對電流補償電路不能補償電樞自感電動勢產生的壓降，可以在調速系統的主電路中增加壹個取樣電感Ls，和取樣電阻Rs壹起提取電樞壓降信號。L0為平波電抗器，Ra為電樞電阻，La為電樞自感，當它們滿足如下關系時：
M
Un
R0
R1
Rf
Uct
L0
Rbal
B
A
Ls
Rs
R1
R2
C
D
圖（1） 帶電流正反饋電壓負反饋調速系統原理圖
（1）
k為分壓電阻的分壓比，根據以上比例關系就可以計算出電樞的反電動勢：
（2）
（3）[2]
（4）
Ea為電樞反電動勢，Ia為電樞電流。將（1），（2），（4）代入（3）可得
（5）
（6）
由（6）可知UAB的大小跟電樞反電動勢成正比，將UAB經過電阻Rf引入到給定電壓的反向輸入端，形成電動勢負反饋，來代替轉速反饋。通過調整反饋電阻Rf的大小，可以調節電動勢反饋的強度。與普通電流正反饋電路相比，加入了取樣電感，只要滿足（1），在電樞電流變化時也能精確地測量出電樞電動勢，提高調速系統的快速性。電壓負反饋加上電流補償，形成電動勢負反饋，電動勢的大小跟轉速成正比。
三、電動勢負反饋的雙閉環調速系統仿真
對於經常需要正反轉運行的可逆調速系統，為了提高調速系統的動態性能，采用轉速、電流雙閉環調節。
調速系統基本參數如下：
直流電動機：220V，136A，1460r/min，Ce=0.132min/r，允許過載倍數λ=1.5。晶閘管放大倍數Ks=40、電樞電阻Ra=0.5Ω、時間常數：Tl=0.03s，Tm=0.18s、電流反饋系數：β=0.05V/A、轉速反饋系數：α=0.007Vmin/r
轉速和電流調節器都采用PI調節器，轉速調節器的限幅值為：V
主電路增加串聯電感後，能夠獲得根轉速成正比的電動勢負反饋信號，因此可以根據轉速、電流雙閉環調速系統[3]來設計仿真。圖（2）為電動勢反饋雙閉環直流調速系統圖，在仿真模型中引入電壓信號代替轉速信號。
由於仿真比較復雜，可以將框圖分解成若幹個具有獨立功能的子系統[4]，兩個PI調節器都用到了子系統模塊。仿真還用到了Simulink/Power System模塊[5]。
為了減小超調量，提高系統的穩定性可以在電動勢負反饋中加入適當的微分環節。微分反饋系數太小時效果不顯著，系數太大時，調速過程延長，容易引起振蕩，使系統不穩定。微分反饋系數可以采用試湊法來確定，也可以根據經驗公式求出來，再用仿真來檢驗和調整。
圖（2） 電動勢反饋雙閉環直流調速系統模型圖
仿真采用ode23s算法，給定轉速設為1400轉，負載設為10%額定負載，仿真時間設為2秒，設好各模塊的初始值之後，運行仿真，可以得到如圖（3）、圖（4）的電流曲線和轉速的曲線。
2
1
2
圖（3） 電流曲線
3
4
圖（4）轉速曲線
在圖（3），（4）中，曲線1，3分別為加入了取樣電感的電流時間曲線和轉速時間曲線，在起動過程中電流快速上升或下降、電流變化率很大時，補償電路仍然能精確地補償電樞壓降。起動時，轉速偏差很大，轉速調節器迅速達到飽和狀態，由電流調節器來調節電樞電流，電樞電流從零迅速增加到所允許的最大值，然後保持最大值基本不變，電機在最大允許轉矩下快速起動。當轉速達到給定值時，轉速調節器仍處於飽和狀態，電機電磁轉矩大於負載轉矩，轉速繼續增加，出現壹定的超調，然後轉速調節器退飽和，轉矩迅速減小，轉速回落到接近給定值。
然後去掉取樣電感，圖（2）中BA兩點的電壓跟電樞的互感電動勢與自感電動勢之和成正比。其它參數不變，運行仿真，得到如圖（3）和圖（4）的電流時間曲線（2）和轉速時間曲線（4），在電機起動過程中，電流變化率比較大，電樞自感電動勢產生的壓降也很大，而分壓電阻只能補償電樞電阻產生的壓降，不能補償電樞自感的壓降，因此起動過程不能迅速達到並保持最大允許電流起動，起動過程延長。
為了驗證電壓負反饋電流補償調速系統的能達到和轉速負反饋壹樣的效果，可以去掉電動勢負反饋，改用轉速負反饋，其電流曲線和轉速曲線和曲線（1）、（3）幾乎相同。
電動勢反饋采用的是跟轉速成正比的互感電動勢信號代替轉速信號，構成閉環調速系統，使用PI調節器可以達到轉速無靜差。但電動勢負反饋依賴參數的比例關系，易受幹擾。
電動勢反饋存在以下缺點：
（1）不能抑制勵磁電流變化對轉速的影響。
（2）負載很小，電樞電流很小甚至為零時，電動勢反饋信號容易受到幹擾。
（3）電動溫升引起電阻和電感變化而產生誤差。
（4）電壓負反饋電流補償電路要消耗壹定的電功。
因此，要保證系統散熱良好，使用相同材料的電阻，減小溫度變化對電阻比例變化的影響。
四、結束語
本文分析了電壓負反饋電流正反直流調速系統的控制規律，對電流正反饋做了改進，在主電路中增加了取樣電感，來抵消電樞自感電動勢的影響。按照雙閉環調速系統設計了電動勢負反饋直流調速系統仿真，主電路增加串聯取樣電感後，電流正反饋能夠補償由電樞內阻和自感電動勢產生的壓降，仿真結果表明電壓負反饋電流補償能達到和轉速負反饋壹樣的效果。