帶電流截止負反饋的轉速閉環(huán)的數(shù)字式直流調速系統(tǒng)的仿真與設計

1、運動控制課程設計帶電流截止負反饋的轉速閉環(huán)的數(shù)字式直流調速系統(tǒng)的仿真與設計 專業(yè)： 電氣工程及其自動化 班級： 電氣一班 姓名： 學號： 指導老師：陳敏 2014-12-25帶電流截止負反饋的轉速閉環(huán)的數(shù)字式直流調速系統(tǒng)的仿真與設計摘要: 到目前為止,雖然在交流電動機的調速問題方面已經(jīng)解決,但是在速度調節(jié)要求卻較高,本文主要介紹轉速閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的工作原理,并在此基礎上對轉速閉環(huán)直流電動機的調速系統(tǒng)進行分析,借助MATLAB/SIMULINK 建立起仿真圖并進行仿真與分析。論文中給出了各個物理量的波形并對波形進行了分析從而對轉速閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面得出了一些結論。該調速控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)平

2、滑的調速,且具有良好的動靜態(tài)調速性能,仿真結果驗證了系統(tǒng)設計的有效性、可行性。關鍵詞: 轉速閉環(huán)調速系統(tǒng); 直流電動機; MATLAB 仿真一、引言在分析電壓負反饋電流補償直流調速系統(tǒng)的基礎上，本文提出在主電路中增加了串聯(lián)的取樣電感，用來提取電樞自感電動勢產(chǎn)生的壓降。改進后的電流正反饋能補償由電樞內(nèi)阻和自感電動勢產(chǎn)生的壓降，提高了動態(tài)電流變化時電流補償?shù)木?。根?jù)轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的設計方法，用Simulink做了帶電流補償?shù)碾妷贺摲答佒绷髡{速系統(tǒng)仿真，仿真結果證明，增加取樣電感后可以消除電流補償?shù)臏螅诤雎詤?shù)變化的影響下精確地補償電樞壓降，改進后的電壓負反饋電流補償能夠獲得跟轉速負

3、反饋同樣的效果。電機是一種將電能轉換成機械能的設備。到目前為止,雖然交流電動機的調速問題已經(jīng)解決,但是在速度調節(jié)要求較高,正、反轉和啟、制動頻繁或多單元同步協(xié)調運轉的生產(chǎn)機械上,仍采用直流電動機。二、課程設計的目的：學會使用MATLAB和PROTEL軟件畫圖；了解恒壓頻比控制交流調速系統(tǒng)的工作原理及其參數(shù)的確定；學會應用MATLAB軟件，建立數(shù)學模型對控制系統(tǒng)進行仿真研究，掌握系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響；三、程設計課題：帶電流截止負反饋的轉速閉環(huán)的數(shù)字式直流調速系統(tǒng)的仿真與設計直流電動機控制系統(tǒng)設計參數(shù)直流電動機(1)： 輸出功率為:7.5Kw 電樞額定電壓220V 電樞額定電流36A 額定勵磁

4、電流2A 額定勵磁電壓110V 功率因數(shù)0.85 電樞電阻0.2歐姆 電樞回路電感100mH 電機機電時間常數(shù)2S 電樞允許過載系數(shù)1.5 額定轉速1430rpm環(huán)境條件:電網(wǎng)額定電壓:380/220V; 電網(wǎng)電壓波動:10%;環(huán)境溫度:-40+40攝氏度; 環(huán)境濕度:1090%. 控制系統(tǒng)性能指標:電流超調量小于等于5%; 空載起動到額定轉速時的轉速超調量小于等于30%;調速范圍D20;靜差率小于等于0.03.四、轉速負反饋的閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的原理該系統(tǒng)由轉速給定環(huán)節(jié)為Un*,放大倍數(shù)為KP的放大器、移相觸發(fā)器CF、晶閘管整流器和直流電動機M、測速發(fā)電機TG等組成。帶轉速負反饋的直流調速系統(tǒng)

5、的穩(wěn)態(tài)特性方程為:K=KPKSKa/Ce,KP為放大器放大倍數(shù);KS為晶閘管整流器放大倍數(shù);Ce為電動機電動勢常數(shù); 為轉速反饋系數(shù);R 為電樞回路總電阻。從穩(wěn)態(tài)特性方程2.10 式可以看到,如果適當增大放大器放大倍數(shù)KP電機的轉速降n 將減小,電動機有更好的保持速度穩(wěn)定的性能。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉速和電流兩個調節(jié)器一般都采用 P I 調節(jié)器，這樣構成的雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的電路原理圖示于下圖。圖中標出了兩個調節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。1電流截止負反饋為了解決反饋閉環(huán)調速系統(tǒng)的起動和堵轉時電流過

6、大問題,系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。根據(jù)反饋控制原理,要維持哪一個物理量基本不變,就應該引入那個物理量的負反饋。那么引入電流負反饋,應該能夠保持電流基本不變,使它不超過允許值。但是這種作用只應在起動和堵轉時存在,在正常運行時又得取消,讓電流自由地隨著負載增減,這樣的當電流大到一定程度時才出現(xiàn)的電流負反饋叫做電流截止負反饋,簡稱截流反饋。為了實現(xiàn)截流反饋,須在系統(tǒng)中引入電流截止負反饋環(huán)節(jié)。如圖1所示,電流反饋信號取自串人電動機電樞回路的小阻值電阻RS,IdRS正比于電流。設Idcr為臨界的截止電流,當電流大于Idcr時將電流負反饋信號加到放大器的輸入端,當電流小于Idcr時將電流反饋切斷

7、。為了實現(xiàn)這一作用,須引入比較電壓Ucom。圖1a中利用獨立的直流電源作比較電壓,其大小可用電位器調節(jié),相當于調節(jié)截止電流。在IdRS與Ucom之間串接一個二極管VD,當IdRS>Ucom時,二極管導通,電流負反饋信號Ui即可加到放大器上去;當IdRSUcom時,二極管截止,Ui即消失。顯然,在這一線路中,截止電流Idcr=Ucom/RS。圖2-1b中利用穩(wěn)壓管 VST的擊穿電壓Ubr作為比較電壓,線路要簡單得多,但不能平滑調節(jié)截止電流值。圖1 電流截止負反饋環(huán)節(jié)圖2 電流截止負反饋環(huán)節(jié)的輸入輸出特性圖3 帶電流截止負反饋閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性電流截止負反饋環(huán)節(jié)的輸入輸出特性如圖2所示,它

8、表明:當輸入信號(IdRs-Ucom)為正值時,輸出和輸入相等;當(IdRs-Ucom)為負值時,輸出為零。這是一個非線性環(huán)節(jié)(兩段線性環(huán)節(jié)),將它畫在方框中,再和系統(tǒng)的其它部分聯(lián)接起來,即得帶電流截截止負反饋的閉環(huán)調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖4,圖中Ui表示電流負反饋信號電壓,Un表示轉速負反饋信號電壓。圖4 帶電流截止負反饋的閉環(huán)調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)雙閉環(huán)（轉速環(huán)、電流環(huán)）直流調速系統(tǒng)是一種當前應用廣泛，經(jīng)濟，適用的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應快、抗干擾能力強的優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉速負反

9、饋和PI調節(jié)器的單閉環(huán)調速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)起動時的電流和轉速波形如圖5-a所示。當電流從最大值降低下來以后，電機轉矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。在實際工作中,我們希望在電機最大電流（轉矩）受限的條件下，充分

10、利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)定轉速后，又讓電流立即降下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動過程波形如圖5-b所示，這時，啟動電流成方波形，而轉速是線性增長的。這是在最大電流（轉矩）受限的條件下調速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)的啟動過程理想快速啟動過程圖5 調速系統(tǒng)啟動過程的電流和轉速波形實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負反饋

11、就可以保持該量基本不變1，那么采用電流負反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉速負反饋同時加到一個調節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉速后，又希望只要轉速負反饋，不再靠電流負反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉速和電流兩種負反饋作用又能使它們作用在不同的階段。為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級連接，如圖2-2所示，即把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結構上看，電流調節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉速環(huán)在外面，叫做外

12、環(huán)。這樣就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。該雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的兩個調節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI調節(jié)器。因為PI調節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時得到無靜差調速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時又能兼顧快速響應和消除靜差兩方面的要求。一般的調速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準為主，采用PI調節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。圖6 轉速電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)五、設計過程主電路和控制系統(tǒng)確定主電路選用V-M系統(tǒng)，采用三相橋式全控整流電路，并增加抑制電流脈動的措施，為此設置平波電抗器，總電感量的計算公式為L=0.693U2/Idmin,一般取Idmin為電動機額定電壓的5%-

13、10%。觸發(fā)電路采用三相集成觸發(fā)器。圖 晶閘管可控整流器供電的直流調速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）圖 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)電路原理圖靜態(tài)設計：確定整流裝置的放大倍數(shù)1) 為滿足調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標，額定負載時的穩(wěn)態(tài)速降為： 2）閉環(huán)系統(tǒng)應有的開環(huán)放大系數(shù)： 電動機的電動勢系數(shù)： 則開環(huán)系統(tǒng)額定速降為： 則閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應為： 3）計算轉速負反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)和參數(shù) 在轉速反饋系數(shù)包含測速發(fā)電機的電動勢系數(shù)Cetg和其輸出電位器RP2的分壓系數(shù)2，即=2Cetg 根據(jù)測速發(fā)電機的額定數(shù)據(jù)有： 試取2=0.15，如測速發(fā)電機與主電動機直接連接，則在電動機最高轉速970r/min時，轉速反饋電壓為 穩(wěn)

14、態(tài)時很小，只要略大于即可，現(xiàn)有直流穩(wěn)壓電源為15V，完全能夠滿足給定電壓的需要。因此，取=0.15是正確的。 于是，轉速負反饋系數(shù)的計算結果為： 電位器RP2的選擇方法如下：為了使測速發(fā)電機的電樞電壓降對轉速檢測信號的線性度沒有顯著影響，取測速發(fā)電機輸出最高電壓時，其電流約為額定值的20%，則 此時RP2所消耗的功率為： 為了不致使電位器溫度很高，實選電位器的瓦數(shù)應為所消耗功率的一倍以上，故可將RP2選為10w，1.5k的可調電位器。4）計算運算放大器的放大系數(shù)和參數(shù) 根據(jù)調速指標要求，前已求出閉環(huán)系數(shù)應為K160.3，則運算放大器的放大系數(shù)Kp應為 ，取Kp為62 運算放大器的參數(shù)計算如下：

15、 根據(jù)所用運算放大器的型號，取，則 晶閘管觸發(fā)整流裝置：三相橋式可控整流電路，整流變壓器Y/Y聯(lián)結，二次線電壓，電壓放大系數(shù)。動態(tài)設計：1、 電流調節(jié)器的設計1） 確定時間常數(shù)A、 整流裝置滯后時間常數(shù)，三相橋式電路的平均失控時間=0.0017s。B、 機電時間常數(shù)，電磁時間常數(shù)。C、 電流濾波時間常數(shù)。三相橋式電路每個波頭的時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應有，因此取=2ms=0.002s。D、 電流環(huán)小時間常數(shù)之和。按小時間常數(shù)近似處理，取=+=0.0037s。2） 選擇電流調節(jié)器結構 根據(jù)設計要求電流超調量，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設計電流調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型

16、的，因此可以用PI型電流調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 檢查對電源電壓的抗擾性能：，參照典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標都是可以接受的。3） 計算電流調節(jié)器參數(shù)電流調節(jié)器超前時間常數(shù):。電流環(huán)開環(huán)增益：要求時，應取，因此。 于是，ACR的比例系數(shù)為 電流反饋系數(shù)4) 校驗近似條件 電流環(huán)截止頻率：。A、 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 滿足近似條件。B、 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件滿足近似條件。C、 電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件滿足近似條件。5） 計算調節(jié)器電阻和電容 按所用運算放大器取，各電阻和電容值為 ，取20。 按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標，滿足設計要求。2、 轉

17、速調節(jié)器的設計1） 確定時間常數(shù)A、 電流環(huán)等效時間常數(shù)1/,由上已取，則B、 轉速濾波時間常數(shù)，根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取=0.01s。C、 轉速環(huán)小時間常數(shù)，按小時間常數(shù)近似處理，取。2） 選擇轉速調節(jié)器結構按照設計要求，選用PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為3） 計算轉速調節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為轉速開環(huán)增益于是，ASR的比例系數(shù)為4） 檢驗近似條件 轉速環(huán)截止頻率為 A、 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為，滿足近似條件。B、 轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為，滿足近似條件。5） 計算調節(jié)器電阻和電容取，則 6） 校核轉速超調量當h=5時，不能滿足設計要求

18、。實際上，由于表中是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調量。由已知有min,Ce=0.1488Vmin/r，當h=5時，查表可得代入式可得能滿足設計要求。六、系統(tǒng)的MATLAB仿真1、系統(tǒng)仿真模型2、 系統(tǒng)仿真結果七、結論本文主要對轉速閉環(huán)直流電機的調速系統(tǒng)進行分析并在MATLAB/SIMULINK 建立起仿真圖并進行仿真。介紹了轉速負反饋的閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的原理, 完成了轉速閉環(huán)調速系統(tǒng)的優(yōu)點并建立其原理框圖和仿真圖。將建立的仿真圖在MATLAB軟件里面仿真得出直流電動機各物理量的波形。對波形進行分析得出轉速負反饋閉環(huán)調速系統(tǒng)的優(yōu)點和不足。本論文具有很強的理論與實際意義。課程設計是我們專業(yè)課程知識綜合應用的實踐訓練，著是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程”千里之行始于足下”，通過這次課程設計，我深深體會到這句千古名言的真正含義我今天認真的進行課程設計，學會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑