双闭环直流调速系统-的设计及其仿
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双闭环直流调速系统 的设计及其仿真 班 级：自动化 学 号： 姓 名： 2
目 录 1前言 …………………………………………………………………3 课题研究的意义…………………………………………………………3 课题研究的背景…………………………………………………………3 2总体设计方案…………………………………………………………3 MATLAB 仿真软件介绍…………………………………………………3 设计目标…………………………………………………………………4 系统理论设计 …………………………………………………………5 仿真实验 ………………………………………………………………9 仿真结果……………………………………………………………10 3结论……………………………………………………………12 4参考文献 ……………………………………………………………13 1 前言 课题研究的意义 现代运动控制技术以各类电动机为控制对象，以计算机和其他电子装置为控制手段，以电力电子装置为弱电控制强电的纽带，以自动控制理论和信息处理理论为基础，以计算机数字仿真和计算机辅助设计为研究和开发的工具。直调调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式，在许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。且直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。由于直3
流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。所以加深直流电机控制原理理解有很重要的意义。 [1]课题研究的背景 电力电子技术是电机控制技术发展的最重要的助推器,电力电机技术的迅猛发展,促使了电机控制技术水平有了突破性的提高。从20世纪60年代第一代电力电子器件-晶闸管(SCR)发明至今,已经历了第二代有自关断能力的电力电子器件-GTR、GTO、MOSFET,第三代复合场控器件 - IGBT、MCT等,如今正蓬勃发展的产品-功率集成电路(PIC)。每一代的电力电子元件也未停顿, 多年来其结构、工艺不断改进,性能有了飞速提高,在不同应用领域它们在互相 竞争,新的应用不断出现。同时电机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使电动机控制技术在近二十多年内发生了天翻地覆的变化。 [2]2 总体设计方案 仿真软件介绍 本设计所采用的仿真软件是MATLAB。 MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB应用非常之广泛！MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。主要的优势特点为： ① 高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数算分析中解脱出来； ②具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化； ③友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握； ④ 功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等) ，为用户提供了大量方便实用的处理工具。 设计目标 设计一个双闭环直流调速系统，利用晶闸管供电，整流装置采用三相桥式电路，调速范围D=10，要求:静差率≤5%；稳态无静差，电流超调量𝜎𝜎≤5%，电流脉动系4
数𝜎𝜎≤10%；启动到额定转速时的转速退饱和超调量𝜎𝜎≤10%直流电动机数据： 额定功率：，额定电压：220V，额定电流：136A， [1] [3]。 额定转速： 1460r/m，𝜎𝜎=0.132𝜎·𝜎𝜎𝜎/𝜎 允许过载倍数：λ=1.5 晶闸管装置放大系数：𝜎𝜎=40 电枢回路总电阻： R=1Ω 时间常数： 机电时间常数：𝜎𝜎=0.18𝜎 电磁时间常数: 𝜎𝜎=0.03𝜎 电流反馈系数：β=0.05V/A 转速反馈系数：α=0.007𝜎·𝜎𝜎𝜎/𝜎 转速反馈滤波时间常数：𝜎𝜎𝜎=0.005𝜎，𝜎𝜎𝜎=0.005𝜎 h=5 系统理论设计： 在双闭环系统中应该首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作转速调节系统中的一个内环节，再设计转速调节器。这样的系统能够实现良好的静态和稳态性能，结构简单，工作可靠，设计和调试方便，达到本课程设计的要求。 5
图1 双闭环直流调速系统的动态结构图 电流调节器设计 (1)确定时间常数 整流装置滞后时间常数𝜎𝜎：三相电路的平均失控时间 𝜎𝜎= 电流滤波时间常数𝜎𝜎𝜎： 𝜎𝜎𝜎= 电流环小时间常数之和𝜎Σ𝜎：按小时间常数近似处理，取为： 𝜎Σ𝜎=𝜎𝜎+𝜎𝜎𝜎= (2)选择电流调节器结构 根据设计要求𝜎𝜎≤5%，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI电流调节器，它的传递函数为： 𝜎𝜎𝜎𝜎(𝜎)=检查对电源电压的抗扰性能： 𝜎𝜎𝜎Σ𝜎𝜎𝜎(𝜎𝜎𝜎+1) 𝜎𝜎𝜎≈0.0037≈8.11 0.03符合典型I型系统动态抗扰性能，并且各项性能指标都是可以接受的。 (3)计算电流调节器参数 电流调节器超前时间常数： 𝜎𝜎=𝜎𝜎=0.03𝜎 电流环开环增益：要求𝜎𝜎≤5%时，按表1，应取𝜎𝜎𝜎Σ𝜎=0.5，因此： 0.5Σ𝜎𝜎𝜎=𝜎于是，ACR的比例系统为： 𝜎𝜎=(4)检验近似条件 电流环截至频率： =0.0037𝜎−1≈135.1𝜎−1 0.5𝜎𝜎𝜎𝜎𝜎𝜎𝜎β=135.1×0.03×0.540×0.5≈1.013 𝜎𝜎𝜎=𝜎𝜎=135.1𝜎−1 校验晶闸管整流装置传递函数近似的条件为： 13𝜎𝜎=3×0.0017𝜎−1≈196.1𝜎−1> 𝜎𝜎𝜎 满足近似条件 1校验忽略反电动势对电流环动态影响的近似条件为： 6
√𝜎31𝜎𝜎𝜎=3×√0.18×0.03𝜎−1≈40.82𝜎−1<𝜎𝜎𝜎 满足近似条件 1校验电流环小时间常数近似处理条件为： 11√3𝜎𝜎𝜎𝜎𝜎=3×√0.0017×0.002𝜎−1≈180.8𝜎−1>𝜎𝜎𝜎 满足近似条件 11(5)计算调节器电阻电容 按所用的运算放大器取得 𝜎0=40𝜎Ω 各电容和电阻值为： 𝜎𝜎=𝜎𝜎𝜎0=1.013×40𝜎Ω=40.52𝜎Ω 取40𝜎Ω 𝜎𝜎 =𝜎𝜎=𝜎𝜎0.0340×103𝜎=0.75μF 取0.75μF 𝜎=0.2μF 取0.2μF 𝜎𝜎𝜎 =4𝜎𝜎𝜎𝜎0=4×0.00240×103按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为： 𝜎𝜎=4.3%≤5%（见表1） 满足设计要求。 转速调节器设计 （1） 确定时间常数 电流环等效时间常数𝜎。取𝜎𝜎𝜎Σ𝜎=0.5，则： 𝜎11𝜎𝜎=2𝜎Σ𝜎=2×0.0037𝜎=0.0074𝜎 转速滤波时间常数𝜎𝜎𝜎。根据所用测速发电机波纹情况，取： 𝜎𝜎𝜎=0.01𝜎 转速环小时间常数𝜎Σ𝜎。按小时间常数近似处理，取： 𝜎Σ𝜎1=+𝜎𝜎𝜎=0.0074+0.01=0.0174𝜎 𝜎1（2）选择转速调节器结构 按设计要求，选用PI调节器，其传递函数为： 𝜎𝜎𝜎𝜎(𝜎)=（3）计算转速调节器参数 按跟随性能和抗扰性能都较好的原则，现取h=5，则ASR的超前时间常数为： 𝜎𝜎(𝜎𝜎𝜎+1) 𝜎𝜎𝜎𝜎𝜎=𝜎𝜎Σ𝜎=5×0.0174𝜎=0.087s 并且求得转速环开环增益为： 7
𝜎𝜎=𝜎+12h𝜎Σ𝜎22=62×5×0.017422𝜎−2≈396.4𝜎−2 则可得ASR的比例系数为： 𝜎𝜎=（4）校验近似条件 转速截止频率为： (𝜎+1)𝜎𝜎𝜎𝜎𝜎2𝜎𝜎𝜎𝜎Σ𝜎=2×5×0.007×0.5×0.0174≈11.7 6×0.05×0.132×0.18𝜎𝜎𝜎=𝜎𝜎𝜎1=𝜎𝜎𝜎𝜎=396.4×0.087𝜎−1=34.5𝜎−1 电流环传递函数简化条件为： 3√𝜎𝜎=3×√0.0037𝜎−1≈63.7𝜎−1>𝜎𝜎𝜎 满足简化条件 Σ𝜎1𝜎1135.1转速环小时间常数近似处理条件为： 3√𝜎𝜎=3×√0.01𝜎−1≈38.7𝜎−1>𝜎𝜎𝜎 满足简化条件 on1𝜎1135.1（5）计算调节器电阻和电容 按所用的运算放大器取𝜎0=40KΩ。则： 各电容和电阻值为： 𝜎𝜎=𝜎𝜎𝜎0=11.7×40𝜎Ω=468𝜎Ω 取470𝜎Ω 𝜎𝜎 =𝜎𝜎=𝜎𝜎0.087470×103𝜎=0.185μF 取0.2μF 𝜎𝜎𝜎 =4𝜎𝜎𝜎𝜎0=4×0.0140×103𝜎=1μF 取1μF （6）校核转速超调量 当h=5时，由书表3-4可以查得：𝜎𝜎=37.6%，这并不能满足设计要求。实际上，由于表3-4是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR已经饱和，不符合如今系统的前提要求，所以应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。 ASR退饱和计算如下： 1𝜎𝜎=(Δ𝜎𝜎𝜎𝜎Δ𝜎𝜎𝜎𝜎1)𝜎∗=2(Δ𝜎𝜎𝜎𝜎𝜎𝜎)(λ−z)Δ𝜎𝜎𝜎Σ𝜎𝜎∗𝜎𝜎 （3-1） 当h=5时，由书表3-5可以查得得𝜎𝜎=2×81.2%×1.5×满足设计要求。 136×0.50.132Δ𝜎𝜎𝜎𝜎𝜎𝜎=81.2%,代入式（3-1） 1460×0.01740.18≈8.31%<10% 表1 典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系 8
参数关系KT 阻尼比ξ 超调量σ 上升时间 0.25 1.0 0% 0.39 0.8 1.5% 6.6T 0.50 0.707 4.3% 4.7T 0.69 0.6 9.5% 3.3T 1.0 0.5 16.3% 2.4T 𝜎𝜎 峰值时间 8.3T 6.2T 4.7T 3.6T 𝜎𝜎 相角稳定裕度γ 截至频率 0.243/T 0.367/T 0.455/T 0.596/T 0.7/T 76.376.3° 69.9° 65.5° 59.2° 51.8° 仿真实验 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，如图2所示。 图2 转速、电流双闭环直流调速系统结构 图2中，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统 9
综上所述，采用转速，电流双闭环直流调速系统能更好的完成本题的设计要求，现采用转速，电流双闭环直流调速系统进行设计，如图2所示。 用MATLAB的SUMLINK模块做的双闭环调速系统仿真模型图如图3所示： 图3 双闭环调速系统仿真模型图 仿真结果 图4电流环无超调的仿真结果 图4是以KT=的关系式按典型I型系统的设计方法得到了PI调节器的传递函数为0.5067+ 16.，很快的得到了如图四所示的仿真结果，无超调，但上升时间长。 𝜎10
图5 电流环超调量较大的仿真结果 图5是以KT=的关系式按典型I型系统的设计方法得到了PI调节器的传递函数为2.027+67.567，很快的得到了如图四所示的仿真结果，超调大，但上升时间短。 𝜎 图6 高速启动波形图 图6中实线表示电流，虚线表示转速，是以转速环的传递函数为11.7+电流环的传递函数为2.027+少。 观察图4和图5可知，在直流电动机的横流升速阶段，电流值低于额定值，其原因电流调节系统受到电动机反电动势的扰动。 134.48，以𝜎67.567得到的仿真结果图，启动时间长，退饱和超调量减𝜎3 结论 11
通过对双闭环系统的仿真波形的分析，可知其起动过程可分三个阶段来： 第Ⅰ阶段：电流上升阶段。 突加给定电压Un*后，通过两个调节器的控制，使Ua，Ud，Ud0都上升。由于机电惯性的作用，转速的增长不会很快。在这一阶段中,ASR由不饱和很快达到饱和,而ACR不饱和,确保电流环的调节作用. 第Ⅱ阶段：是恒流升速阶段。 从电流升到最大值开始，到转速升到给定值 n*为止，这是起动过程中的重要阶段。在这个阶段，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定Uim*作用下的电流调节系统，基本上保持恒定。因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增长。 第Ⅲ阶段：转速调节阶段。 在这阶段开始，转速已达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零。转速超调后，ASR输入端出现负的偏差电压，使他退出饱和状态，其输出电压的给定电压Ui*立即下降，主电流Id也因而下降。但在一段时间内，转速仍继续上升。达到最大值后，转速达到峰值。此后，电机才开始在负载下减速，电流Id也出现一段小于Id0的过程，直到稳定。在这最后的阶段，ASR和ACR都不饱和，同时起调节作用。 根据仿真波形，我们可以对转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用归纳为： 1．转速调节器的作用 ①转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。 ②对负载变化起抗扰作用。 ③其输出限幅值决定电机允许的最大电流。 2．电流调节器的作用 ①作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。 ②对电网电压的波动起及时抗扰的作用。 ③在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程 ④当电机过载甚至堵转时，电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的12 [4][5]。 经过这次课程的设计，使我明白了一门课程设计对学好该门课程的重要性。同时也感觉到自己在实践动手能力方面的缺陷与不足，因此我将会在以后的学习和工作中不断来加强这方面的锻炼。 这次课程设计的时间虽说是短暂的，但在这几天中我学会了不少的东西，首先对直流双闭环调速系统有了更深的认识，加深了理解，是对课堂所学知识的一次很好的应用。通过这次课程设计，我不仅在知识上有了进一步的巩固和提高，在求学和研究的心态上也有不小的进步。我想无论是在学习还是在生活上只有自己有心去学习和参与才可能有收获，这也算是这次设计给我的一点小小的感悟。 总之，在设计过程中，我不仅学到了以前从未接触过的新知识，而且学会了的去发现，面对，分析，解决新问题的能力，不仅学到了知识，又锻炼了自己的能力，使我受益非浅。 4 参考文献 [1] 阮毅, 陈伯时. 电力拖动自动控制系统——运动控制系统 [M]. 第4版. 北京：机械工业出版社，2009:1-10. 13 [2] 谢卫. 电力电子和电机拖动控制系统仿真 [M]. 北京：机械工业出版社，2009:1-25. [3] 邵雪卷，张井岗.闭环直流调速系统的研究[J].电气电子教学学报，2008，30（1）16-18. [4] 尹璐.速度与电流双闭环不可逆直流调速系统分析[J].科技情报开发与经济.2006,16（7）173-174. [5]王鑫，张丽玲.转速、电流双闭环直流调速系统设计[J].科技信息.2010（1）3-365. 14