双闭环直流调速系统特性与原理.docx
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双闭环直流调速系统特性与原理
摘要
直流电念头具有优胜的起动.制动机能,宜于在大规模内腻滑调速,在很多须要调速或快速正反向的电力拖动范畴中得到了普遍的运用.从控制的角度来看,直流调速照样交换拖动体系的基本.该体系中设置了电流检测环节.电流调节器以及转速检测环节.转速调节器,构成了电流环和转速环,前者经由过程电流元件的反馈感化稳固电流,后者经由过程转速检测元件的反馈感化保持转速稳固,最终清除转速误差,从而使体系达到调节电流和转速的目标.该体系起动时,转速外环饱和不起感化,电流内环起重要感化,调节起动电流保持最大值,使转速线性变更,敏捷达到给定值;稳态运行时,转速负反馈外环起重要感化,使转速随转速给定电压的变更而变更,电流内环追随转速外环调节电机的电枢电流以均衡负载电流.并经由过程Simulink进行体系的数学建模和体系仿真,剖析双闭环直流调速体系的特点.
自70年月以来,国外在电气传动范畴内,大量地采取了“晶闸管直流电念头调速”技巧（简称KZ—D调速体系）,尽管当今功率半导体变流技巧已有了突飞大进的成长,但在工业临盆中KZ—D体系的运用照样占领相当的比重.在工程设计与理论进修进程中,会接触到大量关于调速控制体系的剖析.分解与设计问题.传统的研讨办法重要有解析法,试验法与仿真试验,个中前两种办法在具有各自长处的同时也消失着不合的局限性.双闭环（电流环.转速环）调速体系是一种当前运用普遍,经济,实用的电力传动体系.它具有动态响应快.抗干扰才能强等长处.我们知道反馈闭环控制体系具有优胜的抗扰机能,它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动感化都能有用的加以克制.采取转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速体系可以再包管体系稳固的前提下实现转速无静差.但假如对体系的动态机能请求较高,例如请求起制动.突加负载动态速降小等等,单闭环体系就难以知足请求.这主如果因为在单闭环体系中不克不及完整按照须要来控制动态进程的电流或转矩.在单闭环体系中,只有电流截止至负反馈环节是专门用来控制电流的.但它只是在超出临界电流值今后,强烈的负反馈感化限制电流的冲击,其实不克不及很幻想的控制电流的动态波形.在现实工作中,我们愿望在电机最大电流限制的前提下,充分运用电机的许可过载才能,最好是在过渡进程中始终保持电流（转矩）为许可最大值,使电力拖动体系尽可能用最大的加快度启动,到达稳固转速后,又让电流立刻降下来,使转矩立时与负载相均衡,从而转入稳态运行.这时,启动电流成方波形,而转速是线性增长的.这是在最大电流转矩的前提下调速体系所能得到的最快的启动进程.直流电念头具有优胜的起.制动机能,宜于在普遍规模内腻滑调速,在轧钢机.矿井卷扬机.发掘机.海洋钻机.金属切削机床.造纸机.高层电梯等须要高机能可控电力拖动的范畴中得到了普遍的运用.近年来,交换调速体系成长很快,然而直流拖动体系无论在理论上和实践上都比较成熟,并且从反馈闭环控制的角度来看,它又是交换拖动控制体系的基本,所以直流调速体系在临盆生涯中有着举足轻重的感化.本次设计的课题是双闭环晶闸管不成逆直流调速体系,包含主电路和控制回路.主电路由晶闸管构成,控制回路重要由检测电路,驱动电路构成,检测电路又包含转速检测和电流检测等部分.
双闭环（电流环.转速环）调速体系是一种当前运用普遍,经济,实用的电力传动体系.它具有动态响应快.抗干扰才能强等长处.我们知道反馈闭环控制体系具有优胜的抗扰机能,它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动感化都能有用的加以克制.采取转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速体系可以再包管体系稳固的前提下实现转速无静差.但假如对体系的动态机能请求较高,例如请求起制动.突加负载动态速降小等等,单闭环体系就难以知足请求.这主如果因为在单闭环体系中不克不及完整按照须要来控制动态进程的电流或转矩.在单闭环体系中,只有电流截止至负反馈环节是专门用来控制电流的.但它只是在超出临界电流值今后,强烈的负反馈感化限制电流的冲击,其实不克不及很幻想的控制电流的动态波形.在现实工作中,我们愿望在电机最大电流限制的前提下,充分运用电机的许可过载才能,最好是在过渡进程中始终保持电流（转矩）为许可最大值,使电力拖动体系尽可能用最大的加快度启动,到达稳固转速后,又让电流立刻降下来,使转矩立时与负载相均衡,从而转入稳态运行.这时,启动电流成方波形,而转速是线性增长的.这是在最大电流转矩的前提下调速体系所能得到的最快的启动进程.直流电念头具有优胜的起.制动机能,宜于在普遍规模内腻滑调速,在轧钢机.矿井卷扬机.发掘机.海洋钻机.金属切削机床.造纸机.高层电梯等须要高机能可控电力拖动的范畴中得到了普遍的运用.近年来,交换调速体系成长很快,然而直流拖动体系无论在理论上和实践上都比较成熟,并且从反馈闭环控制的角度来看,它又是交换拖动控制体系的基本,所以直流调速体系在临盆生涯中有着举足轻重的感化.全数字直流调速装配与起初的模仿直流调速装配比拟较,全数字直流调速
装配具有不成比较的优胜性,最明显的特色是：
工作靠得住.速度控制精度高,并且不受情形温度等前提的影响.体系还具有参数自整定.故障报警.故障记忆等功效,如许就给用户的运用.保护供给了极大的便利.并且跟着技巧成长及大批量临盆,全数字直流调速装配的价钱已经大幅度降低,与模仿直流调速装配比拟较已相差无几,所以在短短的几年内全数字直流调速装配几乎代替了模仿直流调速装配. 今朝,在直流调速方面IGBT一电念头调速体系已成长得很成熟,但脉冲宽度调制（PWM）直流调速体系与之比拟有着很多无可比较的长处,因而具有相当辽阔的成长远景.
目次
第一章：
双闭环直流调速体系特点与道理………………………………1
…………………………………………1
1.2双闭环直流调速体系的静特析………………………………………………1
…………………………………………3
第二章：
双闭环直流调速体系的数学模子………………………………4
双闭环直流调速体系的数学模子………………………………………………4
调节器的具体设计………………………………………………………………4
速度环的设计……………………………………………………………………6
双闭环直流调速体系仿真………………………………………………………8
第三章：
直流闭环PI调速控制体系的设计与仿真……………………9
熟悉闭环体系控制体系………………………………………………………9
直流电机闭环PI调速控制体系的建模与仿真……………………………14
带转速.电流负反馈的双闭环直流调速装配调试步调…………………21
附录………………………………………………………………………………22
参考献……………………………………………………………………………23
第一章：
双闭环直流调速体系特点与道理
1.1双闭环直流调速体系的构成与道理
图.1双闭环直流调速体系的道理图
电念头在启动阶段,电念头的现实转速（电压）低于给定值,速度调节器的输入端消失一个误差旌旗灯号,经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状况,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器,此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移信任号,直流电压敏捷上升,电流也随即增大直到等于最大给定值,电念头以最大电流恒流加快启动.电念头的最大电流（堵转电流）可以经由过程整定速度调节器的输出限幅值来转变.在电念头转速上升到给定转速后,速度调节器输入端的误差旌旗灯号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状况,闭环调节开端起感化.对负载引起的转速摇动,速度调节器输入端产生的误差旌旗灯号将随时经由过程速度调节器.电流调节器来修改触发器的移相电压,使整流桥输出的直流电压响应变更,从而校订和抵偿电念头的转速误差.别的电流调节器的小时光常数,还可以或许对因电网摇动引起的电念头电枢电流的变更进行快速调节,可以在电念头转速还将来得及产生转变时,敏捷使电流恢复到本来值,从而使速度更好地稳固于某一转速下运行.
1.2双闭环直流调速体系的静特点剖析
剖析静特点的症结是控制PI调节器的稳态特点,一般使消失两种状况：
饱和—输出达到限幅值,不饱和—输出未达到限幅值.当调节器饱和时,输出为恒
1
值,输入量的变更不再影响输出,除非有反向的输入旌旗灯号使调节器退出饱和,换句话说,饱和的调节器临时隔绝了输入和输出的接洽,相当于使该调节环开环.当调节器不饱和时,PI的感化使输入误差电压ΔU在稳态时总为零.
现实上,在正常运行时,电流调节器是不会达到饱和状况的.是以,对于静特点来说,只有转速调节器饱和与不饱和两种情形.
（1）转速调节器不饱和
这时,两个调节器都不饱和,稳态时,它们的输入误差电压都是零,是以,
（2-1）
（2-2）
由第一个关系式可得：
（2-3）
从而得到图2.2所示静特点曲线的CA段.与此同时,因为ASR不饱和,
可知
这就是说,CA段特点从幻想空载状况的
=0一向延续到
.一般都是大于额定电流Idn的.这就是静特点的运行段,它是一条程度的特点.
（2）转速调节器饱和
这时,ASR输出达到限幅值Uim*,转速外环呈开环状况,转速的变更对体系不再产生影响.双闭环体系变成了一个电流无静差的单电流闭环调节体系.稳态时：
（2-4）
个中,最大电流
取决于电念头的许可过载才能和拖动体系许可的最大加快度,由上式可得静特点的AB段,它是一条垂直的特点.如许是下垂特点只合适于
的情形,因为假如
则
ASR将退出饱和状况.
双闭环调速体系的静特点在负载电流小于Idm*时表示为转速无静差,这时,转速负反馈起重要的调节感化,但负载电流达到Idm时,对应于转速调节器的饱和输
2
出Uim*,这时,电流调节器起重要调节感化,体系表示为电流无静差,得到过电流的主动呵护.这就是采取了两个PI调节器分别形成内.外两个闭环的后果.然而,现实上运算放大器的开环放大系数其实不是无限大,是以,静特点的两段现实上都略有很小的静差,见图2.2中虚线.
图1.2.1双闭环直流调速体系的静特点
1.3双闭环直流调速体系的稳态构造图
起首要画出双闭环直流体系的稳态构造图如图2-6所示,剖析双闭环调速体系静特点的症结是控制PI调节器的稳态特点.一般消失两种状况：
饱和——输出达到限幅值;不饱和——输出未达到限幅值.当调节器饱和时,输出为恒值,输入量的变更不再影响输出,相当与使该调节环开环.当调节器不饱和时,PI感化使输入误差电压
在稳态时老是为零.
图1.3.1双闭环直流调速体系的稳态构造框图
3
现实上,在正常运行时,电流调节器是不会达到饱和状况的.是以,对于静特点来说,只有转速调节器饱和与不饱和两种情形.
第二章：
双闭环直流调速体系的数学模子
2.1双闭环直流调速体系的数学模子
双闭环控制体系数学模子的重要情势仍然是以传递函数或零顶点模子为基本的体系动态构造图.双闭环直流调速体系的动态构造电流调节器的传递函数.为了引出电流反馈,在电念头的动态构造框图中必须把电枢电流Id显露出来.
绘制双闭环直流调速体系的动态构造框图如下：
图2.双闭环直流调速体系的动态构造框图
2.2调节器的具体设计
本设计为双闭环直流调速体系,整流装配采取三相桥式全控整流
电路根本数据如下：
1）晶闸管装配放大系数Ks=30;
Ω;
3）时光常数：
电磁时光常数T1=0.012s;
4）机电时光常数Tm=0.12s;
5）调节器输入电阻R0=20Ω;
设计指标：
4
1）静态指标：
无静差;
2）动态指标：
电流超调量
;空载起动到额定转速时的转速超调量
.
盘算反馈症结参数：
（3-1）
（3-2）
（1）确准时光常数
整流装配滞后时光常数;Ts=0.0022s.电流滤波时光常数:
Toi=0.002s（三相桥式电路每个波头是时光是3.3ms,为了根本滤平波头,应有Toi=3.33ms,是以取Toi=2ms=0.002s）.按小时光常数近似处理.
（Ts和Toi一般都比Tl小得多,可以当作小惯性群近似地看作是一个惯性环节）
（2）选择电流调节器构造
根据设计请求：
%≤5%,且
可按典范Ⅰ型设计电流调节器.电流环控制对象是双惯性型的,所以把电流调节器设计成PI型的.
检讨对电源电压的抗扰机能:
（3）选择电流调节器的参数
ACR超前时光常数
;电流环开环时光增益:
（3-3）
ACR的比例系数:
5
（3-4）
（4）校验近似前提
电流环截止频率:
1）晶闸管装配传递函数近似前提：
（3-5）
即
（3-6）
知足近似前提;
2）疏忽反电动势对电流环影响的前提：
（3-7）
即
（3-8）
知足近似前提;
3）小时光常数近似处理前提：
（3-9）
即
=
（3-10）
电流环可以达到的动态指标为：
也知足设计请求.
2.3速度环的设计
1）确准时光常数
6
（1）电流环等效时光常数
（3-11）
（3）转速环小时光常数近似处理
（3-12）2）选择转速调节器构造
按追随和抗扰机能都能较好的原则,在负载扰动点后已经有了一个积分环节,为了实现转速无静差,还必须在扰动感化点以前设置一个积分环节,是以须要Ⅱ由设计请求,转速调节器必须含有积分环节,故按典范Ⅱ型体系—选用设计PI调节器.典范Ⅱ型体系阶跃输入追随机能指标见附录表三.
3）选择调节器的参数
（3-13）
转速开环增益：
（3-14）
ASR的比例系数：
（3-15）
（4）近似校验
转速截止频率为：
（3-16）
电流环传递函数简化前提：
（3-17）
（5）磨练转速超调量
当h=5时,
不克不及知足请求.按ASR退饱和的情形盘算超调量:
7
知足设计请求.
2.4双闭环直流调速体系仿真
双闭环直流调速体系的电流环仿真图如图2.5所示：
图2.双闭环调速体系的电流环仿真图
仿真成果如下：
图2.4.2转速电流曲线
图蓝线为电机转速曲线,绿线为电机电流曲线.加电流启动时电流环将电机速度进步,并且保持为最大电流,而此时速度环则不起感化,使转速随时光线性变更,上升到饱和状况.进入稳态运行后,转速换起重要感化,保持转速的稳固.
8
第三章：
直流闭环调速控制体系的设计与仿真
3.1熟悉闭环体系控制体系
2.1.1.闭环直流调速控制体系介绍.
闭环控制体系是既有参考输入控制输出量的顺向控制造用,又有输出量引回到输入端的反向控制造用,形成一个闭环控制情势.平日幻想起动进程波形如图2-3-1所示,这时,起动电流呈方形波,转速按线性增长.这是在最大电流（转矩）受限制时调速体系所能获得的最快的起动进程.
如今的问题时,我们愿望能实现控制：
·起动进程,只有电流负反馈,没有转速负反馈;
·稳态时,只有转速负反馈,没有电流负反馈.
怎么样才干做到这种既消失转速和电流两种负反馈,又使他们只能分别在不合的阶段里起感化呢？
为了实现转速和电流两种负反馈分别起感化,可在体系中设置两个调节器,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.二者之间实施嵌套（或称串级）衔接如图2-3-2所示.
ASR—转速调节器ACR—电流调节器TG—测速发电机
TA---电流互感器UPE---电力电子变换器
9
图转速.电流双闭环直流调速体系构造
图中,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去UPE.从闭环构造上看,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.电流双闭环调速体系.
为了获得优胜的静.动态机能,转速和电流两个调节器一般都采取PI调节器,如许构成的双闭环直流调速体系的电路道理图如图2-3-3所示.图中标出了两个调节器输入输出电压的现实极性,它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情形标出的,并斟酌到运算放大器的倒相感化.
图3.1.2双闭环直流调速体系电路道理图
2.1.2.基于数学模子的闭环直流调速体系仿真
（1）双闭环直流调速控制体系数学模子.
在单闭环直流调速体系动态数学模子的基本上,斟酌双闭环控制的构造,即可绘出双闭环直流调速体系的动态皆空图,如图2-3-4所示..
图双闭环直流调速体系的动态构造图
10
双闭环调速体系的现实动态构造图包含电流滤波.转速滤波和两个给
定旌旗灯号的滤波环节.个中
●TOi---电流反馈滤波时光常数
●TOn---转速反馈滤波时光常数
图中ASR和ACR分别暗示转速调节器和电流调节器的传递函数.假如采取PI调节器,则有
例：
用线性集成电路运算放大器作为电压放大器的双闭环直流调速体系如图所示,主电路是晶闸管可控整流器供电的V-M体系.已经数据如下：
●Ω;
●晶闸管触发整流装配：
三相桥式可控整流电路,电压放大系数Ks=23
●Ω;
●测速发电机：
永磁式,额定命据为23.1W,110V,0.21A,1900r/min;
●直流稳压电源：
±15V.
若临盆机械请求调速规模D=10,静差率5%,试盘算调速体系的稳态参数（临时不斟酌电念头的起动问题）.
解：
?
为知足调速体系的稳态机能指标,额定负载时的稳态降速应为
‚体系参数盘算
电念头的电动势系数:
转矩常数：
11
电磁时光常数：
机电时光常数：
晶闸管整流装配滞后时光常数：
预置参数包含如下内容.
拔取转速输出限幅值：
Um=10V,经由过程盘算得到
晶闸管装配放大系数：
×
拔取转速调节器输出限幅值：
Um=10V,可以得到
电流反馈系数：
拔取转速最大给定值：
Unm=10V
可以得到转速反馈系数;
（2）闭环直流调速体系仿真实现
根据体系的闭环体系动态构造图及其参考数值,在MATLAB的Simulink情形下可以轻松的树立体系的仿真构造如图2-3-5所示,在IdL=0时电念头的转速输出动态曲线,如图所示.
12
如图闭环体系动态构造图及参数值
IdL=0时电念头的电流.转速输出动态曲线
经由过程转变给定旌旗灯号的大小,来实现对电机输出转速的控制与调节的目标.在仿真体系中的实现进程就是该百年体系给定的阶跃旌旗灯号的大小.在上面的仿真体系在2s时刻引入一个干扰幅度为IdL=50快读为1s的干扰旌旗灯号,实现对电念头的干扰.可以看出在干扰时代电念头的转速略有摇动,干扰消掉后电念头的转速敏捷回到原状况.
经由过程转变给定旌旗灯号的大小,来实现对电机输出转速的控制与调节的目标.在仿真体系中的是实现进程就是转变体系给定的阶跃旌旗灯号的大小.在上面的仿真体系在2s时刻引入一个干扰幅度为IdL=50宽度为1s的干扰旌旗灯号,实现对电念头的干扰.可以看出在干扰时代电念头的转速略有摇动,干扰消掉后电念头的转速敏捷回到原状况.
13
图干扰状况下电念头的转速输出动态曲线
3.2直流电机双臂换体系的建模与仿真
将各个功效单元根据电气道理图,进行响应的电气衔接,最后得到双闭环直流电念头控制体系的方针模子.如图2-3-5所示.
图双闭环直流电念头控制体系的仿真模子
1三相电源的建模和参数设置：
peakamplitude：
220V;frequence：
50Hz;phaseA相0deg.B相-120deg.C相-240deg
14
图直流电机建模参数设置
2晶闸管桥的建模和参数设置：
桥臂数3
3平波电抗器的建模和参数设置：
Inducetance5e-3H
4直流电机建模和参数设置（见图2-3-6）
5控制电路建模和参数设置
包含同步脉冲触发器的建模和参数设置.给定与测量
Frequenceofsynchronisationvoltages：
50Hz;给定alta=90,为常量.
在电机的测量端口取w（转速）,Ia（电枢电流）,If（励磁电流）,Te（电磁转矩）,用多路复用分别各测取量,在示波器上用不合的坐标显示.
6PI调节器参数设置
电流环PI调节器参数设置见图2-3-7所示
15
图电流环PI调节器参数设置
电压环PI调节器参数设置见图2-3-8所示
图电压环PI调节器参数设置
2.2.2.其他参数设置：
触发角90deg,参考给定速度Referencespeed：
steptime2s,initialvalue100rad/s,finalvalue200rad/s,阶跃负载steptime：
4s,初始负载给定10n.m,最终给定负载100n.m（经仿真后知：
负载为100n.m偏大）
所有参数设置完毕,startsimulink对直流电念头双闭环调速体系进行仿真,仿真成果见图2-3-9所示
16
图仿真成果
17
对仿真成果的剖析
如图所示,在0-2秒的时光内,分三个阶段;电流上升阶段（0-0.1秒阁下）,恒流升速阶段（0.1-0.4秒阁下）,转速调剂阶段（0.4-0.7秒阁下）.2秒时给定速度有100变成200rad/s,2-3秒的时光内,电念头转速上升,电枢电流根本不变,当转速达到给定值时,电枢电流有大幅的降低,3-4秒时光内转速根本恒定,电枢电流有一振荡的环节.第4秒时,负载给定变更,由10N*m变成100N*m.这时因为体系中由有速度与电流调节器（PI调节器）的感化,使得电念头的转速根本没有变更,电枢电流由小幅的振荡上升进程最后达到稳固.全部环节励磁电流没有变更.电磁转矩的变更与电枢电流的变更一致,原因是;励磁带电流If与直流电机的励磁瓷厂大小Φ有关,由公式Te=CtΦIa知,Ct.Φ不变,Te与Ia成正比关系.
转变个中某些参数后仿真成果的变更
触发角alfa=30时仿真成果见图所示.
18
图触发角alfa=30时仿真成果
19
图
负载在4秒后增大到300n.m时,仿真成果见图所示.
可以看出4秒之后因为负载过大,调速体系不克不及是速度保持恒定,已经不克不及知足请求.这也与电机本身的额定命据有关.
可以看出,电枢电流根本没有小幅振荡,只是在速度给定（第2秒）和恒流升速阶段开端的时刻有很大的电流摇动,这会对电念头有较大的电流冲击,使电念头轻易破坏.
3.2.8仿真成果剖析
从两种办法对转速电流双闭环体系进行了建模与仿真,剖析体系输出,得到如下结论.
（1）运用转速调节器的饱和特点,使体系保持恒定最大许可电流.在尽可能短的时光内树立转速,在退饱和实现速度的调节和实现体系的无静差特点.
（2）因为构成了无静差体系,在负载变更和电网电压摇动等扰动情形下,保持体系的恒定输出.
（3）转速电流双闭环体系可以很好的战胜负载变更和电网电压波
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动等扰动影响,特殊是电网电压扰动点在电流环内.多半情形可以在电流环内就战胜,而不会造成电机转速的摇动.
基于数学模子的双闭环体系与基于电气道理图的双闭环体系两种仿真办法得到邻近的成果,同时解释仿真成果的准确性.不合之处在于两者仿真工作量的着重点不合,基于基于数学模子的双闭环体系模子仿真办法重要工作量在体系的数学模子的树立和控制器的设计方面,而基于电气道理图的双闭环体系仿真办法重要工作量在模子参数设置和控制器的设计以及体系的调节方面.
3.3带转速.电流负反馈的双闭环直流调速装配调试步调
1．调试前检讨.根据电气图纸,检讨主电路各部件及控制电路各部件间的连线是否的准确,标号是否相符图纸请求,衔接点是否稳固,焊接点是否有虚焊,衔接导线规格是否相符请求,接插件的接触是否优胜等.
2．继电控制电路的通电调试.取下各插接板,然后通电,检讨继电器的工作状况和控制次序等,用万用表磨练电源是否经由过程变压器和控制触头送到了整流电路的输入端.
3．体
升级会员 