VM双闭环不可逆直流调速系统的仿真.docx

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VM双闭环不可逆直流调速系统的仿真

摘要

转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。

在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。

本文采用转速、电流双闭环直流调速系统为对象来设计直流电动机调速控制器。

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，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，二者之间实行嵌套联接。

从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称做外环。

这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

先确定其结构形式和设计各元部件，并对其参数计算。

最后采用MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行了仿真分析。

关键词：

双闭环；转速调节器；电流调节器

ABSTRACT

Speedandcurrentdual-loopcontrolperformanceofDCspeedcontrolsystemisverygood,themostwidelyusedDCdrivesystem.Speedcontrolsysteminthedesignofthemaincircuitusingthree-phasefullcontrolledbridgerectifiercircuittosupply.Inthispaper,thespeedandcurrentdualclosedloopDCsystemfortheobjecttodesignDCmotorspeedcontroller.Inordertoachievebothspeedandcurrentroleofnegativefeedback,respectively,bothsetinthesystemregulator,adjustthespeedandcurrent,respectively,thatwereintroducedspeedandcurrentnegativefeedbacknegativefeedback,theimplementationofanestedconnectionbetweenthetwo.Fromtheclosed-loopstructure,thecurrentloopontheinside,calledtheinnerring;speedringontheoutside,calledtheouterring.Thisformofspeedandcurrentdual-loopspeedcontrolsystem.Todetermineitsstructureanddesignofvariouscomponents,andtheparametercalculation.Finally,usingMATLAB/SIMULINKcontrolsystemfortheentiresimulationanalysis.

Keywords:

doubleloopspeedregulatorcurrentregulator

目录

1双闭环直流调速系统的组成和工作原理6

1．1双闭环直流调速系统的组成6

1．1．1双闭环直流调速系统的结构图6

1．1．2双闭环直流调速系统的电流调节环6

1．1．3双闭环直流调速系统的速度调节环7

2双闭环直流调速系统启动过程分析7

2．1双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形7

2．2双闭环直流调速系统的起动过程7

2．3双闭环直流调速系统的动态抗扰性能8

2．3.1双闭环直流调速系统的抗负载扰动8

2．3.2双闭环直流调速系统的抗电网电压扰动8

3双闭环调速系统的主电路各器件的选择和计算9

3．1主电路参数的选择与确定9

3．1.1直流电机的基本参数9

3．1.2设计指标9

3．2.参数的选取和计算9

3．2.1模块参数设置10

3．2.2电流调节器的设计10

3．2.3转速调节器的设计10

4基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真10

4．1稳态结构框图和动态数学模型11

4．1.1双闭环调速系统的静态结构框图11

4．1.2双闭环调速系统的动态数学模型11

4．2基于原理图的SINULINK仿真11

4．2.1基于直流双闭环动态结构图的仿真模型11

4．2.1.1PI调节器及其分支模块12

4．3仿真结果12

4．3.1转速响应曲线12

4．3.2电流响应曲线13

4．4仿真结果与原理图形的比较13

小结13

致谢13

参考文献14

1双闭环直流调速系统的组成和工作原理

1.1双闭环直流调速系统的组成

1.1.1双闭环直流调试系统的结构图

单闭环系统不能控制电流和转矩的动态过程。

电流截止负反馈环节只是用来限制电流的冲击，并不能很好地控制电流的动态波形。

为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。

按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。

现在的问题－－希望能实现控制：

起动过程，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。

怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？

这需要使用转速电流双闭环系统。

转速电流双闭环系统就是在系统里设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈来调节转速和电流，二者之间实行嵌套（或称串级）连接（如上图），把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，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；转速环在外面，称作外环。

这样就形成了双闭环调节。

为了获得良好的静，动态性能，两个调节器一般采用PI调节器

由于积分饱和的特性还要对两个调节器进行限幅，限幅的作用：

转速调节器ASR的输出限幅电压U*im，电流给定电压的最大值，即限制了最大电流；电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm，Uc的最大值，即限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。

1．1．2双闭环直流调速系统的电流调节环

以ACR为核心的电流环——作用是稳定电流，稳态时，ΔUi=-U*i+Ufi=-U*i+βId=0，

即Id=U*i/β其中Ufi=βId，β为电流反馈系数。

当U*i一定时，由于电流负反馈的作用，使输出电流保持在U*i/β数值上。

当Id>U*i/β时，调节过程如下：

最终可保持电枢电流稳定。

当电流下降时，也有类似的调节过程。

1．1．3双闭环直流调速系统的速度调节环

以ASR为核心的转速环——作用是稳定转速，稳态时，ΔUn=U*n-Ufn=0，其中Ufn=αn即n=U*n/α。

其中α为转速反馈系数。

当U*n一定时，转速n将稳定在U*n/α数值上。

当n

最终可保持转速稳定。

当转速上升时，也有类似的调节过程。

2双闭环直流调速系统启动过程分析

2．1双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形

突加给定电压U*n时，双闭环直流调速系统在带有负载IdL条件下起动过程的电流波形和转速波形。

2．2双闭环直流调速系统的起动过程

在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和（I）、饱和（II）、退饱和（III）三个阶段。

第I阶段电流上升的阶段（0--t1）

突加给定电压U*n后，Id上升，当Id小于负载电流IdL时，电机还不能转动。

当Id≥IdL后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，ASR输入偏差电压仍较大，ASR很快进入饱和状态，而ACR一般不饱和。

直到Id=Idm，Ui=U*im。

特点：

ASR由不饱和进入饱和状态，转速增加较慢、电流快速上升到Idm。

第II阶段恒流升速阶段（t1--t2）

ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统为在恒值电流U*im给定下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长，直到n=n*。

电机的反电动势E也按线性增长，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，Ud0和Uc也必须基本上按线性增长，才能保持Id恒定。

当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，Id应略低于Idm。

特点：

ASR处于饱和状态－－转速环开环；电流无静差系统；转速线性上升；Id略小于Idm

第Ⅲ阶段转速调节阶段（t2以后）

ASR和ACR都不饱和，ASR起主导作用，ACR力图使Id尽快地跟随U*i，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。

当n=n*时，ASR输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值U*im，所以电机仍在加速，使n>n*。

ASR输入偏差电压变负，开始退出饱和，U*i和Id很快下降。

但是，只要Id仍大于负载电流IdL，转速就继续上升。

直到Id=IdL时，转矩Te=TL，则dn/dt=0，转速n才到达峰值（t=t3时）。

此后，电动机在负载的阻力下减速，在一小段时间内（t3~t4），Id

如果调节器参数整定得不够好，会有振荡过程。

特点：

ASR不饱和，起主要调节作用；ACR起跟随作用；转速有超调。

起动过程的三个特点：

（1）饱和非线性控制；

（2）转速超调；（3）准时间最优控制（有限制条件的最短时间控制）

2．3双闭环直流调速系统的动态抗扰性能

2．3.1双闭环直流调速系统的抗负载扰动

扰动作用位置：

电流环之外抗扰作用调节器：

转速调节器ASR，对ASR的设计要求：

应要求有较好的抗扰性能指标。

2．3.2双闭环直流调速系统的抗电网电压扰动

扰动作用位置：

电流环内的前向通道，抗扰作用的调节器：

电流调节器ACR，双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。

3双闭环调速系统的主电路各器件的选择和计算

3．1主电路参数的选择与确定

3．1．1直流电机的基本参数

某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：

额定电压:

Un=220V

额定电流:

In=136A

额定转速:

Nn=1460r/min（4极）

电枢电阻：

Ra=0.21Ω

GD^2=22.5N*m^2

励磁电压：

Uf=220V

励磁电流：

If=1.5A

电动机电势系数:

Ce=0.132V*min/r

采用三相桥式整流电路，整流器内阻Rrec=1.3Ω，电抗器：

Lp=200mH

3．1．2设计指标：

动态指标：

1.电流超调量：

2.空载起动到额定转速时的转速超调量：

3.允许过载倍数:

λ=1.5

3．2参数的选取和计算

取电流反馈滤波时间常数Toi=0.002s；

转速反馈滤波时间常数Ton=0.01s；

取转速调节器和电流调节器的饱和值为12V，输出限幅值为10V，额定转速时转速给定Un*=10V。

3．2．1参数设置

供电电源电压为：

U2=（Unom+Rrec*In）/2.34cosαmin=（220+0.21*136）/2.34*cos30V=123V

电机参数设置：

励磁电阻为：

Rf=Uf/If=220/1.5=146.7Ω,（说明：

励磁电阻在恒定磁场中可取零）

电枢电阻Ra=0.21Ω，电枢电感由下式估计：

La=19.1*C*Unom/2*p*Nn*In=19.1*0.4*220/2*2*1460*136=0.00021H

电枢绕组和励磁绕组互感Laf为：

因为：

Ce=0.132V*min/r

Ke=60*Ce/2*π=60*0.132/6.28=1.26

所以：

Laf=Ke/If=1.26/1.5=0.84H

额定负载转矩为：

Tl=9.55Ce/Inom=9.55*0.132*17.5=22N*m

3．2．2电流调节器的设计

电流反馈系数：

β=Uim/λ*Inom=10/1.5*136=0.05

电动机转矩时间常数：

Tm=GD^2*R∑/375*Ce*Cm=3.53*2.85/375*9.55*0.132=0.161s

电动机电磁时间常数：

Ti=L∑/R∑=（200+16）*0.001/2.85=0.076s

三相晶闸管整流电路平均失控时间：

Ts=0.0017s

根据电流超调量σi％≤5％的要求，电流环按典型Ⅰ型系统设计，点楼调节器选用PI调节器，其传递函数为：

Wacr（s）=Ki*（1+τS）/τS

其中：

τ=Ti=0.076s

Ki=τ*R/2*T*β*Ks=0.076*2.85/2*0.0037*0.272*37.84=2.84

Kli=τ/Ki=0.076/2.84=0.0268

3．2．3转速调节器的设计

转速反馈系数：

α=Unom/Nnom=10/1500=0.00667V*min/r

为加快转速的调节速度，转速环按典型Ⅱ型系统设计，并选中频带宽度h=5，转速调节器的传递函数：

Wasr（s）=Kn*（1+τS）/τS

其中τ=h*T=h*（2*TΣi+Ton）=5*92*0.0037+0.01）=0.087s

Kn=（h+1）*βCe*Tm/2*h*α*R*T=6*0.272*0.132*0.161/2*5*0.00667*2.85*0.0174=10.49

Kin=τ/Kn=0.087/10.84=0.0083

4基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真

4．1稳态结构框图和动态数学模型

4.1.1静态结构框图

4.1.2动态数学模型

4．2基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真

4.2.1基于直流双闭环动态结构图的仿真模型

4.2.1.1带饱和输出限幅的Pi调节器及分支模块

4.3仿真结果：

4.3.1电机启动时转速的响应曲线：

4.3.2电机启动时电机电流的响应曲线：

4.4仿真结果与原理图的比较

仿真结果与理论上电机启动的结果比较：

转速没有超调量，不过符合第二和第三阶段，电流响应，电机启动以最大电流（并维持一段时间，略有下降）使电机加速，等电机达到额定转速时，电流逐步减小，趋于一个最小值，但是最带电流有一点衰减，这和给定的阶跃响应有关。

小结

本文是对双闭环直流电机调速系统的设计，通过两周的努力对该电路有了较为深入的研究，也进一步熟悉了双闭环直流调速系统的结构形式、工作原理及各个器件的作用和设计。

通过做毕业设计，也有了不少的收获进一步了解和掌握了双闭环直流调速系统及其控制电路的一些特性，比较全面的将所学的电力电子和电力拖动方面的知识运用于设计当中，对设计中一些参数的计算也比较清析得到，整个双闭环直流调速电路分阶段地完成，从电力电子方面的设计到电力拖动方面的设计，最后MATLAB/SIMULINK的运用，是一步一步的完成和组合。

照搬理论会发现做出来的设计结果有点出入，因为理论是不考虑任何的外在原因，是在理想化的情况。

而现实它则除了内在不可改变的原因，还有不可避免的外在原因，外在原因可以改变但是智能改善。

所以本设计在有限的条件下和本人有限的学识，做出的设计还是存在着一些不足。

本设计采用PI调节器，输出的转速存在这超调量比较大，而且快速性也相对受到影响。

则今后可以采用PID调节器可以全面的提高系统的控制性能，但是具体实现与调试要复杂，做的工做比现在就更多。

设计研究是一个漫长的过程，要想让它真正的使用到现实中，还需要不断的改善。

致谢

通过做毕业设计，我从中得了不少收获。

不仅在理论上，知道课本的理论知识的最要性，而且也知道实践如何运用理论，理论联系实践。

虽然，在做毕业设计的过程中克服了很多困难，解决了不少问题，但是我坚持到底，尽自己的力量做到最好。

相信通过这次的设计将在以后的工作中给我不少的启发。

我也会在今后更多的时间学习各种新知识。

给自己不断的充电，增值。

在这两周的设计学习中，感谢我的室友在我无助、心烦的时候鼓励和支持，让我克服设计道路上的困难。

最后感谢王老师和李老师在平时认真授课，让我在设计中学会了运用知识。

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.机械工业出版社，2010年7月

[2]张世铭，王兆安.电力拖动直流调速系统.华中理工大学出版社，2000.

[3]林飞，杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真.中国电力出版社,2009年1月．

[4]洪乃刚．电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.机械工业出版社，2006年5月