带电流截止负反馈的转速闭环的数字式直流调速系统的仿真与设计.docx

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带电流截止负反馈的转速闭环的数字式直流调速系统的仿真与设计

带电流截止负反馈的转速闭环的数字式直流调速系统的仿真与设计

一、设计目的

应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。

应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。

在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。

二、设计参数

1、直流电动机各参数如下：

输出功率为:

5.5Kw，电枢额定电压220V

电枢额定电流30A，额定励磁电流1A

额定励磁电压110V，功率因数0.85

电枢电阻0.2欧姆，电枢回路电感100mH

电机机电时间常数1S，电枢允许过载系数1.5

额定转速970rpm

2、环境条件：

电网额定电压:

380/220V，电网电压波动:

10%

环境温度:

-40~+40摄氏度，环境湿度:

10~90%

3、控制系统性能指标：

电流超调量小于等于5%

空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%

调速范围D＝20，静差率小于等于0.03.

三、反馈控制闭环直流调速系统的工作原理

1、限流保护—电流截止负反馈

为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大问题,系统

中必须有自动限制电枢电流的环节。

根据反馈控制原理,要维持哪一

个物理量基本不变,就应该引入那个物理量的负反馈。

那么引入电流

负反馈,应该能够保持电流基本不变,使它不超过允许值。

但是这种作

用只应在起动和堵转时存在,在正常运行时又得取消,让电流自由地

随着负载增减,这样的当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈叫

做电流截止负反馈,简称截流反馈。

为了实现截流反馈,须在系统中引入电流截止负反馈环节。

如图

1所示,电流反馈信号取自串人电动机电枢回路的小阻值电阻RS,IdRS正比于电流。

设Idcr为临界的截止电流,当电流大于Idcr时将电流负反馈信号加到放大器的输入端,当电流小于Idcr时将电流反馈切断。

为了实现这一作用,须引入比较电压Ucom。

图1a中利用独立的直流电源作比较电压,其大小可用电位器调节,相当于调节截止电流。

在IdRS与Ucom之间串接一个二极管VD,当IdRS>Ucom时,二极管导通,电流负反馈信号Ui即可加到放大器上去;当IdRS≤Ucom时,二极管截止,Ui即消失。

显然,在这一线路中,截止电流Idcr=Ucom/RS。

图2-1b中利用稳压管VST的击穿电压Ubr作为比较电压,线路要简单得多,但不能平滑调节截止电流值。

图1电流截止负反馈环节

图2电流截止负反馈环节的输入输出特性

图3带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性

电流截止负反馈环节的输入输出特性如图2所示,它表明:

当输入信号（IdRs-Ucom）为正值时,输出和输入相等;当（IdRs-Ucom）为负值时,输出为零。

这是一个非线性环节（两段线性环节）,将它画在方框中,再和系统的其它部分联接起来,即得带电流截截止负反馈的闭环调速系统稳态结构图4,图中Ui表示电流负反馈信号电压,Un表示转速负反馈信号电压。

图4带电流截止负反馈的闭环调速系统稳态结构图

2、双闭环直流调速系统

双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。

它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。

我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。

采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。

但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。

这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。

在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。

但它只是在超过临界电流

值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。

带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图5-a所示。

当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。

在实际工作中,我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。

这样的理想起动过程波形如图5-b所示，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）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。

（a）带电流截止负反馈的单闭环调速系统的启动过程

（b）理想快速启动过程

图5调速系统启动过程的电流和转速波形

实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值

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[1]，那么采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程。

问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。

这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图2-2所示，即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晶闸管整流器的触发装置。

从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。

这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。

因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。

一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。

图6转速电流双闭环直流调速系统

四、设计过程

1、主电路和控制系统确定

主电路选用V-M系统，采用三相桥式全控整流电路，并增加抑制电流脉动的措施，为此设置平波电抗器，总电感量的计算公式为

L=0.693U2/Idmin,一般取Idmin为电动机额定电压的5%-10%。

触发电路采用三相集成触发器。

图晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）

图双闭环直流调速系统电路原理图

2、确定整流装置的放大倍数

1）为满足调速系统的稳态性能指标，额定负载时的稳态速降为：

2）闭环系统应有的开环放大系数：

电动机的电动势系数：

则开环系统额定速降为：

则闭环系统的开环放大系数应为：

3）计算转速负反馈环节的反馈系数和参数

在转速反馈系数α包含测速发电机的电动势系数Cetg和其输出电位器RP2的分压系数α2，即α=α2Cetg

根据测速发电机的额定数据有：

试取α2=0.2，如测速发电机与主电动机直接连接，则在电动机最高转速970r/min时，转速反馈电压为

稳态时

很小，

只要略大于

即可，现有直流稳压电源为

15V，完全能够满足给定电压的需要。

因此，取

=0.2是正确的。

于是，转速负反馈系数的计算结果为：

电位器RP2的选择方法如下：

为了使测速发电机的电枢电压降对转速检测信号的线性度没有显著影响，取测速发电机输出最高电压时，其电流约为额定值的20%，则

此时RP2所消耗的功率为：

为了不致使电位器温度很高，实选电位器的瓦数应为所消耗功率的一倍以上，故可将RP2选为10w，1.5kΩ的可调电位器。

4）计算运算放大器的放大系数和参数

根据调速指标要求，前已求出闭环系数应为K

89.6，则运算放大器的放大系数Kp应为

，取Kp为39

运算放大器的参数计算如下：

根据所用运算放大器的型号，取

，则

晶闸管触发整流装置：

三相桥式可控整流电路，整流变压器Y/Y联结，二次线电压

，电压放大系数

。

3、电流调节器的设计

1）确定时间常数

A、整流装置滞后时间常数

，三相桥式电路的平均失控时间

=0.0017s。

B、机电时间常数

，电磁时间常数

。

C、电流滤波时间常数

。

三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有

，因此取

=2ms=0.002s。

D、电流环小时间常数之和

。

按小时间常数近似处理，取

=

+

=0.0037s。

2）选择电流调节器结构

根据设计要求电流超调量

，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，因此可以用PI型电流调节器，其传递函数为

检查对电源电压的抗扰性能：

，参照典型

I型系统动态抗扰性能，各项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:

。

电流环开环增益：

要求

时，应取

，因此

。

于是，ACR的比例系数为

电流反馈系数

4）校验近似条件

电流环截止频率：

。

A、晶闸管整流装置传递函数的近似条件

满足近似条件。

B、忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

满足近似条件。

C、电流环小时间常数近似处理条件

满足近似条件。

5）计算调节器电阻和电容

按所用运算放大器取

，各电阻和电容值为

，取20

。

按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标

，满足设计要求。

4、转速调节器的设计

1）确定时间常数

A、电流环等效时间常数1/

由上已取

，则

B、转速滤波时间常数

，根据所用测速发电机纹波情况，取

=0.01s。

C、转速环小时间常数

，按小时间常数近似处理，取

。

2）选择转速调节器结构

按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为

3）计算转速调节器参数

按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前

时间常数为

转速开环增益

于是，ASR的比例系数为

4）检验近似条件

转速环截止频率为

A、电流环传递函数简化条件为

，满足近似条件。

B、转速环小时间常数近似处理条件为

，满足近似条件。

5）计算调节器电阻和电容

取

，则

6）校核转速超调量

当h=5时，

，不能满足设计要求。

实际上，

由于表中是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。

由已知有

，

Ce=0.2206Vmin/r，

，当h=5时，查表可得

，代入式

可得

能满足设计要求。

五、系统的MATLAB仿真

1、系统仿真模型

2、系统仿真结果

六、设计总结

这次课程设计中，我们学到了许多课堂上学不到的东西，尤其是在Matlab仿真上面有很多自己不懂的地方，我在此用了很多时间和精力。

本次课程设计让我对《电力拖动自动控制系统-运动控制系统》的内容---带电流截止负反馈的转速闭环与转速、电流反馈控制直流调速系统有了更深的理解，对典型I系统设计加深了认识。

通过matlab的仿真，使我对双闭环反馈控制的直流调速系统有了直观的印象。

课程设计是对我们在这学期学到的电力拖动自动控制系统这门课的理论知识的一个综合测评，是对我们将理论结合时间的综合能力的考查，是培养我们发现问题、解决问题的能力，是激发我们内在创新意识的途径。

通过对系统的设计，让我们对双闭环控制系统各个部分都有所认知。

同时也可以通过课程设计，了解理论知识哪些方面比较薄弱，及时查漏补缺。

七、参考文献

1.《电力拖动自动控制系统》陈伯时.机械工业出版社.

2.《电力拖动控制系统设计手册》朱仁初.机械工业出版社.

3.《电气传动自动化技术手册》天津电气传动研究所.机械工业出版社.

4.《毕业设计指导》刘祖润.机械工业出版社.

5.《电力电子变流技术》黄俊.机械工业出版社.

6.《电力拖动自动控制系统》张明达.冶金工业出版社.

7.《电力传动控制系统原理与应用》冯信康.水利电力出版社.

8.《电气传动控制系统的设计》周德泽.机械工业出版社.

9.《电工电子实践教程》吴新开，人民邮电出版社

10.《电气自动化》杂志

11.《电气传动自动化》杂志

12.《电力电子技术》杂志