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直流电动机调速系统仿真
摘要
本论文是基于直流调速系统的设计与仿真，通过对控制系统的硬件电路设计实现对控制系统的功能构成的进一步了解，并利用Matlab／Simulink工具箱进行系统的动态仿真从而分析转速和电流的仿真波形，并进行调试，使双闭环直流调速系统趋于完善、合理．
采用工程设计方法对双闭环直流调速系统进行辅助设计，选择调节器结构，进行参数计算和近似校验．并建立起制动、抗电网电压扰动和抗负载扰动的Matlab／Simulink仿真模型．其中电路的设计包括转速显示电路、转速检测电路、电流检测电路、触发脉冲输出电路、过零检测电路以及保护电路。
通过仿真实现对系统的启动性能分析与抗扰性能分析，得出系统对负载的大幅度突变和电网电压的大幅波动具有良好的抗扰能力但是与理想的电动机的起动特性相比较，该系统的起动和恢复时间显得略长一些等结论
关键词:
调节器双闭环直流调速系统Matlab／Simulink仿真
Abstract
ThisthesisisbasedontheDCspeedcontrolsystemdesignandsimulation,throughthecontrolsystemhardwaredesigntorealizethecontrolfunctionofthesystemconstitutesafurtherunderstandingThentheMatlabmodelofdoubleclosed-loopDCmotorcontrolsystemwasbuilt.Thespeedandcurrentwaveformwereanalyzedcarefully.BytryingagreatdealofsimulationtheDCmotorcontrolsystemwasmadebetterandmorereasonable.
Accordingtoengineeringdesignmethodadoubleclosed-loopDCmotorcontrolsystemwasdesigned,amodulatorstructurewasselectedandcomputed,anditsparameterwascorrected.AndestablishaMatlab/SimulinksimulationmodelwhichIncludebraking,anti-disturbanceandanti-gridvoltageloaddisturbanceCircuitdesign,includingspeeddisplaycircuit,speeddetectioncircuitandcurrentdetectioncircuit,triggerpulseoutputcircuit,zerocrossingdetectioncircuitandprotectioncircuit.
weconcludethatthisSignificantmutationsystemloadfluctuationsandgridvoltagehasagooddisturbancerejectioncapabilitiesbySimulationtSystemstart-upperformanceanalysisandperformanceanalysisofdisturbancerejectionbutalsocouldfindthattheIdealmotorstartingcharacteristicscomparedtothesystemstart-upandrecoverytimeseemsevenlongerandsoon
Keywords:
Regulator;doubleclosed-loopDCmotorcontrolsystem;Matlab/Simulink
第一章概述
1.1研究背景
20世纪初，直流电动机的发展己趋于成熟。
传统的直流电机以其优良的转矩特性和调速性能在运动系统中有着广泛的应用，但机械电刷却是它的致命弱点。
电刷的存在带来了一系列的问题，如：
存在机械摩擦、噪声、电火花无线电干扰、寿命短，再加上它制造成本高及维修困难等缺点，从而大大限制了它的应用范围。
自7O年代以来，国内外在电气传动领域内，大量地采用了“晶闸管直流电动机调速”技术（简称KZ—D调速系统）。
尽管当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中KZ—D系统的应用量还是占有相当的比重。
在工程设计与理论学习过程中，会接触到大量关于调速控制系统的分析、综合与设计问题。
传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。
以计算机作为工具的计算和仿真技术能为各种不同的控制系统提供一种方便，灵活多变的“活的数学模型”，在这个“活的数学模型”上进行实验研究，不仅省钱，而且安全，周期短、见效快.鉴于上述优点，我们需要开发和研究既能够进行直流双闭环的系统设计，又能将设计结果进行系统仿真的软件，以方便工程设计和理论学习。
1.2直流双闭环系统介绍
直流电机双闭环（电流环、转速环）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，只有电流截至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，强烈的负反馈作用限制电流得冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。
在实际工作中,我们希望在电机最大电流受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度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）首相的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。
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得恒流过程，按照反馈控制规律，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，不在*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不同的阶段。
在设计过程中，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，需要设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，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，叫内环；转速环在外面，叫外环。
这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。
1．3国内外研究现状与趋势
现阶段，感应电动机和有换向器的电动机在传动应用中占主导地位，但是无刷直流电机正受普遍的关注。
20世纪90年代以来，随着人们的生活水平的提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、数控车床、工业机器人以及精密机械、办公自动化设备都越来越趋于高效、小型及智能化，作为执行元件重要组成部分的控制用电动机必须具有精度高、速度高等特点，无刷直流电机的应用也因此而迅速增长。
尤其在节能已成为时代主题的今天，无刷直流电机高效率的特点显示了其巨大的应用价值。
无刷直流电机转子采用了永久磁铁，其产生的气隙磁通保持为常数，因而特别适用于恒转矩运行。
对于恒功率运行，无刷直流电机虽然不能直接改变磁通实现弱磁控制但是通过控制方法的改进也是可以获得弱磁控制的效果。
无刷直流电机转子的转动惯量小，因而在要求有良好的静态特性和高动态响应的伺服驱动，如数控机床、等的应用中，无刷直流电动机比异步电动机和直流电动机显示了更多的优越性。
据统计，现在PC机中80%以上的CD-ROM驱动器和硬盘控制器才用无刷直流电机也有一席之地。
现在无刷直流电机的应用范围遍及国民经济的各个领域，并且日趋广泛，特别是在仪器仪表、自动化装置、计算及外设、机器人、家电、电动汽车、航空航天等领域已得到大量的应用。
目前，在美英日德等几个主要的微特电机生产国，直流无刷电机产量年平均增长率保持在102%，世界总产量约为30亿台左右。
1．4本论文主要工作
本文分析了直流调速系统的工作原理和硬件电路设计，以及双闭环系统调节器的设计和基于控制系统的建模和仿真研究。
基于MATLAB/Simulink环境下建立独立功能模块，再进行功能模块的有机结合，搭建无刷直流电机调速系统的仿真模型，系统采用双闭环控制速度外环采用参数自整定模糊PID控制，电流内环采用电流滞环控制。
仿真结果证明了该方法的有效性，同时验证了参数自整定模糊PID控制优于传统PID控制，前者具有响应速度更快、超调更小、稳定性和跟踪性能更好的特点。
第二章直流调速控制系统的原理
本文研制的直流调速装置采用双闭环数字Pl调速控制，以单片机AT89C51作为主控制器，晶闸管触发和转速测量等环节都实现全数字化的微机控制。
系统结构简单，可靠性高，操作维护方便，电动机稳态运行时转速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好地实现设计的要求。
2．1系统的工作原理
本课题的研究内容主要是通过控制三相全控整流电路中晶闸管的对应导通将三相交流电源转化成可变的直流电源，控制系统配以双闭环PI控制M，实现对直流电机的调速控制。
系统通过键盘对转速进行给定，同时将转速给定变换成电压信号。
通过数字测速系统对电动机的转速进行检测并转换成电压信号，把转速给定信号和转速反馈信号作为转速环ASR的两个输入信号，经过数字PI调节控制得到电流环ACR的给定信号，再与电流检测信号一起作为电流环的输入信号。
将最后得到的控制电压信号作为晶闸管的移相触发控制信号，换算成晶闸管的控制角口，再根据控制角口的不同换算出对应得触发时刻，向对应导通的两个晶闸管同时输出触发脉冲，使其输出可控的整流电压。
通过上下两行4位数码管进行转速检测与转速给定实时比较，最终达到转速检测与转速给定相平衡，使系统达到稳态，进而实现调速的目的。
系统原理图如图2．1所示。
根据控制对象的不同，在硬件电路不变的前提下，系统的软件要相应的发生变化。
例如，整流电路是三相半控，触发脉冲就为三路输出；整流电路是三相全控，整流电路就为六路输出：
由于本装置采用双闭环数字PI控制，整流电路采用三相全控整流电路，因此下面对两者作详细介绍：
2．2双闭环调速系统的构成
转速、电流双闭环调速系统（简称双闭环调速系统）是由单闭环调速系统发展而来的。
采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以实现转速调节的无静差，且采用电流截止负反馈作限流保护可以限制启（制）动时的最大电流。
但是单闭环调速系统存在以下问题需要解决。
图2.1数字控制的双闭环直流调速系统原理图
（l）在单闭环调速系统中用1个调节器综合多种信号，各参数问相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，系统地动态性能不够好。
（2）系统中采用电流截止负反馈环节来限制启动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应；即最佳过渡过程。
为了获得近似理想的过渡过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的办法就是将主要的被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流。
构成转速、电流双闭环调速系统。
2．2．1转速、电流双闭环调速系统的组成
在转速、电流双闭环调速系统中，既要控制转速，实现转速无静差调节，又要控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，其关键是处理好转速控制与电流控制之间的关系，就是将二者分开，用转速调节器ASR调节转速，用电流调节器ACR调节电流。
ASR与ACR之间实现串级联接，即以ASR的输出电压Ui*作为电流调节器的电流给定信号，再用ACR的输出电压Uc作晶闸管触发电路的移相控制电压。
从闭环反馈的结构看，转速环在外面为外环，电流环在里面为内环。
为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用具有输入输出限幅功能的PI调节器，且转速与电流都采用负反馈闭环。
2．2．2调节器输出限幅值的整定
在双闭环系统中转速调节器ASR的输出电压Ui*是电流调节器ACR的给定信号，其限幅值Uim为最大电流给定值，因此，ASR的限幅值完全取决于电动机所允许的过载能力和系统对最大加速度的需要。
而ACR的输出电压限幅值Ucm，表示对最小口角的限制，也表示对晶闸管整流输出电压的限制。
调节器输出限幅值的计算与整定是系统设计和调试工作中很重要的一环。
在具体分析一个系统时必须注意调节器输出限幅值所代表的具体物理意义及其计算和整定方法。
2．3双闭环调速系统的动态特性
一般来说调速系统的动态性能主要指系统对给定输入（阶跃给定）的跟踪性能和系统对扰动输入（阶跃扰动）的抗绕性能而言。
两者综合在一起就能完整地表征一个调速系统的动态性能或称动态品质。
2．3．1双闭环调速系统突加给定时的启动过程
设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的启动过程，因此有必要首先讨论双闭环调速系统突加给定时的启动过程。
当双闭环调速系统突加给定电压Un*由静止状态开始启动时，转速和电流随时间变化的波形如图2．2所示。
由于在启动过程中，转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，因此整个启动过程分为三个阶段，在图中分别标以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。
图2.2双闭环转速系统启动时的转速和电流波形
（l）第Ⅰ阶段（O～t1）：
强迫电流上升阶段；
（2）第Ⅱ阶段（t1～t2）：
恒流升速阶段，即电动机保持最大电流作等加速启动阶段；
（3）第Ⅲ阶段（t2～t4）：
转速超调进入稳定的阶段，即转速调节阶段；
2．3．2双闭环调速系统的制动停车过程
由于晶闸管的单向导电性。
因此不可逆双闭环调速系统不可能实现回馈制动。
在制动时，当电流下降到零以后，就只好自由停车。
若须加快制动；则只能采用电阻能耗制动或电磁抱闸的方式。
2．3．3双闭环调速系统的抗扰性能
负载扰动和电网电压扰动是双闭环调速系统中的两个主扰动，只要系统能有效地抑制它们所引起的动态转速降（升）和恢复时间，就说明系统具有较强的动态抗扰性能。
（l）抗负载扰动。
负载扰动作用在电流环，转速环内，只能靠转速调节器产生抗扰作用。
因此，在突加（减）负载时，必然会引起动态速降（升）。
为了减少动态速降（升），在设计ASR时，必须要求系统具有较好的抗扰性能。
而对ACR的设计来说，则只要电流环具有良好的跟随性能就可以了。
（2）抗电网电压扰动．从静特性上看，单、双闭环系统对电网电压扰动的抗扰效果是一样的i但是从动态性能上看，r却有较大差别。
在单闭环调速系统中，作用点离被调量n较远的电网电压波动引起的扰动作用，先要经过电磁惯性滞后才能影响到电枢电流，再经过机电惯性滞后才能反映出转速变化，等到转速反馈产生调节作用，时间已晚。
在双闭环调速系统中，电网电压扰动被包围在电流环内，它的影响不必等到波及到转速就能被电流环所抑制。
因此，在双闭环调速系统中，电网电压波动引起的动态降（升）要比单闭环系统小得多。
2．3．4两个调节器的作用
转速调节器和电流调节器在双闭环调速系统中的作用可以归纳如下：
（1）转速调节器的作用
①使转速n跟随给定电压U*m变化，稳态无静差；
②对负载变化起抗扰作用；
③其输出限幅值决定允许的最大电流。
（2）电流调节器的作用
①对电网电压波动起及时抗扰作用；
②起动时保证获得允许的最大电流；
③在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压U*i变化；
④当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护作用。
如果故障消失，系统能够自动恢复正常。
第三章系统的硬件设计
3.1直流调速系统的方案选择
3.1.1直流电动机的选择
本次设计选用的电动机型号Z2-31型，额定功率4.2KW，额定电压230V，额定电流18.25A,额定转速1450r/min，
P级对数为为1。
3.1.2电动机供电方案的选择
单相整流电路虽元件小，线路简单，维修方便对触发电路要求也低，但它职能用于小功率的电路，而且电压波动大，易能使电网不平衡，按规定，4KW以下的可用单相，而4KW以上的要用三相整流电路。
虽然三相半波也是元件少，易调整等优点，但其致命弱点是电压脉动系数大，变压器利用率低。
故采用三相桥式。
半控桥使用可控硅少，触发电路也简单但其有自然续流和可能出现“失控”现象。
因此系统的要求精度选择全控桥。
由上可知，选择三相全控整流方式。
电动机额定电压为230V，为保证供电质量，应采用三相减压变电器将电源电压降低，为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波对电源干扰主变压器采用D/Y联结。
因调速精度要求高，为获得良好的静、动态性能，故选用转速电流双闭环调速系统，且两个调节器采用PI调节器，电流反馈进行限流保护，出现故障电流时由过流继电器切断这电路电源。
为使线路简单、工作可靠、装置体积小，宜选用KJ004及KJ041组成的六脉冲集成触发电路。
该系统采用减压调速方案，故励磁应该保持恒定，励磁绕组采用三相不控桥式整流电路供电，电源可从主变压器二次侧引入，为保证先加励磁后加电枢电压，主接触器主触点应该在励磁绕组通电后方可闭合，同时设有弱励磁保护环节。
3.1.3系统的结构选择
若采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统虽然可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差，不过当对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统难以满足要求，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，在单闭环调速系统中，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，并不能很理想地控制电流的动态波形，当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减少，因而加速过程必然拖长。
若采用双闭环调速系统，则可以近似在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最大电流（转矩）受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。
采用转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。
所以选用转速电流双闭环系统结构。
3．2系统硬件结构的总体设计
直流调速系统的硬件结构主要包括智能控制芯片AT89C51，再配必转速给定、转速显示、转速检测、电流检测、触发电路、过零检测电路和整流电路等部分。
通过键盘对转速进行给定，通过两行4位数码管对转速给定和转速检测进行显示；转速检测电路主要是采用光电编码器和定时/计数芯片8253进行检测；电流检测电路主要考虑到检测精度的问题，采用A/D574作为检测芯片，将直流端的电流变换为电压信号检测进来；触发电路主要是对六路晶闸管进行移相触发，采用8155芯片和脉冲放大电路作为六路脉冲的产生；整流电路由三相全控整流电路、三相电源变压器：
小型直流电机等构成。
硬件结构框图如图3．1所示
AT89C51
373
8155
PA
触发脉冲接口
脉冲功放
至各晶闸管门极
8253
0
1
2
CLK
数字测速电路
过零检测电路
键盘/显示电路（8279）
A/D574
主变压器
同步变压器
三相电源
编码器
图3．1系统硬件结构框图
3．3系统主要芯片介绍
AT89C5l——单片机，用作系统的监控，读取采样数据，进行PI运算，输出控制量。
8279—可编程键盘、显示接口芯片，用于转速设定和电机控制命令的输入以及电机运行中转速的显示。
8253—可编程定时，计数芯片，具有3个16位的定时/计数器，用于测速和脉冲触发移相。
8155—可编程I/O接口扩展芯片，用于输出三相全控整流电路中六路触发脉冲信号。
A/D574—12位A/D转换芯片，将电枢电流Id转化为数字量的电压信号。
3．4系统硬件电路组成
3．4．1AT89C51单片机的性能及特点
AT89C51是一种低功耗、高性能的片内含有4KB快闪可编程／擦除只读存储器（EPEROM——FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的8位CMOS微控制器，使用高密度，非易失存储技术制造。
芯片上的EPEROM允许在线编程或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。
AT89C51（以下简称89C51将具有多种功能的8位CPU与EPEROM结合在一个芯片上，为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适宜的方案。
89C51的主要性能包括：
（l）片内有4KB可在线重复编程的快闪擦写存储器（FlashMemory）；
（2）存储器可循环写入/擦除1000次；
（3）存储数据保存时间为10年；
（4）宽工作电压范围：
Vcc可为2．7～6V；
（5）全静态工作：
可从0MHz至16MHz；
（6）程序存储器具有3级加密保护；
（7）128x8位内部RAM；
（8）32条可编程I/O线；
（9）两个16位定时器，计数器；
（10）中断结构具有5个中断源和2个优先级；
（11）可编程全双工串行通道：
（12）空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。
3．4．1．1AT89C5l硬件结构及引脚
AT89C51的内部硬件结构如图3．2所示。
图3．2AT89C51的内部硬件结构图
其引脚配置如图3．3所示。
图3．3AT89C51引脚图
3．4．2键盘／显示电路设计
8279是Intel公司生产的可编程键盘／显示I／O专用芯片，8279能够以较简单的硬件电路和较少的硬件开销实现单片机与键盘和显示器接口。
利用8279可实现对键盘／显示器的自动扫描，并识别键盘上闭合的键号，不仅可大大节省CPU对键盘／显示器的操作时间，而且显示稳定，程序简单很少出现误动作。
因此，本设计键盘和显示部分选用8279芯片．本设计包括8个按键和S位数码显示，通过键盘和数码管的结合使实现调速系统的所有操作。
键盘显示电路主要通过键盘进行转速的设定，通过上行数码管显示；转速反馈值通过下行数码管显示。
键盘显示电路如下图3．4所示。
图3．4键盘显示电路
根据8279芯片的工作方式，键盘为独立式按键；设定为选通输入方式。
要求CNTL／STB端应该与按键通过一个8路与非门连接，那样当有按键按下时，信号的上升沿可将RL0～RL7的数据存入FIFORAM中，此时SHIFT无效。
电路不需要上拉电阻，因为8279
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