电机控制技术论文.wps

1、1目 录目 录摘要.2ABSTRACT.2引言.2一、对直流电动机运动方程的分析.3二、直流电动机的数学模型.3三、双闭环直流调速系统的组成.5四、双闭环直流调速系统性能分析.74.1 启动过程.74.2 双闭环直流调速系统的静特性.94.3 双闭环直流调速系统的动态性能.10五、基于 MATLAB/SIMULINK 的调速系统的仿真.115.1 转速单闭环直流调速系统的 Simulink 仿真.115.2 双闭环直流调速系统的 simulink 仿真.12六、实验验证双闭环直流调速系统的启动过程.14七、总结.15八、参考文献.152摘 要摘 要 直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在宽

2、范围内平滑调速，在许多需要调速和（或）快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。近年来，虽然高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统已逐步取代直流调速系统。然而直流拖动控制系统不仅在理论上和实践上都比较成熟，目前还在应用；而且从控制规律的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础。因此，掌握直流拖动控制系统的基本规律和控制方法是非常必要的。转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广的直流调速系统。本文用 MATLAB 仿真软件对转速、电流反馈控制的直流调速系统进行仿真。关键词：关键词：双闭环控制系统，转速控制环，电流控制环，MATLABABSTRACT DC mo

3、tor has a good start,braking performance,it is appropriate to smooth speed over a wide range,has been widely used in many speed control and(or)fast forward and reverse electric drive field.In recent years,the rapid development of high-performance AC variable speed AC drive system has been gradually

4、replacing the DC speed control system.DC drive control system,however,not only in theory and in practice are more mature,is still used;and from the point of view of the control law,the DC drive control system is the basis of the AC drive control system.Therefore,grasp the basic law of the DC drive c

5、ontrol system and control method is necessary.Speed,current feedback control for DC motor static and dynamic performance,the most widely used DC speed control system.Speed,current feedback control for DC motor using MATLAB simulation software simulation.Key words:Double-loop control system,speed con

6、trol loop,current control loop,MATLAB引言引言 转速电流双闭环调速系统是最典型的直流调速系统,利用电流调节器和转速调节器控制,可以无限逼近理想启动过程。本文分析了系统的控制原理，建立了系统的动态数学模型，并利用MATLAB中的Simulink进行了系统建模仿真,给出了仿真结果。通过对结果的分析进一步验证了双闭环调速系统的优越性。3一、对直流电动机运动方程的分析一、对直流电动机运动方程的分析 通过我们对电机学的学习，我们有直流电动机的简化运动方程，即dtdnGDTTle3752式中2GD为转动惯量（2m/N），n 为转子的机械转速（r/min），eT为电磁转矩

7、，lT为负载转矩。从运动方程我们可以知道，若直流电动机的负载转矩lT不变，转速n发生改变时，方程要继续保持平衡，则电磁转矩eT必然改变，又由dteICT 得电枢电流dI必然改变。二、二、直流电动机的数学模型直流电动机的数学模型为了分析调速系统的稳定性和动态品质，必须首先建立描直流电动机的数学模型。电路方程：动力学方程：额定励磁下：EtILRIUddddd0tnGDTTdd3752LenCEedmeICT 4 图 1 直流电动机电路图 lT 包括电机空载转矩在内的负载转矩(Nm)；2GD 电力拖动系统折算到电机轴上的飞轮 惯量(Nm2)；整理后得：其中 lT 电枢回路电磁时间常数(s)mT电力拖

8、动系统机电时间常数(s)在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间的传递函数和电流与电动势间的传递函数：分别画出对应上两式的动态结构框图：图 2 动态结构框图组合成电动机的动态结构框图：TL+-MUd0+-ER LTenIdM)dd(dd0dtITIREUltERTIIddmdLdLd LmTICRLTlme2m375CCRGDT 11)()()(0ddsTRsEsUsIlsTRsIsIsEmdLd)()()(5图 3 直流电动机的数学模型由图可以看出，直流电动机有两个输入量:一个是施加在电枢上的理想空载电压；一个是负载电流。前者是控制输入量，后者是扰动输入量。三、双闭环直流调速系统

9、的组成三、双闭环直流调速系统的组成转速一电流双闭环直流调速系统的结构如图4所示。图中，M为直流电动机，TG为测发电机，ASR为转速调节器，ACR为电流调节器，GT为触发器，TA为电流互感器，VT整流装置。Un*为转速给定电压，Un为转速反馈电压，Ui*为电流给定电压，Ui为电流反馈电压，Uc为控制电压，Ud0为电枢端电压。两个调节器之间实行串级联接，转速调节器ASR的输出是电流调节器ACR的输入，其输出Uc控制电力电子变换器。从闭环结构上看，转速环在外环，电流环在内环，这就构成了转速一电流双闭环直流调速系统。电动机的转速和电流分别由两个独立的调节器控制，系统中设置了电流调节器ACR和转速调节器

10、ASR。可见，电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环（内环）；转速调节器ASR和转速检测反馈环节构成了转速环（外环）。ASR和ACR均为PI调节器，输入输出均设有限幅电路。6图 4 转速一电流双闭环直流调速系统一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流电动机的过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动，达到稳态转速后，电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平衡，进入稳定运行状态。为实现在约束条件快速起动，关键是要有一个使电流保持在最大值的恒流过程。根据反馈控制规律，要控制某个量，只要引入这个量的负反馈。因此采用电流负反馈控制过程，起动过程中，电动机转速快速上升，

11、而要保持电流恒定，只需电流负反馈；稳定运行过程中，要求转矩保持平衡，需使转速保持恒定，应以转速负反馈为主。采用转速、电流双闭环控制系统。如图 5 所示。图 5 双闭环直流调速系统动态结构图UiLMUd0IdEnifUn*UnUtgTGUPE3TAUiUc*ASRACR7 a 带电流截止负反馈的单闭环调速系统b 理想的快速起动过程 图 6 直流调速系统的电流、转速启动特性曲线四、四、双闭环直流调速系统性能分析双闭环直流调速系统性能分析4.1 启动过程4.1 启动过程 双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要先探讨它的起动过程。双闭环调速

12、系统在突加给定电压nU由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图 7 所示。由于在起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，整个过渡过程也就分为三个阶段，在图中表以、和。第阶段：0t1是电流上升阶段。突加给定电压nU后，通过两个调节器的控制作用，使 Uct、Udo、Id都上升，当 IdIdl后，电动机开始转动。由于电机惯性的作用，转速的增长不会太快，因而 ASR 的输入偏差电压Un=nUUn数值较大并使其输出达到饱和IdLnIdmIdcrn0ndmidlinttIdO8值*imU，强迫电流 Id迅速上升。当mdIId时，imiUU，电流调节器 ACR 的作用使 Id不再

13、迅速增加，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR 由不饱和很快达到饱和，而 ACR 一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。第阶段：t1t2是恒流加速阶段。这一阶段是起动过程的主要阶段。在这个阶段中，ASR 一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒流给定*imU作用下的电流调节系统，基本上保持电流dI恒定（电流可能超调，也可能不超调，取决于 ACR 的参数），因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增加。又nCIRUeddd0，n0dUctU，这样才能保持dI=常数。由于 ACR 是 PI 调节器，要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压iiiUUU*必须维持一定的恒值，也就是说，d

14、I应略低于dmI。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中电流调节器是不能饱和的，同时整流装置的最大电流mdU0也须留有余地，即晶闸管装置也不应饱和，这都是设计中必须注意的。第阶段：t2以后是转速调节阶段。此时*nn，*nnUU，0nU，但由于积分作用，*imiUU，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速必超调。当*nn 时，0nU，使 ASR 退出饱和状态，其输出电压即 ACR 的给定电压*iU迅速下降，dI也迅速下降。但由于dLdII，在一段时间内，转速仍继续增加。当dLdII时，LeTT，0dtdn，n 达到最大值（t3时刻）。此后，电动机在负载的阻力下减速，与此相应，

15、电流dI也出现一段小与dLI的过程，直到稳定。在这最后的转速调节阶段内，ASR 与 ACR 都不饱和，同时起调节作用。由于转速调节在外环，ASR 处于主导地位，而 ACR 的作用则是力图使dI尽快地跟随 ASR 的输出量*iU，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。9 图 7 转速和电流的过渡过程综上所述，双闭环调速系统的起动过程有三个特点：1）饱和非线性。在不同情况下表现为不同结构的线性系统。2）准时间最优控制。阶段属于电流受限制条件下的最短时间控制。采用饱和非线性控制方法实现准时间最优控制是一种很有使用价值的控制策略，在各种多环系统中普遍地得到应用。3）转速必超调。按照 PI 调节器的特性

16、，只有转速超调，ASR 的输入偏差电压nU为负值，才能使 ASR 退饱和。这就是说，采用 PI 调节器的双闭环调速系统的转速必超调。4.2 双闭环直流调速系统的静特性4.2 双闭环直流调速系统的静特性双闭环调速系统的稳态特性如图8所示。在正常负载时，双闭环调速系统的速度调节器ASR不饱和，依靠ASR的调节作用，表现为转速无静差，保证系统具有较硬的机械特性（稳态运行无静差）。如图8中的n0A段。Idm Id IIIIIIt4 t3 t2 t1*ndLI*nn OOtt10电动机负载加重时，转速下降，ASR迅速进入饱和状态，同时输出限幅值。ASR失去了调节作用，转速外环呈现开环状态，系统在固定的最大给定电流作用下，依靠电流环对电流继续进行调节，系统由恒转速变为恒电流调节，如图8中的AB段所示。实际特性如虚线所示。从静特性上看，转速环要求电流迅速地跟随转速变化，而电流环则力图保持电流不变，这种性能有使静特性变软的趋势，但它对包在外面的速度反馈环来说相当于一种扰动作用。当速度调节器ASR不饱和时，电流负反馈使静特性可能产生的速降完全被ASR的积分作用消除。一旦ASR饱和，转速环失去作用，仅电流