双闭环直流电机调速系统的分析与仿真

1 目 录 一 引言 . 2 二 转速、电流双闭环直流调速系统 . 2 想的起动过程 . 3 能比较 . 3 决思路 . 3 统中设置两个调节器 . 4 幅电路 . 5 态结构图和静特性 . 5 幅作用 . 5 统静特性 . 6 个调节器的作用 . 6 三 双闭环直流调速系统的动态数学模型 . 7 学模型 . 7 动过程分析 . 7 析结果 . 8 态抗扰性能分析 . 8 四 调节器工程设计方法 . 9 速调节器和电流调节器的作用 . 9 节器工程设计方法 . 9 五 直流双闭环调速系统的理论设计 . 9 闭环调速系统设计意义 . 9 节器结构的选择和传递函数的近似处理 . 10 计要求 . 11 计任务 . 11 六 仿真实验 . 13 闭环调速系统的动态结构框 图 . 13 真总图 . 13 转速调节器 真 . 13 6. 4 电流调节器 真 . 14 真结果及分析 . 14 结 . 15 七 设计感想 . 15 八 参考文献 . 16 2 双闭环 直流电 机 调速系统 的 分析与仿真 一 引言 1957 年，晶闸管（俗称可控硅整流元件，简称可控硅）问世，到了 60 年代，已生产出成套的晶闸管整流装置，使变流技术产生根本性的变革，开始进入晶闸管时代。到今天，晶闸管电动机调速系统（简称 统）已经成为直流调速系统的主要形式。 本文采用的直流双闭环调速系统的设计 是从内环到外环，即先设计好电流环后将其等效成速度环中的一个环节，再对速度环进行设计。 目前广泛应用的直流调速设计方法是基于某些标准形式进行的，其优点是简单方便，但设计的系统性能指标是相同的，实际系统所要求的指标往往是不同的，所以采用双闭环调速系统的设计方法不一定都能得到满意的结果。如果我们在按上述设计法确定调节器形式的基础上，再找出调节器参数改变时对应系统性能指标的变化趋势，那么在实际系统的设计和调试时就可以根据得到的变换趋势，按系统性能指标的要求来调整和选择调节器参数，从而获得实际系统要求的动态响应。 在设计中，基于理论设计的基础上根据实际的系统情况作参数的调整是非常重要的，也是必不可少的。这是因为实际系统的参数，往往与计算值或铭牌数据有一定的差别，系统某些环节的非线性影响等因素存在，使系统在配置设计参数后并不能马上获得预期的性能指标。传统的调试方法是将整个系统按理论设计的结果建立一个实际系统，然后将系统分成若干个控制单元，并对每个控制单元进行调试，最后将各个单元构成一个完整的系统，并进行调试，这种传统的调试方法在使用过程中不仅费时、费力且不易产生满意的结果。因此我们采用计算机仿真技术。计算机仿真可以不 运行实际系统，只要在计算机上建立数字仿真模型，模仿被仿真对象的运行状态及其随时间变化的过程。通过对数字仿真模型的运行过程的观察和设计，得到被仿真系统。 本次设计 在理论的基础上设计了直流双闭环调速系统，并利用 的 具箱，对直流调速系统进行仿真分析及参数调 试，然后对仿真进行了分析与总结。 二 转速、电流双闭环直流调速系统 转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。采用转速负反馈和 节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如 果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，单闭环系统就难以满足需要。这是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。 在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值 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。 3 想的起动过程 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 1 直流调速系统起动过程的电流和转速波形 能比较 带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程如图 所示，起动电流达到最大值 后，受电流负反馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。 决思路 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 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。 我们希望能实现控制： 4 有电流负反馈，没有转速负反馈； 有转速负反馈，没有电流负反馈 。 统中设置两个调节器 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可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（或称串级）联接如下图 （图 2） 所示。 图 2 转速、电流双闭环直流调速系统结构 转速调节器 电流调节器 测速发电机 电流互感器 电力电子变换器 图 2 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器 闭环结构上看，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、电流双闭环调速系统。 该 系统电路结构 图，如图 3 所示： 图 3 双闭环直流调速系统电路原理图 图 3 中可以看出： 两个调节器的输出都是带限幅作用的。 输出限幅电压 U*定了电流给定电压的最大值； 输出限幅电压 制了电力电子变换器的最大输出电压 5 幅电路 图 4 二极管钳位的外限幅电路 态结构图和静特性 为了分析双闭环调 速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如下图 图 5 所示 。它可以很方便地根据上图的原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示 节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的 节器的稳态特征。 图 5 双闭环直流调速系统的稳态结构图 转速反馈系数 ; 电流反馈系数 幅作用 输出达到限幅值 ： 当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系， 相当于使该调节环开环。 输出未达到限幅值 ： 当调节器不饱和时 ， 用使输入偏差电压在稳态时总是零。 6 统静特性 实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。 双闭环直流调速系统的静特性如图 6 所示， 图 6 双闭环直流调速系统的静特性 转速调节器不饱和 式中 ， 转速和电流反馈系数。 由第一个关系式可得 从而得到上图静特性的 。 静特性的水平特性 ： 与此同时，由于 饱和， U*i 则 U*n ， 个调节器的作用 表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。 后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。 这就是采用了两个 节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然di*0*n dm* 7 比带电流截止负 反馈的单闭环系统静特性好。然而实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点飘移而采用 “准 节器”时，静特性的两段实际上都略有很小的静差，如上图 图 6 中虚线所示。 三 双闭环直流调速系统的动态数学模型 在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结构，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图，如下图所示 图 7 双闭环直流调速系统的动态结构图 学模型 图 7 中 s)和 s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用 节器，则有 动过程分析 首先 设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。 双闭环直流调速系统突加给定电压 U*n 由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于下图 图 8 所示： R 1)( R 1)( 8 图 8 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形 起动过程由于在起动过程中转速调节器 历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的 I、 个阶段。 阶段电流上升的阶段（ 0 加给定电压 U*n 后， 上升，当 于负载电流 ，电机还不能转动。 当 ，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器 输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值 U*迫电流 速上升。直到， U*流调节器很快就压制 的增长，标志着这一阶段的结束。 在这一阶段中， 快进入并保持饱和状态，而 般不饱和。 段恒流升速阶段（ 在这个阶段中， 终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流 U*给定下的电流调节系统，基本上保持电流 恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。 与此同时，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， 也必须基本上按线性增长，才能保持 定。 当 用 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， 略低于 恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。 为了保证电流环的主要调节作用，在起动过程中 不应饱和的，电力电子装置 最大输出电压也须留有余地，这些都是设计时必须注意的。 阶段转速调节阶段（ 后） ， 当转速上升到给定值时，转速调节器 其输出却由于积分作用还维持在限幅值 U*所以电机仍在加速，使转速超调。 转速超调后， 入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态， U*i 和 快下降。但是，只要 仍大于负载电流 转速就继续上 升。直到 矩则 dn/ 0，转速 n 才到达峰值（ t = ）。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在一小段时间内（ ， 直到稳定，如果调节器参数整定得不够好，也会有一些振荡过程。 在这最后的转速调节阶段内， 不饱和， 主导的转速调节作用，而 力图使 快地跟随其给定值 U*i ，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。 析结果 综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个 特点： 1） 饱和非线性控制； 2） 转速超调； 3） 准时间最优控制 。 态抗扰性能分析 一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最重要的动 9 态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能 。 四 调节器工程设计方法 速调节器和电流调节器的作用 转速调节器的作用： 使转速 n 很快地给定电压 化，稳态时可以减小转速误差，如果使用 节器，理论上可以实现无静差。 电流调节器的作用： 转速外环调节的过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压 化。 证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。 制电枢电流的最大值，起快速自动保护作用。 考虑到上述两个调节器的作用，体现出设计转速和电流调节器的重要性，对它们的结构和参数的选择要慎重考虑。 节器工程设计方法 在双闭 环直流调速系统中，转速和电流调节器的结构选择 与参数设计需从动态校正的需要来解决。设计每一个调节器时，都要先求出该闭环原始系统开环对数频率特性，再根据性能指标确定校正后的预期特性，从而选定结构并计算参数。反复试凑，才能确定调节器的特性，从而选定其结构并设定参数，反复试凑过程也就是系统的稳，准，快和抗干扰诸方面矛盾的正确解决过程，需要有熟练的解决技巧才行。在设计时，把实际系统校正或简化为典型系统，就可以利用现成的公室和图表来进行参数计算，设计工程大大简化。 工程设计方法可分为两步： 确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。 节器的参数，以满足动态性能指标的要求。 调节器的结构选择和传递函数近似处理 非典型结构典型化，在电力拖动控制系统中，大部分控制对象配以适当的调节器，就可以矫正为典型系统。但也有些实际系统不可能简单地矫正为典型系统形式，这需要经过近似处理，才能使用上述的工程设计方法。 五 直流双闭环调速系统的理论设计 闭环调速系统设计意义 若采用 节器的单个转速闭环直流调速系统，可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足需要，因为在单闭环系统中不能 随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只能在超过临界电流以后靠强 10 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。对于经常正、反转运行的调速系统，尽量缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大允许电流和转矩受限制的条件下，应该充分利用电机的过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，时转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行 。实际上，由于主电路电感的作用，电流不可能突跳。为了实现在允许的最快起动，关键是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，那么，采用电流负反馈就应该能够得到近似的恒流过程。这时，采用一个调节器是不够的，可在系统中设置两个调节器，即使用双闭环直流调速系统。 节器结构的选择和传递函数的近似处理 A. 调节器结构的选择 基本思路 : 将控制对象校正成为典型系统。 典 型 系 统控 制 对 象调 节 器输 入 输 出输 入输 出系 统 校 正图 9 控制对象校正成 为典型系统 框图 B. 转速双闭环调速系统的设计要求 ： 本次设计研究的对象为电流转速双闭环直流调速系统，其系统动态结构框图如图 10所示 A S R A C iU*iU 0 直流双闭环调速系统动态结构图 电动机参数： 50V,80A, 75许过载倍数 。采用三相桥式整流电路， 5， 主回路总电阻 R=电磁时间常数 电时间常数 大给定及两个调节器的输出限幅值均为 12V。 11 计要求 （ 1）稳态指标：转速无静差； （ 2）动态指标：电流超调量小于等于 5%，空载起动到额定转速时转速超调量小于等于 10% 计任务 （ 1）确定时间常数： 整流装置滞后时间常数（ 2）电流滤波时间常数间是 了基本滤平波头，应该有1( ,因此取 ；（ 3）电流环小时间常数 按小时间常数近似处理，取 0 3 。 （ 2）确定将电流环设计成何种典型系统 根据设计要求： %5i，而且 3 T，因此设计成典型 I 型系统。 （ 3）电流调节器的结构选择 电 流调节器选用比例积分调节器（ ,其传递函数为 R /)1()( 。 （ 4）选择电流调节器参数 电流调节器超前时间常数： ； 电流开环增益：因要求 %5i，故取 K，因此 3 是电流调节器的比例系数为 / 1 . 0 8i I i R K（ 5）校验近似条件 电流环截止频率 ） 校 验 晶 闸 管 装 置 传 递 函 数 的 近 似 条 件 是 否 满 足 ：3/1， 因 为 11963/1，所以满足近似条件； 2）校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足：T/13，由于13 1 / 5 9 . 7 6m l c s ，满足近似条件； 12 3) 校验小时间常数近似处理是否满足条件：T/1)3/1(， 由于 1( 1 / 3 ) 1 / 1 8 0 . 7 7s o i c s ， 满足近似条件。按照上述参数，电流环满足动态设计指标要求和近似条件。 （ 1） 确定时间常数： （ 1 电流环等效时间常数为 ； （ 2 电流滤波时间常数 （ 3 转速环小时间常数小时间常数近似处理，取 1 7 。 （ 2）确定将转速环设计成何种典型系统 由于设计要求转速无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态设计要求，应按典型 系统设计转速环。 （ 3）转速调节器的结构选择。 转速调节器选用比例积分调节器（ ,其传递函数为 R /)1()( 。 （ 4）选择转速调节器参数 按照跟随和抗扰性能都较好的原则取 h=5，则转速调节器的超前时间常数为 ，转速开环增益为 222 速调节器的比例系数为 ( 1 ) 3 9 . 7 22 TK h R T （ 5）校验近似条件 转速环截止频率 （ 1 校验电流环传递函数简化条件是否满足 5/1，由于 11 / 5 5 4 . 0 5i c ，满足简化条件； （ 2 校验小时间常数近似处理是否满足条件：T 2/1)3/1(， 由于 1( 1 / 3 ) 1 / 2 3 8 . 7 4o n i c s ，满足近似条件。 （ 3 核算转速超调量 当 h=5 时， %m a x / 4 0 . 6 3N N R C r p m ，因此 *m a x% ( / ) 2 ( ) ( ) / 7 . 0 6 % 1 0 %n b N n Z n T n T 能满足设计要求。 13 六 仿真实验 闭环调速系统的动态结构框图 A S R A C iU*iU 1 双闭环调速系统的动态结构框图 真总图 图 12 总仿真图 转速调节器 真 1 转速调节器 真图 图 13 转速调节器仿真图 14 2 转速调节器参数设定及分析 当 两个调节器都不饱和，稳态时，他们的输入偏差电压都是零，因此 当转速调节器饱和时， 出达到限幅值 U*速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时 其中 般都是大于额定电流的。因此，转速调节器的输出 即 当 时的 ， 即 6. 4 电流调节器 真 6. 流调节器 真图 图 14 电流调节器仿真图 6. 4. 2 电流调节器参数设定及分析 在实际正常运行时，电流调节器是不会达到饱和的口双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，控制电压： 我们取满载 =136A 时的值为电流调节器的输出限幅值，即 真结果及分析 真结果 0n*n i *i m d m 1 . 5 0 . 0 5 / 1 . 5 1 3 6 1 0 . 2 V A A K *e n d 6 . 4 1 4 3C U I 15 电流 应曲线 : 转速 n 响应曲线 : 根据上述 图像分析，双闭环自流调速系统的起动过程有以下三个特点 :饱和非线性控制 ;转速超调 ;准时间最优 控制。 结 从以上分析可知，使用 件中动态仿真工具 具使得直流调速系统设计中关于系统性能分析的问题变得十分简单。 通过 电流、转速双闭环直流调速系统的建模，并得该控制系统的仿真曲线。表明基于工程设计法是可行的，并具有简便性 。通过对系统进行仿真，可以准确地了解到理论设计与实际系统之间的偏差，逐步改进系统结构及参数，得到最优调节器参数，使得