电动游览车调速控制系统设计毕业论文.doc

电动游览车调速控制系统设计毕业论文 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 直流调速国内外现状21.3本课题研究内容和结构安排3第2章 串励电动机的特性及其建模42.1 直流电动机的分类42.2 串励电动机的运动特性52.3串励电动机的数学模型的建立72.4本章小结9第3章 直流电动机的调速及其双闭环控制103.1 晶体管脉宽调制的直流调速系统103.2 开环调速系统存在的问题123.3转速负反馈直流调速系统及转速检测系统123.4 电流截止负反馈143.5 转速电流双闭环调速系统173.6本章小结21第4章 串励电动机的正反转及回馈制动224.1 串励电动机的正反转及实现224.2串励电动机的回馈制动244.3 本章小结27第5章 MATLAB双闭环直流脉宽调速系统的仿真285.1串励直流电动机模型在MATLAB中的实现285.2开环直流调速控制系统与仿真315.3直流调速双闭环控制系统仿真345.4本章小结38结论39参考文献40致谢42附录1 开题报告43附录2文献综述47附录3中期报告50附录4外文文献翻译57附录5外文文献66I第1章 绪论 第1章 绪论1.1 课题背景 电动车是以电池为动力的车辆1。近几年来，由于能源危机和环境污染两大问题的日益严重，加之科学技术的飞速发展电动车自身难点的不断解决，使电动车具有更多突出的优点。随着我国人民生活水平的不断提高，以及国家推动消费的各项政策出台，旅游业不断繁荣。电动游览车作为旅游观光用车，市场需求量不断加大，因而对于电动游览车核心部分直流电动机的调速系统的开发与研究具有较大的可行性及较高的经济价值。而对于可调速的传动系统，可以分为直流调速和交流调速。近几年虽然交流调速飞速发展，逐渐有赶超并代替直流调速的趋势。但是直流调速理论基础是经典控制理论，而交流调速主要依靠现代控制理论。经典控制理论是现代控制理论的基石，直流调速的研究同样也是交流调速研究的前奏。首先应该更好地掌握直流拖动控制系统。直流电动机的调速的方法有：调节电枢供电电压U、减弱励磁磁通F、改变电枢回路电阻R。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速(即电机额定转速)以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行，设备制造方便，价格低廉。但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。50年代末出现的晶闸管，它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。因而，晶闸管直流调速系统迅速发展，晶闸管变流技术也日益成熟，直流调速系统更加完善。直流调速系统凭借优良的调速特性，调速平滑、范围宽、精度高、过载能力大、动态性能好和易于控制等优点，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，所以在电气传动中获得了广泛应用。至今在金属切削机床、轧钢、矿山采掘、纺织、造纸机等需要高调速性能的各类可控电力拖动生产机械大多采用直流传动，直流调速到目前为止仍是调速系统的主要形式。由于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。因此采用转速、电流双闭环直流调速系统来获得优良的静、动态调速特性。从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调节器的作用，计算调节器参数以达到转速电流双闭环控制要求。1.2 直流调速国内外现状 目前，我国的直流调速控制主要在以下几个方面进行着研究 1提高调速的单机容量我国现有最大单机容量比国外单机容量小的多。2.提高电力电子器件的生产水平，增加品种3.提高控制单元水平目前国内使用较多的仍然是小规模集成运放和组件构成的调速控制系统，触发装置甚至仍是分立元件的。目前，国外的第四代产品以微处理器为基础，具有控制、监视、保护、诊断及复原等多种功能近年来，各国学者正致力于无速度传感器控制系统的研究，利用监测定子电压、电流等容易测量的物理量进行速度估算，以取代速度传感器，这种控制方式不需要监测硬件，也免去了传感器带来的环境适应性、安装维护等麻烦，提高了系统的可靠性，降低了成本，引起了国内外学者广泛的兴趣。目前，国外主要电气公司，如德国的西门子公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的GE公司等，均已开发出全数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模块化的应用产品供选用。随着现代控制理论的发展，人工神经网络、自适应控制、模糊控制等各种智能控制策略正在不断涌现。 国外在集散型计算机控制系统方面已有定型成套装置。对复杂的电气自动化系统进行在线实时控制，技术已过关，尤其使用单片机使控制更方便、可靠，更容易调节参数。目前的发展方向是大型化和智能化。此外，由于计算机控制技术的发展，实时运行的图形功能比较强，对控制过程的参数和状态可以有更直观的了解，便于对系统进行在线监控和管理。1.3本课题研究内容和结构安排 本文研究的主要问题是，在理论分析和Matlab仿真研究的基础上，针对电动游览车直流电动机，设计一套双闭环直流调速系统，可实现电机四象限运行，以及转速的可逆控制，双闭环控制。其中具体介绍系统主电路、PWM信号发生电路、双闭环控制电路、动态参数等几部分内容的设计过程。 最后在详细分析调速系统的原理和要求的静态、动态性能的基础上，设计直流脉宽调速电路，建立双闭环直流调速系统的数学模型。利用Matlab软件中的Simulink工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计，并在给定系统各种参数的条件下，进行动态数字仿真，通过查看仿真波形和数据，既可获得参数整定的依据，又可验证本调速系统是否满足设计要求。 78第2章 串励电动机的特性及其建模2.1 直流电动机的分类 直流电机按照励磁绕组的供电方式可以分为他励和自励两大类2：他励式：他励式直流电机的励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢绕组不相连接，如图2-1a所示。永磁式直流电机通常亦归属于这一类。自励式：在自励式发电机中，利用自身发出的电流励磁，在自励式电动机中，励磁绕组和电枢绕组由同一电源供电。自励式直流电机又可分为并励、串励和复励等三种。励磁绕组与电枢绕组并联的就是并励式，如图2-1b所示。励磁绕组与电枢绕组串联的就是串励式，如图3-1c所示。具有复励方式的直流电机，主极铁心上装有两个励磁绕组，一个是与电枢并联的并励绕组，另一个是与电枢串联的串励绕组，如图2-1d所示。图中为电枢电压，U为电机两端电压为电枢电流，为励磁电流图2-1 直流电机按照励磁方式分类a） 他励式 b)并励式 c)串励式 d)复励式第2章 串励电机的特性及建模 2.2 串励电动机的运动特性在本论文中电动游览车通常使用的就是前文中所提到的串励电动机，串励电动机的接线图如图2-2所示。串励电动机的特点3是电枢电流与励磁电流相等，即。工作特性：串励电动机的工作特性是指时，n，或n，。先说明转速特性。串励时，把电机的磁化曲线近似的用表示，则从转速公式可知 (2-1)式中，为串励绕组的电阻。上式表明，n与大体成双曲线关系，如图2-3所示。当负载增加时，增加时，使使电枢回路的电阻压降增大，此时串励磁动势和主磁场亦同时增大，这两个因素都促使转速下降，所以串励电动机的转速随着负载的增加而迅速下降。这是串励电动机的特点。串励电动机不允许空载4运行，因为空载时I很小，主磁通亦很小，使转速极高，产生“飞车”现象，十分危险。所以串励电动机的转速调整率定义为式中，为输出功率等于时电动机转速。再看转矩特性。从转矩公式可知， (2-2)轻载时，串励磁动势较小，磁路处于不饱和状态，为常值，于是 (2-3)即电磁转矩与电枢电流的平方成正比。随着负载的增加，串励磁动势增大，磁路呈现饱和，此时常值，于是 (2-4)此时电磁转矩将与电枢电流成正比。这是串励电动机的另一个特点。图2-3中同时显示除了串励电动机的转矩特性。矩转速特性：串励电动机的转矩转速特性是指时 (2-5)从电动机的电压方程可知 (2-6)式中。于是电磁转矩 (2-7)由此可解出 (2-8)图2-4表示串励电动机的转矩转速特性，从图中可见，随着转矩的增加，串励电动机的转速迅速下降，这种特性称为软特性。2.3串励电动机的数学模型的建立串励电动机的数学模型5的等效模型如图2-5图2-5 串励电动机的等效模型根据基尔霍夫定律可以列出以下方程： (2-9) (2-10) (2-11) (2-12) (2-13)其中，为电枢绕组电感，为电机的飞轮矩，为电机的负载转矩函数，为阻尼系数。由式2-9至式2-13可以看出，该方程组为非线性方程组。因而无法用经典的控制理论对其进行校正。注意到该方程组的非线性是由反电动势系数和电磁转矩系数为电枢电流的函数造成的，如果把和视为常量，则上述非线性方程组将退化为线性方程组： (2-14) (2-15) (2-16) (2-17) (2-18)其中和为常量。如果在某一采样间隔内对电机电枢电流进行采样，并认为再改采样间隔内电流近似不变，则在每个采样间隔内，和为常数，既满足线性方程组2-14至2-18，从而可以用经典的控制理论对其进行控制。在式2-14至式2-18所示的方程组中若忽略粘滞摩擦系数，且把视为系统的扰动而暂不考虑，令,，,对上述方程组两端取拉式变换得： (2-19) (2-20) (2-21)由式(2-20)和式(2-21)联立可得： (2-22) 将式(2-21)带入式(2-18) 得： (2-23) = = (2-24)由上式可以得出电压U到电机转速之间的传递函数为： (2-25)式(2-25)即为串励电机的数学模型。2.4本章小结本章主要阐述了直流电动机的分类，详细说明了串励电动机的运动特性，并给出了串励电动机数学模型的具体推导过程，完成了串励电动机的数学建模。第3章 串励电动机的正反转及回馈制动 第3章 直流电动机的调速及其双闭环控制3.1 晶体管脉宽调制的直流调速系统直流脉宽调制电源特点：电流脉动小，电枢电流容易连续，不用在主回路中串入大电感，仅靠电枢电感就可滤波。系统低速特性稳定调整范围宽，且无需另加设备就可实现可逆调速。元件只工作在开关状态，主电路损耗小，设备效率较高。直流脉宽调制是利用电子开关将直流电源电压转换成为一定频率的方波脉冲电压，然后再通过对方波脉冲宽度的控制改变供电电压大小与极性从而达到对电动机进行变压调速的一种方法。图3-1 脉宽调制电路及输出电压脉宽调制变换器实际上就是一种直流斩波器。当电子开关在控制电路作用下按某种控制规律进行通断时，在电动机两端就会得到调速所需的、有不同占空比的直流供电电压。采用简单的单管控制时，脉宽电路被称作直流斩波器，后来逐渐发展成用各种脉冲宽度调制开关的控制电路，而这种器件则被称为是脉宽调制变换器(PWM)由双极晶体管脉宽调制器(PWM)供电的直流调速电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大类。由于本论文只用到了可逆调速，因而在这里只对可逆调速进行着重分析，可逆调速： 为直流电源电压，C为滤波电容器，VT为功率开关器件，VD为续流二极管，M为直流电动机，VT的栅极由脉宽可调的脉冲电压驱动。改变占空即可调节电动机的转速。在简单的不可逆电路中电流不能反向，因而没有制动能力，只能单象限运行。需要制动时，必须为反向电流提供通路，使用双管交替开关电路，因为平均电压Ud并没有改变极性，只能工作在第一、二象限，电路仍是不可逆的。双极式控制的桥式可逆PWM变换器6有下列优点：1)电流一定连续。2)可以使电动机在四象限运行。3)电动机停止时有微震电流，能消除静摩擦死区。4)低速平稳性好，系统的调速范围可达1：20000左右。5)低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。 不足是：在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故。图3-2 双极式控制的桥式可逆PWM变换器3.2 开环调速系统存在的问题 调节控制电压就可以改变电动机的转速，如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，但是许多需要调速的生产机械常常对静差率有一定的要求。如龙门刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工时负载大小常有波动，但为了保证工件的加工精度和加工后的表面光洁度，加工过程中的速度却必须基本稳定，也就是说，静差率不能太大。一般要求，调速范围，静差率s小于等于5%，又如热连轧机，各机架轧辊分别由单独的电动机拖动，钢材在几个机架内连续轧制，要求各机架出口线速度保持严格的比例关系，使被轧金属的每秒流量相等，才不致造成钢材拱起或拉断，根据工艺要求，必须使调速范围，保证静差率小于等于0.2%-0.5%，在这些情况下，开环调速系统往往不能满足要求。开环系统是没有能力完成其调速指标的。要把额定负载下的转速降低到满足要求就必须采用负反馈，这就构成了闭环直流调速系统转速负反馈直流调速。3.3转速负反馈直流调速系统及转速检测系统该系统的控制对象是直流电动机M，被控量是电动机的转速，晶闸管触发及整流电路为功率放大和执行环节，由运算放大器构成的比例调节器为电压放大和电压比较环节，电位器RP1为给定元件，测速发电机TG与电位器RP2为转速检测元件。与电动机同轴安装一台测速发电机TG，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压与给定电压Us相比较后，得到转速偏差电压，经过放大器A，产生电力电子变换器UPE所需的控制电压UK用以控制电动机的转速，这就组成了反馈控制的闭环直流调速系统。UPE是由电力电子器件组成的变换器，其输入接直流电源，输出为可控的直流电压Ud，对于中小容量系统多采用由IGBT或MOSFET组成的PWM变换器；对于较大容量的系统，可采用其他电力电子开关器件，如GTO、IGCT等；对于特大容量的系统，则常用晶闸管装置。如图3-3所示图3-3 转速反馈直流调速系统根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统7是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，他就会自动产生纠正偏差的作用。转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然闭环调速系统应该能够大大减少转速降落。该调速系统的组成框图如图3-4所示：图3-4 转速负反馈直流调速系统框图转速的检测方式很多，有测速发电机、电磁感应传感器、光电传感器等。读出量又分模拟量和数字量。此系统中，转速反馈量需要的是模拟量，一般采用测速发电机。测速发电机分直流和交流两种。测速反馈信号，南转速成正比，有： 称为转速反馈系数。如图3-5所示系统的自动调节过程:闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路的电阻压降的变化。3.4 电流截止负反馈电流截止负反馈的提出：根据直流电动机电枢回路的平衡方程式可知，电枢电流Id为： (3-1)采用转速负反馈的闭环调速系统，当直流电机起动时突然加上给定电压，由于存在机械惯性，所以不可能立即转动起来，即n=0，则其反电动势E=0。这时起动电流为： (3-2) 它只与电枢电压Ud和电枢电阻Ra有关。由于电枢电阻很小，所以起动电流是很大的。为了避免起动时的电流冲击，在电压不可调的场合，可采用电枢串电阻起动，在电压可调的场合则采用降压起动。另外，有些生产机械的电动机可能会遇到堵转情况。例如由于故障造成机械轴被卡住，或挖土机工作时遇到坚硬的石头等。在这些情况下，由于闭环系统的机械特性很硬，若没有限流环节的保护，电枢电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，很不方便。为了解决反馈闭环调速系统启动和堵转时电流过大的问题，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，就引入那个物理量的负反馈。引入电流负反馈，应能保持电流基本不变，使他不超过允许值。但是，这种作用只应在启动和堵转时存在，在正常时又得取消，让电流自由随着负载增减。这种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。其原理图如图3-6所示：图3-6 电流负反馈 电流截止负反馈的作用：由则可以通过一个电压比较环节，使电流负反馈环节只有在电流超过某个允许值时才起作用，这就是电流截止负反馈。其原理如图3-7所示：图3-7 电流截止负反馈电流截止负反馈环节的组成工作的原理，原理图如图3-8所示当较小，即时，则二极管VD截止，电流截止负反馈不起作用。当较大，即时，则二极管VD导通，电流截止负反馈起作用，减小，下降，下降到允许的最大电流。3.5 转速电流双闭环调速系统双闭环调速问题的提出：采用比例积分的转速负反馈、电流截止负反馈环节的调速系统，在保证系统的稳定运行下实现了无静差调速，又限制了启动时的最大电流。这对一般要求不太高的调速系统，基本上已经满足了要求。但是由于电流截止负反馈限制了最大电流，加上电动机反电动势随转速的上升而增加，使电流到达最大值时又迅速降下来，电磁转矩也随之减小，必然影响了启动的快速性(启动时间较长)，动态响应中的上升时间和调节时间变长。实际生产中，有许多生产机械很大一部分时间是工作在过渡过程中。即被要求频繁地起动或总是处于正反转切换状态，如龙门刨床、轧钢机等经常处于正反转状态，为提高生产效率和加工质量，要求尽量缩短反转过渡过程时间。为了充分利用晶闸管元件和电动机所允许的过载能力，使启动电流保持在最大允许值上，以最大转矩启动，可以使转速迅速直线上升，减少启动时间。为了解决调速系统无静差与快速响应之间的矛盾，及提高系统的过载能力工程上常采用转速、电流双闭环调速系统，启动时转速外环饱和，让电流负反馈内环起主要作用，调节启动电流保持最大值，使转速迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，让电动机转速跟随转速给定电压变化9，电流内环跟随转速环调节电动机电枢电流平衡负载电流。速度和电流双闭环直流调速系统的组成如图3-10所示：速度、电流调节器均采用PI调节器，且带限幅功能。电流调节器ACR的调节作用：电流环为由ACR和电流负反馈组成的闭环，它的主要作用是稳定电流。电流环的调节过程如图3-11所示直至，,调节过程结束稳态时：其物理意义：当Usi为一定的情况下，由于电流调节器ACR的调节作用，图3-9 速度电流双闭环直流调速系统框图整流装置的电流将保持在的数值上。这种保持电流不变的特性，将使系统能：自动限制最大电流，有效抑制电网电压波动的影响。速度调节器ASR的调节作用速度环是由ASR和转速负反馈组成的闭环，它的主要作用是保持转速稳定，并最后消除转速静差，直到，调节过程结束。稳态时：其物理意义：当为一定的情况下，由于速度调节器ASR的调节作用，转速n将稳定的数值上。双闭环调速系统起动过程分析：双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的动态过程如图3-13所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的：、三个阶段。第阶段()是电流上升阶段。突加给定电压后，经过两个调节器的跟随作用，、都跟着上升，但是在没有达到负载电流以前，电机还不能转动。当后，电动机开始起动。由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值，强迫电枢电流迅速上升。直到，电流调节器很快就压制了的增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。第阶段()是恒流升速阶段，是起动过程中的主要阶段。在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速还相当于开环，系统成为在恒值电流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，电动机的反电动势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。为了克服这个扰动，和也必须基本上按线性增长，才能保持恒定。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恒值，也就是说，应略小于。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ACR不应饱和，电力电子装置UPE的最大输出电压也许留有余地，这些都是设计时必须注意的。第阶段(以后)是转速调节阶段。当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减小到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，和很快下降。但是，只要仍大于负载电流，转速就继续上升。直到时，转矩，则，转速n才达到峰值(时)。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在时间内，,直到稳定。如果调节器参数整定得不够好，也会有一段震荡过程。在最后的转速调节阶段内ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使尽快的跟随其给定值，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。图3-12 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形综上所述，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。随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于不同的两种状态，在不同情况下表现为不同结构的线性系统，只能采用分段线性化的方法来分析，不能简单的用线性控制理论来分析整个起动过程，也不能简单的用线性控制理论来笼统的设计这样的控制系统。2)转速超调。当转速调节器ASR采用PI调节器时，转速必然有超调。转速略有超调一般是容许的，对于完全不允许超调的情况，应采用其他控制方法来抑制超调。3)准时间最优控制。在设备允许条件下实现最短时间的控制称作“时间最优控制”，对于电力拖动系统，在电动机允许过载能力限制下的恒流起动，就是时间最优控制。但由于在起动过程中、两个阶段中电流不能突变，实际起动过程与理想起动过程相比还有一些差距。采用饱和非线性控制的方法实现准时间最优控制是一种很有实用价值的控制策略，在各种多环控制系统中普遍的得到应用。最后对于不可逆的电力电子变换器，双闭环控制只能保证良好的起动性能，但不能产生回馈制动，在制动时当电流下降到零以后，只好自由停车。必须加快制动时，只能采用电阻能耗制动或电磁抱闸。必须回馈制动时，可采用可逆的电力电子变换器。本文中便是如此。转速和电流两个调节器的作用：1.转速调节器的作用转速调节器是调速系统的主导调节器，他使转速n很快的跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器可实现无静差。1)对负载变化其抗扰作用。2)其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。2.电流调节器的作用1)作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压 (即外环调节器的输出量)变化。2)对电网电压的波动起及时抗扰的作用。3)在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。4)当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。3.6本章小结本章主要阐述了直流调速系统的转速环，电流环以及转速电流双闭环的实现，说明了开环调速系统的缺点，转速电流双闭环在调速方面的优势，并对双闭环调速系统的起动进行了详细分析。第4章 串励电动机的正反转及回馈制动 第4章 串励电动机的正反转及回馈制动4.1 串励电动机的正反转及实现实现电机的正反转，主要有以下的两种方式：励磁线圈反接的切换方式，电机电枢反接的切换方式。励磁线圈反接，是指将励磁电压反接，从而造成磁场反向，并最终使电机转速反向。其原理可解释如下：由电机的磁通公式，可知，矢量正比于励磁电流、，当励磁电流反向时，磁通矢量也跟着反向;又因为电机转矩正比于电机磁通，所以磁通反向将导致电机转矩反向，从而使电机反转。励磁电压反接的原理图如图4-1所示。图4-1 励磁电压正反接原理图图中以接触器来完成对励磁电压的反向。考虑到一般情况下电机的励磁电流不大，采用励磁换向的方法可以大大降低电路对换向器件的要求，当需要频繁换向时，还可大大降低切换损耗。但是，这种方法也有其弱点:在励磁换向的瞬间，磁通瞬时过零，此时若电枢电压仍作用在电机上，电机会发生飞转，造成设备损坏或人身伤害事故。其可能的解决办法为:当励磁电压过零时，使电枢电压也为零，待换向完成后再恢复:对励磁电流进行续流。电枢反接的切换方式是指保持磁场方向不变，改变电枢电流的方向。其原理与磁场换相类似:因为电机转矩正比于电机磁通和电枢电流，所以改变电枢电流的方向也同样能够改变电磁转矩的方向，从而改变电机的旋转方向。电枢反接的原理图如图4-2所示。图4-2 电枢正反接原理图注:电枢换向的方法实现简单，不需要附加的控制，但缺点也较明显。由于电枢电流一般较大，对电枢电流进行切换，必须选择功率较大的元器件，提高了设备的造价，另一方面也增大了设备的切换损耗。鉴于本课题中使用的电机为串励电机，其励磁电流等于电枢电流，故使用上述两种方案的任何一种均可。但是出于对实现电机回馈制动的考虑，选择了第二种换向方式，即电枢反接的换向方式。4.2串励电动机的回馈制动直流电机的制动可分为3种形式：能耗制动、反接制动和回馈制动(即再生制动)。能耗制动是指去掉电机的外加电压，在电枢回路内串入电阻，使电机储存的能量在串入的电阻上消耗掉的一种制动方法，为具休说明，给出了下面的示意图。图4-3 能耗制动原理图中，R为将要接入的制动电阻。能耗制动的原理如下：电动状态时，接触器的常闭触点闭合，常开触点断开，电机两端形成上正下负的反电势，电流由反电势的正端流入，经电机反电势的负端流出:制动状态时，接触器常开触点闭合，常闭触点断开，制动电阻被切入，由于电机反电势的存在，电流由电机的反电势正端流出，经制动电阻流回电机的反电势负端，此时与电动状态相比，电机电枢上的电流反向，因为电机的磁通仍保持原方向，故转矩将与电动时向反，即与电机转速方向相反，从而形成制动转矩，使电机制动。能耗制动的特点是实现简单方便，缺点是制动效率不高。反接制动，即是通过反接电枢(图4-3)或反接励磁线圈的方式，是电机产生一个与电机转速方向相反的制动转矩，以达到快速制动的目的。反接制动的特点是制动速度快，缺点是制动停止时间不好控制，有可能发生制动过后又反向起动的现象。回馈制动是指将电机转动产生的电能回锁给电源，即对电源进行充电。回馈制动可能出现于下列两种情况一：1).位能负载拖动电动机，当转速高于理想空载转速时。电原理图如下所示。图4-4 位能负载拖动电机图中电机处于反向电动状态下，电流方向如实线箭头所示，(电流、反电势的正方向均取上正下负，因为所以UaE。)；当负载拖动电机转动式的电机的转速高于理想同步转速时，EaU，则变为正值，电流反向，如图中虚线所示，此时电流由电机流向电源，即电机向电源回锁电能，电机处于发电状态。电流反向造成了电机的电磁转矩与电机的转速方向相反，使电机制动。2.串励电机的降电枢电压调速过程中。在降低电压的降速过程中，当突然降低电枢电压，感应电势还来不及变化时，就会发生情况。此时即电流反向。与1类似，电机向电源回馈电流并进行制动。本课题中，结合换向的考虑，采用了如下的正反转及回馈制动电路如图4-5所示：其原理解释如下:正常运转时，回馈制动开关打在右边，使电动机处于正常的正反转状态，通过切换正反转接触器，可以使电机运行在正转或反转状态，功率MOSFET管用来实现PWM调速。图4-5 串励电机正反转及回馈制动原理图进行回馈制动时，把回馈制动开关打在左边，电机的电源被反接(即原来接电池正端的接在电池负端)，同时关断功率MOSFET管，.并且换向接触器打在与电动状态相反的位置上(即原来闭合的接触器断开)。假设原来电动机处于正转状态，产生的感应电动势的极性如图中所示(等效电路图如图4-6所示)。进行回馈制动时，回馈切换开关打在回馈档，反向接触器闭合，同时关断功率MOSFET管。此时，由于电机励磁线圈大电感的作用，励磁电流方向不变，因而磁场方向不变(励磁线圈两端感生出上负下正的感生电动势)。注意到电机转速方向未变，所以电机两端感应电动势的方向不变。反向接触器闭合后，B点的电位将为正，A点的电位为负，电枢上的电流反向。此时，出现了电机反电势和励磁线圈反电势顺向串连的情况。因二者叠加之和大于电池电，所以电流经二极管D2流向电池正端，即向电池回馈电能。因为磁场方向不变，电枢上的电流反向，所以电磁转矩反向，即电机进入制动状态。等效电路图如图4-7所示。4.3 本章小结本章中首先介绍了电机的正反转实现方法，并给出了相关的原理图，随后详细介绍了电机的3种制动方法，并比较了各种方法的利弊，最后给出了串励电机正反转以及回馈制动的原理图。第5章 MATLAB 双闭环直流脉宽调速系统的仿真 第5章MATLAB双闭环直流脉宽调速系统的仿真5.1串励直流电动机模型在MATLAB中的实现直流电动机参数计算10已知某直流电动机调速系统控制系统主回路与直流电动机的主要参数如下：电动机： 主回路： 转动惯量： 计算得到此直流电动机的相关参数： 反电动势系数：转矩常数：电磁时间常数：直流电动机数学模型的传递函数11 由前文的式(3-25)可知基于电气原理图的直流电动机数学模型实现电动机模型位于SimPowerSystems工具箱下machines库中的DC machines 和DiscreteDC machines分别是直流电动机和离散直流电动机模型F和F-:此端子为直流电动机励磁电路控制端子，分别连接励磁电源的正极与负极12A和A-: 电动机电枢回路控制端；TL：电动机的负载转矩信号输入端；m: 电动机信号的测试端，包括转速w(rad/s),电枢电流Ia(A)，励磁电流If(A)，电磁转矩Te(N.m)。直流电动机的参数设置 Armature resistance and inductance Ra (ohms) 和La(H): 电枢电阻和电感Field resistance and inductance Rf (ohms) 和Lf(H): 励磁回路电阻和电感Field-armature mutual inductance La (H)： 电枢与励磁回路互感；Total inertia J (kg.m2) ：电机转动惯量(kg.m2)；Viscous friction coefficient Bm (N.m.s)：粘滞摩擦系数(N.m.s)；Coulomb friction torque Tf (N.m)： 静摩擦转矩(N.m)；Initial speed (rad/s)：初始速度。通过选择Look under the mask可以查看电机的模型5.2开环直流调速控制系统与仿真基于数学模型的开环直流调速系统仿真得到系统开环控制的动态结构图建立串励电机的Matlab仿真模型是在做毕业设计过程中遇到的最大的困难，在咨询老师和阅读了大量的资料后发现，在做Matlab仿真时串励电机仿真模型的负载与转速是成一定的比例关系，如图5-1所示。从电动机模型的测量端口m可以测出电机的转速，电枢电流，励磁电流和转矩。图5-1 基于电气原理图的系统仿真系统仿真结果 a)转速波形b)电流波形c)转矩波形a)转速仿真波形 b)电流仿真波形 c)转矩仿真波形图5-2 系统仿真结果从转速，电流和转矩波形可以看出来在与转速成一定比例的负载下，转速在1s内迅速上升最后稳定在67rad/s电流稳定在130A这与任务要求的额定电流130A相符。5.3直流调速双闭环控制系统仿真图5-3 电流转速双闭环框图双闭环直流调速系统参数设计：已知直流调速系统I，实际生产工艺要求如下：系统无静差；电流超调量为：；在额定负载下，启动至额定转速的超调量：系统参数计算12预置参数：选取转速输出限幅值：，可以计算得到；启动电流：选取转速调节器输出限幅值：，可以得到电流反馈系数： 取转速最大给定值： 得到转速反馈系数： 将计算所得数据加入框图中则可得则转速电流双闭环框图如下图图5-4 转速电流双闭环框图系统设计(1)电流调节器设计电流调节器采用PI调节器 (5-1)根据典型I系统设计可以得到(2)转速调节器设计转速的超调与动态速降均可由抗扰指标衡量，而抗扰指标以典型II系统为佳，因此转速调节器采用PI调节器，按典型II系统设计，取h5设，转速调节器为： (5-2)根据典型II系统设计可以得到基于电气原理图的双闭环直流调速控制系统仿真，仿真图如图5-5。在图中主电路为串励电动机典型连接，其负载与转速成五倍的关系，调速系统用一个IGBT来实现直流斩波调节电动机电枢两端电压，进而实现调速。控制电路是从电动机测量端m检测转速，通过一定的比例与给定进行比较，然后经过一个比例环节和一个积分环节(PI调节器),即转速调节器ASR，与从电动机m端检测出的一定比例的电枢电流进行比较后的信号再与一个频率为1000Hz的三角波进行比较，从而实现PWM波的产生，产生的PWM波控制IGBT的关断实现斩波调速14。仿真参数选择，仿真时间Start time设为0，Stop time设为10，其他设置可以参考开环系统仿真设置。图5-5双闭环直流调速系统原理图图5-6 双闭环系统仿真结果 图5-6中第一幅为转速仿真波形，横向第二幅为电流仿真波形，第三幅为转矩仿真波形。控制电路采用典型的转速、电流双闭环系统，转速调 节器 ASR 设置输出限幅，以限制最大起动电流。根据系统运行的需要，当给定电压Un* 后，ASR输出饱和，电机以最大的允许电流起动，使得电机转速很快上升，而达到给定的速度后转速超调，ASR退饱和，电机电枢电流下降，经过两个调节器的调节作用，使系统很快达到稳态。 从仿真结果可以看出， 若给定信号为10V，电动机起动时，在电流调节器作用下电机电枢电流接近最大值，使得电机以最优时间准则开始上升，最高转速为90rad/s，超调量为35%。稳态时转速为67rad/s。 加干扰时的动态原理图如图5-7：图5-7 干扰时系统的动态原理图在13s时外加一个阶跃，仿真图如图5-8所示从图中可以看出来，在外加干扰情况下，通过PWM的双闭环控制15，系统可以实现无静差，所以这次双闭环的设计是成功的。图5-8 系统抗干扰仿真结果5.4本章小结本章主要阐述了双闭环直流调速系统模型构建及转速调节器、电流调节器、电机本体模块等参数的设置。 从仿真结果可以看出模型及参数设置的正确性。结论 结论本文主要阐述了直流电动机的分类，详细说明了串励电动机的运动特性，并详细给出了串励电动机数学模型的具体推导过程，完成了串励电动机的数学建模。介绍了直流调速系统的转速环，电流环以及转速电流双闭环的实现，说明了开环调速系统的缺点，转速电流双闭环在调速方面的优势，并对双闭环调速系统的起动进行了详细分析。说明了电机的正反转实现方法，并给出了相关的原理图，随后详细介绍了电机的3种制动方法，并比较了各种方法的利弊，最后给出了串励电机正反转以及回馈制动的原理图。阐述了双闭环直流调速系统模型构建及转速调节器、电流调节器、电动机本体模块等参数的设置。在深入研究了直流电机数学模型的基础上，利用Matlab/simulink的强大建模功能，设计了串励直流电机控制系统的整体仿真模型，通过Matlab/simulink仿真，可以发现双环控制的起动更快、更平稳，加入扰动以后过渡过程更短，从所得出的仿真结果验证出了仿真模型及参数设置的正确性。参考文献 参考文献1 黄建和 .DY系列电动游览车的开发 Idea and design2 陈伯时. 电力拖动制动控制系统 M.北京:机械工业出版社2006 16-21,53-603 邓开连，吴庆彪，来磊，张名龙，直流串激调速的模糊控制仿真研究。工业仪表与自动化装置2010,(2)：34-36,674 刘汉忠，邵群涛,单相串励电动机闭环调速控制器的设计与实现,南京工程学院，江苏南京2100135 孙建华 基于CAN总线的电动叉车牵引控制器设计,控制理论与控制工程， 2002，硕士6 王兆安等电力电子技术M北京：北京：机械工业出版社，2010150-1697 徐科军一种基于SG3525的可逆直流脉宽调速J通讯电源技术8 朱立圣,直流电机闭环控制技术研究 ,南京理工大学硕士学位论文9 Patel H.s.,Hoft R.G.Generalized Techniques of Harmonic Elimination and Voltage Control in Thyristor Inventers:Part 1-Harmonic Elimination.IEEE Tran.IA,1997,9(3)10 刘海燕，基于Matlab的直流电动机斩波调速系统，煤矿机械11 Boumedine ALLAOUA Setting Up PID DC Motor Speed Control Alteration Parameters Using Particle Swarm Optimization Strategy Bechar University, Department of Electrical Engineering, BP 417 BECHAR (08000)Algeria12 卞金洪 基于 Matlab 双闭环直流脉宽调速系统的仿真,盐城工学院 信息工程学院， 江苏 盐城 22400113 郑颖楠.电源技术.秦皇岛：燕山大学电气工程学院.2000 103-10714 张丽华，电动叉车用直流斩波调速器，起重运输机械，1999，(3)：23-2515 Bord D.M.,Novotny D.W.Current Control of VSI-PWM Inventer.IEEE Trans .IA,1985,21(2)致谢致谢本人在做毕业设计过程中，得到了导师顾和荣教授的精心指导和鼓励。顾老师治学严谨，学识渊博，思想深邃，为我营造了良好的精神氛围。置身其间，耳濡目染，使我不仅接受了全新的思想观念，领会了基本的思考方式，掌握了通用的研究方法，而且还明白了许多的道理。通过设计受益非浅。进入课题以来，顾老师给了我无私的关怀和帮助，在此，我衷心的感谢顾老师对我的关怀和爱护。在论文撰写过程中闫朝阳副教授给我提出了较好的建议，在做毕设过程中，肖莹老师也给了我很大的帮助。在此感谢他们的帮助和支持。最后，我要感谢吴伟学长给予我工作上的真诚援助和精神上的极大支持，谨在此向以上提到的各位和限于篇幅而未提及的每一位给与我支持和帮助的人表示诚挚的感谢。附录附录1