三相桥式整流的直流电机调速系统.doc

摘 要本文的目的是设计一个三相桥式整流的直流电机调速系统，该系统设置了电流检测环节、电流调节器（ACR）以及转速检测环节、转速调节器(ASR)，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。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。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。关键词：直流电机调速，工程设计法，MATLAB仿真，双闭环系统I目 录摘要 I1 引言12 双闭环控制系统的组成和工作原理22.1 双闭环控制系统的组成22.2 双闭环控制电路的工作原理23 双闭环直流调速系统的设计53.1 电流调节器参数计算63.2 转速调节器参数计算84 仿真及实验结果分析104.1 MATLAB动态仿真104.2 使用Power System 模块的直流双闭环系统仿真114.3 仿真结果分析125 总结13参考文献 14附录1 结构图动态仿真转速、电流波形图15附录2 转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩图16附录3 电动机电枢电压图171 引言 电力拖动自动控制系统是电气工程和自动化专业中一门重要的专业课。课程具有知识综合性强、覆盖面广，理论和实践联系密切，工程实用性强等特点，是理论与实践并重的课程。在教学过程中，不仅要求学生能够理解和掌握相应理论知识和工程设计方法，而且要具有一定的实践能力。由于学生多，实验条件有限等客观条件制约， 仅仅通过有限的几次实验来理解课程内容、验证理论设计方法的有效性是不现实；在直流调速控制系统教学过程中，引入目前国际上较为流行的仿真软件 MATLAB 做为辅助教学工具， 可以设计出界面生动、 形象、直观的直流调速控制系统，不仅可以使教学更加形象直观， 而且通过仿真来设计系统、选择系统参数更为科学和准确，是现代工程设计的发展趋势1。教学实践表明， 不仅巩固了学生对课程知识点的理解， 而且使学生掌握了一种工程设计和应用的重要手段和工具。学生表现出浓厚的兴趣和积极性，也取得了较好教学效果。在直流调速中以双闭环直流调速系统为主， 目前的仿真研究主要建立在动态结构图的基础上23， 在建模时做了大量的近似处理， 这会导致仿真模型与实际系统不相符， 造成理论设计与工程实际结果不一致。为了使理论设计更接近工程实际， 必须建立与实际系统相符合的仿真模型- 本文利用MATLAB环境下的电力系统模块库， 建立更贴近工程实际的双闭环直流调速系统的仿真模型， 并通过仿真研究验证理论设计的有效性， 为理论设计成果应用于工程实际提供更科学的依据。双闭环直流调速系统是一个复杂的自动控制系统，在设计和调试过程中有大量的参数需要计算和调整 ，运用传统的设计方法工作量大，系统调试困难。本文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，根据给出和计算出的相应参数，建立Matlab/ Simulink 仿真模型，并对转速和电流的波形进行分析。仿真结果证明了该方法的可行性和合理性。2 双闭环控制系统的组成和工作原理2.1双闭环控制系统的组成双闭环系统中设置了两个调节器, 即转速调节器 (ASR) 和电流调节器 (ACR) , 分别调节转速和电流, 两者实行串级连接, 且都带有输出限幅电路, 限幅值分别为 U*im 和 Ucm。由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环, 以保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 以实现在最大电流约束下的转速过渡过程最快的 “最优” 控制。转速和电流双闭环直流调速系统结构见图 2.1。图2.1 转速电流双闭环控制的直流调速系统结构框图2.2双闭环控制电路的工作原理首先是对双闭环控制电路的稳态工作原理的分析，可以根据转速和电流双闭环直流调速系统结构框图来分析，分析稳态工作原理的关键是要了解PI调节器的稳态特征，一般都会存在着两种状况：饱和输出达到限幅值，不饱和输出未达到限幅值。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。当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压在稳态时总为零。在实际的正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，只有转速调节器饱和和不饱和两种情况。当转速调节器不饱和时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。而当转速调节器饱和时，ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，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。在稳态工作点上，转速是由给定电压决定的，ASR的输出量是由负载电流决定的，而控制电压的大小则同时取决于转速和负载电流。PI调节器的输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到时，对应于转速调节器的饱和输出，这时，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PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。接着是对其起动过程的分析，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I、II、III三个阶段。第I阶段（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，电动机还不能转动。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。第II阶段（恒流升速阶段）。这是起动过程中的主要阶段。在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，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，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，和也必须基本上按线性增长，才能保持恒定。第III阶段（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才到达峰值。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，当时，直到稳定。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。最后是对其动态抗扰性能的分析，对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。就静特性而言，系统对它们的抗扰效果是一样的。但从动态性能上看，由于扰动作用点不同，存在着能否及时调节的差别。负载扰动能够比较快地反映到被调量n上，从而得到调节，而电网电压扰动的作用电力被调量稍远，调节作用受到延滞，因此单闭环调速系统抑制电压扰动的性能要差一点。综上所述，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗绕性能大有改善。因此，在双闭环控制系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。转速电流双闭环控制的直流调整系统电路原理图如图2.2所示。图2.2 转速电流双闭环控制的直流调整系统电路原理图3 双闭环直流调速系统的设计根据设计多环控制系统一般原则：从内环开始 ,一环一环的逐步向外扩展。先从电流环入手，首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统的一个环节，再设计转速调节器4。双闭环调速系统的动态结构如图3.1所示。图3.1 双闭环调速系统的动态结构图设计的基本参数如下：电动机参数为：，电枢绕组电阻，。采用三相桥式整流电路，整流装置内阻。平波电抗器电阻。整流回路总电感。ASR限幅输出，ACR限幅输出，最大给定。对该系统进行动态参数设计，设计指标为：（1）静态指标：无静态误差。（2）动态指标：电流超调量，空载启动到额定转速时的转速超调量，空载启动到额定转速时的过渡时间。调节器参数计算和设定：按工程设计方法设计和奥运缶转速和电流调节器参数，ASR和ACR都采用PI调节器。本次设计中计算参数中取=1.5 ，Ks=40。54 仿真及实验结果分析4.1 MATLAB动态仿真根据图3.1和计算出的相关参数,建立双闭环直流调速系统的Matlab/ Simulink动态仿真模型5,仿真模型秘系统动态结构图的各个环节基本上是对应的，需要指出的是，双闭环的转速和电流两个调节器都是有饱和特性的带输出限幅的PI调节器，为了充分反映在饱和和限幅非线性影响下调整系统和工作情况，需要构建考虑饱和和输出限幅的PI调节器。如图4.1所示。图4.1 直流双闭环调速系统动态仿真模型PI调节器的传递函数可以直接调用SIMULINK中的传递函数或零极点模块。而考虑饱和和输出限幅的PI调节器模型如图4.2a所示。模型中比例和积分调节分为两个通道，其中积分调节器integrate的限幅表示调节器和饱和限幅值，而调节器的输出限幅值由饱和模块Saturation设定当该调节器作用转速调节器ASR时，在起动中由于开始转速偏差大，调节器输出很快达到输出限幅值，在转速超调后首先积分器退饱和，然后转速调节器输出才从限幅值开始下降。为了使系统模型更简洁，利用了SIMULINK的打包功能（Great Subsystem）将调节器模型缩小为一个分支模块，如图4.2b所示。图4.2 带饱和和输出限幅的PI调节器及分支模块a)调节器模型 b）分支模块设定模型仿真参数，如图4.1和图4.2所示。仿真算法采用ode45,仿真时间为1.5s。在1s时突加1/2额定负载11 Nm （TL=9.55CeInom=9.550.13217.5 Nm=22 Nm）。启动仿真，仿真结果如附录图1所示。4.2 使用Power System 模块的直流双闭环系统仿真采用Power System 模块组成的转速电流双闭环控制直流调速系统的仿真模型如图4.3所示。模型由晶闸管-直流电动机组成的主回路和转速电流调节器组成的控制回路两部分组成。以晶闸管整流器和电动机模型取代了动态结构图中的晶闸管整流器和电动机传递函数，由于动态结构图中的晶闸管整流器和时机传递函数是线性的，其电流可以反向，而实际的晶闸管整流器不能通过反向电流，因此仿真的结果略有不同。图4.3 转速电流双闭环控制直流调速系统的仿真模型模型中转速反馈和电流反馈均取自时机测量单元的转速和电流输出端，减少了测速和电流检测环节，这不会影响仿真的真实性。电流调节器ACR的输出端接移相特性模块shifter的输入端，而电流调节器ACR的输出限幅就决定了控制角的最大值和最小值。仿真结果图见附录图2和附录图3。4.3 仿真结果分析通过以上仿真和附图1分析，我们可以得知，电动机制起动经历了电流上升、恒流升速和转速超调后的调节三个阶段。与该时机的开环系统相比，时机起动电流大幅度下降，电流环发挥了调节作用使最大电流限制在设定的范围内。在1s时突加1/2额定负载，电动机电流上升转速下降，经过0.15s左右时间的调节，转速恢复到给定值。通过以上仿真和附图2电动机电枢电压图和附图3转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩图分析，仿真得到的结果与动态结构图的仿真结果略有不同，但两者相关量的变化情况基本相同。5 总结双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态启动时，转速和电流的动态过程如仿真图4.1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，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。从启动时间上看，第二阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速启动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是转速必超调。在双闭环调速系统中，ASR的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态是无静差，其输出限幅决定允许的最大电流。ACR的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压的波动。通过仿真可知：启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随电流外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。参考文献1 洪乃刚.虚拟实验