带电流截止负反馈的转速闭环的数字式直流调速系统的仿真和设计

电子与电气技术实验教学中心实验报告实验课程：电力拖动自动控制系统实验内容：带电流截止负反馈的转速闭环的数字式直流调速系统的仿真与设计院 系：信息与电气工程学院专 业：电气工程及其自动化班级：电气三班学号：姓名：实验指导教师:实验日期:实验室名称：数字电路室带电流截止员反馈的转速闭环的数字式直流调速系统的仿真与设计摘要：到目前为止，虽然在交流电动机的调速问题方面已经解决，但 是在速度调节要求却较高,本文主要介绍转速闭环直流调速系统的工 作原理，并在此基础上对转速闭环貢流电动机的调速系统进行分析， 借助MATLAB/SIMULINK建立起仿真图并进行仿真与分析。论文中给 出了各个物理量的波形并对波形进行了分析从而对转速闭环调速系 统的稳定性方而得出了一些结论。该调速控制系统可以实现平滑的 调速，且具有良好的动静态调速性能，仿真结果验证了系统设计的有 效性、可行性。关键词：转速闭环调速系统；直流电动机；MATLAB仿真一、引言在分析电压负反馈电流补偿宜流调速系统的基础上，本文提出在主 电路中增加了串联的取样电感，用来提取电枢自感电动势产生的压 降。改进后的电流正反馈能补偿由电枢内阻和自感电动势产生的压 降，提高了动态电流变化时电流补偿的精度。根据转速、电流双闭 环调速系统的设计方法，用Simulink做了带电流补偿的电压负反馈 直流调速系统仿真，仿真结果证明，增加取样电感后可以消除电流 补偿的滞后，在忽略参数变化的影响下精确地补偿电枢压降，改进 后的电压负反馈电流补偿能够获得跟转速负反馈同样的效果。电机 是一种将电能转换成机械能的设备。到目前为止，虽然交流电动机的 调速问题已经解决，但是在速度调节要求较高，正、反转和启、制动 频繁或多单元同步协调运转的生产机械上，仍采用直流电动机。二、课程设计的目的： 应用所学的交直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生 产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动系统的初步设 计。 学会应用MATLAB软件，建立数学模型对控制系统进行仿真研究， 掌握系统参数对系统性能的影响； 在理论设计与仿真研究的基础上，应用Protel进行控制系统的卬 刷板的设计，为毕业设计打下基础。三、程设计课题：带电流截止负反馈的转速闭环的数字式直流调速系统的仿真与设 计1. 貢流电动机控制系统设计参数直流电动机，电枢额定电压220V 额定励磁电流2A 功率因数0. 85电枢回路电感lOOmH电枢允许过载系数1.5输出功率为：10Kw电枢额定电流50A 额定励磁电压110V 电枢电阻0.15欧姆 电机机电时间常数2S 额定转速970rpm环境条件：电网额定电压:380/220V;电网电压波动:10%;环境温度:-40+40摄氏度; 环境湿度：1090%.控制系统性能指标：电流超调量小于等于5%;空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%; 调速范围D=20;静差率小于等于0. 03.四、转速负反馈的闭环宜流调速系统的原理该系统由转速给定环节为Un*,放大倍数为KP的放大器、移相 触发器CF、晶闸管整流器和直流电动机M、测速发电机TG等组成。 带转速负反馈的直流调速系统的稳态特性方程为:K=KPKSKa/Ce, KP 为放大器放大倍数;KS为晶闸管整流器放大倍数;Ce为电动机电动势 常数； 为转速反馈系数;R 为电枢回路总电阻。从稳态特性方程2. 10式可以看到，如果适当增大放大器放大倍数KP电机的转速降 n将减小，电动机有更好的保持速度稳定的性能。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P I调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图 示于下图。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们 是按照电力电子变换器的控制电压6C为正电压的情况标出的，并考 虑到运算放大器的倒相作用。1电截止负反馈为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大问题，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,就应该引入那个物理量的负反馈。那么引入 电流负反馈，应该能够保持电流基本不变,使它不超过允许值。但是 这种作用只应在起动和堵转时存在，在正常运行时又得取消,让电流 自由地随着负载增减，这样的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，简称截流反馈。为了实现截流反馈，须在 系统中引入电流截止负反馈环节。如图1所示，电流反馈信号取自串 人电动机电枢回路的小阻值电阻Rs, IdRs正比于电流。设Ider为临 界的截止电流，当电流大于Ider时将电流负反馈信号加到放大器的 输入端，当电流小于Ider时将电流反馈切断。为了实现这一作用，须 引入比较电压Ucomo图la中利用独立的直流电源作比较电压，其大 小可用电位器调节，相当于调节截止电流。在IdRs与Ucom之间串接 一个二极管VD,当IdRsUcom时，二极管导通，电流负反馈信号Ui即 可加到放大器上去；当IdRsWUcom时，二极管截止,Ui即消失。显然， 在这一线路中，截止电流Idcr=Ucom/RSo图2-lb中利用稳压管VST的击穿电压Ubr作为比较电压，线路 要简单得多，但不能平滑调节截止电流值。图1电流截止负反馈环节图2电流截止负反馈环节的输入输出特性图3带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性电流截止负反馈环节的输入输出特性如图2所示,它表明:当输 入信号(IdRs-Ucom)为正值时，输出和输入相等；当(IdRs-Ucom)为负值 时，输出为零。这是一个非线性环节(两段线性环节)，将它画在方框 中，再和系统的其它部分联接起来，即得带电流截截止负反馈的闭环 调速系统稳态结构图4,图中Ui表示电流负反馈信号电压,Un表示转 速负反馈信号电压。hi图4带电流截止负反馈的闭环调速系统稳态结构图五、设计过程静态设计A. 直流稳压电源整个数字控制系统有五路电源，按共不共地分为正负15V组, 正15V,正5V,正3. 3V-组。下图为典型的正15V直流稳压电源 设计方法。交流输入，通过整流、滤波、线压稳压故后输岀稳压的直流电。 控制器(操纵杆)采用的是2. 5V直流稳压电源，它正 15V降压而来。降压成2. 5V作为控制器的电源的原因之一是：它可 頁接与连接单片机AD接口。第二15V在实际应用中抗干扰能力相对 大。由于速度调节器及PWM波的移相我都是在单片机内部实现的， 因此无法直接计算UPE的放大倍数，但可以得出Kp*Ks=220V/2. 5V=88C. 电流反馈系数由于电流反馈信号取自串入电动机电枢回路中的小阻值电阻。 取 Rs=O. 4,则 B =0. 4V/A,那么当 I=50A 时，Ui= P *I=20VD. 转速反馈系数使用测速发电机的参数为：110V, 1900r/min, 0. 21A, 23. 1W (额定数据)则反馈系数Cetg=l10V/1900r/min=0. 0579V. min/r.实际分压系数a 2=0. 3,则电压反馈系数a =a2*Cetg=0. 01737V. min/r 那么 Un= a2*Cetg*970. min/r=16. 85VE. 额定负载时的稳态速降为Nn*s/D(l-S)=970*0. 03/20 (1-0. 03) =1. 5r/min1主电路和控制系统确定如下图：模仿GTI系统，它调速性能好，所需装置容量小，所 岀功率大。用三相异步电动机带动直流发电机发电，则发电机作为 直流电动机的电枢电源，那么通过调节发电机的励磁电流，就可以 改为难发电机的输出电压，从而调节电动机的转速。励磁电源：通过控制单相桥式半控整流电路，控制发电机的励磁电 流从而控制发电机的输出电压。实践证明：该系统调速性能好。1电流调节器的设计（截止电压）1）确定时间常数A、整流装置滞后时间常数Ts，单相桥式半控整流电路的平均失控时间Ts=O. 005soB、机电时间常数Tm = Is,电磁时间常数T= 0.03s。C、电流滤波时间常数T“。三相桥式电路每个波头的时间是3. 3ms,为了基本滤平波头，应有，因此取（广2） G=5ms, Toi=3msoD、电流环小时间常数之和Th。按小时间常数近似处理，取咗丸+0=0. 008so2）选择电流调节器结构根据设计要求电流超调量 5%,并保证稳态电流无差, 可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯 性型的，因此可以用PI型电流调节器，其传递函数为Kj（TjS+1 ）qs检查对电源电压的抗扰性能：寻=器 =8.11,参照I型 系统动态抗扰性能，各项指标曲是可以接受的。3) 计算电流调节器参数电流环开环增益：要求5%时，应取Kii = 0.5,因此 oKI=O. 5/0. 008=62. 5截止电压：由电动机的过载系数为1. 5,得Ucom=l. 5*16. 85=25. 75V 即电动机的截止电压为26. 75V1、转速调节器的设计1) 确定时间常数A、电流环等效时间常数1/Ki，由上已取Kii = 0.5, 则B、l/KI=2*0. 0085=0. 016sC、转速滤波时间常数T“，根据所用测速发电机纹波情 况，取Ton=0. OlsoD、转速环小时间常数En，按小时间常数近似处理， 取T2=l/KI+Ton=0. 026s2) 选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为兀23) 计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5,则ASR的超前时间常数为5*0. 0026s=0. 13转速开环增益 KN= (h+1) /2h2T22=6/2*25*0. 0262=177. 5Ce=Un-In*R/Nn=220-55*15/970=0. 218V. min/r于是，ASR的比例系数为Kn=(h+1)* B *Ce*Tm/2*h*a*R*T2=6*0.4*0.1 *Ce/2*5*0.0173*0.026*0.15=8.394) 检验近似条件转速环截止频率为wcn =电=KNxn = 396.4 * 0.087 = 34.5s1A、电流环传递函数简化条件为 中為韦德=63.7尹叫，满足近似条件。B、转速环小时间常数近似处理条件为38.7s-1 wcn,满足近似条件。5）计算调节器电阻和电容取Ro = 40KQ,贝忆=KnR0 = 131 *40 = 5240KQ0.0875240*1000= 0.016* IO6 = 0.016pFp4T（）nn_ R0 -F40*1000厂6）校核转速超调量当h=5时，q = 37.6%,不能满足设计要求。实际上, 由于表中是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不 符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。 由已知有入=1.5, R= IQ, IdN = 55A,nN = 1430r/min,Ce=0. 15Vmin/r, Tm = Is, ln = 0.0174s,当 h=5 时，查表可得=81.2%代入式5 = （9学=2（）（入z） 竽辛可得 =2*81.2%* 1.5*556O.O1740.00869*1430*1=1.71% 30%能满足设计要求。主要硬件说明1驱动隔离电路 单片输出低电平，将输出一个触发脉冲光耦起隔离作用，图中三极管起放大作用。脉冲变压器起驱动 隔离作用。2霍尔电压传感器电路电压给单片机采样3同步脉冲产生电路6V-26V-22WU4240LM339L-6R161CK240输入交流+/-8V,通过LM339比较器，在02端输岀同步脉冲。通过光耦TL117隔离，在图在中R15端输出相应的同眇脉冲提供给单片机作为控制基准软件说明:采用PID调节器。转速的偏差以及偏差的微分和积分分别代表了系统输出的当 前、将来、过去三种状态，而调节器输出限幅值代表了消除偏差的能力。合理 地综合这些信号，在系统允许的条件下，尽快消除偏差，又不产生或者少产生超调，可使系统达到垠佳运行状态。图3-1连续-时间ND控制系统连续一时间PID控制系统如图3-1所示。图中，D为控制器。在P1D控制系 统中，D(s)完成PID控制规律，称为P1D控制器。PID控制器是一种线性控制 器，用输出量y和给左量r(t)之间的误差的时间函数。e(t)=r(t)-y(t)如图：采用位置PID算法时间PID算法的微分方程，变为描述离散-时间PID算法的差分方程。图3-2位遠式PID控制算法的简化示愆图考虑式(3-4),用矩形积分时，有(3-5)用差分代替微分Td=e(k)-e(k-l)dt Ts(3-6)将式(3 5)、(3-6)代入式(3-4), PID算法变为T ktu (k) = Kp + e(k) + X 5) (J) + 半(e(k) -e(k-l) + u0丄i j-fJ-s(3-7)或u(k) = Kpe(k) + 鬲刍)+ KDe(k) - e(k -1) + u0j-o式中u0_ 制量的基值，即k=0时的控制；u (k) 第k个采样时刻的控制；KP比例放大系数：KI积分放大系数：1爲KD微分放大系数：M =心為 可TS采样周期。六、系统的MATLAB仿真1、系统仿真模型IooisEss 出 O 少 B 0 ffiD Qd X IUa - k 両；T2、转速仿真波形3、电流仿真波形七、结论本文实现了带电流截止负反馈的转速闭环的数字式直流调速系 统的仿真与设计。介绍了带电流截止负反馈的转速闭环的数字式直 流调速系统的基本原理。用Protel绘制出了系统的工作原理图，数 字式的结构相比模拟电路而言，大大简化了系统的结构，且参数数 易于修改，灵活性大大加强，具有很强的实际意义。同将建立的仿 真图在MATLAB软件里而仿真得出直流电动机各物理量的波形。了解 了系统在各个阶段的工作状态。在本次课程设计中，通过实际动手进行原理图的绘制和仿真， 不仅提高了我们在理论上的知识水平，且在能提高我们的实际应用 能力，即分析问题，处理问题的能力。这将为我们以后的毕业设计 打下扎实的基础。祝：老师元旦快乐，幸福安康！八、参考资料1.电力拖动自动控制系统陈伯时.机械工业出版社.2. 电力拖动控制系统设计手册朱仁初.机械工业出版社.3. 电气传动自动化技术手册天津电气传动研究所.机械工业 出版社.4. 毕业设计指导刘祖润.机械工业出版社.5. 电力电子变流