电气传动控制系统课程设计

中国民航大学中国民航大学 Electric Drive Control System Course Design 电气传动控制系统电气传动控制系统 课程设计说明书课程设计说明书 指导老师 张 健 中国民航大学本科课程设计说明书 1 目 录 一 设计参数及要求 2 二 调速的方案选择 2 1 电动机供电方案 2 2 系统的调速方法 3 3 调节器的选择 3 3 确定系统的总体结构 4 三 双闭环调速系统的稳态分析及稳态参数计算 6 1 稳态结构图及静特性 7 2 稳态参数计算 7 四 转速 电流双闭环直流调速系统的动态数学模型 8 1 直流电机的传递函数 8 2 电力电子变换器的传递函数 9 3 双闭环直流调速系统动态结构图 10 五 转速 电流双闭环直流调速系统调节器的工程设计 11 1 电流调节器结构的选择及参数设计 11 2 转速调节器结构的选择及参数设计 12 六 系统的计算机仿真 13 1 利用 MATLAB 建立双闭环直流调速系统的仿真模型 13 2 利用仿真曲线分析系统启动过程 15 3 利用仿真曲线验证系统性能指标 16 七 参考文献 16 中国民航大学本科课程设计说明书 2 一 设计参数及要求 某双闭环直流调速系统采用晶闸管三相桥式全空整流电路供电 数据如下 直流电动机 允许过载倍数VUN48 AIN7 3 min 200rnN 5 6 a R 2 晶闸管装置发达系数 8 4 s K 电枢回路总电阻 8R 电枢回路电磁时间常数 机电时间常数 msTl5 sTm2 0 电源电压VUs60 转速给定的最大电压为 VUnm10 转速调节器输出限幅值 VUim10 电流调节器输出限幅值 VUcm10 转速设计要求为 1 稳态指标 无静差 2 动态指标 电流超调量 空载启动到额定转速时的超调量 5 i 10 n 3 利用MATLAB软件进行直流调速控制系统的仿真 要求有仿真曲线及分析结论 二 调速的方案选择 1 电动机供电方案 静止式可控整流器用大功率开关器件构成可控整流器 以获得可调的直流电压 整流设备一般都是通过变压器与电网连接的 因此其工作频率为工频 初级电压即为 交流电网电压 经过变压器的耦合 主电路可以得到一个合适的输入电压 然后采用 大功率开关器件进行整流 并通过移相控制以保持输出电压的稳定 可使开关器件在 较大的功率因数下运行 故可以得到很高的稳压和稳流精度及很短的动态响应时间 变流主电路和电网之间用变压器隔离 还可以抑制由变流器进入电网的谐波成分 减小电 网污染 结合本次设计的的小型直流调速系统的结构 供电质量以及成本等因素 选择由 晶闸管构成的相控电源供电 其整流方式有全波整流和半波整流 半波整流利用晶闸 中国民航大学本科课程设计说明书 3 管单向导通特性 在输入为标准正弦波的情况下 输出获得仅有正半部分 负半部分 则损失掉 全波整流使交流电的两半周期都得到了利用 在输入三相正弦工频交流电 的情况下 三相桥式整流输出频率更高 脉动成分低 可获得更高的供电质量 2 系统的调速方法 根据反馈控制规律可知 采用某一物理量的负反馈构成闭环控制 可以近似地保 持该量恒定不变 采用比例积分调节器的转速 负反馈单闭环调速系统 既保证了系统的稳定 性 又能实现转速无静差 引入电流截止负反 馈环节后 能够限制启动和堵转时的冲击电流 但是系统的动态性能还不能令人满意 这是因 为电流截止负反馈只能限制最大电流 系统起 动时 随着转速的上升 反馈电压的增加及电机反电动势的增长 会使电枢电流达到 最大值后迅速降低下来 电动机转矩亦迅速减小 使起动加速过程变长 对于经常处 于起动 制动 反转运行的生产机械 为了提高生产效率和加工质量 要求尽量缩短 过渡过程时间 一个比较理想的办法是 在整个起动过程中 充分利用电动机的过载 能力 将电枢电流保持在最大允许值上 电动机输出最大转矩 转速直线迅速上升 使过渡过程时间大大缩短 得到理想起动过程 3 调节器的选择 积分调节器的优点是实现了稳态无静差 但它的暂态特性却不如比例控制 同样 在阶跃输入作用之下 比例调节器可以立即响应 而积分调节器的输出只能是逐渐变 化 调速系统一般应具有快与准的性能 满足系统静态无静差 又具有快速响应的特 点 实现方法是把比例和积分两种控制结合起来 组成比例积分调节器 PI 图 1 理想快速启动过程 中国民航大学本科课程设计说明书 4 图 4 双闭环调速系统的稳态结构图 转速反馈系数 电流反馈系数 为满足系统需要 调节器采用带有限幅作用的PI调节器 一旦PI调节器饱和 其输 出量为恒值 输入量的变化不再影响输出 即饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间 的关系 相当于使该调节器处于断开起到保护作用 除非有反极性的输入信号使调节 器退出饱和 而输出未达限幅时 调节器才起调节作用 使输入偏差电压在调节过程 中趋于零 而在稳态时为零 图2 a 是利用二极管钳位的外限幅电路 其中二极管VD1 和电位器RP1提供正电压限幅 VD2和电位器RP2提供负电压限幅 调节电位器RP1和 RP2可以任意改变正 负限幅值 当Uex达到限幅值后 如果输入信号Ui 符号不变 C 点的电位不会一直增加 因此当输入信号符号改变时 调节器退饱和时间也不会太长 图2 b 是稳压管钳位的内限幅电路 正限幅电压等于稳压管VST1的稳压值 负限幅电 压等于稳压管VST2的稳压值 如果输出电压超过限幅值时 因稳压管导通 对运算放 大器产生强烈的反馈作用 使Uex回到限幅值 4 确定系统的总体结构 为实现转速和电流两种负反馈分别作用 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 二者之间实行嵌套联接 如图2所示 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UPE 转速一电流双闭环直流调速系统的结构如图2所示 为转速给定电压 n U 为转速反馈电压 为电流给定电压 为电流反馈电压 是电枢端电压 是 n U i U i U c U 图 3 转速 电流双闭环直流调速系统原 d U 理图理图 P Ip p pPPPI K s KK s K KKKsW 1 11 1 1 s 1s s 1 a 二极管钳位的外限幅电 路 图 2 b 稳压管钳位的内限幅电路 中国民航大学本科课程设计说明书 5 图 5 双闭环调速系统的静特性 控制电压 ASR为转速调节器 ACR为电流调节器 GT为晶阐管触发装置 VT为整流 装置 TA为电流互感器 VT为整流装置 M是电动机 TG是测速发电机 两个调节 器之间串级联接 转速调节器ASR的输出是电流调节器的输入 电流调节器ACR的输 出控制电力电子变换器 从闭环结构上看 转速环是外环 电流环是内环 这就构成 了转速一电流双闭环直流调速系统 通过原理图画出其稳态结构框图 如图4所示 3 双闭环调速系统的稳态分析及稳态参数计算 1 稳态结构图及静特性 双闭环调速系统的静特性如图5所示 图中AC段 描述了调节器不饱和时的静特性 调节器ASR处于线 性调节状态 电流的大小是从理想空载状态Id 0一直 延续到Id Idm 表现为一条水平的特性 系统所采用的 是带限幅的PI调节器 在稳态时 PI调节器的作用使 得输入偏差电压总为零 即图5中AC段 U 在起动或堵转时 负载电流IdIdm后 图5中AB段 转速调节器ASR饱和 电流调 节器起主要调节器作用 系统表现为电流无静差 电流给定值是转速调节器的限幅值 实现过电流的自动保护 若负载电流减小 IdIdm 则使得转速上升 ASR反向积分 使得ASR调节器推出饱和又回到线性调节状态 结果 0 nn 0 n 使系统又回到静特性AC段 2 稳态参数计算 双闭环调速系统工作在稳态时 转速变化率为零 故电枢电流等于负载电流 由ACR得输入推得 转速调节器的输出 即电流调节器的给定 dld II 0 i U 电流调节器ACR的输出 根据各调节器的给定值和反馈值可以计算出响应的反馈系数 dldii IIUU s dne s de s d c K RIUC K RInC K U U 0 3514 1 7 32 10 05 0 min 200 10 max A V I U r V n U dm im nm 中国民航大学本科课程设计说明书 6 图 6 他励直流电动及在额定励 磁下的等效电路图 4 转速 电流双闭环直流调速系统的动态数学模型 1 直流电机的传递函数 图 6 表示了他励直流电动及在额定励磁下的 等效电路 假定主电路电流连续 则主电路电压 的微分方程为 在额定励磁下 忽略摩擦力及弹性变形 电力拖动系统运动的微分方程 额定励磁下的电磁转矩 定义下列时间常数 电枢回路电磁时间常数 单位为 s 电力拖动系统机电时间常数 单位为 s 代入微分方程 并整理后得 0 d ddl dI UER IT dt 式中 负载电流 A dLLm ITC 在零初始条件下 取等式两侧得拉氏变换 得电压与电流间的传递函数 1 电流与电动势间的传递函数为 0 d dd dI URILE dt e EC n 2 375 eL GDdn TT dt emd TC I m ddL TdE II Rdt 0 1 1 d dl IsR UsE sTs ddLm E sR IsIsT s 1 2 2 375 m em GD R T C C l L T R 中国民航大学本科课程设计说明书 7 图 7 额定励磁下直流电动机的动态结构图 a 式 1 的结构图 b 式 2 的结构图 c 整个直流电动机的动态结构图 2 电力电子变换器的传递函数 在分析系统时我们往往把它们当作一个环节来看待 这一环节的输入量是触发电 路的控制电压 Uc 输出量是理想空载整流电压 Ud0 把它们之间的放大系数 Ks看成常 数 晶闸管触发与整流装置可以看成是一个具有纯滞后的放大环节 其滞后作用是由 晶闸管装置的失控时间引起的 下面列出不同整流电路的平均失控时间 表 1 各种整流电路的平均失控时间 f 50Hz 整流电路形式最大失控时间 Tsm ms平均失控时间 Ts ms 单相半波2010 单相桥式 全波 105 三相全波6 673 33 三相桥式 六相半波3 331 67 用单位阶跃函数来表示滞后 则晶闸管触发和整流装置的输入输出关系为 按拉氏变换的位移定理 则传递函数为 由于上式中含有指数函数 它使系统成为非最小相位系统 分析和设计都比 s T s e 较麻烦 为了简化 先将按台劳级数展开 则变成 s T s e 0 d Us E s 1 1 l R Ts d Is d Is dL Is m R T s E s m R T s 1 1 l R Ts 1 e C 0 d Us d Is dL Is E s n s a b c 1 0scsd TtUKU sT s c d S s eK sU sU sW 0 中国民航大学本科课程设计说明书 8 1 1 l R Ts m R T s 1 e C1 s s K T s ACR Ws ASR Ws n U i U ct U 0d U dL I d I n 1 1 oi T s 1 on T s 1 oi T s 1 1 on T s 电流环 考虑到 Ts很小 忽略其高次项 则晶闸管触发和整流装置的传递函数可近似成一 阶惯性环节 其结构图如图 3 所示 3 双闭环直流调速系统动态结构图 由于电流检测信号中常含有交流分量和检测干扰信号 为了不使它影响到系统的 性能 需加低通滤波 其滤波常数按需要选定 但滤波器也给反馈信号带来了延迟 i T0 为了平衡这个延迟作用 在给定的信号通道上加入一个时间常数相同的惯性环节 称 作给定滤波环节 对于转速环而言 同样需要一个滤波环节 用来抑制转速检测干扰 信号 滤波时间用表示 n T0 根据以上分析 可得双闭环调速系统的动态结构图如下 3322 0 3 1 2 1 1 sTsTsT K e K eK sU sU sss s sT s sT s c d s s sT K sU sU sW s s c d S 1 0 ct Us 0 d Us s T s s K e ct Us 0 d Us 1 s s K T s 图 8 晶闸管触发和整流装置的动态结构图 a 准确的结构图 b 近似的结构图 a b 图 9 双闭环直流调速系统动态结构图 中国民航大学本科课程设计说明书 9 5 转速 电流双闭环直流调速系统调节器的工程设计 1 电流调节器结构的选择及参数设计 1 确定时间常数 1 整流装置滞后时间常数Ts 由表1对照选取三相桥式整流电路的平均失控时间 Ts 0 00167s 2 电流环滤波时间常数T0i 三相桥式电路每个波头的时间是3 3ms 为了基本滤平 应有 1 2 T0i 3 3ms 因此取电流环滤波时间常数T0i 0 002s 3 电流环小时间常数之和 按小时间常数近似处理 i T Ts T0i 0 001s 0 001s 0 002s i T 2 选择电流调节器结构 根据设计要求 并保证稳态电流无静差 电流环通常按典型 型系统来设 5 i 计 要把内环校正成典型 型系统 显然应该采用PI调节器 其传递函数可以写成 式中 电流调节器的比例系数 i K 电流调节器的超前时间常数 i 3 计算电流调节器参数 1 电流调节器超前时间常数 为了让调节器零点对消掉控制对象的大时间常数 i 极点 选择 2 电流环开环增益 I K 表 3 典型 型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数关系 指标指标参数参数 参数关系KT0 250 390 500 691 0 阻尼比 1 00 80 7070 60 5 超调量 0 1 5 4 3 9 5 16 3 要求 按上表选取 0 5 因此 5 i iIT K s 1s i i iACR KsW 250 002 0 5 05 0 i I T K sTl i 005 0 中国民航大学本科课程设计说明书 10 于是 ACR的比例系数为 4 检验近似条件 1 电流环截止频率 1 250 sKI ci 2 晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件 3 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 满足近似条件 4 电流环小时间常数近似处理条件 2 转速调节器结构的选择及参数设计 1 确定时间常数 1 电流环等效时间常数 已取 0 5 则 I K 1 iIT K 2 转速滤波时间常数 根据所用测速发电机的纹波情况 取 n T0sT n 01 0 0 3 转速环小时间常数 按小时间近似处理 取 n T 2 选择转速调节器结构 根据静态无静差及其他动态指标要求 按典型II型系统设计转速环 ASR选用PI调 节器 其传递函数为 3 计算转速调节器参数 1 按抗扰性能都较好的原则 选取h 5 则ASR的超前时间常数为 542 1 3514 1 8 4 8005 0 250 s iI i K RK K ci s s T 60 199 00167 0 3 1 3 1 1 ci ml s TT 73 38 2 003 0 1 3 1 3 1 ci is s TT 8 180 002 0 00176 0 1 3 11 3 1 1 0 004 0 002 022 1 i I T K 012 0 01 0 002 0 1 0 n I n T K T s 1s n n nASR KsW 06 0 012 0 5 nn hT 中国民航大学本科课程设计说明书 11 2 转速环开环增益 N K 3 直流电动机电动势系数 e C 4 ASR的比例系数 n K 4 检验近似条件 1 转速环的截止频率 6 340867 010 399 1 sK nNcn 2 电流环传递函数简化条件 满足简化条件 3 转速环小时间常数近似条件 满足近似条件 5 校核转速超调量 表 4 典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系 h 345678910 b CC max 72 2 77 5 81 2 84 0 86 3 88 1 89 6 90 8 Ttm 2 452 702 853 003 153 253 303 40 Ttv 13 6010 458 8012 9516 8519 8088 8025 85 系统要求空载启动到额定转速时的超调量 当时 查上表知 10 n 5 h 可得 2 81 max b CC 满足系统要求 33 833 012 0 52 15 2 1 2 2222 s Th h K n N min 120 0 200 5 67 348 1 rV n RIU C N aNN e 0542 4 012 0 805 0 52 2 012 0 3514 1 15 2 1 n me n RTh TCh K cn i I s T K 22 64 00367 0 24 136 3 1 3 1 1 cn n I s T K 90 38 01 0 24 136 3 1 3 1 1 0 10 73 34 2 0 01734 0 200 12 0 87 3 2 2 812 2 max M nN b n T T n n z C C 中国民航大学本科课程设计说明书 12 6 系统的计算机仿真 1 利用 MATLAB 建立双闭环直流调速系统的仿真模型 根据系统原理图及相关参数 在matlab simulink中画出仿真模型 如下图 双闭环直流调速系统的转速调节器和电流调节器一般都采用PI调节器 在直流调 速系统中 为了保证电气设备和机械设备的安全 需限制电动机的最大电流和最大电 压 因此 PI 调节器一般都设有不同形式的限幅电路 带饱和限幅的PI 调节器的 Simulink 仿真模型 如图10所示 图中是调节器的比例部分 虚线框内是调节器 n K 的积分部分 积分部分本身设置上 下限幅 比例与积分两者通过加法器Sum构成了PI 调节器 后面再加一饱和非线性限幅环节 其工作过程分三种情况 1 当积分部分未饱和且比例加积分的和小于饱和非线性环节的限幅值时 调节器 表现为线性的PI调节器 2 当积分部分未饱和而比例加积分的和大于饱和非线性环节的限幅值时 调节器的 输出被限制在限幅值之上 积分部分继续积分 3 当积分部分的输出达到本身的限幅值时 其输出便停止增长 比例与积分之和 被后面的饱和非线性环节限制住了 当输入信号改变极性时 积分部分是从本身的限 幅值开始退饱和的 图中ASR限幅值为 上限10 下限 130 ASR积分限幅值为 上限10 下限 10 由 图 10 带饱和限幅的 PI 调节器的 Simulink 仿真模型 图 11 转速 电流双闭环直流调速系统的仿真模型图 中国民航大学本科课程设计说明书 13 于 ACR一般工作在不饱和的情况了 所以用Transfer Fcn模块来仿真PI调节器 该模型在 空载情况下的仿真结果如图 10 所示 VUnm10 2 利用仿真曲线分析系统启动过程 第 阶段突加给定电压后 通过两个调节器的控制作用 使转速和电流都上升 当后 电动机开始转动 由于机电惯性的作用 转速的增长不会很快 因而转速0 d I 调节器 ASR 的输入偏差电压数值较大 其输出很快达到限幅值 强迫电流迅速上升 d I 电机开始启动 因电流反馈信号随着电流上升迅速增大 使 ACR 的输入偏差衰减很快 因此 ACR 的 输出电压还达不到饱和值 当电流上升到时 ASR 饱和使不再增加 保持动态平 dm I d I 衡 在这阶段中 ASR 由不饱和很快达到饱和 而 ACR 在此阶段应不能饱和 以保证电 流环的调节器的调节作用 第 阶段恒流升速阶段 即电动机保持最大电流作等加速起动阶段 从电流升到 最大值开始 到转速升到给定值为止 是起动过程的主要阶段 此时 ASR 一直是处 dm I 于饱和状态的 转速环相当于开环状态 系统表现为在恒值电流给定作用下的电流调 节系统 基本上保持电流恒定 电动机以恒定的加速度上升 转速呈线性增长 与 d I 此同时 电动机的反动势也按线性增长 对电流调节系统来说 这个反电动势是一个 线性渐增的扰