基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统设计 (2)

2013 届本科毕业设计（论文）摘 要直流电机双闭环调速系统是一个复杂的自动控制系统，是目前直流调速系统中的主流设备，具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点，在理论和实践方面都是比较成熟的系统，在拖动领域中发挥着极其重要的作用。由于直流电机双闭环调速是各种电机调速系统的基础，本文从直流电机的基本特性进行双闭环直流电机设计，最后用实际系统进行工程设计，并采用MATLAB/SIMULINK进行仿真。对于直流电机双闭环调速系统，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。本文对直流电机双闭环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，使直流电机双闭环调速系统趋于完善、合理。仿真结果证明了该方法的可行性和合理性。关键词：直流调速，双闭环系统，电流调节器，转速调节器，计算机仿真2013 届本科毕业设计（论文）AbstractThe double closed loop direct current velocity modulation system is a complex automatic control system, is in the present direct current velocity modulation system mainstream equipment, has the velocity modulation scope width, the stability is good, the steady fast precision higher merit, in the theory and the practice aspect all is the quite mature system, in drives in the domain to play the extremely vital role.Because the direct current machine double closed loop velocity modulation is each kind of electrical machinery velocity modulation system foundation, from the direct current machine basic characteristic conducts the double closed loop direct current machine design method research, finally uses the actual system to carry on the engineering design, and uses MATLAB/Simulink to carry on the simulation.Regarding the double closed loop direct current velocity modulation system, has the massive parameters in the design and the debugging process to need to calculate and to adjust, the utilization tradition design method work load is big, system debugging difficulty. This article carries on the assistance design to the double closed loop direct current velocity modulation system, chooses the regulator structure, carries on the parameter computation and the approximate verification, according to produces the corresponding parameter which and calculates, establishes applies the brake, the anti- electrical network voltage perturbation and the anti-load perturbation MATLAB/Simulink simulation model, the analysis rotational speed and the electric current simulation profile, and carries on the debugging, enable the double closed loop direct current velocity modulation system to tend to the consummation, is reasonable. The simulation result has proven this method feasibility and the rationality.Keywords: Speed control of DC-drivers，Double-closed-loop，Current regulator，Speed regulator，Computer simulation2013 届本科毕业设计（论文）目 录摘 要 .IAbstract.II目 录 .III1 绪 论 .11.1 课题背景 .11.2 课题研究的目的和意义 .11.3 论文的主要内容 .22 直流电动机调速系统 .42.1 直流电动机简介 .42.1.1 直流电动机的工作原理 .42.1.2 直流电动机的运行特性 .52.1.3 直流电动机的起动与调速 .62.2 转速控制的要求和调速指标 .73 方案选择及系统工作原理 .93.1 电动机参数及设计要求 .93.2 方案选择及系统框图 .93.2.1 方案一：直流电机单闭环调速系统 .93.2.2 方案二：直流电机双闭环调速系统 .103.2.3 方案三：双闭环脉宽调速系统 .113.3 系统工作原理简介 .113.3.1 双闭环调速系统静态特性 .113.3.2 双闭环系统启动过程分析 .143.3.3 双闭环调速系统的动态抗扰动性能 .173.3.4 双闭环调速系统中两个调节器的作用 .184 双闭环调 速系统的设计 .194.1 双闭环直流调速系统总体设计方案 .194.2 主电路设计与参数计算 .204.2.1 主电路原理图 .204.2.2 整流变压器的设计 .214.2.3 晶闸管元件选择 .234.2.4 电抗器参数的计算 .244.2.5 励磁电路 .264.2.6 三相桥式全控整流电路 .264.2.7 晶闸管触发电路 .284.3 直流调速系统的保护 .304.3.1 过电压保护 .304.3.2 电流保护 .334.4 控制电路设计 .344.4.1 电流调节器的设计 .354.4.2 转速调节器的设计 .372013 届本科毕业设计（论文）5 调速系统的仿真 .405.1.1 MATLAB 简介 .405.1.2 MATLAB 的安装 .415.1.3 MATLAB 的启动运行 .415.1.4 MATLAB 的帮助文件 .415.1.5 MATLAB 所定义的特殊变量及其意义 .415.1.6 MATLAB 工具箱及 SIMULINK 简介 .425.2 调速系统仿真模型的建立 .435.3 仿真结果 .435.4 仿真结果分析 .46结 论 .47参考文献 .48致 谢 .49附 录 A .502013 届本科毕业设计（论文）1 绪 论1.1 课题背景直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在 20 世纪 60年代，随着晶闸管的出现，现代电力电子和控制理论、计算机的结合促进了电力传动控制技术研究和应用的繁荣。晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。尽管目前交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。直流调速系统，特别是双闭环调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一，广泛地应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中。它通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速，传统的控制系统采用模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，从而致使系统的运行特性也随之变化，故系统运行的可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。MATLAB 提供动态系统仿真工具 Simulink，则是众多仿真软件中最强大、最优秀、最容易使用的一种。在 Simulink 中，对系统进行建模将变的非常简单，而且仿真过程是交互的，因此可以很随意的改变仿真参数，并且立即可以得到修改后的结果。另外，使用 MATLAB 中的各种分析工具，还可以对仿真结果进行分析和可视化。1.2 课题研究的目的和意义直流电动机具有良好的起制动性能，易于在广泛范围内平滑调速，在需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以首先应该掌握好直流系统。从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统，位置随动系统，张力控制系统，多电2013 届本科毕业设计（论文）动机同步控制系统等多种类型，而各种系统往往都通过控制转速来实现的，因而调速系统是最基本的拖动控制系统。直流调速的电枢和励磁不是耦合的，是分开的，对电枢电流和励磁电流能够做到精确控制；而交流调速，电枢电流和励磁电流是耦合的，是无法做到精确控制的。因此在轧机、造纸等对力矩要求很高行业，直流调速还是具有广泛性。直流调速器具有动态响应快、抗干扰能力强优点。我们知道采用转速负反馈和 PI 调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要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，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不让电流负反馈发挥作用，因此我们采用双闭环调速系统。直流调速系统在理论上和实践上都比较成热，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础，因此，直流调速系统的应用研究有实际意义。在工程实践中，有许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节并且要求有良好的静、动态性能。由于直流电动机具有极好的运行性能和控制性能，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。由于全数字直流调速系统的出现，目前，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。1.3 论文的主要内容此次设计是以直流电动机为对象，用工程设计方法设计直流电动机双闭环调速系统，基于直流电动机的基本方程给出动态结构图，建立双闭环调速系统的数学模型，并应用 MATLAB 进行仿真，对仿真结果进行分析和研究，验证控制方案的合理性。主要完成如下工作：(1) 数学模型的建立认真学习相关资料，根据直流电动机基本方程，建立双闭环调速系统的数学模型并给出动态结构框图。(2) 系统方案设计通过国内外中英文资料介绍，了解直流电动机双闭环调速系统的最佳工程2013 届本科毕业设计（论文）设计方法，并进行调速系统的设计。(3) 仿真的进行和结果的分析与探究深入学习和掌握 MATLAB 下的 Simulink 系统模型的搭建方法，进行模型搭建和仿真，对结果进行分析与探究。2013 届本科毕业设计（论文）2 直流电动机调速系统2.1 直流电动机简介2.1.1 直流电动机的工作原理图 21 表 示 是 一 台 最 简 单 的 两 极 直 流 电 机 模 型 ， 它 在 定 子 上 ， 装 设了 一 对 用 直 流 励 磁 的 主 磁 极 N 和 S， 在 转 子 上 装 设 电 枢 铁 心 。 定 子 与 转 子之 间 有 一 气 隙 。 电 枢 铁 心 上 装 置 了 两 根 导 体 连 成 的 电 枢 线 圈 ， 线 圈 的 首 端 和末 端 分 别 接 到 两 个 圆 弧 形 的 铜 片 上 ， 此 铜 片 称 为 换 向 片 ,换 向 片 之 间 互 相绝 缘 。 由 换 向 片 构 成 的 整 体 称 为 换 向 器 ， 固 定 在 转 轴 上 。 在 换 向 片 上 放 置 着一 对 固 定 不 动 的 电 刷 B1 和 B2， 当 电 枢 旋 转 时 ， 电 枢 线 圈 通 过 换 向 片 和 电 刷与 外 电 路 接 通 。图 21 最简单的两极直流电机模型在线圈上加上直流电压，导体中就有直流电流通过。若导体中的电流为 ，i载流导体在磁场中将受到电磁力 的作用，线圈上的电磁转矩则为bilfaXADT其中 为电枢的外径。aD由于电流 为恒定，一周中磁通密度的方向为一正一负，电磁转矩 TXA将是i2013 届本科毕业设计（论文）交变的，将无法使电枢持续旋转。在直流电动机中，外加电压并非直接加于线圈，而是通过电刷 B1、 B2 和 换 向 器 再 加 到 线 圈 上 ， 由 于 电 刷 B1 和 B2 静 止不 动 ， 电 流 总 是 从 正 极 性 电 刷 B1 流 入 ， 经 过 处 于 N 极 下 的 导 体 ， 再 经 处i于 S 极 下 的 导 体 ， 由 负 极 性 电 刷 B2 流 出 ； 因 此 当 导 体 轮 流 交 替 地 处 于 N极 和 S 极 下 时 ， 导 体 中 的 电 流 将 随 其 所 处 磁 极 极 性 的 改 变 而 同 时 改 变 其 方 向 ，从 而 使 电 磁 转 矩 的 方 向 始 终 保 持 不 变 ， 并 使 电 动 机 持 续 旋 转 。 此 时 换 向 器 起到 将 外 电 路 的 直 流 ， 改 变 为 线 圈 内 的 交 流 的 “逆 变 ”作 用 。 这 就 是 直 流 电动 机 的 工 作 原 理 。2.1.2 直流电动机的运行特性直流电动机的运行特性主要有工作特性和是机械特性（即转速-转矩特性） 。分析表明，运行性能因励磁方式不同而有很大差异，下面主要对并励电动机的运行特性加以研究。工作特性是指电动机的端电压 U=UN，励磁电流 If=IfN时，电动机的转速n、电磁转矩 Te和效率 与输出功率的关系，即 n， ， 。由于实际运eT2Pf行中 较易测得，且 随 的增大而增大，故也可把工作特性表示为 n， ，aIaI2P eT。上述条件中， 为额定励磁电流，即输出功率达到额定功率 、ffN N转速达到额定转速 时的励磁电流。n转速特性是 。由电动势公式 和电压方程可知2fnCEea（21）eeaIRUC即通常称为电动机的转速公式。此式表示，在端电压 U、励磁电流 均为fI常值的条件下，影响并励电动机转速的因素有电枢电阻压降和电枢反应。当电动机的负载增加时，电枢电流增大， 使电动机的转速趋于下降；电枢反应aRI有去磁作用时，则使转速趋于上升；这两个因素的影响部分地互相抵消，使并励电动机的转速变化很小。在实践应用中，为保证并励电动机的稳定运行，常使它具有稍微下降的转速特性。并励电动机在运行中，励磁绕组绝对不能断开。若励磁绕组断开， =0，fI主磁通将迅速下降到剩磁磁通，使电枢电流迅速增大。此时若负载为轻载，则电动机的转速迅速上升，造成“飞车” ；若负载为重载，所产生的电磁转矩克服不了负载转矩，则电动机可能停转，使电枢电流增大到起动电流，引起绕组过热而将电机烧毁。这两种情况都是危险的。机械特性是指 ，励磁回路电阻 =常值时，电动机的转速与电磁转NUfR2013 届本科毕业设计（论文）矩的关系 。eTfn2.1.3 直流电动机的起动与调速(1) 直流电动机的启动直流电动机接到电源以后，转速从零达到稳态转速的过程称为起动过程。对电动机起动的基本要求是： 起动转矩要大； 起动电流要小； 起动设备要简单、经济、可靠。直流电动机开始起动时，转速 ，电枢的感应电动势 ，电0n 0nCEea枢电阻 又很小，因而起动电流 将达到很大的数值，常须加以限制。aRaRUI另一方面，起动转矩 ，减小起动电流将使起动转矩随之减小。这是互aTeC相矛盾的。通常采用保证足够的起动转矩下尽量减小起动电流的办法，使电动机起动。直流电动机常用的起动方法有三种： 直接起动； 接入变阻器起动； 降压起动。(2) 直流电动机速度的调节电动机是用以驱动生产机械的，根据负载的需要，常常希望电动机的转速能在一定甚至是宽广的范围内进行调节，且调节的方法要简单、经济。直流电动机在这些方面有其独到的优点。直流电动机转速和其他参量之间的稳态关系可表示为 eKIRUn式中 转速（r/min） ；n电枢电压（） ；U电枢电流（） ；I电枢回路总电阻（ ） ；R励磁磁通（b） ；由电机结构决定的电动势常数。eK在上式中， 是常数，电流 是由负载决定的，因此调节电动机的转速可eI以有三种方法： 调节电枢供电电压 ； 减弱励磁磁通 ； 改变电枢U回路电阻 。R2013 届本科毕业设计（论文）对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢电压的方式为最好。改变电阻只能实现有级调速；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（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变压调速为主。2.2 转速控制的要求和调速指标任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。例如，最高转速与最低转速之间的范围，是有级调速还是无级调速，在稳态运行时允许转速波动的大小，从正转运行变到反转运行的时间间隔，突加或突减负载时允许的转速波动，运行停止时要求的定位精度等等。归纳起来，对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面：(1) 调速。在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地（有级）或平滑地（无级）调节转速。(2) 稳速。以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量。(3) 加、减速。频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。为了进行定量的分析，可以针对前两项要求定义两个调速指标，叫做“调速范围”和“静差率” 。这两个指标合称调速系统的稳态性能指标。(1) 调速范围生产机械要求电动机提供的最高转速 和最低转速 之比叫做调速范围，maxnmin用字母 D 表示，即（2minaxD2）其中， 和 一般都指电动机额定负载时的最高和最低转速，对于少数maxnin负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的最高和最低转速。(2) 静差率当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落 ，与理想空载转速 之比，称作静差率 s，即Nn0n2013 届本科毕业设计（论文）（20nsN3）或用百分数表示 : %10nsN显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的。它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。然而静差率与机械特性硬度又是有区别的。一般变压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的，对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。由此可见，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。在调速过程中，若额定速降相同，则转速越低时，静差率越大。如果低速时的静差率能满足设计要求，则高速时的静差率就更能满足要求了。因此，调速系统的静差率指标应以最低速进所能达到的数值为准。(3) 直流变压调速系统中调速范围、静差率和额定速降之间的关系在直流电动机变压调速系统中，一般以电动机的额定转速 作为最高转速，Nn若额定负载下的转速降落为 ，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应Nn该是最低速时的静差率，即 NNnsmiin0于是，最低转速为 ssNN1min而调速范围为 miniaxDN将上面的 式代入，得min（2snN14）式（24）表示变压调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所应满足的2013 届本科毕业设计（论文）关系。对于同一个调速系统， 值一定，由式（24）可见，如果对静差率Nn要求越严，即要求 值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。s2013 届本科毕业设计（论文）3 方案选择及系统工作原理3.1 电动机参数及设计要求设计实例如下：直流电机额定电压 ，额定电枢电流 ，额定转速20VNU136ANI，电枢回路总电阻 ，电感 ，励磁电阻1460rpmNn.5aR0.2HaL，励磁电感 ，互感 ， ，允许过2fR1HfL.8af VminreC载倍数 。.5晶闸管装置放大系数： 。40sK时间常数： ， 。0.3lT.m具体设计要求： 选择 PID 控制器控制电机的启动和调速，用 MATLAB 建立所设计的控制器的模型和进行仿真。 调速范围 ，静差率 ；稳态无静差，电流超调量 ,10D5%S5%i电流脉动系数 ；启动到额定转速时的转速退饱和超调量 。iS 10n 要求系统具有过流、过压、过载保护。 要求触发脉冲有故障封锁能力。3.2 方案选择及系统框图下面就先介绍一下常用的几种调速系统方案：3.2.1 方案一：直流电机单闭环调速系统闭环系统较开环系统具有以下优点： 静态速降小，特性硬； 系统的静差率减小，稳速精度高； 系统调速范围大大提高；单闭环调速系统是一种最基本的反馈控制系统，它具有反馈控制系统的基本规律，其系统框图如图 3.1 所示。2013 届本科毕业设计（论文）A S RMT G+_+_Uc tUdIdUnT AUn*G T V_图 3.1 直流电机单闭环调速系统原理框图ASR转速环节 GT触发装置 TA电流互感器 TG测速发电机 / 转速给定电压和转速反馈电压 nU3.2.2 方案二：直流电机双闭环调速系统采用转速负反馈和 PI 调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。如果对系统的动态性能要求很高，例如要求快速起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环调速系统就难以满足需要。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流和转矩。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在双闭环调速系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接。为获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用 PI 调节器，如图 3.2 所示。图中，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，而电流调节器的输出去控制电力电子变换器。A C RMT G+_+_Uc tUdIdUnT AUn*G T V_A S R_UiUi*图 3.2 直流电机双闭环调速系统原理框图ASR转速环节 ACR电流环节 GT触发装置 TG测速发电机 TA电流互感器 / 转速给定电压和转速反馈电压 / 电流给定电压和电流反馈电nU iUi压2013 届本科毕业设计（论文）3.2.3 方案三：双闭环脉宽调速系统一般动、静态性能较好的调速系统都采用双闭环控制方案，脉宽调速也不例外。双闭环脉宽调速系统的原理框图如图 3.3 所示，其中属于脉宽调速系统特有的部分是脉宽调制器 UPW、调制波发生器 GM、逻辑延时环节 DLD 和电力晶体管基极的驱动 GD。其中最关键的部件是脉宽调制器。脉宽调制器是一个电压-脉宽变换装置，由电流调节器 ACR 输出的控制电压 Uc 进行控制，为 PWM 装置提供所需的脉冲信号，其脉冲宽度与 Uc成正比。A C R U P W P W MMT G+_Uc tUnT AUn*A S R_UiUi*G MF AD L D G D+图 3.3 双闭环控制的直流脉宽调速系统原理框图UPW脉宽调制器 GM调制波发生器 GD基极驱动器DLD逻辑延时环节 PWM脉宽调制变换器 FA瞬时动作的限流保护比较三种方案，虽然单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差，但对于动态性能要求很高的系统，单闭环调速系统不能完全按照需要来控制动态过程的电流和转矩。而双闭环调速系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，能获得良好的静、动态性能。所以这次设计我最终采用的是方案二：直流电机双闭环调速。3.3 系统工作原理简介3.3.1 双闭环调速系统静态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，如图3.4 所示。2013 届本科毕业设计（论文）+_ 1eCREdI0UASRACRiUi ctnnU_+dIn图3.4 双闭环调速系统稳态结构图nn 000 AB0I I Idnommdmd图3.5 双闭环调速系统的静特性分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征。一般存在两种情况：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作用使输入偏差电压 在稳态时总是U零。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。2013 届本科毕业设计（论文）（1） 转速调节器不饱和这时，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(3-1)0*nUn和 (3-2) diiI由第一个关系式可得(3-3) 0*n从而得到图3.5静特性的 n 0 A 段。与此同时，由于ASR不饱和， , 上述第二个关系式可知：*iUim 。这就是说， n0 A 段静特性从 =0（理想空载状态）一直延续到 =dIm dI dI，而 一般都是大于额定电流 的。这就是静特性的运行段。d no（2） 转速调节器饱和这时，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*im不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环系统。稳态时(3-4) dmidIUI*其中，最大电流 是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统dmI允许的最大加速度。式(3-4)所描述的静特性是图3.5中的 A B段。这样的下垂特性只适合于 的情况。因为如果 ，则 ，ASR将退出饱和状0n0nnU态。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，dmI转速负反馈起主要作用。当负载电流达到 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PI调节器分别形成内外两个闭环的效果。这样的静特性显然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漂移而采用“准PI调节器”时，静特性的两段实际上都略有很小的静差，如图3.5中虚线所示。由图3.4可以看出，双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系：(3-5)0nUn(3-6)dLii I(3-7)sdLnesesdct KRICRK/02013 届本科毕业设计（论文）上述关系表明，在稳态工作点上，转速 是由给定电压 决定的，ASR的nnU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 和 ，iUdLI ct dI或者说，同时取决于 和 。这些关系反映PI调节器不同于P调节器的特点。n比例环节的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：转速反馈系数 (3-8) max/nU电流反馈系数 (3-9)diI两个给定电压的最大值 和 是受运算放大器的允许输入电压限制的。nm3.3.2 双闭环系统启动过程分析设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程（图3.6） ，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先讨论它的起动过程。由于在起动过程中转速调节器 ASR 经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分成三段，在图 3.7 中分别标以、和。0d nnI dltI dm图 3.6 双闭环调速控制系统理想快速起动2013 届本科毕业设计（论文）Id LIdId m00t1t2t3t4ttnn* 图 3.7 双闭环调速系统起动时转速和电流波形第阶段 0 t1 是电流上升的阶段。突加给定电压 后，通过两个调节nU器的控制作用，使 、 、 都上升，当 后，电动机开始转动。由于cU0dIdLI电机惯性的作用，转速的增长不会很快，因而转速调节器 ASR 的输入偏差电压数值较大，其输出很快达到限幅 ，强迫电流 迅速上升。当nn imdI时， ，电流调节器作用时 不再迅猛增长，标志着这一阶段的dmIiim dI结束。在这一阶段中，ASR 由不饱和很快达到饱和，而 ACR 一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。第阶段 t1 t2 是电流恒流升速阶段。从电流升到最大值 开始，到转dmI速升到给定值 （即静特性上的 n0）为止，属于恒流升速阶段，是启动过程中n的主要阶段。在这个阶段中，ASR 一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒定电流给定 作用下的电流调节系统，基本上保持电流恒定imU（电流可能超调，也可能不超调，取决于电流调节器的结构和参数），因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增长（图 3.7）。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，这个反电动势是一个线性渐增的扰动量，为了克服这个扰动， 和 也基本上按线性增长，才能保持 恒定。0dct dI由于电流调节器 ACR 是 PI 调节器，要是它的输出量按线性增长，其输入偏差电压 必须维持一定的恒值，也就是说， 应略低 。此外还应指出，iimiUdIdmI为了保证电流环的这种调节作用，在启动过程中电流调节器是不能饱和的，同2013 届本科毕业设计（论文）时整流装置的最大电压 也须留有余地，即晶闸管装置也不应饱和，这些都0dmU是在设计中必须注意的。第阶段 t2 以后是转速调节阶段。在这阶段开始时，转速已经达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压相平衡，输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值 ，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超im调。转速超调以后，ASR输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出电压及ASR的给定电压 立即从限幅值降下来，电流 也因而下降。但是，由iU dI于 仍大于负载电流 ，在一段时间内，转速仍继续上升。到 时，转矩dIdLI dLI, 则 ，转速 达到峰值（ 时) 。此后，电动机才开始在负载eLT0ntn3t的阻力下减速，与此相应，电流I d也出现一段小于 的过程，直到稳定（设调dLI节器参数已调整好）。在这最后的转速调节阶段内，ASR与ACR都不饱和，同时起调节作用。由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则是力图使 尽快地跟随ASR的输出量 ，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。dI iU综上所述，双闭环调速系统的起动过程有三个特点：（1） 饱和非线性控制 随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态。当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环则表现为电流随动系统。在不同情况下表现为不同结构的线性系统，这就是饱和非线性控制的特征。决不能简单地应用线性控制理论来分析和设计这样的系统，可以采用分段线性化的方法来处置。分析过渡过程时，还必须注意初始状态，前一阶段的终了状态就是后一阶段的初始状态。如果初始状态不同，即使控制系统的结构和参数都不变，过渡过程还是不一样的。（2） 准时间最优控制起动过程中主要的阶段是第阶段，即恒流升速阶段，它的特征是电流保持恒定，一般选择为允许的最大值，以便充分发挥电机的过载能力，使起动过程尽可能最快。这个阶段属于电流受限制条件下的最短时间控制，或称“时间最优控制”。但整个启动过程与图3.6的理想快速起动过程相比还有一些差距，主要表现在第、两段电流不是突变。不过这两段的时间只占全部起动时间中很好的成份，已无伤大局，所以双闭环调速系统的起动过程可以称为“准时间最优控制”过程。如果一定要追求严格最优控制，控制结构要复杂得多，所取得的效果则有限，并不值得。采用饱和非线性控制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地得到应用。2013 届本科毕业设计（论文）（3） 转速超调由于采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入第段及转速调节阶段后，必须使转速调节器退出饱和状态。按照PI调节器的特性，只有使转速超调，ASR的输入偏差电压 为负值，才能使ASR退出饱和。这就是说，采用PI调节器的nU双闭环调速系统的转速动态响应必然有超调。在一般情况下，转速略有超调对实际运行影响不大。如果工艺上不允许超调，就不许采取另外的措施。最后，应该指出，晶闸管整流器的输出电流是单方向的，不可能在制动时产生负的回馈制动转矩。因此，不可逆的双闭环调速系统虽然有很快的起动过程，但在制动时，当电流下降到零以后，就只好自由停车。如果必须加快制动，只能采用电阻能耗制动或电磁抱闸。同样，减速时也有这种情况。类似的问题还可能在空载起动时出现。这时，在起动的第阶段内，电流很快下降到零而不可能变负，于是造成断续的动态电流，从而加剧了转速的振荡，使过渡过程拖长，这是又一种非线性因素造成的。3.3.3 双闭环调速系统的动态抗扰动性能一般说来，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。（1） 动态跟随性能双闭环调速系统在起动和升速过程中，能够在电流受电机过载能力约束的条件下，表现出很快的动态跟随性能。在减速过程中，由于主电路电流的不可逆性，跟随性能变差。对于电流内环来说，在设计调节器时应强调有良好的跟随性能。（2） 动态抗扰性能 抗负载扰动由图 3.8 动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器来产生抗扰作用。因此，在突加(减)负载时，必然会引起动态速降(升)。为了减少动态速降(升)，必须在设计 ASR 时，要求系统具有较好的抗扰性能指标。对于 ACR 的设计来说，只要电流环具有良好的跟随性能就可以了。2013 届本科毕业设计（论文）1onTSA S R A C R+_UnUn*_UiUi*+1oT1SsKT1RmTS1eCoi1onTS+_ dLIE0dctn电流环图 3.8 双闭环调速系统的动态结构图抗电网电压扰动电网电压扰动和负载扰动在系统动态结构图中作用的位置不同，系统对它的动态抗扰效果也不一样。电网电压扰动的作用点离被调量更远，它的波动先要受到电磁惯性的阻挠后影响到电枢电流，再经过电机惯性的滞后才能反映到转速上来，等到转速反馈产生调节作用，已经嫌晚。在双闭环调速系统中，由于增设了电流内环，这个问题便大有好转。由于电网电压扰动被包围在电流环之内，当电压波动时，可以通过电流反馈得到及时的调节，不必等到影响到转速后才在系统中有所反应。因此，在双闭环调速系统中，由电网电压波动引起的动态速降会比单闭环系统中小的多。3.3.4 双闭环调速系统中两个调节器的作用（1） 转速调节器的作用使转速 跟随给定电压 变化，稳态无静差。nnU对负载变化起抗扰作用。其饱和输出限幅值作为系统最大电流的给定，起饱和非线性控制作用，以实现系统在最大电流约束下起动过程。（2） 电流调节器的作用 对电网电压波动起及时抗扰作用。 起动时保证获得允许的最大电流。 在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压 变化。iU 当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护作用。如果故障消失，系统能够自动恢复正常。2013 届本科毕业设计（论文）4 双闭环调速系统的设计4.1 双闭环直流调速系统总体设计方案（1） 供电方案选择：变电压调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有 3 种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。旋转变流机组简称 G-M 系统，用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其