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.doc

湖南科技大学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 带电流截止负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直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面得出了一些结论。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直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进行控制系统的印刷板的设计，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.直流电动机控制系统设计参数直流电动机(2)： 输出功率为:10Kw 电枢额定电压220V 电枢额定电流 50A 额定励磁电流2A 额定励磁电压110V 功率因数0.85 电枢电阻0.15欧姆 电枢回路电感100mH 电机机电时间常数2S 电枢允许过载系数1.5 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D20;静差率小于等于0.03.四、转速负反馈的闭环直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Uc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Idcr为临界的截止电流,当电流大于Idcr时将电流负反馈信号加到放大器的输入端,当电流小于Idcr时将电流反馈切断。为了实现这一作用,须引入比较电压Ucom。图1a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IdRSUcom时,二极管截止,Ui即消失。显然,在这一线路中,截止电流Idcr=Ucom/RS。图2-1b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。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1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一组，正15V，正5V，正3.3V一组。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、线压稳压最后输出稳压的直流电。 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：它可直接与连接单片机AD接口。第二15V在实际应用中抗干扰能力相对大。B整流装置放大倍数由于速度调节器及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=0.4,则=0.4V/A，那么当I=50A时，Ui=*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=110V/1900r/min=0.0579V.min/r.实际分压系数2=0.3,则电压反馈系数=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(1-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G-M系统，它调速性能好，所需装置容量小，所出功率大。 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，单相桥式半控整流电路的平均失控时间=0.005s。B、 机电时间常数，电磁时间常数。C、 电流滤波时间常数。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(12)=5ms,Toi=3ms。D、 电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取=+=0.008s。2） 选择电流调节器结构 根据设计要求电流超调量，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 检查对电源电压的抗扰性能：，参照I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。3） 计算电流调节器参数电流环开环增益：要求时，应取，因此。 KI=0.5/0.008=62.5 截止电压： 由电动机的过载系数为1.5，得Ucom=1.5*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/,由上已取，则B、 1/KI=2*0.0085=0.016sC、 转速滤波时间常数，根据所用测速发电机纹波情况，取=0.01s。D、 转速环小时间常数，按小时间常数近似处理，取T2=1/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3） 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)*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 A、 电流环传递函数简化条件为，满足近似条件。B、 转速环小时间常数近似处理条件为，满足近似条件。5） 计算调节器电阻和电容取，则 6） 校核转速超调量当h=5时，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，Ce=0.15Vmin/r，当h=5时，查表可得代入式可得能满足设计要求。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INU+和INU-之间输入030V的电压，Uf1输出02.5V的电压给单片机采样3同步脉冲产生电路输入交流+/-8V，通过LM339比较器，在O2端输出同步脉冲。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，可使系统达到最佳运行状态。连续一时间PID控制系统如图3-1所示。图中，D(s)为控制器。在PID控制系统中，D(s)完成PID控制规律，称为PID控制器。 PID控制器是一种线性控制器，用输出量y(t)和给定量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。考虑式（3-4），用矩形积分时，有 (3-5)用差分代替微分 (3-6)将式（3一5）、（3一6）代入式（3一4），PID算法变为 (3-7)或 式中 u 0控制量的基值，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；KD微分放大系数； TS采样周期。六、系统的MATLAB仿真1、系统仿真模型2、 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软件里面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.电力电子变流技术黄俊.机械工业出版社.6.电力拖动自动控制系统张明达.冶金工业出版社.7.电力传动控制系统原理与应用冯信康.水利电力出版社.8.电气传动控制系统的设计周德泽.机械工业出版社. 系统工作说明（主要：控制系统部分）硬件结构包括：开关型稳压电源系统、微控制器、同步脉冲电路、电压参考电路，输出驱动放大隔离电路，双路反馈电压调理电路，人机交互电路，操纵杆电路、下载器接口电路。开关型稳压电源系统为控制器提供高效率，对电源波动抑制强的多路直流稳压电源;微控制器完成采样、A/D转换、运算处理，控制输出;同步脉冲电路捕捉同步信号提供给微控制器;电压参考电路为微控制器内部的A/D单元、双路反馈电压调理电路和操纵杆电路提供电压基准点;输出驱动放大隔离电路放大微控制器的输出信号，输出强触发脉冲并隔离强电与弱电;双路反馈电压调理电路对电机的输出电压和电枢电流在电机补偿绕组上产生的电压进行变换，输出低电压提供给微控制器进行采样;人机交互电路由数码管显示电路，控制芯片及按键组成，它能实时显示电机输出电压，电机电枢电流，同时可以与微控制器通信，在线改变系统的额定电压、额定电流、截止电流、偏移电流、电压上升、下降斜率、堵转时间等运行参数;操纵杆电路实际等为一个桥式滑动变阻器，桥的两端接参考电压，通过上下滑动操纵杆，桥中间输出的电压送入微控器，其电压在0到参考电压之间变化代表给定电压在0到额定设定电压之间变化;下载器接口电路提供向微控制器下载程序的接口。袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿