V-M双闭环不可逆直流调速系统的仿真.doc

摘 要 转速 电流双闭环控制直流调速系统是 性能很好 应用最广的直流调速系统 在设 计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整 流电路来供电 本文采用转速 电流双闭环 直流调速系统为对象来设计直流电动机调速 控制器 为了实现转速和电流两种负反馈分 别起作用 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 从闭 环结构上看 电流环在里面 称作内环 转 速环在外边 称做外环 这就形成了转速 电流双闭环调速系统 先确定其结构形式和 设计各元部件 并对其参数计算 最后采用 MATLAB SIMULINK 对整个调速系统进行了仿真 分析 关键词 双闭环 转速调节器 电流 调节器 ABSTRACT Speed and current dual loop control performance of DC speed control system is very good the most widely used DC drive system Speed control system in the design of the main circuit using three phase full controlled bridge rectifier circuit to supply In this paper the speed and current dual closed loop DC system for the object to design DC motor speed controller In order to achieve both speed and current role of negative feedback respectively both set in the system regulator adjust the speed and current respectively that were introduced speed and current negative feedback negative feedback the implementation of a nested connection between the two From theclosed loop structure the current loop on the inside called the inner ring speed ring on the outside called the outer ring This form of speed and current dual loop speed control system To determine its structure and design of various components and theparameter calculation Finally using MATLAB SIMULINK control system for the entiresimulation analysis Keywords Keywords double loop speed regulator current regulator 目 录 1 1 双闭环双闭环直流调速系统的直流调速系统的组成和工作原理组成和工作原理 6 6 1 1 双闭环直流调速系统的组成 6 1 1 1 双闭环直流调速系统的结构图 6 1 1 2 双闭环直流调速系统的电流调节 环 6 1 1 3 双闭环直流调速系统的速度调节 环 7 2 2 双闭环直流调速系统双闭环直流调速系统启动过程分析启动过程分析 7 7 2 1 双闭环直流调速系统起动时的转速和电 流波形 7 2 2 双闭环直流调速系统的起动过程 7 2 3 双闭环直流调速系统的动态抗扰性能8 2 3 1 双闭环直流调速系统的抗负载扰 动 8 2 3 2 双闭环直流调速系统的抗电网电 压扰动 8 3 3 双闭环调速系统的主电路各器件的选择双闭环调速系统的主电路各器件的选择 和计算和计算 9 9 3 1 主电路参数的选择与确定 9 3 1 1 直流电机的基本参数 9 3 1 2 设计指标 9 3 2 参数的选取和计算 9 3 2 1 模块参数设置 10 3 2 2 电流调节器的设计 10 3 2 3 转速调节器的设计 10 4 4 基于基于 MATLAB SIMULINKMATLAB SIMULINK 的调速系统的仿的调速系统的仿 真真 1 10 0 4 1 稳态结构框图和动态数学模型 11 4 1 1 双闭环调速系统的静态结构框图 11 4 1 2 双闭环调速系统的动态数学模型 11 4 2 基于原理图的 SINULINK 仿真 11 4 2 1 基于直流双闭环动态结构图的仿 真模型 11 4 2 1 1 PI 调节器及其分支模块12 4 3 仿真结果 12 4 3 1 转速响应曲线 12 4 3 2 电流响应曲线 13 4 4 仿真结果与原理图形的比较 13 小结小结 1313 致谢致谢 1313 参考文献参考文献 1414 1 双闭环直流调速系统的组成和工作原理 1 1 双闭环直流调速系统的组成 1 1 1 双闭环直流调试系统的结构图 单闭环系统不能控制电流和转矩的动态 过程 电流截止负反馈环节只是用来限制电 流的冲击 并不能很好地控制电流的动态波 形 为了实现在允许条件下的最快起动 关 键是要获得一段使电流保持为最大值 Idm 的 恒流过程 按照反馈控制规律 采用某个物 理量的负反馈就可以保持该量基本不变 那 么 采用电流负反馈应该能够得到近似的恒 流过程 现在的问题 希望能实现控制 起动过程 只有电流负反馈 没有转速负反 馈 稳态时 只有转速负反馈 没有电流负 反馈 怎样才能做到这种既存在转速和电流 两种负反馈 又使它们只能分别在不同的阶 段里起作用呢 这需要使用转速电流双闭环 系统 转速电流双闭环系统就是在系统里设置 两个调节器 分别引入转速负反馈和电流负 反馈来调节转速和电流 二者之间实行嵌套 或称串级 连接 如上图 把转速调节器 的输出作为电流调节器的输入 再用电流调 节器的输出去控制电力电子变换器 UPE 从闭 环结构上看 电流环在里面 称作内环 转 速环在外面 称作外环 这样就形成了双闭 环调节 为了获得良好的静 动态性能 两 个调节器一般采用 PI 调节器 由于积分饱和的特性还要对两个调节器进行 限幅 限幅的作用 转速调节器 ASR 的输出 限幅电压 U im 电流给定电压的最大值 即 限制了最大电流 电流调节器 ACR 的输出限 幅电压 Ucm Uc 的最大值 即限制了电力电 子变换器的最大输出电压 Udm 1 1 2 双闭环直流调速系统的电流调节环 以 ACR 为核心的电流环 作用是稳定 电流 稳态时 Ui U i Ufi U i Id 0 即 Id U i 其中 Ufi Id 为电流反 馈系数 当 U i 一定时 由于电流负反馈的 作用 使输出电流保持在 U i 数值上 当 Id U i 时 调节过程如下 0diidctdd IUUIUUI 最终可保持电枢电流稳定 当电流下降 时 也有类似的调节过程 1 1 3 双闭环直流调速系统的速度调节环 以 ASR 为核心的转速环 作用是稳定 转速 稳态时 Un U n Ufn 0 其中 Ufn n 即 n U n 其中 为转 速反馈系数 当 U n 一定时 转速 n 将稳定 在 U n 数值上 当 nn ASR 输入偏差电压变负 开始退出 饱和 U i 和 Id 很快下降 但是 只要 Id 仍大于负载电流 IdL 转速就继续上升 直到 Id IdL 时 转矩 Te TL 则 dn dt 0 转速 n 才到达峰值 t t3 时 此后 电动机在负载的阻力下减速 在一小段时间 内 t3 t4 Id IdL 直到稳定 Id IdL n n 如果调节器参数整定得不 够好 会有振荡过程 特点 ASR 不饱和 起 主要调节作用 ACR 起跟随作用 转速有超调 起动过程的三个特点 1 饱和非线性 控制 2 转速超调 3 准时间最优控 制 有限制条件的最短时间控制 2 3 双闭环直流调速系统的动态抗扰性能 2 3 1 双闭环直流调速系统的抗负载扰 动 扰动作用位置 电流环之外抗扰作用调节 器 转速调节器 ASR 对 ASR 的设计要求 应 要求有较好的抗扰性能指标 2 3 2 双闭环直流调速系统的抗电网电 压扰动 扰动作用位置 电流环内的前向通道 抗扰作用的调节器 电流调节器 ACR 双闭环 系统中 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 抗扰性 能大有改善 3 双闭环调速系统的主电路各器件的选择 和计算 3 1 主电路参数的选择与确定 3 1 1 直流电机的基本参数 某晶闸管供电的双闭环直流调速系统 整流装置采用三相桥式电路 基本数据如下 额定电压 Un 220V 额定电流 In 136A 额定转速 Nn 1460r min 4 极 电枢电阻 Ra 0 21 GD 2 22 5N m 2 励磁电压 Uf 220V 励磁电流 If 1 5A 电动机电势系数 Ce 0 132V min r 采用三相桥式整流电路 整流器内阻 Rrec 1 3 电抗器 Lp 200mH 3 1 2 设计指标 动态指标 1 电流超调量 5 i 2 空载起动到额定转速时的 转速超调量 10 n 3 允许过载倍数 1 5 3 2 参数的选取和计算 取电流反馈滤波时间常数 Toi 0 002s 转速反馈滤波时间常数 Ton 0 01s 取转速调节器和电流调节器的饱和值为 12V 输出限幅值为 10V 额定转速时转速给 定 Un 10V 3 2 1 参数设置 供电电源电压为 U2 Unom Rrec In 2 34cos min 220 0 21 136 2 34 cos30 V 123V 电机参数设置 励磁电阻为 Rf Uf If 220 1 5 146 7 说 明 励磁电阻在恒定磁场中可取零 电枢电阻 Ra 0 21 电枢电感由下式估 计 La 19 1 C Unom 2 p Nn In 19 1 0 4 220 2 2 1460 136 0 00021H 电枢绕组和励磁绕组互感 Laf 为 因为 Ce 0 132V min r Ke 60 Ce 2 60 0 132 6 28 1 26 所以 Laf Ke If 1 26 1 5 0 84H 额定负载转矩为 Tl 9 55Ce Inom 9 55 0 132 17 5 22N m 3 2 2 电流调节器的设计 电流反馈系数 Uim Inom 10 1 5 136 0 05 电动机转矩时间常数 Tm GD 2 R 375 Ce Cm 3 53 2 85 375 9 55 0 132 0 161s 电动机电磁时间常数 Ti L R 200 16 0 001 2 85 0 076s 三相晶闸管整流电路平均失控时间 Ts 0 0017s 根据电流超调量 i 5 的要求 电 流环按典型 型系统设计 点楼调节器选用 PI 调节器 其传递函数为 Wacr s Ki 1 S S 其中 Ti 0 076s Ki R 2 T Ks 0 076 2 85 2 0 0037 0 272 37 84 2 84 Kli Ki 0 076 2 84 0 0268 3 2 3 转速调节器的设计 转速反馈系数 Unom Nnom 10 1500 0 00667V min r 为加快转速的调节速度 转速环按典型 型系统设计 并选中频带宽度 h 5 转速调 节器的传递函数 Wasr s Kn 1 S S 其中 h T h 2 T i Ton 5 92 0 0037 0 01 0 087s Kn h 1 Ce Tm 2 h R T 6 0 272 0 1 32 0 161 2 5 0 00667 2 85 0 0174 10 49 Kin Kn 0 087 10 84 0 0083 4 基于 MATLAB SIMULINK 的调速系统的仿真 4 1 稳态结构框图和动态数学模型 4 1 1 静态结构框图 4 1 2 动态数学模型 4 2 基于 MATLAB SIMULINK 的调速系统的 仿真 4 2 1 基于直流双闭环动态结构图的仿真模 型 4 2 1 1 带饱和输出限幅的 Pi 调节器及分支 模块 4 3 仿真结果 4 3 1 电机启动时转速的响应曲线 4 3 2 电机启动时电机电流的响应曲线 4 4 仿真结果与原理图的比较 仿真结果与理论上电机启动的结果比较 转速没有超调量 不过符合第二和第三阶段 电流响应 电机启动以最大电流 并维持一 段时间 略有下降 使电机加速 等电机达 到额定转速时 电流逐步减小 趋于一个最 小值 但是最带电流有一点衰减 这和给定 的阶跃响应有关 小结小结 本文是对双闭环直流电机调速系统的设 计 通过两周的努力对该电路有了较为深入 的研究 也进一步熟悉了双闭环直流调速系 统的结构形式 工作原理及各个器件的作用 和设计 通过做毕业设计 也有了不少的收获进 一步了解和掌握了双闭环直流调速系统及其 控制电路的一些特性 比较全面的将所学的 电力电子和电力拖动方面的知识运用于设计 当中 对设计中一些参数的计算也比较清析 得到 整个双闭环直流调速电路分阶段地完 成 从电力电子方面的设计到电力拖动方面 的设计 最后 MATLAB SIMULINK 的运用 是 一步一步的完成和组合 照搬理论会发现做出来的设计结果有点 出入 因为理论是不考虑任何的外在原因 是在理想化的情况 而现实它则除了内在不 可改变的原因 还有不可