带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统建模与仿真

1、实用标准文案潇湘学院课程设计报告题目： 带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统建模与仿真专业： 电气工程及其自动化班级：学号：指导教师： 敏文档大全实用标准文案初始条件：1技术数据输出功率为 :7.5Kw电枢额定电压 220V电枢额定电流 36A 额定励磁电压 110V 电枢电阻 0.2 欧姆 电机机电时间常数 2S 电枢允许过载系数 1.5 额定转速 1430rpm额定励磁电流 2A功率因数 0.85电枢回路电感 100mH2技术指标 稳态指标：无静差(静差率 s2%, 调速围 D10 ) 动态指标：系统稳定要求完成的主要任务 :1技术要求：(1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机

2、不可逆运行 ，具有较宽的调速围 (D10)，系统在工作围能稳定工作(2) 根据指标要求进行动态校正，选择调节器的参数，并确定电流截止负反馈环节的相 关参数，(3) 系统在 5% 负载以上变化的运行围电流连续2设计容：(1) 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成， 画出系统组成的原理框图(2) 根据带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统原理图 , 分析转速调节器和电流截 止负反馈的作用 ,(3) 通过对调节器参数设计 , 得到转速和电流的仿真波形，并由仿真波形通过 MATLAB 来进行调节器的参数调节。(4) 绘制带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统的电气原理

3、总图 (要求计算机绘图)(5) 整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书目录摘要 . 31. 闭环调速控制系统构成 . 4文档大全实用标准文案1.1 主电路 51.2 原理框图 52 带电流截止负反馈的转速负反馈的分析 62.1 电流截止负反馈的提出 . 62.2 电流截止负反馈环节 72.3 带电流截止负反馈调速系统结构框图和静特性 83 参数设计 . 103.1 整体分析 . 103.2 稳定性参数计算和判断 . 103.3 转速调节器校正 113.3.1 PI 调节器结构 113.3.2 调节器的选择 . 123.4 电流截止负反馈参数设计 164. 电流 MATLAB仿真 .

4、 174.1 将设计的参数进行仿真 174.2 调节器参数调整 185. 电气总图 . 196. 结束语 . 20参考文献 . 20摘要为了提高直流调速系统的动态、静态性能，通常采用闭环控制系统（主要包括单闭 环、双闭环）。而在对调速指标要求不高的场合，采用单闭环即可。闭环系统较之开环 系统能自动侦测把输出信号的一部分拉回到输入端，与输入信号相比较，其差值作为实 际的输入信号；能自动调节输入量，能提高系统稳定性。在对调速系统性能有较高要求文档大全实用标准文案的领域常利用直流电动机，但直流电动机开环系统稳定性不能够满足要求，可利用转速 单闭环提高稳态精度，而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静

5、差的，为了消除系 统静差，可采用积分调节器代替比例调节器。关键词： 直流调速 单闭环 稳态精度 比例调节带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统建模与仿真1. 闭环调速控制系统构成文档大全实用标准文案1.1 主电路图中的电动机的电枢回路由晶闸管组成的三相桥式整流电路供电， 通过与电动机同 轴刚性连接的测速发电机 TG 检测电动机的转速，并经转速反馈环节分压后取出合适的 转速反馈信号 U n ，此电压与转速给定信号 U n*经速度调节器 ASR综合调节， ASR的输出作为移相触发器的控制电压 Uc ，由此组成转速负反馈单闭环直流调速系统。改变 Un* 即 可调节电动机的转速。在本系统中 ASR采用

6、比例积分调节器，属于无静差调速系统。为了防止在起动和运 行过程中出现过大的电流冲击， 系统引入了电流截止负反馈以限止电流不超过其允许的 最大值。1.2 原理框图将开环系统改为单闭环转速负反馈调速系统，并采用 PI 调节器，就既保证动态性 能，又能作到转速的无静差，较好的解决开环系统的不足，此闭环系统的工作原理是： 将直流电动机转速变化信号反馈到触发环节， 来自动增大或减小触发角来自动调节整 流输出电压 Uds，即可达到稳定 , 其系统结构框图与系统原理图如图 2所示文档大全实用标准文案Un 给定图 2 单闭环转速负反馈系统框图 转速单闭环实验是将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，经“速度变换

7、”后接 到“速度调节器” 的输入端， 与“给定”的电压相比较经放大后， 得到移相控制电压 UCt， 用作控制整流桥的“触发电路”，触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间，以 改变“三相全控整流”的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环系统。电机的转速随给 定电压变化， 电机最高转速由速度调节器的输出限幅所决定， 速度调节器采用 P（比例） 调节对阶跃输入有稳态误差， 要想消除上述误差，则需将调节器换成 PI（ 比例积分）调节。 这时当“给定”恒定时，闭环系统对速度变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压 波动时，电机的转速能稳定在一定的围变化。2 带电流截止负反馈的转速负反馈的分析2.1 电流

8、截止负反馈的提出（1）起动的冲击电流 - 直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很 大的冲击电流，这不仅对电机换向不利，对过载能力低的电力电子器件来说，更是不能 允许的。（ 2）闭环调速系统突加给定起动的冲击电流 - 采用转速负反馈的闭环调速系统突 然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压仍为零，相当于偏 差电压，差不多是其稳态工作值的 1+K 倍。这时，由于放大器和变换器的惯性都很小， 电枢电压一下子就达到它的最高值， 对电动机来说， 相当于全压起动，当然是不允许的文档大全实用标准文案（3）堵转电流 - 有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。 例如，由于故障

9、， 机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由于闭环系统的静特性很硬，若 无限流环节， 硬干下去， 电流将远远超过允许值。 如果只依靠过流继电器或熔断器保护， 一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题， 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。2.2 电流截止负反馈环节通过对电流负反馈和转速负反馈的分析。考虑到，限流作用只需在起动和堵转时起 作用，正常运行时应让电流自由地随着负载增减，采用电流截

10、止负反馈的方法，则当电 流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流， 而电流正常时仅有转速负反馈起作用 控制转速。电流截止负反馈环节如图 3和图 4所示图 3 利用独立直流电源作比较电压图4 利用稳压管产生比较电压实用标准文案图 5 封锁运算放大器的电流截止负反馈环节 图 6 电流截止负反馈环节的 I/O 特性电流截止负反馈环节输入输出特性如图 6 所示。图3 中用独立的直流电源作为比较电压，其大小可用电位器调节，相当于调节截止电 流。图 4 中利用稳压管 VS的击穿电压 Ubr作比较电压，线路要简单得多，但不能平滑的 调节截止电流值。图 5 是反馈环节与运放的连接电路。2.3 带电流截止负反

11、馈调速系统结构框图和静特性带电流截止负反馈的闭环直流调速系统结构框图如图 7 所示：图 7 带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态系统结构框图系统两段静特性的方程式：当 Id I dcr 时，电流负反馈被截止，静特性与转速负反馈相同KpKsUn*RIdndCe(1 K) Ce(1 K)当 I d I dcr 时，引入电流负反馈，静特性变为：文档大全实用标准文案KpKs(Un Ucom ) (R KpKsRs)Id nCe(1 K)Ce(1 K)静特性的几个特点：1）电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻KpKsRs ，因而稳态速降极 大，使特性急剧下垂。2）比较电压 Ucom 与给定电压

12、Un* 的作用一致， 好象把理想空载转速提高到 KpKs（Un* Ucom）n00Ce（1 K）3）两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性。当挖土机遇到坚硬的石块而过载时，电动机停下，电流也不过是堵转电流，在式（ 1）中，令 n = 0 ，得IKpKs(Un Ucom) 一般 KpKsRsR ,因此 IdblRdbl s R KpKsRs4）最大截止电流I dbl 应小于电机允许的最大电流，一般取 ： I dbl = （ 1.52.0 ） I N从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行围足够大，截止电流大于电机的额定电流，般取： Idcr ( 1.11.2 )IN5）调速系统的起动过程如图 8

13、图 9 所示实用标准文案图 8 带电流截止负反馈单闭环调速系统图 9 理想的快速启动过程3 参数设计3.1 整体分析本题目要求设计带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统， 为满足以上技术要求 和性能指标的要求，选择以下方案设计系统：1) 系统要求平滑调速，可采用调压调速方式。因为调压调速系统是在保持他励直 流电动机的磁通为额定值的情况下， 将电枢两端的电压 (电源电压) 降低为不同的值时， 可以获得与电动机固有机械特性相互平行的人为机械特性，调速方向是基速以下，属于 恒转矩调速方法。只要输出的电压是连续可调的，即可实现电动机的无级调速，调速围 可以达到很宽。2) 系统静特性良好，无静差。在参数

14、设置合理的情况下，带电流截止负反馈转速 单闭环直流调速系统本身可以做到系统的稳定运行。3) 本设计中的电力电子变换装置采用三相桥式控制的晶闸管整流装置，应用题目 要求中给定的参数进行设计，其 Rrec =0.5 ， Ks=40。4) 在带电流截止负反馈环中，截止电流的上限选择需要根据电机的品牌和参数论 证，以保证电机不至于因电流过大而烧毁。3.2 稳定性参数计算和判断为了满足 D=10，s 2%，额定负载时调速系统的稳态速降为：Ce220 17.5 1.2515000.132V min/ rI N(Ra Rrec) Ce17.5 (1.25 1.3) 338r /min0.132U N INR

15、a nN文档大全实用标准文案3.06r /minnNs1500 0.02nclr /minD(1 s) 10 (1 0.02)根据 ncl ，求出系统的开环放大系数：nop338K op 1 1 109.46ncl3.06计算测速反馈环节的放大系数和参数：设在额定转速下稳态时的给定电压为Un* 10V ，则须有 Un Un* 10V故转速反馈环节的放大系数UnnN10 0.006671500计算运算放大器的放大系数和参数：KpKCeKs109.46 0.1320.00667 4054.16验证系统在此控制器下的稳定性：电枢回路电磁时间常数Tl0.2 R 2.850.07sTm电力拖动机电时间常

16、数GD2R375CeC m3.530.161s2 30375 0.13222.85为保证系统稳定，开环放大系数应满足K Tm(Tl Ts) TsKTlTs三项桥式整流电路的 失控时间常数Ts 0.00167 s按动态性能指标，得 K 98.73, 而按稳态性能指标有 K 109.46，说明比例控制闭 环系统的动态稳定性和稳态性能要矛盾的，此系统不稳定。3.3 转速调节器校正3.3.1 PI 调节器结构如图 10 所示是 PI 调节器即比例积分调节器既结构图，用于实现系统的无静差调速 系统文档大全实用标准文案图 10 PI 调节器的结构图比例积分调节器的控制传递函数为：1K1 W pi ( s)

17、 KPK pi s 1K P sKpi=R1/ R0 ，Kpi为 PI 调节器的比例放大系数， C1= / R0， 为 PI 调节器超前时间 常数。比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状，而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。积分调节器到稳态时 Un =0 ，只要历史上有过 Un ，其积分 就有一定数值，足以产生稳态运行所需要的控制电压。如图 11为采用 PI 调节器单闭环 调速系统动态校正特性图 11 采用 PI 调节器单闭环调速系统3.3.2 调节器的选择在设计闭环调速系统时，常常会遇到动态稳定性与稳态性能指标发生矛盾的情况， 这时，必须设计一个合适的动态校正装置，用它来改造系

18、统，使它同时满足动态稳定性 和稳态性能指标两方面要求。文档大全实用标准文案动态校正的方法很多， 而且对于一个系统来说， 能够符合要求的校案也不是唯一的 在电力拖动自动控制系统中，最常用的是串联校正和反馈校正。串联校正比较简单，也 容易实现。对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统，由于其传递函数的阶次较低， 一般采用 PID 调节器的串联校案就能完成动态校正的任务。PID调节器中有 PD、PI 和PID三种类型。由于 PD调节器构成的超前校正，可提高 系统的稳定裕度，并获得足够的快速性，但稳定精度可能受到影响；由 PI 调节器构成 的滞后校正，可以保证稳定精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定

19、的。一般调速 系统的要求以动态稳定性和稳态精度为主，对快速性要求差一些，所以采用 PI 调节器 现在我们利用 PI 调节器来校正，原系统的传递函数如下KW(s) K 2(Tss 1)(TmTl s2 Tms 1)其中 K 109.46， Ts 0.00167s， Tm 0.161s Tl 0.07 s，由于 Tm 4Ts因此分母中的二次项可以分解成两个一次项之积， T1 0.161 s， T2 0.07 sW(s)109.46(0.161 s 1)(0.07s 1() 0.00167s 1)编写 Matlab 程序如下k=109.46/(0.00167*0.161*0.07); z= ;p=-

20、1/0.0067 -1/0.07 -1/0.161; num,den=zp2tf(z,p,k); bode(num,den);margin(num,den);grid校正前伯德图如图 12 所示：文档大全实用标准文案图 12 校正前伯德图11 Wpi (s)KPK pi s 1K P s由于原始系统不稳定，表现为放大系数K过大，截止频率过高，应该设法把他们压来。因此，把校正环节的转折频率1 Kpi 设置在远低于原始系统截止频率 Wcl 处,令K pi T1 , 使校正装置的比例微分项K pi 1 与原始系统中时间常数最大惯性环节1 T1 1 对消, 从 而选定 Kpi其次，为了 使校正后 的系

21、统具有 足够的稳 定裕度，它 的对数幅 频特性应以 20dB dec的斜率穿越 0dB 线，将原始的对数幅频和相频特性压低，使校正以后系统的WC2 1 对数幅频和相频特性的截止频率T2 。这样，在 WC2处，应有 L1 L2或L3 0dB根据以上两点，校正环节添加部分的对数特性就可以确定下来了：2W2WclW2 Wcl 2 Wc2l20lgK 20lg 2 40lg cl 20lg 2 ( cl )2 20lg clW1W2W1 W2 W1W2文档大全实用标准文案取 KPi T1 0.161s，为了使 c2 1/ T2 14.3s-1 ，取 c2 10s-1 ，在伯德图上查得相 应的 L 1

22、45.3dB，因而 L2 -45.3dB因为L2 -20lg(K P / KPi)， K P 54.16所以K Pi 0.294， T1/K Pi 0.54s0.161s 10.54s40K ，于是 PI 调节器的传递函数为：WPi(s)最后选择 PI 调节器的阻容参数，选取 R0R1 KPiR0 0.294 40K 11.76K ，取 R1 10KC1 /R0 (0.54/40) 103 F 13.5 F，取 C1 15 F校正后系统开环传递函数为W(s)372.30.54s(0.07s 1() 0.00167s 1)编写 Matlab 程序如下： k=372.3/(0.00167*0.54

23、*0.07); z= ;p=-1/0.00167 -1/0.07 0;num,den=zp2tf(z,p,k); bode(num,den);margin(num,den);grid所得伯德图如图 13 所示：文档大全实用标准文案图 13 校正后伯德图由图 13 可以看出，校正后系统的幅值裕度和稳定裕度都满足稳定的条件， 但截至频率变低，快速性被压低，显然这是一个偏于稳定的方案，最终能使系统稳 定。综上所述，转速调节器的类型和参数选择是正确的，即选为 PI 调节器，参数为 R0 40K ， R1 10K ， C1 15 F。3.4 电流截止负反馈参数设计其工作原理如图 3，是利用独立的直流电源

24、作为比较电压，其大小可用电位器调节， 相当于可调截至（保护）电流值。当 IdRs Ucom 时，二极管导通，电流截止负反馈信 号 Ui加到放大器上去，从而使晶闸管系统输出电压 Ud 减小，机械特性呈下垂特性；当 I dRs Ucom时，二极管截止， Ui 消失。由所给的技术参数值可知， Idcr 1.5IN 26.25A 。 为了减小 R s所产生的功耗， 选择 Rs为0.75 ，可得 Ucom IdcrRs 19.69V 。文档大全实用标准文案4. 电流 MATLAB仿真4.1 将设计的参数进行仿真仿真原理框图如图 14 所示：图 14 仿真原理图电流仿真波形如图 15 所示，扰动加在 2

25、秒时：图 15 电流仿真波形文档大全实用标准文案转速波形如图 16 所示：图 16 转速仿真波形在图 15 中可以看到电流经 2 秒时的给定扰动后后先波动了一下， 然后迅速又回到稳态， 电流初始输出值未超过在 26.25A，即 1.5In 满足电流截止要求，系统转速最终稳定于 1500r/min 。4.2 调节器参数调整 在控制系统中设置调节器是为了改变系统的静、动态性能。在采用了 PI 调节器后， 构成的是无静差调速系统，改变比例系数和积分系数，可得到振荡、有静差、无静差、 超调大、启动快等不同转速曲线。如图 15,16 的调节其参数是 Kp=0.294, =0.54 ，系 统转速响应无超调，但调节时间较长。若改为 Kp=0.8, =0.06, 则波形如图 17 所示， 可见系统响应的超调较大，有扰动，但是启动快速性好。文档大全实用标准文案图 17 调节参数后转速波形5. 电气总图带电流截止负反馈转速单闭环