《电力拖动与控制系统》课程设计-V-M双闭环直流调速系统建模与仿真1

1、武汉理工大学电机拖动与控制系统课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 电气1106班 指导教师： 工作单位： 自动化学院 题 目: V-M双闭环直流调速系统建模与仿真1 全套设计加扣 3346389411或3012250582初始条件：1技术数据及技术指标： 直流电动机：PN=60KW , UN=220V , IN=308A , nN=1000r/min ,最大允许电流 Idbl=1.5IN , 三相全控整流装置：Ks=35 ,电枢回路总电阻 R=0.18 ，电动势系数：Ce=0.196V.min/r系统主电路：Tm=0.17s ，Tl=0.012s滤波时间常数：Toi=0.002

2、5s , Ton=0.015s,其他参数：Unm*=8V , Uim*=8V , Ucm=8V i5% , n10%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，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D10），系统在工作范围内能稳定工作 (2) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续 2设计内容：(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) 根据双闭环直流调速系统原理图, 分析转速调节器和电流调节器的作用, (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

3、来进行调节器的参数调节。(4) 绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图（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时间安排：课程设计时间为一周半，共分为三个阶段：（1） 复习有关知识，查阅有关资料，确定设计方案。约占总时间的20%（2） 根据技术指标及技术要求，完成设计计算。约占总时间的40%（3） 完成设计和文档整理。约占总时间的40%指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目录摘要I1设计目的12设计任务及要求22.1 设计任务22.2设计要求23 V-M系统介绍34 双闭环调速系统性能分析44.1稳态性能分析44.2动态

4、过程分析44.2.1 起动过程分析44.2.2 调速器的作用54.3电气原理总图65转速、电流反馈控制直流调速系统的设计75.1调节器的工程设计方法75.1.1典型型系统75.1.2典型型系统85.2电流调节器的设计95.3转速调节器的设计116仿真146.1系统仿真框图146.2电流环的仿真146.3转速电流双闭环的仿真166.4 仿真的改进197总结与体会21参考文献22摘要此课程设计利用晶闸管、二极管等器件设计了一个V-M转速、电流双闭环直流调速系统。该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速

5、检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。并通过Matlab进行系统的数学建模和系统仿真，分析双闭环直流调速系统的特性。关键字： V-M系统 双闭环 调节器 MatlabIV-M双闭环直流调速系统建模与仿真11设计目的转速反馈控制直流调速系统用PI调节器实现转速稳态无静差，消除负载转矩扰动对稳态转速的影响，并用电流截

6、止负反馈限制电枢电流的冲击，避免出现过电流现象。但转速单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电流的动态过程。对于经常正、反转运行的调速系统，如龙门刨床、可逆轧钢机等，缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在启动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运行。当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩平衡，从而迅速转入稳态运行。 为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套连接，如图1.1所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输

7、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；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速,电流反馈控制直流调速系统。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PI调节器。图1.1 转速电流反馈控制直流调速系统原理图2设计任务及要求2.1 设计任务1技术数据及技术指标： 直流电动机：PN=60KW , UN=220V , IN=308A , nN=1000r/min ,最大允许电流：Idbl=1.5IN , 三相全控整流装置：Ks=35 ,电枢回路总电阻：R=0.18 ，电动势系数：Ce=0.196V.min/r系统主电路：Tm=0.17

8、s ，Tl=0.012s滤波时间常数：Toi=0.0025s , Ton=0.015s,其他参数：Unm*=8V , Uim*=8V , Ucm=8V i5% , n10%2.2设计要求1技术要求： (1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D10），系统在工作范围内能稳定工作 (2) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续 2设计内容：(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) 根据双闭环直流调速系统原理图, 分析转速调节器和电流调节器的作用, (3) 通过对调节器参数设计, 得到转

9、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V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图（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。3 V-M系统介绍图3.1绘出了V-M系统的原理图，图中VT是晶闸管整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，改变可控整流器平均输出直流电压Ud，从而实现直流电动机的平滑调速。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，门极电流可以直接用电子控制；响应时间是毫秒级，具有快速的控制作用；运行损耗小，效率高；这些优点是V-M系统获得了优越的性能。在理想情况下，Uc和Ud之

10、前呈线性关系： （3-1）式中 Ud平均整流电压 Uc控制电压 Ks晶闸管整流器放大系数图3.1 V-M系统原理图4 双闭环调速系统性能分析4.1稳态性能分析双闭环直流调速系统稳态结构如图4.1所示，两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm，图中用带限幅的输出特性表示PI调节器的作用。当调节器饱和时，输出达到限幅值，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。当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是输入偏差电压在稳态时为零

11、。为了实现电流的实时控制和快速跟随，希望电流调节器不要进入饱和状态，因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和不饱和两种情况。双闭环直流调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要作用。当负载电流达到Idm时对应于转速调节器为饱和输出Uim*，这时，电流调节器起主要作用，系统表现为电流无静差，起到过电流的自动保护作用。图4.1 双闭环直流调速系统的稳态结构图4.2动态过程分析4.2.1 起动过程分析对调速系统而言，被控制的对象是转速。它的跟随性能可以用阶跃给定下的动态响应描述。能否实现所期望的恒加速过程，最终以时间最优的形式达到所要求的性能指标，是设置双闭环控制

12、的一个重要的追求目标。在恒定负载条件下转速变化的过程与电动机电磁转矩有关，对电动机起动过程的分析离不开对的研究。从电流与转速变化过程所反映出的特点可以把起动过程分为电流上升、恒流升速、转速调节三个阶段，转速调节器在此三个阶段中经历了快速进入饱和、饱和及退饱和三种情况。双闭环直流调速系统的启动过程有以下三个特点。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个状态，在不同情况下表现为不同结构的线性系统，不能简单地用线性控制理论来分析整个启动过程，也不能简单地用线性控制理论来笼统地设计这样的控制系统，只能采用分段的方法来分析。2）转速超调。当转速调节器ASR采用PI调节器时

13、，转速必然有超调。转速略有超调一般是允许的，对于完全不允许超调的情况，应该采用别的控制措施来抑制超调。3）准时间最优控制。在设备物理上允许条件下实现最短时间的控制称作“时间最优控制”，对于调速系统，在电动机允许过载能力限制下的恒流起动，就是时间最优控制。但由于在起动过程、两个阶段中电流不能突变，所以实际起动过程与理想起动过程相比还有一些差距，不过这两段时间只占全部起动时间中很小的成分，无伤大局，故可称作“准时间最优控制”。采用饱和非线性控制的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，在各种多环节控制系统中普遍得到应用。4.2.2 调速器的作用1、转速调节器的作用 （1）转速调节器是调

14、速系统的主导调速器，它使转速n很快地跟随给定电压Un*变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起抗扰动作用。因为负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动作用。（3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。2、电流调节器的作用 （1）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压Ui*（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。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反馈回来，因而使抗扰性能得到改善。（3）在转速过程中，保证获得电动机允

15、许的最大电流，从而加快动态过程。（4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复过程。4.3电气原理总图电气原理总图参见报告最后的附图，在该图中，有以下几个模块：主电路、转速调节器、电流调节器、辅助电源、晶闸管驱动模块。其中，辅助电源的输出作为转速调节器的输入，即电压给定，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，作为电流给定，电流调节器输出作为驱动电路的控制信号，驱动电路还根据三相电压输入的采样信号来调节驱动信号，具体的电气原理总图见附图。 5转速、电流反馈控制直流调速系统的设计5.1调节器的工程设计方法5.1.1典型型系统作为典型的型系统

16、，其传递函数选择为 （5-1）式中 T系统的惯性时间常数 K系统的开环增益（1）动态跟随性能指标表5.1 典型型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系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%上升时间6,6T4.7T3.3T2.4T峰值时间8.3T6.2T4.7T3.6T相角裕度截止频率0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T具体选参数时，如果工艺上主要要求动态响应快，可取，把K选大一些；如果主要要求超调小，可取，把K选小一些；如果要求无超调，则取，；无特殊要求时，可取

17、折中值，即，此时略有超调。（2）动态抗扰性能指标影响到参数K的选择的第二个因素是它和抗扰性能指标之间的关系，典型型系统已经规定了系统的结构，分析它的抗扰性能指标的关键因素是扰动作用点，某种定量的抗扰性能指标只适用于一种特定的扰动作用点。在计算抗扰性能指标时，为了方便起见，输出量的最大动态降落用基准值的百分数表示，所对应的时间用时间常数的倍数表示，允许误差带为时的恢复时间也用的倍数表示。取开环系统稳态输出值作为基准值，即。表5.2典型型系统动态抗扰性能与参数的关系27.8%16.6%9.3%6.5%2.83.43.84.014.721.728.730.45.1.2典型型系统在各种型系统中，选择一

18、种结构简单而且能保证稳定的结构作为典型的型系统，其传递函数为 （5-2）表5.3 不同h值时的值及最佳频比h34567891021.671.51.41.331.291.251.221.51.61.671.711.751.781801.822.02.53.03.54.04.55.05.5由表5.3的数据可见，加大中频宽h可以减小，从而降低超调量，但同时也将减小，是系统的快速性减弱。经验表明，在1.21.5之间时，系统的动态性能较好，有时也允许达到1.82.0，所以h值可在310之间选择。h更大时，降低的效果就不显著了。（1） 动态跟随性能指标。表5.4 典型型系统阶跃输入跟随性能指标h34567

19、891052,6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%250%23.3%2.402.652.853.03.13.23.33.3512.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111（2） 动态抗扰性能指标表5.5典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系34567891072.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%2.452.702.853.003.153.253.303.4013.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85比较分析的结果可得，典型型系统和典型型系统除了稳态误

20、差上的区别以外，在动态性能中，一般来说，典型型系统的跟随性能超调小，但抗扰性能稍差，而典型型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。这是设计是选择典型系统的重要依据。5.2电流调节器的设计由题中所给参数可得， （5-3） （5-4）设整流装置采用三相桥式电路（1） 确定时间常数1） 整流装置滞后时间常数。三相桥式电路的平均失控时间。2） 电流滤波时间常数。由题意可得，3） 电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取。（2） 选择电流调节器结构根据设计要求，并保证稳态电流无差，可按典型型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为 （5-5）检查对电

21、源电压的抗干扰性能： ，参看表5.2的典型型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。（1） 计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：。电流环开环增益：要求时，按表5.1，应取，因此 （5-6）于是，ACR的比例系数为 （5-7）（2） 校验近似条件电流截止频率：1） 校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件2） 校验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3） 校验电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件（3） 计算调节器电阻和电容转速调节器原理图如图5.1所示，取，各电阻和电容值计算如下：，取，取，取所以，电流调节器的传递函数为图5.1含给定滤波和反馈滤波的PI型

22、电流调节器按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为 满足设计要求5.3转速调节器的设计（1） 确定时间常数1） 电流等效时间常数。 （5-8）2） 转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取。3） 转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取 （5-9）（2） 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和抗扰性能都较好的原则，取，则ASR的超前时间常数为 （5-10）可求得转速环开环增益 （5-11）于是，可求得ASR的比例系数为 （5-12）（4） 检验近似条件转速环截止频率为 （5-13）1） 电流环传递函数简化条件

23、满足简化条件2） 转速环小时间常数近似处理条件 满足近似条件（5） 计算调节器电阻和电容转速调节器原理图如图5.2所示，取，则，取。，取，取图5.2 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器（6） 校核转速超调量当时，由表5.5可知，可得能满足设计要求。所以，转速调节器的传递函数为 6仿真6.1系统仿真框图图6.1为双闭环直流调速系统仿真框图图6.1 双闭环调速系统的动态结构图Toi为电流反馈滤波时间常数 Ton为转速反馈滤波时间常数6.2电流环的仿真图6.2电流环仿真模型如图6.2为电流环仿真模型，在该模型中有以下几个模块：阶跃输入模块，加法器模块，增益模块，控制器模块，积分模块，示波器模块和

24、饱和非线性模块。阶跃输入模块用于输入阶跃信号，在本设计中相当于，同时调节step模块中的step time为0，final value为8。电流调节器ACR由两个增益模块和一个积分模块构成，本设计采用的电流调节器的传递函数为，所以两个增益模块的放大系数分别设为0.435和。积分模块根据设计题目所给的限幅值，将Upper saturation limit和Lower saturation limit分别设为+8和-8。饱和非线性模块的上界和下界应该分别设置为本设计中的限幅值+8和-8。在按工程设计方法设计电流环时，暂不考虑反电动势变化的动态影响，而在图6.2所示的电流环仿真模型中，已把反电动势的

25、影响考虑进去，它可以得到更真实的仿真结果。选中Simulink模型窗口的simulationConfiguration Parameters菜单项，把start time和stop time栏目分别填写为0.0s和0.1s。启动仿真过程，用自动刻度调整示波器模块所显示的曲线，得到图6.3所示的曲线。阶跃响应过程和跟随性能指标在曲线中都完整地反映出来了。观察图6.3的仿真曲线，在直流电动机的恒流升速阶段，电流值低于，其原因是电流调节系统受到电动机反电动势的扰动，它是一个线性渐增的扰动量，所以系统做不到无静差，而是略低于。图6.3 电流环仿真波形6.3转速电流双闭环的仿真图6.4转速电流双闭环仿真

26、模型在电流环仿真的基础上，再加入转速环的仿真，就得到如图6.4所示的双闭环系统的仿真模型，转速环模型和电流环模型基本一致。其中转速调节器同样由两个增益模块和一个积分模块组成，在本设计中，转速调节器ASR的传递函数为，所以两个增益模块的放大系数分别为10.11和86.63。图中Step1模块是用来输入负载电流的，本设计中额定负载电流为308A，因此可以分别设置负载电流为0A和308A，观察直流电机空载起动和带额定负载起动的电流和转速的波形。其他模块参数的设置与电流环相似。（1）当设置负载电流为0A时，仿真图如图6.5图6.5 负载电流为0A时的仿真波形由仿真波形可观察到，电机经历了电流上升、恒流

27、升速和转速调节三个阶段。电流首先很快上升到最大负载电流，然后一直维持不变，此时转速恒加速上升，当转速超调并达到最大值时，电流开始下降，最后负载电流稳定在0A。转速稳定在1000转，实现了转速无静差。（2）当设置负载电流为额定电流308A时，仿真图如图6.6图6.6 负载电流为308A时的仿真波形由仿真波形可以观察到，电机同样经历了电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段。电流首先很快上升到最大负载电流，然后一直维持不变，此时转速恒加速上升，当转速超调并达到最大值后，电流开始下降，最后负载电流稳定在额定负载电流308A。转速稳定在额定转速1000转，实现了转速无静差。6.4 仿真的改进从图6.5可以

28、观察到，当电机空载起动时，在转速调节器退饱和阶段，电流值首先降低到一个负值，然后再上升，最后稳定在0A，而在实际情况下，由于该双闭环系统要求负载电机不可逆运行，那么电流就不可能出现负值，为了使仿真结果更接近于真实情况，在仿真模型中加入一个Switch模块（见图6.7）。图6.7 改进后的双闭环仿真模型Switch模块实现以下功能：该模块中有一个比较环节，当输入大于0的时候，上方的通道导通，电流输出与实际值相同，而一旦电流过零变负，则上方通道关闭，下方通道导通，输出电流值为0A并维持不变。这样就避免了电流为负值的现象。改进的仿真波形图如图6.8，在实际的空载情况下，电机并不是完全不带负载的，因此

29、在仿真过程中，设置负载电流为额定负载电流的5%，即15A，以模拟实际空载运行的情况。由仿真图中可以观察到，在转速调节器退饱和过程中，电流下降，但当电流降到0A后不再下降，而是维持在0A，此时转速还在降低，电流维持不变。当转速降低到额定转速以下后，Switch 模快输入变为正值，模块中的上通道打开，下通道关闭，输出的电流值变为正值并且先上升后下降，最后稳定在5%额定负载时的电流值。而转速也经历了一个先下降后上升的过程，最后稳定在额定转速1000转。而对于带额定负载运行时，增加的Switch模块对波形没有影响，因为带额定负载运行时，退饱和过程中电流不会变成负值。图6.8 带5%额定负载（近似于空载）的仿真波形7总结与体会本次课程是V-M双闭环直流调速系统建模与仿真，刚拿到题目的时候，我发现这几乎就跟课本上的例题类似。于是我便按照课本上例题的样子进行了计算。计算的过程非常顺利，电流调节器和转速调节器都能满足超调量的要求。因此，在计算完成后，我便分别对电流环和转速双闭环进行了仿真。在平时的学习过程中，由于学业繁忙，我很少接触Matlab的仿真