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、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s< 2%调速围D> 10 )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 不可逆运行，具有较宽的调速围(D> 1

2、0),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总图(要求计算机绘图)(5) 整理设计数据资料，课程设计

3、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 41.1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 11调节器的选择 123.4 电流截止负反馈参数设计 164. 电流MATLA仿真 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、

4、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 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1.1主电

5、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Un，此电压与转速给定信号U；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U；即可调节电动机的转速。在本系统中ASR采用比例积分调节器，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

6、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a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”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

7、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-米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

8、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(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, 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

9、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图5圭寸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

10、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 Idcr时，电流负反馈被截止，静特性与转速负反馈相同KpKsU；RidnCe(1 K) Ce(1 K) 当Id Idcr时，弓I入电流负反馈，静特性变为：KpKs(Un Ueom) (R KpKsR)d nCe(1 K)Ce(1 K)静特性的几个特点：(1)

11、 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Ueom与给定电压Un*的作用一致，好象把理想空载转速提高到.KpKs(Un Ueom)n 0Ce(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山呦) 一般 KpKsRs R ,因此 Idbl * J漪dblsR KpKs Rs(4) 最大截止电流I dbi应小于电机允许的最大电流，一般取：I阳=(1.52.0) I N从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行围

12、足够大，截止电流大于电机的额定电流,般取： Ider >( 1.11.2 ) In(5) 调速系统的起动过程如图8图9所示图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

13、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 FU=0.5 Q， 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=1Q 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(RaRrec)Ce175

14、心 2 338r/min0.132UnlNRanNnd3.06r /minnNs1500 0.02,.r / minD(1 s) 10 (1 0.02)根据nd，求出系统的开环放大系数:nop338K 上 11 109.46ncl3.06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U：10V，则须有 Un U： 10V故转速反馈环节的放大系数5nN竺 0.006671500计算运算放大器的放大系数和参数:KpKCe109.46 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0.2R 2.850.07 sTm电力拖动机电时间常数G

15、D2R375CeCm2.853.530.161s 2 30375 0.132为保证系统稳定，开环放大系数应满足KTm (TlTs) TsTiTs三项桥式整流电路的 失控时间常数Ts 0.00167s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:1K W pi (s)K PK pi s 1K P sKpi = RRo ， Kp

16、i为PI调节器的比例放大系数，Ci= / Ro，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=O,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心+ 1)图11采用pi调节器单闭环调速系统332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，用它来改造系统，使它同时满足动态稳定性 和稳态性能指标两方面要求。动态校正的方法很多，而且对于一个系统来

17、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， 一般米用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

18、函数如下KW(S) 2-(TsS 1)(TmTiS TmS 1)其中 K109.46,Ts0.00167s，Tm0.161sT,0.07 s，由于Tm4Ts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(0.161s 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=-1/0.0067 -1/0.07 -1/0.161;nu m,de n=zp2tf(z,p,k);bode( nu m,de n);margi n(nu m,de n);grid校正

19、前伯德图如图12所示：曰巳 ppnixj口PEDis gramGm = 21 dB (at 5«.1 rsdfe) s Pm = -4Q.1 "eg (at r-r-nn._f111 Systrn; untitl * !-! Friequ ency fradL/s; 102：:! !：! MB5nitude(dB)：4&3r产PLHF*BTIIIIII IIIIII»IMIfiRLU'L8-I o1C2 ra d/g)1 三 JL.上亠 U I- LU LL_ l)L L U Ao9GQ12i101010wFrequency (rad/s)-图12

20、校正前伯德图1Wpi(s)K p5 s 1Kp 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F来。因此，把校正环节的转折频率1 K pi设置在远低于原始系统截止频率Wcl处,令K PiT1 ,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?11对消,从而选定Kpi其次，为了使校正后的系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 _对数幅频和相频特性的截止频率T2。这样，在WC2处，应有L1L2或5 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

21、下来了：W2WclW2 WC1 2Wc220lgK 20lg 一 40lg 20lg 2 ( )20lg WW2W W2WW2取KpiTi0.161s，为了使c2 I/T2 14.3s1，取c2 10s1，在伯德图上查得相应的 L 145.3dB，因而 L2-45.3dB因为L2 -20lg(K P / KPi)，K P 54.16所以 Kr 0.294，T1 /K Pi0.54s0.161s 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 KPF0 0.294 40K11.76K，取 R1 10KC1/R0 (0.54/40) 10

22、3 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*0.07); z=;p=-1/0.00167 -1/0.07 0;nu m,de n=zp2tf(z,p,k);bode( nu m,de n);margi n(nu m,de n);grid所得伯德图如图13所示:Bode DiagramI|PI-if 亠厂q T| ii i vi P 1 | b1 1 PIi b 1!11i1it ii 1 Vj "1 hii r i 1 &q

23、uot;i 1ii1)iiVI1 1 1 Pilia一_ i| |l i | |i|i |Illi|i1| 1 |i 1*| a1 i(I 1|iilliii li illi1i Nil1 III 11l11I I hl111 'IIllii11lillIlrF_H q _ .19 I I |i| PI 11l1|I n| PI1| i1 HI 11pI1 1 | 1!Il feilKFTT'i1 1 M1 1 i1 III1liltI1ii i 11111 1 1 1ii ii ir-111 ! Hl11 I H1 1 H 1i11ii i i iI1 l< 4 1 1

24、*!fe l! 1 11 M 1ifJ1l 1 l>l11 4i a 11il>1liltIIIi a i i11II 11i a iiii1-II I Ii a ii1iiiii-« J -"1Trrnr T"r i*rrrn" T-rr-iTt r rrnT *"r ' rrrrrIii i 111i1 0 1 11 01 1II1ii ni1 i iiiii1iiiiii电ii1 Ii 4 1 »iV |j 1 11 M 1I*1ii I itsi ' *194 1*i>1 4 1 VI1 II

25、I1I 1ci iiiiii i1 I H 1iiVHillKi1 V < 1 i*<F 111 VI 1i<liI ! Mi r><i>t14 11-i -1.1- 1-1J ILJL1 1- JL ILI 1一一-i_-I.LL l_IL, _-1. L L l_ _l 1-R-_ _1 _L -Lh L L-E-ift|lI 9 *|iP 91 11 PI ll11a 1 .4g |i I1 >! 11：申I' 1 IrI ii >i ri n1ii i i1 iii 1iiii 1I1 9i i i i*rli; i i iIi

26、1 1 1 |iiii i i1 p 11i1n 1 i| i1 i 1 1P * 1 I11i Ii 11 i11 l! i 11 III 1ll111 II1i 1 vlilliihiliI1 p ll 1 1p i iI p |iiii1 1 IIi| ai iiiIi " t " * F"i"rr-ii r - 1 t- r r r ii r - 1 rrrT z r-rIiia a i141a iiiii1 1 !i |j H! I ! IiiHsiaI!Ii l! 1 1 K1I l! 1 11 bl 11iii1 II1 1 ilillin

27、Ii I 1 1iH I 1 1i l ci iiiii1 !i1 H1 H 1iiIIIII1 Ii i 1 h l> 1 I IIiii! 4411 4ii>11 4 1 |1I1 l I l 1|1 1 1 1l|iI1 1 h1 1 1inil1i1IIII10Gm = -1.02 dB 'at?2r5 radfs. Pm = -1 01 dej) Cat-96 ral-'s-)101CFrequency (rad.'s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

28、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R040K ，R, 10K ，G 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 IdRs 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Rs所产生的功耗，选择Rs 为 0.75，可得 Ucom IdcrRs 19.69V。4. 电流MATLA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：.计图14 仿真原理图电流仿真波形如图15所示，扰动加在2秒时：irre offset: 0图15 电流仿真波形转速波形如图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1.5ln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