电力传动系统论文

1、摘 要 衡量一个速度控制系统性能优劣的指标，一般分为稳态指标、动态指标和抗扰动性指标。转速电流双闭环调速系统是最典型的直流调速系统,利用电流调节器和转速调节器控制,可以无限逼近理想启动过程。本文分析了系统的控制原理，建立了系统的动态数学模型，并利用MATLAB中的Simulink进行了系统建模仿真给出仿真结果。通过对结果的分析进一步验证了双闭环调速系统的优越性。关键词：双闭环调速系统 电流环 转速环 MATLAB/SimulinkABSTRACTMeasure a speed control system performance indicators, generally divided in

2、to static, dynamic and disturbance resistance index. Speed current double closed loop speed control system is the most typical dc speed control system, using current regulator and speed regulator to control, can be infinitely close to the ideal start-up process. This paper analyzes the control princ

3、iple, to establish the dynamic mathematical model of the system, and system modeling simulation is carried out using the Simulink of MATLAB, the simulation results are given. Through the analysis of the results further verify the superiority of the double closed loop speed regulation system.KEY WORD

4、S： Double closed loop control system Current control ring Speed control ring MATLAB/Simulink目录一、电动拖动系统的运动学方程.二、直流电机的数学模型.（一）、开环直流调速系统的局限性.（二）、转速单反馈闭环直流调速系统.（三）、转速、电流反馈控制的直流调速系统.三、双闭环直流调速系统.（一）、组成.（二）、静特性.（三）、动态性能分析.四、基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真.引言：在20世纪前半叶，约占电力拖动容量80%的不可调速拖动系统采用交流电动机，只有20%的高性能可调速拖动系统采

5、用直流电动机。然而直流拖动控制系统不仅仅在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制规律的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制的基础。电力拖动自动控制系统有调速系统、伺服系统、张力控制系统、多电动机同步控制系统等多种类型。各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是电力拖动控制系统中最基本的系统，而转速、电流反馈控制的直流调速系统又是静、动态性能优良、应用最广的直流调速系统。MATLAB/Simulink是在直流调速系统设计中的基本应用方法。本文首先从运动学方程的角度讨论对转速的调节，唯一途径就是控制电动机的电磁转矩，接着从起动和抗扰两个方面分析双闭环系统的性能和转速与电流两个调节器的

6、控制作用，然后利用MATLAB/Simulink搭建双闭环直流调速系统仿真模型，最后得出结论。一、电动拖动系统的运动学方程电力拖动系统的运动规律可以用运动方程来描述。在预先选定转速n的正方向以后，电磁转矩的正方向与n相同，负载转矩的正方向与n相反。若忽略系统传动机构中的粘滞摩擦和扭转弹性，则系统的运动方程是= J式中 电动机的电磁转矩，单位Nm； 折算到电动机轴上的负载转矩，单位为Nm J拖动对象的转动惯量，单位为kg； 电动机机械角速度，单位为rad/s。工程上习惯采用飞轮矩，单位是Nm。J与的关系为J=m=式中 m旋转体的质量，单位为kg； 旋转部分的惯量半径，单位我m； G旋转部分所受的

7、重力，单位为N； D旋转部分惯性直径，单位为m； g重力加速度，g=9.8m/。角速度（rad/s）与转速n（r/min）的关系为=于是，电力拖动系统的运动方程可以改写为 = （1-1）由式（1-1）可以看出当时，dn/dt0，系统加速；反之，系统减速。不管哪种情况，系统都处于变速运动中，称为动态。当=时，dn/dt=0，即系统处于静止或匀速运行，称为稳态。由此可知，要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机的电磁转矩，使转速变化率按人们期望的规律变化。因此，转矩控制是运动控制的根本问题。然而当达到稳态时，由决定，=，其中是常数，对于他励而言也是不变的，故对的控制可以引申为对的控制。二、直流电

8、机的数学模型 直流电动机调速系统最常用的控制方式是调节电枢直流电压。一个最简单的直流调速系统由“直流电动机”和“可控直流电源”组成，称为开环调速系统。一个控制电压用来控制“可控直流电源”的输出直流电压，经平波电抗器L在直流电动机电枢中产生电流，在直流电动机定、转子间产生电磁转矩，从而克服负载阻力矩使电动机转动。故调节即可改变电动机转速n。直流调速系统控制电路中的转速、电流、电压测量方法有：对转速：测速发电机，旋转编码器对电流：电流互感器，取样电阻测电流，霍尔电流传感器（一）、开环直流调速系统的局限性通过控制可调直流电源的输入信号，可以连续调节直流电动机的电枢电压，实现直流电动机的平滑无级调速，

9、如图2-1所示，但是：（1）、在起动或大范围阶跃升速时，电枢电流可能远远超过电动机额定电流，如果超过电动机允许的过载倍数，可能会损坏电动机，也会使直流可调电源因过电流而烧毁。因此必须设法限制电枢动态电流的幅值。（2）、开环系统的额定速降一般都比较大，使得开环系统的调速范围D都很小，对于大部分需要调速的生产机械都无法满足要求。因此必须采用闭环反馈控制的方法减少额定速降，以增大调速范围。（3）、开环系统对于负载扰动是有差的。（二）、转速单反馈闭环直流调速系统通过一个转速检测环节，例如测速发电机，或者脉冲编码装置，将转速n实时转换为一个与之成正比的电压反馈信号，然后通过反馈调节器组成闭环系统。转速单

10、反馈闭环系统的静态数学模型如图2-2所示，与图2-1所示的开环直流调速系统静态模型相比，增加了一个转速反馈系数和一个比例放大环节。是将n线性换为的一个比例系数。=转速反馈电压和转速给定电压相比较求得误差信号，经放大后作为可调直流电源的控制电压。容易理解，当比例调节器放大倍数很大时，要维持期望转速n所需的控制电压，只需较小的转速误差信号，这就意味着实际转速反馈电压更接近转速给定电压，使得调速误差更小。转速单反馈闭环直流调速系统的局限性:（1）、响应速度慢 尽管通过适当的转速调节器（s)可以满足单闭环系统的动态稳定性并使之静态无差，但是由于电气时间常数一般比较大，使得（s）的调节作用要经过的延时作

11、用才能产生相应的电枢电流（电磁转矩）的变化来调节转速偏差，使转速调节的速度受到限制。在对系统的动态性能要求较高时，例如要求快速起动、制动，或要求快速调节负载扰动时，单环系统就难以满足要求。（2）、抗扰性能差 主要是当可调直流电源参数发生扰动时，例如电网电压变化会引起电源放大倍数的变化，或者相控整流电源电流断续时使得电源放大倍数和电枢电阻R等效大幅变化，使得可调直流电源的开环传递函数发生变化。严重时会导致闭环系统不稳定。（3）、电枢电流动态过冲大 由于电枢的大惯性，在动态工程中很容易发生电枢电流大幅过冲，对电动机和直流电源的安全运行不利。尽管电流截止负反馈可以有效地克服第三个问题，但是在电枢电流

12、小于临界电流，即电流截止负反馈没有起作用时，响应速度慢和抗扰性能差的缺点仍然无法克服。鉴于上述原因，转速单反馈闭环直流调速系统，特别是在对性能指标要求较高的场合，在工程实践中较少使用。(三)、转速、电流反馈控制的直流调速系统由式1-1 =调速系统转速n的变化率与动态加速转矩成正比。又由=，直流电动机的电磁转矩与电枢电流成正比。因此调节转速最直接和有效的途径是通过控制其电枢电流。如图2-3所示为增设电流反馈内环后的转速电流双闭环直流调速系统的动态结构框架图。图2.3 转速电流双闭环直流调速系统ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速发电机TA电流互感器 UPE电力电子变换器转速给定电压 转速

13、反馈电压电流给定电压 电流反馈电压增设电流环后，带来的好处：（1）、动态过程中电枢电流的变化不再受大的电气时间常数的限制，因为通过电流调节器的动态设计，可以改变电枢电流跟随转矩指令的快速性，使其响应速度更快。（2）、在电流内环前向通道中的各种扰动量，例如电网电压变化对电源增益或电枢电阻R的非线性影响等，都会被有效抑制。因此使得系统抗电网电压扰动的能力更强，也使得电枢电流断续引起的系统非线性不再会威胁闭环系统的稳定性。（3）、利用转速调节器（ASR）的输出限幅特性，结合电流检测系数的选取可自然实现“电流截止特性”。三、双闭环直流调速系统（一）、组成转速一电流双闭环直流调速系统的结构如图2-4所示

14、。图中，M为直流电动机，TG为测发电机，ASR为转速调节器，ACR为电流调节器，GT为触发器，TA为电流互感器，VT整流装置。Un*为转速给定电压，Un为转速反馈电压，Ui*为电流给定电压，Ui为电流反馈电压，Uc为控制电压，Ud0为电枢端电压。两个调节器之间实行串级联接，转速调节器ASR的输出是电流调节器ACR的输入，其输出Uc控制电力电子变换器。从闭环结构上看，转速环在外环，电流环在内环，这就构成了转速一电流双闭环直流调速系统。 电动机的转速和电流分别由两个独立的调节器控制，系统中设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。可见，电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环（内环）；转速调

15、节器ASR和转速检测反馈环节构成了转速环（外环）。ASR和ACR均为PI调节器，输入输出均设有限幅电路。 图2-4 转速一电流双闭环直流调速系统（二）、静特性分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握转速比例积分调节器的稳态特征，它有两种状态：饱和输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出（除非输入信号极性使转速调节器退饱和），这时转速环相当于开环；不饱和输出未达到限幅值，通过转速调节器的调节，使输入偏差电压稳定时为零。起动时，ASR饱和，转速环相当于开环。此时电流负反馈环起恒流调节作用，转速线性上升，从而获得极好的下垂特性，如图2-5所示的AB段实线。当转速达到给定值且略有超调时，ASR退饱和进行调

16、节。由于转速环是外环，起主导作用，最终靠ASR的调节，可消除转速偏差，使转速保持恒定，如图2-5所示的-A段实线。图2-5 双闭环调速系统的静特性（三）、动态过程分析双闭环直流调速系统的动态结构图如图2-6所示，图中(s)和(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。 图2-6 双闭环调速系统动态结构起动性能在恒定负载条件下转速变化的过程与电动机电磁转矩（或电流）有关，对电动机起动过程n=f（t）的分析离不开对（t）的研究。图2-6是双闭环直流调速系统在带有负载条件下起动过程的电流波形和转速波形。从电流和转速的变化过程所反映出的特点可以把起动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段，转

17、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。第阶段是电流上升阶段：初始n=0，=0，突加后，ASR很快进入并保持饱和状态迅速上升。第阶段是恒流升速阶段：ASR始终饱和，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给定下的电流调速系统，基本上保持电流恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长，是起动过程中的主要阶段。当阶跃扰动作用在ACR之后时，能够实现稳态无静差。在恒流升速阶段，电流闭环调节的扰动是电动机的反电动势，如图2-6所示，它正是一个线性渐增的斜坡扰动量，所以做不到无静差，而是略低于。 第阶段是转速调节阶段：当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，和很快下降。但是，只要仍大于负载电流，转速就继续上升。直到=时，转矩=，则=0，转速n到达峰值（t=）。此后，在时间内，电动机开始在负载的阻力下减速，直到稳态。如果调节器参数整定得不够