双闭环VM直流调速系统设计与实现matlab仿真

PAGE1《电力拖动自动控制系统》课程设计报告学院班级

姓

名学号目录TOC\o"1-3"\h\u28258摘要 3231071.双闭环直流调速系统简介 4190082.双闭环直流调速系统的组成及工作原理 483482.1双闭环直流调速系统的组成 499792.2双闭环直流调速系统工作原理 6169503.双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性 6177763.1双闭环直流调速系统的稳态结构图 6238593.2双闭环直流调速系统的静态特性 743593.2.1转速调节器不饱和时系统的静特性 897013.2.2转速调节器饱和时系统的静特性 8125894.直流双闭环调速系统电路设计 9247994.1晶闸管-电动机主电路的设计 939944.1.1主电路设计 9293474.1.2主电路固有参数计算 10168464.2转速、电流调节器的设计 11229554.2.1电流调节器电路设计及参数选择 12305684.2.2转速调节器设计与参数选择 14199404.3转速检测电路设计 17236214.4电流检测电路设计 17227404.5限幅电路设计 1852565.双闭环调速系统主控电路图 2051096.利用Matlab进行系统仿真 22271346.1仿真步骤 22263996.2仿真结果分析 25157367.结论 26120118.心得体会 2692279.参考文献 27双闭环V-M调速系统中主电路电流调节器及转速调节器的设计与实现摘要直流双闭环调速系统的性能很好，具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动系统中得到了广泛的应用。直流双闭环调速系统中设置了两个调节器,即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR),分别调节转速和电流。本文对直流双闭环调速系统的设计进行了分析，对直流双闭环调速系统的原理进行了一些说明，介绍了其主电路、检测电路的设计，详细介绍了电流调节器和转速调节器的设计以及一些参数的选择和计算，使其满足工程设计参数指标。关键词：直流双闭环调速系统电流调节器转速调节器Abstract

DCdoubleloopspeedcontrolsystemperformanceverygood,withwidespeedrange,highaccuracy,gooddynamicperformanceandeaseofcontrol,etc,sointheelectricaltransmissionsystemhasbeenwidelyused.DoubleClosedLoopDCSpeedControlSystemsetuptworegulators,thespeedregulator(ASR)andthecurrentregulator(ACR),adjustthespeedandcurrent,respectively.Thisdouble-loopspeedcontrolofDCsystemdesignisanalyzed,theDCprincipleofDoubleClosedLoopSystemwassomeindication,introducesitsmaincircuit,detectioncircuit,detailingthecurrentregulatorandspeedregulatordesignandselectionofsomeoftheparametersandcalculationofindicatorstomeetthedesignparameters.

Keywords:DCDoubleClosedLoopSystemSpeedRegulatorCurrentRegulator1.双闭环直流调速系统简介双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。2.双闭环直流调速系统的组成及工作原理2.1双闭环直流调速系统的组成直流双闭环调速系统中设置了两个调节器,即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR),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。图1转速、电流双闭环直流调速系统结构图图中U*n、Un—转速给定电压和转速反馈电压；U*i、Ui—电流给定电压和电流反馈电压；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。图中把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，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；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。图2转速、电流双闭环直流调速系原理图2.2双闭环直流调速系统工作原理转速、电流两个闭环之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。双闭环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，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到Idm后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。由于调速系统的主要被控量是转速,故把转速负反馈组成的环作为外环,以保证电动机的转速准确跟随给定电压,把由电流负反馈组成的环作为内环,把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。3.双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性3.1双闭环直流调速系统的稳态结构图首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图3-1所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳太特征。一般存在两种状况：饱和——输出达到限幅值；不饱和——输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳太时总是为零。Ks1/CeU*nUctIdEnUd0Un++-ASR+U*i-IdRRACR-UiUPE图3-1双闭环直流调速系统的稳态结构图—转速反馈系数；—电流反馈系数实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。3.2双闭环直流调速系统的静态特性图3-2图3-2双闭环直流调速系统的静特性n0IdIdmIdnomOnABC3.2.1转速调节器不饱和时系统的静特性由第一个关系式可得（1）从而得到上图静特性的CA段。与此同时，由于ASR不饱和，U*i<U*im，从上述第二个关系式可知:Id<Idm。这就是说，CA段静特性。从理想空载状态的Id=0一直延续到Id=Idm，而Idm一般都是大于额定电流IdN的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。3.2.2转速调节器饱和时系统的静特性转速调节器饱和时，ASR输出达到限幅值U*im，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时（2）式中，最大电流Idm是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。式（2）所描述的静特性是上图中的AB段，它是垂直的特性。这样的下垂特性只适合于n<n0的情况，因为如果n>n0，则Un>U*n，ASR将退出饱和状态。4.直流双闭环调速系统电路设计4.1晶闸管-电动机主电路的设计4.1.1主电路设计晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）主电路原理图如图4-1所示：图4-1V-M系统主电路原理图图中VT是晶闸管可控整流器，它由三相全控桥式整流电路组成，如图4-2所示：图4-2三相全控桥式整流电路通过调节触发装置GT的控制电压来移动脉冲的相位，即可改变平均整流电压，从而实现平滑调速。4.1.2主电路固有参数计算1）U2：，，取其中系数0.9为电网波动系数，系数1-1.2为考虑各种因素的安全系数，这里取1.1。电动势系数：转矩系数：平波电抗器：电阻、电感；电磁时间常数：机电时间常数：4.2转速、电流调节器的设计双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图4-1所示。图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流显露出来。转速、电流双闭环调速系统的动态结构图如图4-3所示：图4-3直流双闭环调速系统动态结构图图中WASR(s)和WACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数；T0i电流反馈滤波时间常数；T0n为转速反馈滤波时间常数。由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用表示，根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为的给定滤波环节。系统设计的一般原则是：先内环后外环。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。4.2.1电流调节器电路设计及参数选择4.2.1.1电流调节器电路设计含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器如图4-4所示：图4-4含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器其中为电流给定电压，为电流负反馈电压，为电力电子变换器的控制电压。4.2.1.2电流调节器参数选择1.确定时间常数1）三相桥式电路的平均失控时间为=0.00167s。2）电流滤波时间常数本设计初始条件已给出，即。3）电流环小时间常数之和T∑i=+=0.002+0.00167=0.00367s2.选择电流调节器结构根据设计要求：稳态无静差,超调量，可按典型I型系统设计电路调节器。因此用PI型电流调节器,其传递函数为：检查对电源电压的抗扰性能：，参照典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表格，可知抗干扰性能适中，各项指标都是可以接受的。3.计算电流调节器参数1）电流调节器超前时间常数：。2）电流环开环增益：要求时，应取，因此3）电流反馈系数：4）ACR的比例系数：4.检验近似条件电流环截至频率：机电时间常数：1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件<，满足近似条件。2）电流环小时间常数近似处理条件满足近似条件。3）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。查表可知，设计后的电流环可以达到的动态指标，满足设计要求。5.计算调节器电阻和电容由图3-4，按所用运算放大器取，各电阻和电容值=1.022×40=40.88，取41.，取，取按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。4.2.2转速调节器设计与参数选择4.2.2.1转速调节器电路设计含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器如图4-5所示：图4-5含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器其中为转速给定电压，为转速负反馈电压，：调节器的输出是电流调节器的给定电压。4.2.2.2转速调节器参数选择1.确定时间常数1）电流环等效时间常数2）转速滤波时间常数本设计初始条件已给，即3）转速环小时间常数=0.0074+0.01=0.0174s2.选择转速调节器结构按照设计要求：无静差，故选用PI调节器；考虑动态性能要求，按典型II型系统设计。其传递函数为：3.计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取中频宽，则1）ASR的超前时间常数为=5×0.0174=0.087s2）转速开环增益：=396.4s-23）转速反馈系数：4）ASR的比例放大系：4.检验近似条件转速环截止频率=396.4×0.087=34.5s-11）转速环小时间常数近似处理条件为，满足简化条件。2）电流环传递函数简化条件为，满足简化条件。5.计算调节器电阻和电容取，则=11.7×40=468，取470，取0.2uF.，取1uF.6.校核转速超调量当时，查表可知，，其中,因此在额定负载下，启动到额定转速时的超调量为:满足性能要求。4.3转速检测电路设计转速的检测可把接到一个测速发电机上即可检测转速，如图3-7所示：图3-7转速检测电路4.4电流检测电路设计使用霍尔电流传感器可以检测电流，把接到霍尔传感器上。霍尔效应传感器，可以测量任意波形的电流和电压。输出端能真实地反映输入端电流或电压的波形参数。如图3-8所示：图3-8电流检测电路4.5限幅电路设计限幅电路为能按限定的范围削平信号电压波幅的电路，又称限幅器或削波器。限幅电路常用于：①整形，如削去输出波形顶部或底部的干扰；②波形变换，如将输出信号中的正脉冲削去，只留下其中的负脉冲；③过压保护，如强的输出信号或干扰有可能损坏某个部件时，可在这个部件前接入限幅电路。限幅电路按功能分为上限限幅电路、下限限幅电路和双向限幅电路三种。在上限限幅电路中，当输入信号电压低于某一事先设计好的上限电压时，输出电压将随输入电压而增减；但当输入电压达到或超过上限电压时，输出电压将保持为一个固定值,不再随输入电压而变,这样，信号幅度即在输出端受到限制。同样，下限限幅电路在输入电压低于某一下限电平时产生限幅作用。双向限幅电路则在输入电压过高或过低的两个方向上均产生限幅作用。限幅电路的原理图如下：利用protel进行线路具体布局如下：其他保护元件：1.阻容电路（过电压保护装置）变压器空载且电源电压过零时原边拉闸，此时变压器励磁电流及铁心中磁通最大，它们的突变将在副边产生出很高的过电压。采用阻容电路利用电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制变压器绕组的过电压，而串联的电阻能消耗部分过电压能量，同时抑制LC回路的振荡。2.压敏电阻（过电压保护元件）对于雷击等更高的浪涌电压，阻容保护还不能吸收或抑制时，采用压敏电阻等非线性电阻进行保护。平时，压敏电阻呈现高阻状态，漏电流极小；一旦发生浪涌电压，超过了压敏电阻的额定电压U1mA时，它很快变成低阻状态，通过较大的放电电流，把浪涌的能量吸收掉，过电压就被抑制下来，浪涌电压过后，一切又恢复正常。3.快速熔断丝（过载保护、短路保护）快速熔断丝的作用时防止过电流，其额定电压应大于线路正常工作的电压有效值。5.双闭环调速系统主控电路图利用protel进行实际电路的搭建工作，本实验应用protel99SE进行电源电路和双闭环电路的搭建。桥式全控整流电路设计如下：双闭环结构图如下：6.利用Matlab进行系统仿真6.1仿真步骤利用MATLAB下的SIMULINK软件和电力系统模块库(SimPowerSystems)进行系统仿真是十分简单和直观的，用户可以用图形化的方法直接建立起仿真系统的模型，并通过SIMULINK环境中的菜单直接启动系统的仿真过程，同时将结果在示波器上显示出来。掌握了强大的SIMULINK工具后，会大大增强用户系统仿真的能力。在教材2.3－2.4节中，对工程实践中用得最多的典型Ⅰ型系统和典型II型系统的设计方法进行了详细的分析，在此基础上，利用SIMULINK软件仿真能对调节器的参数进行更为方便的调整，可以更为直观地得到系统仿真的结果，从而加深对工程设计方法的理解。1．仿真模型的建立进入MATLAB，单击MATLAB命令窗口工具栏中的SIMULINK图标，或直接键入SIMULINK命令，打开SIMULINK模块浏览器窗口(1)打开模型编辑窗口：通过单击SIMULINK工具栏中新模型的图标或选择File→New→Model菜单项实现。(2)复制相关模块：双击所需子模块库图标，则可打开它，以鼠标左键选中所需的子模块，拖入模型编辑窗口。需要从Simulink模块库中把Source组中的Step模块拖入模型编辑窗口；把Math组中的Sum和Gain模块拖入模型编辑窗口；把Continuous组中的TransferFcn模块拖入模型编辑窗口；把Sinks组中的Scope模块拖入模型编辑窗口；把SignalRounting组中的mux模块拖入模型编辑窗口；此外，我们还需要ASR、ACR.我们已经把转速电流双闭环直流调速系统的仿真结构框图所需的模块都已拖入模型编辑窗口。(3)修改模块参数：双击模块图案，则出现关于该图案的对话框，通过修改对话框内容来设定模块的参数。在本例中，双击加法器模块Sum，在ListofSigns栏目描述加法器三路输入的符号，其中|表示该路没有信号，所以用|+-取代原来的符号，得到动态结构框图中所需的减法器模块了。双击传递函数模块（TransferFcn），只需在其分子Numerator和分母Denominator栏目分别填写系统的分子多项式和分母多项式系数，例如0.002s+1是用向量[0.0021]来表示的。在这里我们用它可以构建转速、电流反馈滤波器和给定滤波器。双击阶跃输入模块(Step)可以把阶跃时刻(Steptime)参数从默认的1改到0，把阶跃值(Finalvalue)从默认的1改到220。ACR,ASR分别有前面算得的参数进行传递函数的调节，分别设计成PI调节器，将相对应的参数进行修改即可。在调节器前面添加转速和电流滤波模块，及添加传递函数根据已知的电流滤波时间常数和转速滤波时间常数来进行传递函数的调整。完成了对模块参数的调整后就可以进行模块连接工作。(4)模块连接：以鼠标左键点击起点模块输出端，拖动鼠标致终点模块输入端处，则在两模块间产生“→”线。按照图2-53的情况，反馈回路中的模块的输入端和输出端的方向位置不妥，应该把它水平反转。单击该模块，选取Format→RotateBlock菜单项可使模块旋转90°；选取Format→FlipBlock菜单项可使模块翻转。当一个信号要分送到不同模块的多个输入端时，需要绘制分支线，通常可把鼠标移到期望的分支线的起点处，按下鼠标的右键，看到光标变为十字后，拖动鼠标直至分支线的终点处，释放鼠标按钮，就完成了分支线的绘制。此外，选中某一模块后，当鼠标点中模块四角的黑方块进行拖曳，可以改变模块图形的大小。使用者可以根据实际情况操作，使得界面更清楚，更美观。利用已经算出的参数用MATLAB的stimulink进行系统的仿真，建立的模型如下图所示：仿真后的电流和转速波形如下图所示：注：黄色曲线为转速曲线，红色曲线为电流曲线电流超调量：；转速超调量：满足电流超调量；转速超调量。由matlab仿真的波形来看，各个环节参数的设计和校正是合理的。综上，转速、电流双闭环系统仿真，满足设计要求。6.2仿真结果分析图上部为电机转速曲线，下部为电机电流曲线。加电流启动时电流环将电机速度提高，并且保持为最大电流，而此时速度环则不起作用，使转速随时间线性变化，上升到饱和状态。进入稳态运行后，转速换起主要作用，保持转速的稳定。1.电机转速曲线在电流上升阶段，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节器ASR饱和，电流调节器ACR起主要作用。转速一直上升。当到达恒流升速阶段时，ASR一直处于饱和状态，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统为恒值电流调节系统，因此，系统的加速度为恒值，电动机转速呈线性增长直至给定转速。使系统在最短时间内完成启动。当转速上升到额定转速时，ASR的输入偏差为0，但其输出由于积分作用仍然保持限幅值，这时电流也保持为最大值，导致转速继续上升，出现转速超调。转速超调后，极性发生了变化，，则ASR推出饱和。其输出电压立即从限幅值下降，主电流也随之下降。此后，电动机在负载的阻力作用下减速，转速在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。当突加给定负载时，由于负载加大，因此转速有所下降，此时经过ASR和ACR的调节作用后，转速又恢复为先前的给定值，反映了系统的抗负载能力很强。2.电机电流曲线直流电机刚启动时，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节器ASR饱和，达到限幅值，迫使电流急速上升。当电流值达到限幅电流时，