直流電機拖動系統(tǒng)概述綜述

1、1. 直流電拖動系統(tǒng)概述機直流電動機在電力拖動系統(tǒng)中具有兩個突出優(yōu)點。 首先直流電動機具有良好 的啟動、制動性能、 調(diào)速性能和控制性能， 這個優(yōu)點使直流電動機運動控制系統(tǒng) （簡稱直流調(diào)速系統(tǒng)）在需要調(diào)速的高性能電力拖動中得到廣泛的應用。另外， 它的電樞電壓、電樞電力、電樞回路電阻、電機輸出轉(zhuǎn)矩、電機轉(zhuǎn)速等各參數(shù)、 變量之間的關(guān)系幾乎都是近似的線性函數(shù)關(guān)系， 這使直流電動機的數(shù)學模型較為 簡單、準確、相應地使得直流調(diào)速控制系統(tǒng)的分析、計算及設(shè)計也較為容易，且 經(jīng)過較長時間的實踐， 直流拖動控制系統(tǒng)在理論和實踐上都比較成熟、 經(jīng)典，而 且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是及交流調(diào)速控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。但

2、常規(guī)的意義的直流電動機也具有它不可克服的缺點 - 帶有機械換向裝 置，即有換向器和電刷，運行時會產(chǎn)生火花和電磁干擾，電刷易磨損需維護、更 換；而交流電動機則不存在機械換向的問題。2. 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)3. 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在許多工程實踐中， 有一些生產(chǎn)機械由于生產(chǎn)工藝的要求， 要求電機經(jīng)常處 于啟動，制動的工作狀態(tài)， 其速度圖多為梯形或三角形。 這類生產(chǎn)機械要求電機 經(jīng)常過載或堵轉(zhuǎn)，例如，往返運動的龍門刨床，可逆軋鋼機等。這類機械要求盡 量縮短啟、制動過程的時間，來提高生存率。為此，要求電機在最大允許電流和 轉(zhuǎn)矩條件下， 充分利用電機的過載能力， 最好是在過度過程中始終保持電流 （轉(zhuǎn) 矩）

3、為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng)以最大的加速度啟動，達到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時， 立即讓電流減下來， 使轉(zhuǎn)矩馬上與負載相平衡， 從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。 這樣的理想 啟動過程中，啟動電流呈方波型，轉(zhuǎn)速按線性增長。這是在最大的電流（轉(zhuǎn)矩） 受限制時調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的啟動過程。 如圖 1。反轉(zhuǎn)運彳二KJ常動穩(wěn)態(tài)運行啟動3.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本構(gòu)成雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是指含有：O1轉(zhuǎn)速負反饋，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)節(jié)；O 2電流負反饋環(huán)，使系統(tǒng)在充分利用電動機過載能力的條件下獲得最佳過度過程。 在單閉環(huán)控制系統(tǒng)中，一個調(diào)節(jié)器的動態(tài)參數(shù)無法保證兩種調(diào)節(jié)器過程同時具有 良好的動態(tài)品質(zhì)。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別

4、起作用， 可在系統(tǒng)中設(shè)置 兩個調(diào)節(jié)器，用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，用電流調(diào)節(jié)器（ACR調(diào)節(jié)電流， 二者之間串級連接。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定信號輸入，電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器（UPE從閉環(huán)機構(gòu)上看電流環(huán)在里面，稱作 內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)，這就形成了轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。女口3.2雙閉環(huán)控制系統(tǒng)起動過程分析前面已經(jīng)指出，設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近于理想的起動過程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要先探討它的起動過程。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓 U；由靜止狀態(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的過渡過程如 圖4所示。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 AS

5、R經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三 個階段，整個過渡過程也就分為三個階段，在圖中表以I、U和川。第I階段：ob是電流上升階段。突加給定電壓un后，通過兩個調(diào)節(jié)器的 控制作用，使Uct、Udo、仁都上升，當Id - IdL后，電動機開始轉(zhuǎn)動。由于機電 慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不會太快，因而ASR的輸入偏差電壓 UUn -Un數(shù) 值較大并使其輸出達到飽和值Ui*m，強迫電流Id迅速上升。當Id ：- I dm時，U i U im，電流調(diào)節(jié)器ACR的作用使I d不再迅速增加，標志著這一階段的結(jié)束。 在這一階段中，ASR由不飽和很快達到飽和，而 ACR 一般應該不飽和，以保證 電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。圖3雙閉環(huán)調(diào)

6、速系統(tǒng)起動時的轉(zhuǎn)速和電流波形第U階段：tlt2是恒流加速階段。這一階段是起動過程的主要階段。在這 個階段中，ASR 直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒流給 定um作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流id恒定（電流可能超調(diào)，也可能 不超調(diào)，取決于ACR的參數(shù)），因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增加。又Udo =RdId Ce n，nT-Ud。T-Uct T，這樣才能保持 Id=cont。由于 ACR 是PI調(diào)節(jié)器，要使它的輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓Ui =U* -Ui必須維持一定的恒值，也就是說，Id應略低于Idm。此外還應指出，為了保證電流環(huán) 的這種調(diào)節(jié)作用，在起動過程

7、中電流調(diào)節(jié)器是不能飽和的， 同時整流裝置的最大 電流Udom也須留有余地，即晶閘管裝置也不應飽和，這都是設(shè)計中必須注意的。第川階段：t2以后是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。此時n二n*，Un二U；，厶Un=0，但由 于積分作用，U； =U；，所以電動機仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速必超調(diào)。當nn*時，Un ? MATLABPJffluH4系統(tǒng)調(diào)試由于本文只進行了理論性設(shè)計，故在系統(tǒng)安裝與調(diào)試階段只對控制電路部分進行了MATLAB仿真，以分析直流電機的啟動特性。采用MATLAB中的simulink工具箱對系統(tǒng)在階躍輸入和負載擾動情況下的動態(tài)響應（主要為轉(zhuǎn)速和電樞電流）進行仿真。仿真可采用面向傳遞函數(shù)的仿真方法或

8、面向電氣系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖的仿真方法，本文采用面向傳遞函數(shù)的仿真方法。系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)如圖 4.1所示。圖4.1系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖在仿真過程中，Matlab設(shè)置很多不同的算法，而不同的算法，對仿真出來波形影響很大。對于用數(shù)值方法求解常系數(shù)微分方程（Ordinary Differential Equation,簡寫為ODE）或微分方程組，MATLAB提供了七種解函數(shù)，最常用的是ODE45。ode45可用于求解一般的微分方程， 他采用四階、五階龍格-庫塔法。仿真結(jié)果如圖 4.2-4.3所示。電流輸出圖電壓輸出圖5結(jié)論雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止狀態(tài)啟動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程如仿真圖4.2所示。由于在

9、啟動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個階段，即電流上升階段、恒流升速階段和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。從啟動時間上看，第二階段恒流升速是主要的階段，因此雙閉環(huán)系統(tǒng)基本上實現(xiàn)了電流受限制下的快速啟動，利用了飽和非線性控制方法，達到 準時間最優(yōu)控制 ”帶PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還有一個特點，就是轉(zhuǎn)速必超調(diào)。 在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，ASR的作用是對轉(zhuǎn)速的抗擾調(diào)節(jié)并使之在穩(wěn)態(tài)是無靜差，其輸出限 幅決定允許的最大電流。ACR的作用是電流跟隨，過流自動保護和及時抑制電壓的波動。 通過仿真可知：啟動時，讓轉(zhuǎn)速外環(huán)飽和不起作用，電流內(nèi)環(huán)起主要作用，調(diào)節(jié)啟動電流保持最大，使轉(zhuǎn)速線性變化，迅速達到給定值；穩(wěn)態(tài)

10、運行時，轉(zhuǎn)速負反饋外環(huán)起主要作用，使 轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速給定電壓的變化而變化，電流內(nèi)環(huán)跟隨電流外環(huán)調(diào)節(jié)電機的電樞電流以平衡負載電流。6 總結(jié)與體會經(jīng)過這次的課程設(shè)計，不僅在書上學到的知識得到了鞏固，而且還在設(shè)計過程中拓展了 其他沒有學過的知識。這次的課程設(shè)計經(jīng)歷了將近一個暑假， 從查找資料， 到確定方案，最 后再到用軟件仿真， 我們組都團結(jié)協(xié)作， 互相幫助，并且得到老師的關(guān)懷。 我們以前學習的 知識都漸漸離我們遠去， 甚至不知道、不清楚哪些知識該用到哪些地方，什么時候用。 學校 安排了這次課程設(shè)計， 通過自己查找資料， 了解情況， 讓我們清楚我們學的知識與現(xiàn)實工業(yè) 生產(chǎn)之間的聯(lián)系， 使得我們對知識深刻

11、的了解和鞏固。 與此同時， 在團隊的協(xié)作中使我們在 與人共事之中學會交流學會合作。 因為在今后的工作中一個人獨立完成不與別人合作， 是基 本不可能的， 所以在這次課程設(shè)計中也鍛煉了我們的團隊的協(xié)作精神， 為今后的學習和工作 積累了經(jīng)驗，是一筆難得的財富。參考文獻1 姚舜才，溫志明， 黃剛 . 編著 . 運動控制系統(tǒng)分析與應用 . 北京：國防工業(yè) 出版社， 2008.63752 王劃一 . 主編 . 自動控制原理 . 北京：國防工業(yè)出版社， 2006.8163 林紅，周鑫霞 . 主編 . 電子技術(shù) . 北京：清華大學出版社， 2008.2492614 邱關(guān)原，羅先覺 . 電路 . 北京：高等教育

12、出版社， 2006.3403725 王遠，張玉平 . 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) . 北京：機械工業(yè)出版社， 2007.891146 閻石. 主編. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) . 北京：高等教育出版社， 1998.1852127 靖敏 . 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)全數(shù)字化設(shè)計，機床電器 1997 38 李楊 . 微機控制的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) . 電氣自動化 1991-19 李祥芝 . 微機 控制雙閉環(huán)脈寬 直流調(diào)速系 統(tǒng)的研 究 . 廣州自動化 1993110 梁達偉 荊德列 . 削弱雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)超調(diào)的方法 . 沈陽建筑工程學 院學報 1989-5-111 . 冷增 祥， 徐以榮 . 電力電子技術(shù)基礎(chǔ) . 南京 .

13、 東南大學 出版 社 .2006.24334412 . 胡壽松主編 . 自動控制原理，修訂版 . 北京 . 國防工業(yè)出版社， 198413 .SOBCZUK D L, Nonlinear control of PWM inverter fed induction motor drives.In Proceedings of the 1996 IEEE International Symposium onTHIndustronics,96 TH8192,1996:958-96214 . HOWZE J W, BHATTACHARYYAS P.Robust tracking,error feedback,andtwo-degree-of-feedom controllers,IEEE Trans A C,199