直流調速系統(tǒng)的仿真研究

1、直流調速系統(tǒng)的仿真研究摘 要隨著電力電子器件的迅速發(fā)展，采用門極可關斷晶體管GTO、全控電力晶體管GTR、P-MOSFET、絕緣柵晶體管IGBT等一些大功率全控型器件組成的晶體管脈沖調寬型開關放大器（Pulse Width Modulated）,已逐步發(fā)展成熟，用途越來越廣。在電力拖動系統(tǒng)中，調節(jié)電壓的直流調速是應用最廣泛的一種調速方法，除了利用晶閘管整流器獲得可調直流電壓外，還可利用其它電力電子元件的可控性，采用晶閘管調制技術，直接將恒定的直流電壓調制成極性可變，大小可調的直流電壓，用以實現(xiàn)直流電動機電樞兩端電壓的平滑調節(jié)，構成直流調速系統(tǒng)。本文主要討論了開、單、雙直流調速系統(tǒng)的基本概念以及

2、靜態(tài)穩(wěn)態(tài)特性。最后應用MATLAB的Simulink，采用面向電氣原理結構圖的仿真技術，對直流調速系統(tǒng)進行了仿真分析。關鍵詞：調速，直流電動機，仿真Dc speed control system simulation researchAbstractWith the rapid development of power electronic devices, the use of gate turn-off transistor GTO, full-controlled power transistor GTR, P-MOSFET, IGBT insulated gate transistor

3、s and some other high-power devices composed of full-controlled pulse width modulated switching transistor amplifier (Pulse Width Modulated), has gradually developed, use more widely. In the electric drive system, the regulation voltage DC converter is the most widely used as a speed control method,

4、 in addition to the use of adjustable DC voltage thyristor rectifier obtained, it can also make use of other power electronic components controllability, using thyristor modulation technology, direct modulation of a constant DC voltage into alternating polarity, size adjustable DC voltage, the DC mo

5、tor armature to achieve the smooth adjustment of the voltage across constitute DC drive system. This paper discusses the open, single, double DC speed control system as well as the basic concepts of static steady state characteristics. Finally the application of MATLAB Simulink, structure-oriented e

6、lectrical schematic diagram of the simulation technology, the DC speed control system is simulated and analyzed.Key words: speed regulation, DC motor, simulation1 引言調速方法通常有機械的、電氣的、液壓的、氣動的幾種，僅就機械與電氣調速方法而言，也可采用電氣與機械配合的方法來實現(xiàn)速度的調節(jié)。電氣調速有許多優(yōu)點，如可簡化機械變速機構，提高傳動效率，操作簡單，易于獲得無極調速，便于實現(xiàn)遠距離控制和自動控制，因此，在生產機械中廣泛采用電氣方

7、法調速。由于直流電動機具有極好的運動性能和控制特性，盡管它不如交流電動機那樣結構簡單、價格便宜、制造方便、維護容易，但是長期以來，直流調速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位。就目前來看，直流調速系統(tǒng)仍然是自動調速系統(tǒng)的主要形式。在我國許多工業(yè)部門，如海洋鉆探、紡織、軋鋼、礦山、采掘、金屬加工、造紙以及高層建筑等需要高性能可控電力拖動的場合，仍然廣泛采用直流調速系統(tǒng)。而且，直流調速系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，從控制技術的角度來看，它又是交流調速系統(tǒng)的基礎。隨著GTO晶閘管、GTR、P-MOSFET、IGBT和MCT等全控型功率器件的問世，這些有自斷能力的器件逐步取代了原來普通晶閘管系統(tǒng)所必須的換向電路，簡

8、化了電路的結構，提高了效率和工作頻率，降低了噪聲，縮小了電力電子裝置的體積和重量。諧波成分大、功率因素差的相控變流器逐步被斬波器或脈沖寬度調制器所代替，明顯的擴大了電動機控制的調速范圍，提高了調速精度，改善了快速性、效率和功率因素。PWM電源終將取代晶閘管相控式可控功率電源，成為電源的主流。隨著信息、控制與系統(tǒng)學科以及電力電子的發(fā)展，電力拖動系統(tǒng)獲得了迅猛發(fā)展，從旋轉交流機組到水銀整流器靜止交流裝置、晶閘管整流裝置，再到眾多集成電力模塊。目前完全數(shù)字化的控制裝置已成功應用于生產，以微機作為控制系統(tǒng)的核心部件，并具有控制、檢測、監(jiān)視、故障診斷及故障處理等多功能電氣傳動系統(tǒng)正處在形成和不斷完善之中

9、。2 開、單、雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)2.1 開環(huán)調速系統(tǒng)及其特性2.1.1 V-M系統(tǒng)簡介晶閘管電動機調速系統(tǒng)(簡稱V-M系統(tǒng))，其控制系統(tǒng)原理圖如圖2.1所示。圖2.1 V-M開環(huán)控制系統(tǒng)原理圖其主要包括電力主電路和控制電路兩部分，V-M直流開環(huán)調速系統(tǒng)的主電路由晶閘管變流器VT，電抗器L以及直流電動機M組成。圖中VT是晶閘管的可控整流器，它可以是單相或三相的半波、全波、半控、全控等類型。通過調節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓從而實現(xiàn)平滑調速。 開環(huán)系統(tǒng)的結構簡單，成本低。在對靜差率要求不高的場合，它也能實現(xiàn)一定范圍內的無級調速。但是，許多生產機械常對靜差率有一定的

10、要求，以滿足工藝的需求。在這些情況下，開環(huán)系統(tǒng)是不能滿足的。2.1.2 V-M系統(tǒng)的開環(huán)機械特性當電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的機械特性方程式為 (2.1)式中是電機在額定磁通下的電動勢系數(shù)，改變控制角，得一簇平行直線。當電流斷續(xù)時，由于負載電流較小或回路電感量小而使電動機電樞電流斷續(xù)，此時機械特性方程要復雜得多(2.2)(2.3)式中是阻抗角，q是一個電流脈波的導通角。當阻抗角j值已知時，對于不同的控制角a，可用數(shù)值解法求出一族電流斷續(xù)時的機械特性。 對于每一條特性，求解過程都計算到為止，當時，電流便連續(xù)了。對應于的曲線是電流斷續(xù)區(qū)與連續(xù)區(qū)的分界線。下圖是完整的V-M系統(tǒng)的機械特性圖，如圖2.2所

11、示。圖2.2 完整的V-M系統(tǒng)機械特性綜上所述，改善電動機的運行特性，常在主電路串聯(lián)較大的平波電抗器或避免在輕載下運行，以保證晶閘管電流連續(xù)，使系統(tǒng)工作在機械特性曲線狀態(tài)。2.2 單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)在直流電動機調速系統(tǒng)中，輸入電壓信號記做。直流電動機是被控對象，直流電動機轉速n是被調量，如果被控量n與輸入電壓信號之間通過反饋環(huán)節(jié)聯(lián)系在一起形成閉合回路，則構成閉環(huán)調速系統(tǒng)，如果只有一個反饋環(huán)節(jié)，稱為單閉環(huán)調速系統(tǒng)。根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是被調量的偏差進行控制的系統(tǒng)，只要被調量出現(xiàn)偏差，它就會自動產生糾正偏差的作用。轉速降落正是由負載引起的轉速偏差，顯然，閉環(huán)調速系統(tǒng)應該能夠大大減少

12、轉速降落。轉速反饋控制的閉環(huán)調速系統(tǒng)，其原理如圖2.3所示。與電動機同軸安裝一臺測速發(fā)電機，從而引出與被調量轉速成正比的負反饋電壓，與給定電壓相比較后，得到轉速偏差電壓，經(jīng)過放大器，產生電力電子變換器所需的控制電壓，用以控制電機的轉速。圖2.3 采用轉速負反饋的閉環(huán)調速系統(tǒng)原理圖2.2.1 單閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性分析 對閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性分析先作如下假設：(1) 忽略各種非線性因素，假定各環(huán)節(jié)輸入輸出都呈線性關系。 (2) 假定只工作在V-M系統(tǒng)開環(huán)機械特性的連續(xù)段。(3) 忽略直流電源和電位器的內阻。電壓比較環(huán)節(jié)：放大器：晶閘管整流與觸發(fā)裝置：V-M系統(tǒng)開環(huán)機械特性：測速發(fā)電機：其中，

13、放大器的電壓放大系數(shù)； 晶閘管整流器與觸發(fā)裝置的電壓放大系數(shù)； 測速反饋系數(shù)，單位為Vmin/r。 閉環(huán)特性曲線方程式(2.4)式中為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)，這里是以作為電動機環(huán)節(jié)的放大系數(shù)的。2.2.2 開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關系比較開環(huán)系統(tǒng)的機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，就能清楚地看出反饋閉環(huán)控制的優(yōu)越性。如果斷開反饋回路，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機械特性為(2.5)而閉環(huán)時的靜特性的關系式(2.4)，則比較兩式可以得出以下結論：(1) 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng)機械特性硬得多。(2) 閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率比開環(huán)系統(tǒng)小得多。(3) 當要求的靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調速范圍。(4)

14、 要取得上述三項優(yōu)勢，閉環(huán)系統(tǒng)必須設置放大器。綜上所述可得：閉環(huán)調速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調速范圍，為此所需付出的代價是，須增設電壓放大器以及檢測與反饋裝置。開環(huán)機械特性和閉環(huán)靜特性的比較如圖2.4所示。圖2.4 開環(huán)機械特性和閉環(huán)靜特性的比較由此看來，閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實質在于它的自動調節(jié)作用，在于它能隨著負載的變化而相應地改變電樞電壓，以補償電樞回路電阻壓降。2.2.3 轉速控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的調速指標(1) 調速范圍生產機械要求電動機提供的最高轉速和最低轉速之比叫做調速范圍，用字母D表示，即(2.6)其中和一般都指電機額定

15、負載時的轉速。(2) 靜差率 當系統(tǒng)在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值所對應的轉速降落，與理想空載轉速之比，稱作靜差率s，即(2.7) 靜差率用來衡量調速系統(tǒng)在負載變化下轉速的穩(wěn)定度。它和機械特性的硬度有關，特性越硬，靜差率越小，轉速的穩(wěn)定度越高。 調速范圍和靜差率兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義，脫離了對靜差率的要求，任何調速系統(tǒng)都可以得到極高的調速范圍；反過來，脫離了調速范圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了。(3) 調速范圍、靜差率和額定速降的關系以電動機的額定轉速為最高轉速，若帶額定負載時的轉速降落為，則該系統(tǒng)的靜差率應該是最低速時的靜差，即于是，而調速范圍為將

16、上面的式代入，得(2.8)式(2.8)表示變壓器調速系統(tǒng)的調速范圍、靜差率和額定速降之間所應滿足的關系。對于同一個調速系統(tǒng)，它的特性硬度或值是一定的，如果對靜差率的要求越嚴，也就是要求s越小，系統(tǒng)能夠允許的調速范圍也越小。2.2.4 反饋控制規(guī)律從靜特性分析中可以看出，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K值對系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響很大，K越大，靜特性就越硬，穩(wěn)態(tài)速降越小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好，在一定靜差率要求下的調速范圍越廣。總之K越大，穩(wěn)態(tài)性能就越好。然而，只要所設置的放大器僅僅是一個比例放大器，即=常數(shù)，穩(wěn)態(tài)速差只能減小，不能消除，因為閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為(2.9)只有K=才能使，而這是不可能的。2.3 無靜

17、差單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)及其特性2.3.1 比例放大器運算放大器用作比例放大器(也稱比例調節(jié)器、P調節(jié)器)，如圖2.5所示。圖2.5 比例放大器(也稱比例調節(jié)器、P調節(jié)器)分別為放大器的輸入和輸出電壓，為同相輸入端的平衡電阻，用以降低放大器失調電流的影響，放大系數(shù)為(2.10)2.3.2 比例積分放大器采用比例積分調節(jié)器時，如果對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度要求很高，常需要放大系數(shù)大，但卻使系統(tǒng)不穩(wěn)定；如果加上校正裝置，系統(tǒng)就穩(wěn)定了，但快速性卻下降了；提高截止頻率可以加快系統(tǒng)的響應，又容易引入高頻干擾。比例積分調節(jié)器線路圖如圖2.6所示。圖2.6 比例積分調節(jié)器線路圖2.3.3 無靜差調速系統(tǒng)的引入在有靜差轉速

18、負反饋單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中，由于采用了比例調節(jié)器(P調節(jié)器)，因而穩(wěn)態(tài)時的轉速只能接近于給定轉速值，而不可能完全等于給定轉速值。提高開環(huán)增益只能減小轉速降落而不能完全消除轉速降落。為了完全消除轉速降落，實現(xiàn)轉速無靜差調節(jié)，根據(jù)自動控制原理，可以在轉速系統(tǒng)中引入積分控制規(guī)律，用積分調節(jié)器(I調節(jié)器)或比例積分調節(jié)器代替比例調節(jié)器。雖然積分調節(jié)器能使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時無靜差，但是它的動態(tài)響應很慢，因為積分增長需要時間，控制作用只能逐漸表現(xiàn)出來，與此相反，采用比例調節(jié)器雖然有靜差，動態(tài)反應卻比較快，如果既要靜態(tài)準，又要動態(tài)響應速度快，可以采用比例積分調節(jié)器。考慮PI調節(jié)器輸出量的初始值不為0的情況，由帶限

19、幅作用的PI調節(jié)器構成的無靜差調速系統(tǒng)工作在穩(wěn)態(tài)時，各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關系如下：電壓比較環(huán)節(jié)：PI調節(jié)器：觸發(fā)裝置和電力電子變換器：測速反饋環(huán)節(jié)：調速系統(tǒng)開環(huán)機械特性：根據(jù)上述各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關系，調速系統(tǒng)的開環(huán)機械特性受PI調節(jié)器的輸出的影響較大，而的具體值要根據(jù)PI調節(jié)器是否飽和而定。如果PI調節(jié)器工作在不飽和狀態(tài)，當偏差電壓時，其輸出電壓維持一個恒定的值；如果PI調節(jié)器工作在飽和狀態(tài)，則只要偏差電壓，其輸出電壓就等于PI調節(jié)器的限幅值。2.4 帶限流保護的有靜差和無靜差單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)及其特性2.4.1 問題的提出為了實現(xiàn)電動機的快速起動，很多生產設備需要直接加階躍給定信號。由于系統(tǒng)的機械慣性比

20、較大，因而電動機的轉速不能立即建立起來，尤其起動初期轉速反饋信號時，加在比例調節(jié)器輸入端的轉速偏差信號，幾乎是穩(wěn)態(tài)工作時的1+K倍。這時，由于放大器和變換器的慣性都很小，直流電壓一下子達到了最高值，對電動機而言，相當于全壓起動，而直流電動機的起動電流也高達額定電流的幾十倍，過電流保護繼電器會使系統(tǒng)跳閘，電動機無法起動。為了避免起動時的電流沖擊，在電壓不可調的場合，可采用電樞串電阻起動，在電壓可調的場合則采用降壓起動。另外，有些生產機械的電動機可能會遇到堵轉情況。例如由于故障造成機械軸被卡住，或挖土機工作時遇到堅硬的石頭等，在這些情況下，由于閉環(huán)系統(tǒng)的機械特性很硬，若沒有限流環(huán)節(jié)的保護，電樞電流

21、將遠遠超過允許值。為了解決反饋閉環(huán)調速系統(tǒng)的起動和堵轉時電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。根據(jù)反饋控制原理，要維持哪個物理量基本不變，就應該引入哪個物理量的負反饋。因此，引入電流負反饋，就能夠做到保持電流基本不變，使它不超過允許值。限流作用只需在起動和堵轉時起作用，正常運行時應讓電流自由地隨負載增減?？梢圆捎媚撤N方法，當電流達到一定程度時才接入電流負反饋，以限制電流，而電流正常時僅有轉速負反饋起作用控制轉速，這種方法叫做電流截止負反饋。轉速單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中的電流截止負反饋環(huán)節(jié)如圖2.7和圖2.8所示。對圖中一些參數(shù)說明如下：為電動機等效主電路的回路電流；為電流反饋信號；為

22、穩(wěn)壓管的擊穿電壓；為比較電壓。圖2.7 利用獨立直流電源作比較電壓 圖2.8 利用穩(wěn)壓管產生比較電壓 電流反饋信號取自串入電動機電樞回路中的小阻值電阻，正比于電樞回路電流。當電流(為電流截止負反饋環(huán)節(jié)起作用的臨界截止電流)時，將電流反饋信號加到放大器的輸入端；當電流時，將電流反饋環(huán)節(jié)切斷。為了實現(xiàn)上述作用，引入了比較電壓。圖2.7中利用獨立的直流電源作為比較電壓，其大小可通過電位器調節(jié)，相當于調節(jié)截止電流。調節(jié)過程如下：在與 之間串聯(lián)一個二極管，當時，二極管導通，反饋電壓，電流負反饋信號Ui即可加到放大器輸入端，此時電流負反饋起作用；當時，二極管截止，電流負反饋信號消失。顯然在這一線路中，截止

23、電流。電流截止負反饋環(huán)節(jié)輸入輸出特性如圖2.9。Ui (IdRs-Ucom)圖2.9 電流截止負反饋環(huán)節(jié)輸入輸出特性2.4.2 帶電流截止負反饋的閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析 特點：(1) 當時，電流截止負反饋環(huán)節(jié)被截止，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性僅有在給定型號作用下的轉速負反饋直流調速系統(tǒng)的靜特性，即有 (2.11) (2) 當時，電流截止負反饋環(huán)節(jié)被引入，得到帶電流截止負反饋的轉速單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性方程為 (2.12)對應式(2.11)和(2.12)畫出靜特性，得到電流截止負反饋環(huán)節(jié)靜特性如圖10所示。 電流截止負反饋不起作用時，相當于圖中的CA段，顯然是比較硬的；電流截止負反饋起作用后，相當于

24、圖中的AB段。從式(2.12)可以看出，AB段特性和CA段相比有兩個特性：(1) 電流負反饋參與調節(jié)后，系統(tǒng)的靜態(tài)速降大大增加，相當于主電路串入了一個大電阻KpKsRs，隨負載電流Id的增大，轉速急劇下降，直至堵轉。(2) 比較電壓Ucom和給定電壓作用一致，把理想空載轉速大大提高了，即把提高到圖中的D點。實際上虛線畫出的DA段在正常運行時是不起作用的。圖2.10 帶電流截止負反饋閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性 這兩段特性通常稱“下垂特性”或“挖土機特性”。當挖土機遇到堅硬的石塊而過載時，電動機停下，電流也不過是堵轉電流。在式(2.12)中，令轉速n=0，則得到堵轉電流 (2.13)一般，因此(2.14

25、) 在設計電流截止負反饋環(huán)節(jié)參數(shù)時，一般按照下面的經(jīng)驗依據(jù)：應小于電動機允許的最大電流，可按電動機的短時過載能力選擇堵轉電流Idbl(1.52)IN倍；另一方面，從調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上，希望CA段的運行范圍足夠大，截止電流應大于電動機的額定電流，一般取Idcr(1.11.2)IN。2.4.3 帶電流截止負反饋的PI控制無靜差系統(tǒng)由比例積分調節(jié)器構成的無靜差系統(tǒng)可知，在轉速單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中，如果采用積分控制器和比例積分控制器來調節(jié)電動機轉速，則可以實現(xiàn)無靜差調速。如果考慮到無靜差單閉環(huán)調速系統(tǒng)的起動和堵轉情況下電流過大的問題，則與帶電流截止負反饋有靜差調速系統(tǒng)一樣：首先，無靜差系統(tǒng)中要引入電

26、流負反饋，自動控制電流；其次，為了解決電流負反饋在限流的同時會使系統(tǒng)的特性變軟的問題，系統(tǒng)中必須引入電流截止負反饋環(huán)節(jié)。假設系統(tǒng)中電流檢測環(huán)節(jié)的比例系數(shù)為，允許電樞電流截止負反饋的臨界電流為，則有，。當電流小于截止電流時，電流截止負反饋環(huán)節(jié)不起限流保護作用，此時系統(tǒng)中僅存在轉速負反饋環(huán)節(jié)，調速系統(tǒng)就是一個由比例積分控制器構成的無靜差轉速單閉環(huán)調速系統(tǒng)；當電流超過截止電流時，高于穩(wěn)壓管VST的擊穿電壓，使晶體三極管VST導通，則PI調節(jié)器的輸出電壓接近于0，轉速負反饋信號和電流負反饋信號同時起作用，使PI調節(jié)器的輸出迅速下降，迫使電力電子變換器的輸出電壓急劇下降，從而有效的達到限制電樞電流的目的

27、。帶電流截止負反饋的PI控制無靜差轉速單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構如圖2.11所示。在系統(tǒng)正常工作時，即當電流時，電流截止負反饋環(huán)節(jié)不起作用。圖2.11 帶電流截止負反饋的無靜差轉速單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖帶限流保護的PI控制無靜差調速系統(tǒng)的靜特性分析如下：當電流小于截止電流時，電流截止，系統(tǒng)是一個轉速負反饋單閉環(huán)調速系統(tǒng)。在穩(wěn)態(tài)時，由于比例積分調節(jié)器的作用，調節(jié)器偏差電壓為0，即有即穩(wěn)態(tài)時，電動機轉速為(即帶電流截止保護無靜差調速系統(tǒng)的特性方程)。顯然，在轉速負反饋系數(shù)一定時，電動機轉速僅僅和給定電壓有關，而與負載電流擾動量無關，此時，系統(tǒng)的靜特性為對應不同轉速時的一族水平線。當電流突

28、然變化，引起轉速n升降時，依靠轉速負反饋作用，可以使轉速調節(jié)到穩(wěn)定值。系統(tǒng)的調節(jié)物理過程敘述如下：當負載突然增加時，負載電流增大，電動機轉速下降，轉速反饋電壓減小，則給定電壓和之間的偏差電壓信號增加，使得比例積分調節(jié)器的輸出電壓增大，迫使電力電子變換器的平均輸出電壓增加，從而使得電樞電流上升，電動機轉速回升，直到PI調節(jié)器輸入偏差信號再次為0，系統(tǒng)重新工作在穩(wěn)態(tài)。當電流Id大于截止電流Idcr時，轉速負反饋繼續(xù)起到調節(jié)轉速的作用，同時電流負反饋環(huán)節(jié)開始起作用，限制電流過大。在穩(wěn)態(tài)時，比例積分調節(jié)器綜合輸入信號仍為0，即有可得到系統(tǒng)的靜特性方程為(2.15)顯然，當時，隨著電流的增加，電動機轉速

29、將急劇下降，基本上接近一條垂直線，整個靜特性近似是矩形。同樣地，在電流的情況下，當負載電流突然變化，引起轉速升降時，系統(tǒng)通過自動調節(jié)可以重新回到原來的穩(wěn)態(tài)工作點。其物理調節(jié)過程如下：當電流增加時，電流反饋信號增大，比例積分調節(jié)器反向積分，使調節(jié)器輸出電壓減小，電力電子變換器的輸出電壓減小，電動機轉速下降，轉速反饋電壓減小，當綜合輸入信號為0時，PI調節(jié)器停止積分，其輸出電壓維持在一個恒定值，系統(tǒng)重新進入新的穩(wěn)態(tài)。當電動機轉速為0時，其對應的電流為堵轉電流。2.5 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng) 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)設置了轉速調節(jié)器ASR和電流調節(jié)器ACR分別對轉速和電流進行調節(jié)，二者之間實行嵌套，即把

30、轉速調節(jié)器的輸出作為電流調節(jié)器的輸入，再把電流調節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置，這樣就構成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。如圖2.12所示圖2.12 轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)結構圖2.5.1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性Ks a 1/CeU*nUctIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R b ACR-UiUPE圖2.13 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖如圖2.13所示，分析雙閉環(huán)調速系統(tǒng)靜特性的關鍵是掌握PI調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和輸出達到限幅值；不飽和輸出未達到限幅值。當調節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當

31、與使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。當調節(jié)器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)太時總是為零。實際上，在正常運行時，電流調節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對靜特性來說，只有轉速調節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。1轉速調節(jié)器不飽和這時，兩個調節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零，因此，= = （1-1）= = （1-2）由式（1-1）可得：n=從而得到靜特性曲線的CA段。與此同時，由于ASR不飽和，<可知<，這就是說，CA段特性從理想空載狀態(tài)的Id=0一直延續(xù)到=。而，一般都是大于額定電流的。這就是靜特性的運行段，它是一條水平的特性。2轉速調節(jié)器飽和這時，ASR輸出達到限幅值，轉速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，

32、轉速的變化對系統(tǒng)不再產生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成了一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時：= （1-3）其中，最大電流取決于電動機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度，由上式可得靜特性的AB段，它是一條垂直的特性。這樣是下垂特性只適合于的情況，因為如果，則，ASR將退出飽和狀態(tài)。圖2.14 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性曲線2.5.2 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的數(shù)學模型雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)或零極點模型為基礎的系統(tǒng)動態(tài)結構圖。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖如圖2.15所示。圖中和分別表示轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，在電動機的動態(tài)結構框圖中必須把電樞

33、電流顯露出來。U*na Uct-IdLnUd0Un+-b -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E圖2.15 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖2.5.3 起動過程分析雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止狀態(tài)起動時，轉速調節(jié)器輸出電壓、電流調節(jié)器輸出電壓、可控整流器輸出電壓、電動機電樞電流和轉速的動態(tài)響應波形過程如圖2.16所示。由于在起動過程中轉速調節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成、三個階段。圖2.16 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)起動過程的轉速和電流波形第一階段是電流上升階段。當突加給定電壓時，由于電動機的機電慣

34、性較大，電動機還來不及轉動（n=0），轉速負反饋電壓，這時，很大，使ASR的輸出突增為，ACR的輸出為，可控整流器的輸出為，使電樞電流迅速增加。當增加到（負載電流）時，電動機開始轉動，以后轉速調節(jié)器ASR的輸出很快達到限幅值，從而使電樞電流達到所對應的最大值（在這過程中的下降是由于電流負反饋所引起的），到這時電流負反饋電壓與ACR的給定電壓基本上是相等的，即 （1-3）式中，電流反饋系數(shù)。速度調節(jié)器ASR的輸出限幅值正是按這個要求來整定的。第二階段是恒流升速階段。從電流升到最大值開始，到轉速升到給定值為止，這是啟動過程的主要階段，在這個階段中，ASR一直是飽和的，轉速負反饋不起調節(jié)作用，轉速環(huán)

35、相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流調節(jié)。由于電流保持恒定值，即系統(tǒng)的加速度為恒值，所以轉速n按線性規(guī)律上升，由知，也線性增加，這就要求也要線性增加，故在啟動過程中電流調節(jié)器是不應該飽和的，晶閘管可控整流環(huán)節(jié)也不應該飽和。 第三階段是轉速調節(jié)階段。轉速調節(jié)器在這個階段中起作用。開始時轉速已經(jīng)上升到給定值，ASR的給定電壓與轉速負反饋電壓相平衡，輸入偏差等于零。但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動機仍在以最大電流下加速，使轉速超調。超調后，使ASR退出飽和，其輸出電壓（也就是ACR的給定電壓）才從限幅值降下來，也隨之降了下來，但是，由于仍大于負載電流，在開始一段時間內轉速仍繼續(xù)上升。到時，電

36、動機才開始在負載的阻力下減速，知道穩(wěn)定（如果系統(tǒng)的動態(tài)品質不夠好，可能振蕩幾次以后才穩(wěn)定）。在這個階段中ASR與ACR同時發(fā)揮作用，由于轉速調節(jié)器在外環(huán)，ASR處于主導地位，而ACR的作用則力圖使盡快地跟隨ASR輸出的變化。穩(wěn)態(tài)時，轉速等于給定值，電樞電流等于負載電流，ASR和ACR的輸入偏差電壓都為零，但由于積分作用，它們都有恒定的輸出電壓。ASR的輸出電壓為 （1-4）ACR的輸出電壓為 （1-5）由上述可知，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，在啟動過程的大部分時間內，ASR處于飽和限幅狀態(tài)，轉速環(huán)相當于開路，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒電流調節(jié)，從而可基本上實現(xiàn)理想過程。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的轉速響應一定有超調，只有在超調后，

37、轉速調節(jié)器才能退出飽和，使在穩(wěn)定運行時ASR發(fā)揮調節(jié)作用，從而使在穩(wěn)態(tài)和接近穩(wěn)態(tài)運行中表現(xiàn)為無靜差調速。故雙閉環(huán)調速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動態(tài)品質。綜上所述，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點：（1）飽和非線形控制：隨著ASR的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)，在不同情況下表現(xiàn)為不同結構的線形系統(tǒng)，只能采用分段線形化的方法來分析，不能簡單的用線形控制理論來籠統(tǒng)的設計這樣的控制系統(tǒng)。（2）轉速超調：當轉速調節(jié)器ASR采用PI調節(jié)器時，轉速必然有超調。轉速略有超調一般是容許的，對于完全不允許超調的情況，應采用其他控制方法來抑制超調。（3）準時間最優(yōu)控制：在設備允許條件下實現(xiàn)最短時間的

38、控制稱作“時間最優(yōu)控制”，對于電力拖動系統(tǒng)，在電動機允許過載能力限制下的恒流起動，就是時間最優(yōu)控制。但由于在起動過程、兩個階段中電流不能突變，實際起動過程與理想啟動過程相比還有一些差距，不過這兩段時間只占全部起動時間中很小的成分，無傷大局，可稱作“準時間最優(yōu)控制”。采用飽和非線性控制的方法實現(xiàn)準時間最優(yōu)控制是一種很有實用價值的控制策略，在各種多環(huán)控制中得到普遍應用。3 MATLAB與控制系統(tǒng)仿真3.1 MATLAB簡介MATLAB是一種科學計算軟件。MATLAB是一種以矩陣為基礎的交互式程序技術語言。早期的MATLAB主要用于解決科學和工程的復雜數(shù)學計算問題。由于它使用方便，輸入快捷，運算效率

39、高，適應科技人員的思維方式，并且有繪圖功能，有用戶自行擴展的空間，因此，自MATLAB軟件問世以來，其應用范圍越來越廣，軟件工具越來越完善。在MATLAB軟件中，包括了兩大部分：數(shù)學計算和工程仿真。其數(shù)學計算部分提供了強大的矩陣處理和繪圖功能。在工程仿真方面，MATLAB提供的軟件支持幾乎遍布各個工程領域，并且不斷加以完善。本文通過對單閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成部分可控電源、由運算放大器組成的調節(jié)器、晶閘管觸發(fā)整流裝置、電機模型和測速電機等模塊的理論分析，比較開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的差別，比較原始系統(tǒng)和校正后系統(tǒng)的差別，得出直流電機調速系統(tǒng)的最優(yōu)模型。用此理論去設計一個實際的調速系統(tǒng)，并用MATLAB仿真

40、進行正確性的驗證。MATLAB具有以下主要特點，非常適合于控制系統(tǒng)的仿真：(1) 強大的運算功能。MATLAB提供了向量、數(shù)組、矩陣、復數(shù)運算，高次微分方程求解，常微分非常的數(shù)值積分等強大的運算功能，這些運算功能是控制理論及控制系統(tǒng)中經(jīng)常遇到的計算問題得以順利解決。(2) 特殊功能的TOOLBOX工具箱。MATLAB的TOOLBOX工具箱包括控制領域里的常用的算法包，如模糊控制工具箱、魯棒控制工具箱等，這些工具箱使得控制系統(tǒng)的計算和仿真變得方便。(3) 高效的編程效率。MATLAB提供了豐富的庫函數(shù)，這些庫函數(shù)都可以直接調用，而不必將其子程序的命令或語句逐一列出，大大提高了編程效率。在科學與工

41、程應用的數(shù)值領域里，MATLAB與其他設計程序相比，編程效率提高了好幾倍。3.2 開環(huán)直流調速系統(tǒng)的建模和仿真開環(huán)直流調速系統(tǒng)的電氣原理結構如圖4.1所示，該系統(tǒng)由給定信號、同步脈沖觸發(fā)器、晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動機等部分組成，圖4.1是采用面向電氣原理圖方法構成的晶閘管直流調速系統(tǒng)的仿真模型。圖4.1 開環(huán)直流調速系統(tǒng)仿真模型 參數(shù)的設置和計算直流電動機額定參數(shù)為220V，136A，1460r/min，飛輪轉動慣性為GD2=22.5Nm2，電動機系數(shù)，勵磁電壓=220V，平波電抗器，采用三相全控橋式整流電路。根據(jù)以上數(shù)據(jù)和穩(wěn)態(tài)要求計算參數(shù)如下： 整流變壓器二次側額定相電壓的有效值為

42、電動機參數(shù)計算：勵磁電阻勵磁電感在恒磁場控制時可取0。電樞電阻，電樞電感由下式估算電樞繞組和勵磁繞組互感可按以下步驟計算轉矩系數(shù) 則電樞繞組和勵磁繞組互感 電動機轉動慣量 額定負載轉矩 按照上述計算，系統(tǒng)的各仿真模塊的參數(shù)設計如下： (1) 交流電源的參數(shù)設置：三相電源的交流相電壓取142V，頻率50Hz，A相初相相位設置成，三相相位互差。(2) SCR整流橋參數(shù)設置：橋臂數(shù)為3，端口A、B、C設為輸入端，“Power Electronic device(電力電子設備)”選為“晶閘管”，其它為默認值。(3) 平波電抗器的參數(shù)設置：“Series RLC Branch”模塊中，令，。 (4) 直

43、流電動機的參數(shù)設置：勵磁電源的電壓設為220V，電動機的參數(shù)采用上述計算的結果。 (5) 6脈沖觸發(fā)器的頻率設為50Hz，脈沖寬度為10，勾選“Double plusing”。 (6) 轉速給定電壓設為150V。 (7) 仿真算法選擇ode23s，仿真結束時間4s。參數(shù)設置完成后，即開始進行仿真，電機MATLAB模型菜單中的運行圖標，系統(tǒng)即開始仿真，仿真結束后可輸出仿真結果。雙擊示波器命令后，通過示波器模塊觀察直流電動機的轉速、電流、轉矩等信號的仿真波形如圖4.2所示，圖中從上到下分別為電動機轉速、電樞電流、勵磁電流、電磁轉矩的仿真波形。在MATLAB命令窗口輸入繪圖命令plot(i,n)，可

44、得到開環(huán)機械特性曲線如圖4.3。輸入繪圖命令：set(0,'ShowHiddenHandles','On') set(gcf,'menubar','figure')可以多輸出圖形進行編輯，最終的輸出圖形如圖4.2。圖4.2 開環(huán)調速系統(tǒng)仿真波形 分析：由圖4.2可以看出，在給定電壓為110V，當直流電動機剛起動時，起動電流突然增加到820A，轉速很快上升，此后，電流開始下降，轉速繼續(xù)上升，最終穩(wěn)定下來且不能回到以前的轉速，電動機電樞電流下降并穩(wěn)定下來?？梢婇_環(huán)直流調速系統(tǒng)中轉速不具有可控性。圖4.3 開環(huán)機械特性曲線 分析：由圖4

45、.3可以看出，開環(huán)的機械特性曲線是一條傾斜率很大的線，機械特性軟，抗干擾能力不強。3.3 有靜差單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的建模和仿真 轉速負反饋的有靜差直流調速系統(tǒng)由轉速給定環(huán)節(jié)、速度調節(jié)器、同步脈沖觸發(fā)器、晶閘管整流器、平波電抗器、直流電動機、測速發(fā)電機等組成。該系統(tǒng)在電機負載增大時，轉速將下降，轉速反饋減小，而轉速偏差將增大，同時放大器的輸出增加，并經(jīng)移相觸發(fā)器使整流器輸出電壓、電樞電流增加，從而使電動機電磁轉矩增加，轉速也隨之升高，補償了負載增加造成的轉速降。帶轉速負反饋的直流調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)方程為，轉速降為，其中，從穩(wěn)態(tài)特性方程可以看出，如果適當增加放大倍數(shù)，電動機的轉速降將會減小，電動機將有更

46、硬的機械特性，也就是說在負載變化時，電動機的轉速變化將減小，電動機有更好的保持穩(wěn)定性的性能。如果放大倍數(shù)過大，也可能造成系統(tǒng)運行的不穩(wěn)定。根據(jù)原理圖2.3構建的單閉環(huán)有靜差負反饋調速系統(tǒng)的仿真模型。與開環(huán)直流調速系統(tǒng)相比，二者在主電路的建模和模型參數(shù)設置基本是相同的，系統(tǒng)的差別主要在控制電路上，有靜差單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的仿真模型如圖4.4所示。圖4.4 有靜差單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的仿真模型單閉環(huán)有靜差轉速負反饋調速系統(tǒng)的控制電路由給定信號、速度調節(jié)器、速度反饋等環(huán)節(jié)組成。根據(jù)需要增設了限幅器。有靜差調速系統(tǒng)的速度調節(jié)器采用比例調節(jié)器。當給定信號為正值時，通過放大器輸出的信號反向，再通過限幅器后作

47、為同步觸發(fā)器的移相控制信號。 參數(shù)設置給定信號設為150V，轉速反饋系數(shù)，限幅器的范圍是-40，40，放大倍數(shù)和時的轉速響應曲線如圖4.6。圖4.5 有靜差調速系統(tǒng)仿真波形 分析：由圖4.5可以看出，在給定參數(shù)的條件下，電動機的轉速達到1450r/min，由于沒有限流措施，在起動過程中的電流很大，達到820A，這么大的起動電流很容易燒毀電動機，而且對過載能力低的晶閘管整流來說更是不允許的。圖4.6 k=5和k=30時轉速響應曲線 分析：由圖4.6可以看出，隨著放大倍數(shù)的增加，轉速降落降低，系統(tǒng)的轉速雖然上升了，但是放大倍數(shù)并不是越大越好。當0<Kp<Kpcr(Kpcr時臨界放大倍數(shù)

48、)時，控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的，轉速響應仿真曲線最終穩(wěn)定在給定轉速；在時，控制系統(tǒng)是不穩(wěn)定的，轉速響應仿真曲線處于不穩(wěn)定狀態(tài)，如圖4.7。圖4.7 k=5和k=400時轉速響應曲線圖4.8 有靜差靜特性仿真曲線分析：由圖4.8可知，比較開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性，閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性曲線比開環(huán)機械特性硬的多，能夠在保證一定靜差率的要求下，提高調速范圍。3.4 無靜差單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的建模和仿真PI控制的無靜差單閉環(huán)轉速負反饋直流調速系統(tǒng)的電氣設計原理圖如圖4.9，和有靜差單閉環(huán)轉速負反饋直流調速系統(tǒng)相比，二者僅是控制電路中轉速調節(jié)器ASR采用控制的類型不同。圖4.8 PI控制的無靜差單閉環(huán)轉速負反

49、饋直流調速系統(tǒng)的仿真模型 控制電路中的PI調節(jié)器的仿真模型采用比例積分調節(jié)器，PI調節(jié)器的輸入信號為轉速給定和轉速反饋信號之間的偏差信號，其輸出信號為觸發(fā)器控制信號。 參數(shù)設置設該系統(tǒng)的給定電壓150V，PI調節(jié)器的積分時間，放大倍數(shù)。系統(tǒng)無靜差時，系統(tǒng)給定轉速信號和轉速反饋信號近似相等，即。因此，轉速反饋的系數(shù)可以采用公式估算，這樣給定信號經(jīng)過PI調節(jié)器，再通過限幅器作為同步觸發(fā)器的移相控制信號。限幅器的范圍仍是-50，50。同樣在單閉環(huán)無靜差系統(tǒng)中通過PI控制器、限幅器、等模塊的作用，就可以將速度調節(jié)器的輸出限制在使同步脈沖觸發(fā)器正常工作的范圍之內了。圖4.9 無靜差調速系統(tǒng)的仿真波形分析

50、：調速系統(tǒng)的仿真結果如圖4.9所示，當直流電動機剛起動時，起動電流突然增加到820A，之后電流開始下降，大約在0.4s以后，最終穩(wěn)定在137A，轉速n在0.25s時基本上達到穩(wěn)定，穩(wěn)定值為1465r/min，系統(tǒng)基本上滿足穩(wěn)定關系式，可以認為實現(xiàn)了轉速無靜差。如果假設調速系統(tǒng)為單位負反饋系統(tǒng)，即，則在給定轉速電壓的條件下，當放大倍數(shù)，積分時間常數(shù)時，可以基本上做到轉速無靜差。從圖中可以看到，電流開始有一個突變，不過隨著轉速的增加，電流在逐漸減小，然后再經(jīng)過PI調節(jié)器進行調節(jié)，電流基本上穩(wěn)定。3.5 轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的建模與仿真雙閉環(huán)調速系統(tǒng)可以充分利用直流電動機的過載能力，使得電動機在

51、啟動過程中以接近最大允許電流運行，且電流內環(huán)對系統(tǒng)也進行了改造，提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。本次仿真是根據(jù)工程設計方法確定調節(jié)器參數(shù)的定量仿真。仿真模型如圖4.10所示。圖4.10 轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的仿真模型 參數(shù)設置 控制電路由PI調節(jié)器、濾波模塊、轉速反饋和電流反饋等環(huán)節(jié)組成。轉速調節(jié)器ASR和電流調節(jié)器ACR的參數(shù)就是根據(jù)工程設計方法算得的參數(shù)，即ASR的、，ACR的、，上下限幅取10 -10。帶濾波環(huán)節(jié)的轉速反饋系數(shù)參數(shù)設置為：Numerator為0.01,Denominator為0.01 1。帶濾波環(huán)節(jié)的電流反饋系數(shù)參數(shù)設置：Numerator為0.121,Denominator為

52、0.002 1。轉速延遲模塊的參數(shù)設置：Numerator為1，Denominator為0.01 1。電流延遲模塊參數(shù)設置：Numerator為1，Denominator為0.002 1。 仿真算法采用ode23tb，開始時間為0，結束時間為2s。圖4.11 轉速、電流雙閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)的仿真波形 分析：從仿真結果圖4.11中看出，當定信號為10V時，在電動機啟動過程中，電流調節(jié)器作用下的電動機電樞電流接近最大值，使得電動機以最優(yōu)時間準則開始上升，在0.25s左右時轉速超調，電流很快下降，在1.4s時達到穩(wěn)態(tài)，在穩(wěn)態(tài)時轉速為1000r/min，整個變化曲線同實際情況非常相似。結束語 通過本文簡單了解了直流調速系統(tǒng)，尤其是單雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)。了解了單雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中的靜態(tài)特性和動態(tài)特性。通過仿真與實驗很好的驗證了這些性能。在對調速性能有較高要求的領域常利用直流