帶電流截止負反饋的轉(zhuǎn)速閉環(huán)的數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真和設(shè)計(1)

1、電子與電氣技術(shù)實驗教學中心實驗報告實驗課程：電力拖動自動控制系統(tǒng)實驗內(nèi)容：帶電流截止負反饋的轉(zhuǎn)速閉環(huán)的數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真與設(shè)計院 系：信息與電氣工程學院專 業(yè)：電氣工程及其自動化班級：電氣三班學號：姓名：實驗指導(dǎo)教師:實驗日期:實驗室名稱：數(shù)字電路室?guī)щ娏鹘刂箚T反饋的轉(zhuǎn)速閉環(huán)的數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真與設(shè)計摘要：到目前為止，雖然在交流電動機的調(diào)速問題方面已經(jīng)解決，但 是在速度調(diào)節(jié)要求卻較高,本文主要介紹轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的工 作原理，并在此基礎(chǔ)上對轉(zhuǎn)速閉環(huán)貢流電動機的調(diào)速系統(tǒng)進行分析， 借助MATLAB/SIMULINK建立起仿真圖并進行仿真與分析。論文中給 出了各個物理量的波形并對波

2、形進行了分析從而對轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系 統(tǒng)的穩(wěn)定性方而得出了一些結(jié)論。該調(diào)速控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)平滑的 調(diào)速，且具有良好的動靜態(tài)調(diào)速性能，仿真結(jié)果驗證了系統(tǒng)設(shè)計的有 效性、可行性。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)；直流電動機；MATLAB仿真一、引言在分析電壓負反饋電流補償宜流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文提出在主 電路中增加了串聯(lián)的取樣電感，用來提取電樞自感電動勢產(chǎn)生的壓 降。改進后的電流正反饋能補償由電樞內(nèi)阻和自感電動勢產(chǎn)生的壓 降，提高了動態(tài)電流變化時電流補償?shù)木?。根?jù)轉(zhuǎn)速、電流雙閉 環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計方法，用Simulink做了帶電流補償?shù)碾妷贺摲答?直流調(diào)速系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)果證明，增加取樣電感后可以消除電流

3、補償?shù)臏?，在忽略參?shù)變化的影響下精確地補償電樞壓降，改進 后的電壓負反饋電流補償能夠獲得跟轉(zhuǎn)速負反饋同樣的效果。電機 是一種將電能轉(zhuǎn)換成機械能的設(shè)備。到目前為止，雖然交流電動機的 調(diào)速問題已經(jīng)解決，但是在速度調(diào)節(jié)要求較高，正、反轉(zhuǎn)和啟、制動 頻繁或多單元同步協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械上，仍采用直流電動機。二、課程設(shè)計的目的： 應(yīng)用所學的交直流調(diào)速系統(tǒng)的基本知識與工程設(shè)計方法，結(jié)合生 產(chǎn)實際，確定系統(tǒng)的性能指標與實現(xiàn)方案，進行運動系統(tǒng)的初步設(shè) 計。 學會應(yīng)用MATLAB軟件，建立數(shù)學模型對控制系統(tǒng)進行仿真研究， 掌握系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響； 在理論設(shè)計與仿真研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Protel進行控制系統(tǒng)

4、的卬 刷板的設(shè)計，為畢業(yè)設(shè)計打下基礎(chǔ)。三、程設(shè)計課題：帶電流截止負反饋的轉(zhuǎn)速閉環(huán)的數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真與設(shè) 計1. 貢流電動機控制系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)直流電動機，電樞額定電壓220V 額定勵磁電流2A 功率因數(shù)0. 85電樞回路電感l(wèi)OOmH電樞允許過載系數(shù)1.5輸出功率為：10Kw電樞額定電流50A 額定勵磁電壓110V 電樞電阻0.15歐姆 電機機電時間常數(shù)2S 額定轉(zhuǎn)速970rpm環(huán)境條件：電網(wǎng)額定電壓:380/220V;電網(wǎng)電壓波動:10%;環(huán)境溫度:-40+40攝氏度; 環(huán)境濕度：1090%.控制系統(tǒng)性能指標：電流超調(diào)量小于等于5%;空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于等于30%; 調(diào)速

5、范圍D=20;靜差率小于等于0. 03.四、轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)宜流調(diào)速系統(tǒng)的原理該系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速給定環(huán)節(jié)為Un*,放大倍數(shù)為KP的放大器、移相 觸發(fā)器CF、晶閘管整流器和直流電動機M、測速發(fā)電機TG等組成。 帶轉(zhuǎn)速負反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性方程為:K=KPKSKa/Ce, KP 為放大器放大倍數(shù);KS為晶閘管整流器放大倍數(shù);Ce為電動機電動勢 常數(shù)； 為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù);R 為電樞回路總電阻。從穩(wěn)態(tài)特性方程2. 10式可以看到，如果適當增大放大器放大倍數(shù)KP電機的轉(zhuǎn)速降 n將減小，電動機有更好的保持速度穩(wěn)定的性能。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都 采用P I調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙

6、閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖 示于下圖。圖中標出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們 是按照電力電子變換器的控制電壓6C為正電壓的情況標出的，并考 慮到運算放大器的倒相作用。1電截止負反饋為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動和堵轉(zhuǎn)時電流過大問題，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 哪一個物理量基本不變,就應(yīng)該引入那個物理量的負反饋。那么引入 電流負反饋，應(yīng)該能夠保持電流基本不變,使它不超過允許值。但是 這種作用只應(yīng)在起動和堵轉(zhuǎn)時存在，在正常運行時又得取消,讓電流 自由地隨著負載增減，這樣的當電流大到一定程度時才出現(xiàn)的電流負 反饋叫做電流截止負反饋，簡稱截流反饋。為了實

7、現(xiàn)截流反饋，須在 系統(tǒng)中引入電流截止負反饋環(huán)節(jié)。如圖1所示，電流反饋信號取自串 人電動機電樞回路的小阻值電阻Rs, IdRs正比于電流。設(shè)Ider為臨 界的截止電流，當電流大于Ider時將電流負反饋信號加到放大器的 輸入端，當電流小于Ider時將電流反饋切斷。為了實現(xiàn)這一作用，須 引入比較電壓Ucomo圖la中利用獨立的直流電源作比較電壓，其大 小可用電位器調(diào)節(jié)，相當于調(diào)節(jié)截止電流。在IdRs與Ucom之間串接 一個二極管VD,當IdRsUcom時，二極管導(dǎo)通，電流負反饋信號Ui即 可加到放大器上去；當IdRsWUcom時，二極管截止,Ui即消失。顯然， 在這一線路中，截止電流Idcr=Uco

8、m/RSo圖2-lb中利用穩(wěn)壓管VST的擊穿電壓Ubr作為比較電壓，線路 要簡單得多，但不能平滑調(diào)節(jié)截止電流值。圖1電流截止負反饋環(huán)節(jié)圖2電流截止負反饋環(huán)節(jié)的輸入輸出特性圖3帶電流截止負反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性電流截止負反饋環(huán)節(jié)的輸入輸出特性如圖2所示,它表明:當輸 入信號(IdRs-Ucom)為正值時，輸出和輸入相等；當(IdRs-Ucom)為負值 時，輸出為零。這是一個非線性環(huán)節(jié)(兩段線性環(huán)節(jié))，將它畫在方框 中，再和系統(tǒng)的其它部分聯(lián)接起來，即得帶電流截截止負反饋的閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖4,圖中Ui表示電流負反饋信號電壓,Un表示轉(zhuǎn) 速負反饋信號電壓。hi圖4帶電流截止負反饋的閉環(huán)調(diào)速系

9、統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖五、設(shè)計過程靜態(tài)設(shè)計A. 直流穩(wěn)壓電源整個數(shù)字控制系統(tǒng)有五路電源，按共不共地分為正負15V組, 正15V,正5V,正3. 3V-組。下圖為典型的正15V直流穩(wěn)壓電源 設(shè)計方法。交流輸入，通過整流、濾波、線壓穩(wěn)壓故后輸岀穩(wěn)壓的直流電。 控制器(操縱桿)采用的是2. 5V直流穩(wěn)壓電源，它正 15V降壓而來。降壓成2. 5V作為控制器的電源的原因之一是：它可 頁接與連接單片機AD接口。第二15V在實際應(yīng)用中抗干擾能力相對 大。由于速度調(diào)節(jié)器及PWM波的移相我都是在單片機內(nèi)部實現(xiàn)的， 因此無法直接計算UPE的放大倍數(shù)，但可以得出Kp*Ks=220V/2. 5V=88C. 電流反饋系數(shù)由于電

10、流反饋信號取自串入電動機電樞回路中的小阻值電阻。 取 Rs=O. 4,則 B =0. 4V/A,那么當 I=50A 時，Ui= P *I=20VD. 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)使用測速發(fā)電機的參數(shù)為：110V, 1900r/min, 0. 21A, 23. 1W (額定數(shù)據(jù))則反饋系數(shù)Cetg=l10V/1900r/min=0. 0579V. min/r.實際分壓系數(shù)a 2=0. 3,則電壓反饋系數(shù)a =a2*Cetg=0. 01737V. min/r 那么 Un= a2*Cetg*970. min/r=16. 85VE. 額定負載時的穩(wěn)態(tài)速降為Nn*s/D(l-S)=970*0. 03/20 (1-0.

11、03) =1. 5r/min1主電路和控制系統(tǒng)確定如下圖：模仿GTI系統(tǒng)，它調(diào)速性能好，所需裝置容量小，所 岀功率大。用三相異步電動機帶動直流發(fā)電機發(fā)電，則發(fā)電機作為 直流電動機的電樞電源，那么通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流，就可以 改為難發(fā)電機的輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。勵磁電源：通過控制單相橋式半控整流電路，控制發(fā)電機的勵磁電 流從而控制發(fā)電機的輸出電壓。實踐證明：該系統(tǒng)調(diào)速性能好。1電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計（截止電壓）1）確定時間常數(shù)A、整流裝置滯后時間常數(shù)Ts，單相橋式半控整流電路的平均失控時間Ts=O. 005soB、機電時間常數(shù)Tm = Is,電磁時間常數(shù)T= 0.03s。C、電流濾波時間

12、常數(shù)T“。三相橋式電路每個波頭的時間是3. 3ms,為了基本濾平波頭，應(yīng)有，因此?。◤V2） G=5ms, Toi=3msoD、電流環(huán)小時間常數(shù)之和Th。按小時間常數(shù)近似處理，取咗丸+0=0. 008so2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求電流超調(diào)量 5%,并保證穩(wěn)態(tài)電流無差, 可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣 性型的，因此可以用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為Kj（TjS+1 ）qs檢查對電源電壓的抗擾性能：尋=器 =8.11,參照I型 系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標曲是可以接受的。3) 計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流環(huán)開環(huán)增益：要求5%時，應(yīng)取Kii = 0.5,因此 oKI=O. 5/

13、0. 008=62. 5截止電壓：由電動機的過載系數(shù)為1. 5,得Ucom=l. 5*16. 85=25. 75V 即電動機的截止電壓為26. 75V1、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計1) 確定時間常數(shù)A、電流環(huán)等效時間常數(shù)1/Ki，由上已取Kii = 0.5, 則B、l/KI=2*0. 0085=0. 016sC、轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)T“，根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情 況，取Ton=0. OlsoD、轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)En，按小時間常數(shù)近似處理， 取T2=l/KI+Ton=0. 026s2) 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為兀23) 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=

14、5,則ASR的超前時間常數(shù)為5*0. 0026s=0. 13轉(zhuǎn)速開環(huán)增益 KN= (h+1) /2h2T22=6/2*25*0. 0262=177. 5Ce=Un-In*R/Nn=220-55*15/970=0. 218V. min/r于是，ASR的比例系數(shù)為Kn=(h+1)* B *Ce*Tm/2*h*a*R*T2=6*0.4*0.1 *Ce/2*5*0.0173*0.026*0.15=8.394) 檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為wcn =電=KNxn = 396.4 * 0.087 = 34.5s1A、電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為 中為韋德=63.7尹叫，滿足近似條件。B、轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處

15、理條件為38.7s-1 wcn,滿足近似條件。5）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容取Ro = 40KQ,貝憶=KnR0 = 131 *40 = 5240KQ0.0875240*1000= 0.016* IO6 = 0.016pFp4T（）nn_ R0 -F40*1000廠6）校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當h=5時，q = 37.6%,不能滿足設(shè)計要求。實際上, 由于表中是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不 符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。 由已知有入=1.5, R= IQ, IdN = 55A,nN = 1430r/min,Ce=0. 15Vmin/r, Tm = Is, l

16、n = 0.0174s,當 h=5 時，查表可得=81.2%代入式5 = （9學=2（）（入z） 竽辛可得 =2*81.2%* 1.5*556O.O1740.00869*1430*1=1.71% 30%能滿足設(shè)計要求。主要硬件說明1驅(qū)動隔離電路 單片輸出低電平，將輸出一個觸發(fā)脈沖光耦起隔離作用，圖中三極管起放大作用。脈沖變壓器起驅(qū)動 隔離作用。2霍爾電壓傳感器電路電壓給單片機采樣3同步脈沖產(chǎn)生電路6V-26V-22WU4240LM339L-6R161CK240輸入交流+/-8V,通過LM339比較器，在02端輸岀同步脈沖。通過光耦TL117隔離，在圖在中R15端輸出相應(yīng)的同眇脈沖提供給單片機作

17、為控制基準軟件說明:采用PID調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速的偏差以及偏差的微分和積分分別代表了系統(tǒng)輸出的當 前、將來、過去三種狀態(tài)，而調(diào)節(jié)器輸出限幅值代表了消除偏差的能力。合理 地綜合這些信號，在系統(tǒng)允許的條件下，盡快消除偏差，又不產(chǎn)生或者少產(chǎn)生超調(diào)，可使系統(tǒng)達到垠佳運行狀態(tài)。圖3-1連續(xù)-時間ND控制系統(tǒng)連續(xù)一時間PID控制系統(tǒng)如圖3-1所示。圖中，D為控制器。在P1D控制系 統(tǒng)中，D(s)完成PID控制規(guī)律，稱為P1D控制器。PID控制器是一種線性控制 器，用輸出量y和給左量r(t)之間的誤差的時間函數(shù)。e(t)=r(t)-y(t)如圖：采用位置PID算法時間PID算法的微分方程，變?yōu)槊枋鲭x散-時間PID

18、算法的差分方程。圖3-2位遠式PID控制算法的簡化示愆圖考慮式(3-4),用矩形積分時，有(3-5)用差分代替微分Td=e(k)-e(k-l)dt Ts(3-6)將式(3 5)、(3-6)代入式(3-4), PID算法變?yōu)門 ktu (k) = Kp + e(k) + X 5) (J) + 半(e(k) -e(k-l) + u0丄i j-fJ-s(3-7)或u(k) = Kpe(k) + 鬲芻)+ KDe(k) - e(k -1) + u0j-o式中u0_ 制量的基值，即k=0時的控制；u (k) 第k個采樣時刻的控制；KP比例放大系數(shù)：KI積分放大系數(shù)：1爲KD微分放大系數(shù)：M =心為 可T

19、S采樣周期。六、系統(tǒng)的MATLAB仿真1、系統(tǒng)仿真模型IooisEss 出 O 少 B 0 ffiD Qd X IUa - k 両；T2、轉(zhuǎn)速仿真波形3、電流仿真波形七、結(jié)論本文實現(xiàn)了帶電流截止負反饋的轉(zhuǎn)速閉環(huán)的數(shù)字式直流調(diào)速系 統(tǒng)的仿真與設(shè)計。介紹了帶電流截止負反饋的轉(zhuǎn)速閉環(huán)的數(shù)字式直 流調(diào)速系統(tǒng)的基本原理。用Protel繪制出了系統(tǒng)的工作原理圖，數(shù) 字式的結(jié)構(gòu)相比模擬電路而言，大大簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，且參數(shù)數(shù) 易于修改，靈活性大大加強，具有很強的實際意義。同將建立的仿 真圖在MATLAB軟件里而仿真得出直流電動機各物理量的波形。了解 了系統(tǒng)在各個階段的工作狀態(tài)。在本次課程設(shè)計中，通過實際動手進行原理圖的繪制和仿真， 不僅提高了我們在理論上的知識水平，且在能提高我們的實際應(yīng)用 能力，即分析問題，處理問題的能力。這將為我們以后的畢業(yè)設(shè)計 打下扎實的基礎(chǔ)。祝：老師元旦快樂，幸福安康！八、參考資料1.電力拖動自動控制系統(tǒng)陳伯時.機械工業(yè)出版社.2. 電力拖動控制系統(tǒng)設(shè)計手冊朱仁初.機械工業(yè)出版社.3. 電氣傳動自動化技術(shù)手冊天津電氣傳動研究所.機械工業(yè) 出版社.4. 畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)劉祖潤.機械工業(yè)出版社.5. 電力電子變流