雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)剖析

1、目錄中文摘要.1課程設(shè)計要求.11.1課程設(shè)計目的.11.2任務(wù)和要求.12雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計.12.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng).12.2雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器的設(shè)計.2 3 =配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng).33.1 =配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的工作原理.33.2 =配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的建模.4 4 =配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真實例及分析.64.1系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)的仿真參數(shù).64.2仿真波形及分析.75結(jié)論.10參考文獻.11摘要盡管近年來直流電動機不斷受到交流電動機及其它電動機的挑戰(zhàn)，但至今直流電動機仍然是大多數(shù)變速運動控制和閉環(huán)位置伺服控制首選。因為它具有良好的線性特性，優(yōu)異的控制性能，高效

2、率等優(yōu)點。直流調(diào)速仍然是目前最可靠，精度最高的調(diào)速方法，有效地控制電機，提高其運行性能，對國民經(jīng)濟具有十分重要的現(xiàn)實意義。針對面向系統(tǒng)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖仿真方法的不足，提出了一種基于MATLAB的Simulink、面向系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖的仿真新方法，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速與電流雙閉環(huán)=配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真。關(guān)鍵詞:直流電動機；=配合控制；Simulink；MATLAB仿真1課程設(shè)計要求1.1課程設(shè)計目的 課程設(shè)計是在校學(xué)生素質(zhì)教育的重要環(huán)節(jié)，是理論與實踐相結(jié)合的橋梁和紐帶。運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計，要求學(xué)生更多實踐方案，解決目前學(xué)生課程設(shè)計過程中普遍存在的缺乏動手能力的現(xiàn)象. 運動控制系統(tǒng)課程設(shè)

3、計是繼電機與拖動基礎(chǔ)和運動控制系統(tǒng)課程之后開出的實踐環(huán)節(jié)課程，其目的和任務(wù)是訓(xùn)練學(xué)生綜合運用已學(xué)課程的基本知識，獨立進行電機調(diào)速技術(shù)和設(shè)計工作,掌握系統(tǒng)設(shè)計、調(diào)試和應(yīng)用電路設(shè)計、分析及調(diào)試檢測。1.2任務(wù)和要求1.靜態(tài)設(shè)計 (1)確定控制系統(tǒng)采用的直流穩(wěn)壓電源電壓(可選擇)。(2)確定整流裝置的放大倍數(shù)。（需根據(jù)電樞電壓與控制電壓確定)。并設(shè)計可控整流裝置及觸發(fā)電路。(3)確定電流反饋系數(shù)。(4)確定轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。(5)根據(jù)調(diào)速范圍與靜差率要求確定靜態(tài)速降及轉(zhuǎn)速反饋環(huán)的反饋系數(shù)。2.動態(tài)設(shè)計 電流環(huán)設(shè)計確定時間常數(shù);選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu);選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù);校驗近似條件;計算電流調(diào)節(jié)器電阻和電容

4、. 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計確定時間常數(shù);選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu);選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù);校驗近似條件;計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電阻和電容;校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速是最典型的直流調(diào)速系統(tǒng)。其原理結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示。雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)的特點是，電動機的轉(zhuǎn)速和電流分別由兩個獨立的調(diào)節(jié)器分別控制，且轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出就是電流調(diào)節(jié)器的給定，因此電流環(huán)能夠隨轉(zhuǎn)速的偏差調(diào)節(jié)電動機電樞的電流。當轉(zhuǎn)速低于給定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的積分作用使輸出增加，即電流給定上升，并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使電動機電流增加，從而使電動機獲得加速轉(zhuǎn)矩，電動機轉(zhuǎn)速上升。當實際轉(zhuǎn)速高于給定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速調(diào)

5、節(jié)器的輸出減小，即電流給定減小，并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使電動機電流下降，電動機將因為電磁轉(zhuǎn)矩減小而減速。在當裝束調(diào)節(jié)器飽和輸出達到限幅值時，電流環(huán)即以最大電流限制實現(xiàn)電動機的加速，使電動機的啟動時間最短，在可逆調(diào)速系統(tǒng)中實現(xiàn)電動機的快速制動。該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR一般都采用PI調(diào)節(jié)器。因為PI調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時得到無靜差調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準為主，采用PI調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。圖2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)2.2雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器

6、的設(shè)計（1）電流環(huán)的設(shè)計電流反饋系數(shù):三相晶閘管整流電路平均失控時間：電流濾波時間常數(shù)取。電流環(huán)小時間常數(shù)。根據(jù)設(shè)計要求，應(yīng)取，因此按典型系統(tǒng)設(shè)計。電流調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為其中： （2）轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù)為。取轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)。根據(jù)穩(wěn)態(tài)無靜態(tài)及其他動態(tài)指標要求，按典型系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)，取h=5，ASR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為其中， 3 =配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)3.1 =配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的工作原理=配合控制的有環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理圖如圖3.1所示。圖中，主電路由兩組三相橋式.晶閘管全控型整流器反并聯(lián)組成，并共用同一路三相電源。由于采用=

7、配合控制方式，在兩組整流器之間沒有直流環(huán)流，但還存在脈動環(huán)流，為了限制脈動環(huán)流的大小，在主電路中串入了四個均衡電抗器，用于限制脈動環(huán)流。平波電抗器，用于減少電動機電樞電流的脈動，減少電樞電流的斷續(xù)區(qū)，改善電動機的機械特性。系統(tǒng)的控制部分采用了轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)控制。由于可逆調(diào)速電流的反饋信號小不僅要反映電樞電流的大小還需要反映電樞電流的方向，因此電流反饋一般用直流電流互感器或霍爾電流檢測器，在電樞端取電流信號。為了確保兩組整流器的工作狀態(tài)相反，電流調(diào)節(jié)器的輸出分兩路，路經(jīng)止組橋觸發(fā)器GTF控制正組橋整流器，另路經(jīng)倒相器AR、反組橋GTR控制反組橋整流器。圖3.1 =配合控制的有環(huán)流直流可逆調(diào)速

8、系統(tǒng)的電氣原理圖3.2 =配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的建模 組成=配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的主要子模塊包括：三相交流電源，正、反并聯(lián)的晶閘管三相全控整流橋、同步電源與6脈沖觸發(fā)器、速度和電流調(diào)節(jié)器ASR 及ACR、倒相器、移相控制器，直流電動機。除了PI調(diào)節(jié)器和移相控制器模塊需要自己封裝外，其余均可從有關(guān)模塊庫中直接復(fù)制。3.2.1 移相控制器的封裝 觸發(fā)器的控制角(alpha_deg端)通過了移相控制環(huán)節(jié)(shifter),移相控制模塊的輸入是移相控制信號，輸出是控制角，移相控制信號由常數(shù)模塊設(shè)定。移相特性如圖3.2所示。移相特性的數(shù)學(xué)表達式為： 圖3.2 移項特性及子函數(shù)模塊在本模型中取

9、，所以。3.2.2 帶限幅的PI調(diào)節(jié)器的封裝 仿真模型與系統(tǒng)動態(tài)構(gòu)圖的各個環(huán)節(jié)基本上是對應(yīng)的。需要指出的是。雙閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器都是有飽和特性和帶輸山限幅的PI調(diào)節(jié)器，為了充分反映在飽和限幅非線性影響下調(diào)速系統(tǒng)的上作情況，需要構(gòu)建考慮飽和輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器，過程如下:線性PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為式中,為比例系數(shù)；為積分系數(shù)；。上述PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)可以直接調(diào)用Simulink中的傳遞函數(shù)或零極點模塊。而考慮飽和和輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器模型如圖3.3所示。模型中比例和積分調(diào)節(jié)分為兩個通道，其中積分調(diào)節(jié)器 integrate 的限幅表示調(diào)節(jié)器的飽和限幅值，而調(diào)節(jié)器的輸出限幅值由飽和模塊

10、 Saturation 設(shè)定。當該調(diào)節(jié)器用作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR時,在起動中由于開始轉(zhuǎn)速偏差大，調(diào)節(jié)器輸出很快達到輸出限幅值，在轉(zhuǎn)速超調(diào)后首先積分器退飽和，然后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出才從限幅值開始下降。為了使系統(tǒng)模型更簡潔，利用了Simulink 的打包功能 (Great Subsystem) 將調(diào)節(jié)器模型縮小為一個分支模塊，如圖所示。圖3.3 帶飽和和輸出限幅的PI 調(diào)節(jié)器及子系統(tǒng)模塊3.2.3 =配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)整體的建模 將封裝后的反組整流器與正組整流器，給定環(huán)節(jié)、ASR、ACR、直流電動機等一起可構(gòu)成=配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。在電動機的負載轉(zhuǎn)矩輸入端TL接入了階躍 (St

11、ep)模塊，用于設(shè)置負載轉(zhuǎn)加載的時刻，和用于限制負載轉(zhuǎn)矩的最大值，如圖3.4所示圖3.4 = 配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真模型 4 =配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真實例及分析 = 配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型中，交流電源( au、bu、cu )兩組反并聯(lián)的整流器(VF、VR)和兩組觸發(fā)器(Synchronized 6-Pulse Generator)、環(huán)流電抗器()、平波電抗器 和電動機組成可逆系統(tǒng)的主電路。控制回路由轉(zhuǎn)速給定、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器ACR、倒相器Gain和移相控制器Shifter等模塊組成。其中給定環(huán)節(jié)可以通過切換開關(guān)(Manual Switch)選擇電動機轉(zhuǎn)

12、向，在需要改變轉(zhuǎn)向時， 雙擊該開關(guān)即可正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)到正傳的給定切換。 轉(zhuǎn)速和電流的反饋信號均取自電動機測量單元的輸出。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR由帶輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器分支電路來完成。4.1 系統(tǒng)主要環(huán)節(jié)的仿真參數(shù) 給定信號：有兩個常數(shù)模塊和手動切換開關(guān)組成。電源：交流160V 50Hz 直流 220V電機參數(shù):電樞電阻;電樞電感;轉(zhuǎn)動慣量；勵磁電阻；勵磁電感勵磁與電樞繞組互感；其它為元件默認值。 ASR為PI調(diào)節(jié)器，其中：;。 ACR為PI調(diào)節(jié)器，其中：;。 電抗器：為0.02H,的值為0.035H。 4.2 仿真波形及分析 對圖4.1的=配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)進行仿真，得到

13、調(diào)速系統(tǒng)在幅值為10的正、負階躍給定信號、仿真時間為8s的情況下，得到電樞轉(zhuǎn)速和電流的仿真波形如圖4.1所示。圖中電流和轉(zhuǎn)速為相對值。從仿真曲線知，當系統(tǒng)給定信號變極性時：輸出轉(zhuǎn)速能夠很好地跟隨轉(zhuǎn)速給定信號，過渡過程性能較好；轉(zhuǎn)速極性也隨著給定信號改變極性；由于電機有機械慣性的濾波作用， 速度輸出響應(yīng)曲線諧波成分較少。 隨著給定信號改變極性電樞電流也改變極性(圖中b中有正、負變化)，說明實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩可逆；電流波形上升和下降沿很陡，動態(tài)性能較好；由于=配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)可實現(xiàn)快速回饋制動，轉(zhuǎn)速換向時減速很快，換向性能較優(yōu)，速度仿真曲線很好地證明了這一點。 (a)電樞轉(zhuǎn)速 (b)電樞電流 圖

14、4.1 仿真后系統(tǒng)轉(zhuǎn)速及電樞電流的波形 仿真了8s的變化過程，其中0- 2.5s為系統(tǒng)的正轉(zhuǎn)起動過程，2.5 -4s 為系統(tǒng)的加載過程，4 - 8s為系統(tǒng)的反轉(zhuǎn)過程。在起動過程中可以看到，系統(tǒng)經(jīng)歷了電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個階段，在轉(zhuǎn)速超調(diào)后電流迅速下降并且出現(xiàn)負向電流，這與不可逆調(diào)速系統(tǒng)的起動過程不同，因為不可逆調(diào)速系統(tǒng)不能產(chǎn)生反向電流，而可逆系統(tǒng)反轉(zhuǎn)整流器可以提供反向電流，并加快起動的調(diào)節(jié)過程。因為是理想空載起動，起動結(jié)束時電樞電流為零。在2.5s時，電動機加上負載，轉(zhuǎn)速發(fā)生波動，并且電流增加，經(jīng)過1s左右時間的調(diào)整，系統(tǒng)達到新的平衡狀態(tài)，轉(zhuǎn)速恢復(fù)到1450r/min，電流上升到12

15、0A。在起動后4s 轉(zhuǎn)速給定轉(zhuǎn)速從“ + ”切換到“-”，系統(tǒng)進入反轉(zhuǎn)的調(diào)節(jié)狀態(tài)。電樞電流迅速改變方向，并從正變到負的最大值，電動機轉(zhuǎn)速也由正變負，系統(tǒng)經(jīng)歷了本橋逆變和反接制動兩個階段。這兩個階段的放大波形如圖4.2所示。 （a）電樞電流 （b）電動機轉(zhuǎn)速 （c）電動機反電動勢 （d）平波電感反電動勢圖4.2 本橋逆變和反接制動階段分析 從3.998s反轉(zhuǎn)過程開始到8s時間內(nèi)，電動機的正向電流下降(見圖4.2a)，轉(zhuǎn)速沒有太大的變化(見圖4.2b) ，平波電感的反電動勢為負，與電動機電樞反電動勢方向相反，且平波電感的反電動勢大于電動機電樞電動勢(見圖4.2c和圖4.2d)，因此是平波電感儲能釋

16、放，維持電動機的正向電流。這時，仍是正組橋?qū)ǎ淇刂平菫?，系統(tǒng)進入了本橋逆變階段。在4s之后，電樞電流開始改變方向，并反方向增加，反組橋進入整流，系統(tǒng)開始反接制動階段，電動機轉(zhuǎn)速下降。在4.01s左右，電流開始反向超調(diào)，這時在系統(tǒng)電流環(huán)的調(diào)節(jié)下反組整流器變?yōu)槟孀儬顟B(tài)，轉(zhuǎn)速和電動機反電動勢進一步減小，電動機的慣性儲能釋放，并經(jīng)反組整流器流回電網(wǎng)，這是系統(tǒng)的回饋制動階段。在4.3s 轉(zhuǎn)速下降為零時回饋制動階段結(jié)束，系統(tǒng)叉開始反向恒流起動過程，直到電動機進入反轉(zhuǎn)的穩(wěn)定運行階段。圖4.3所示為上述= 可逆調(diào)速系統(tǒng)的環(huán)流分析。其中圖a、b分別為正轉(zhuǎn)時 3.5 - 3.56s 內(nèi)正組和反組整流器的輸出流

17、波形，正組整流器電流中包含了電動機負載電流和環(huán)流，反組整流器電流中只有脈動的環(huán)流成分，而電動機的電樞電流基本上是平穩(wěn)的直流（）。圖4.3c所示為電動機從正轉(zhuǎn)起動到反轉(zhuǎn)過程中的轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速曲線(機械特性)。從機械特性可以看到正反轉(zhuǎn)過程經(jīng)歷了特性的三個象限，其中，第一象限電動機工作于正轉(zhuǎn)電動狀態(tài)，并在起動過程中電動機基本保持了最大轉(zhuǎn)矩的升速;在第二象限電動機轉(zhuǎn)矩變?yōu)樨?，轉(zhuǎn)速減小，電動機工作于正轉(zhuǎn)發(fā)電制動狀態(tài)，這時電動機轉(zhuǎn)速迅速下降到零;在第三象限電動機以最大反向轉(zhuǎn)矩反向升速，最后穩(wěn)定在反轉(zhuǎn)工作點上，因為轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩均為負，所以電動機工作在反轉(zhuǎn)電動狀態(tài)。 （a）正組整流器輸出電流波形 （b）反組整流器輸出電流波形圖4.3 兩組整流器的環(huán)流分析5 結(jié)論 此次設(shè)計雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的是=配合控制的有環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)。需要用到電力拖動自動控制原理、電力電子技術(shù)和自動控制原理等課程的內(nèi)容，而且要求能夠熟練的運用MATLAB這一功能強大的專業(yè)軟件。在老師的指導(dǎo)、同學(xué)的幫助和自己的努力下，我成功的完成了=配合控制的有環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)在MATLAB里面的建模與仿真。完成這一課題進一步強化我的專業(yè)知識、提高我的設(shè)計能力。并學(xué)會了使用MATLAB這一功能強