電流轉速單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)課程設計

1、<p><b>　　皖 西 學 院</b></p><p><b>　　課程設計</b></p><p><b>　　一、摘 要</b></p><p>　　反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是要想維持系統(tǒng)中的某個物理量基本不變，就引用該量的負反饋信號去與恒值給定相比較，構成閉環(huán)系統(tǒng)。對調速系統(tǒng)來說，

2、若想提高靜態(tài)指標，就得提高靜特性硬度，也就是希望轉速在負載電流變化時或受到擾動時基本不變。要想維持轉速這一物理量不變，最直接和有效的方發(fā)就是采用轉速負反饋構成轉速閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)。</p><p>　　本文通過利用Matlab仿真平臺設計單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，，包括單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的基本構成和工作原理、對所設計系統(tǒng)的靜態(tài)性能指標和動態(tài)性能指標進行分析、根據動態(tài)性能指標設計調節(jié)器、根據設計任務書的具體要求設計出系統(tǒng)的S

3、imulink仿真模型，驗證所設計系統(tǒng)的性能。</p><p>　　關鍵詞：穩(wěn)態(tài)性能 穩(wěn)定性 開環(huán) 閉環(huán)負反饋 靜差</p><p><b>　　二、總體方案設計</b></p><p><b>　　1、控制原理</b></p><p><b>　　設計如下的原理圖：</b>&

4、lt;/p><p>　　圖1、單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理圖</p><p>　　根據設計要求，所設計的系統(tǒng)為單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，該系統(tǒng)的控制對象是直流電動機，被控對象是電動機的轉速，晶閘管同步脈沖觸發(fā)電路用來調節(jié)晶閘管的控制角，晶閘管觸發(fā)及整流電路為功率放大和執(zhí)行環(huán)節(jié)，測速模塊把測得的轉速反饋到輸入中。采用變電壓調節(jié)方式，實現對直流電機的無極平滑調速。</p><p>　　

5、本系統(tǒng)由整流變壓器、晶閘管整流調速裝置、平波電抗器、電動機-發(fā)電機和測速反饋組成。圖中將反映轉速變化的電壓信號作為反饋信號，經速度變換后接到電流調節(jié)器的輸入端，與給定的電壓相比較經放大后，得到移相控制電壓Uct用作控制整流橋的觸發(fā)電路，觸發(fā)脈沖經功放后加到晶閘管的門極和陰極之間。通過改變脈沖相位來改變三相全控整流的輸出電壓，達到控制電機轉速的目的。電動機的轉速隨著給定電壓變化，即反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調量的偏差進行控制的系統(tǒng)，只要被調

6、量出現偏差，它就會自動產生糾正偏差的作用。</p><p>　　這里，電壓放大環(huán)節(jié)采用集成電路運算放大器實現，主電路用晶閘管可控整流器調節(jié)對電機的電源供給。</p><p>　　所以，更具體的原理圖如下：</p><p>　　圖2、單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)具體原理圖</p><p><b>　　2、控制結構圖</b></

7、p><p>　　有了原理圖之后，把各環(huán)節(jié)的靜態(tài)參數用自控原理中的結構圖表示，就得到了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖。</p><p>　　圖3、單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構框圖</p><p>　　三、各部件相關參數選擇</p><p><b>　　1、V—M系統(tǒng)簡介</b></p><p>　　晶閘管—電動機調速

8、系統(tǒng)（簡稱V—M系統(tǒng)），其簡單原理圖如圖1。圖中VT是晶閘管的可控整流器，它可以是單相、三相或更多相數，半波、全波、半控、全控等類型。</p><p>　　優(yōu)點：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平滑調速。</p><p><b>　　缺點：</b></p><p>　?。?．）由于晶閘管的單向導電性，

9、它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。</p><p>　?。?．）元件對過電壓、過電流以及過高的du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指標超過允許值都可能在很短時間內損壞元件。</p><p>　　因此必須有可靠的保護裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時還應有足夠的余量。</p><p><b>　　圖4 V—M系統(tǒng)</b>

10、</p><p><b>　　2、比例放大器</b></p><p>　　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5，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</p><p><b>　　放大系數為</b></p><p>　　3、UPE環(huán)節(jié)的

11、原理圖設計</p><p>　　該環(huán)節(jié)的時間常數和放大系數的計算。UPE環(huán)節(jié)的動態(tài)結構圖如下圖6：</p><p>　　整流電路：采用三相橋式全控整流。</p><p>　　三相橋式全控整流電路原理圖如圖所示。三相橋式全控整流電路是由三相半波可控整流電路演變而來的，它由三相半波共陰極接法(VT1，VT3，VT5)和三相半波共陽極接法(VT1，VT6，VT2)的串聯(lián)組

12、合。</p><p>　　其工作特點是任何時刻都有不同組別的兩只晶閘管同時導通，構成電流通路。接線圖中晶閘管的編號方法使每個周期內6個管子的組合導通順序是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。</p><p><b>　　四 、參數計算</b></p><p>　　設計完系統(tǒng)框圖，就可以用已知的傳遞函數結合設計要求中給定的參數進行對系

13、統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)兩套參數的計算。以便于后續(xù)步驟利用經典控制論對系統(tǒng)的分析。</p><p>　　為了方便以下的計算，每個參數都采用統(tǒng)一的符號，這里先列出設計要求中給出的參數及大小：</p><p>　　電動機：PN=10kw UN=220v IdN=55A nN=1000rpm Ra=0.5Ω</p><p>　　晶閘管整流裝置：二次線電壓E2l=230v

14、 Ks=44</p><p>　　主回路總電阻：R=1Ω</p><p>　　測速發(fā)電機：PNc=23.1kw UNc=110v IdN=0.21A nNc=1900rpm</p><p>　　系統(tǒng)運動部分：飛輪矩GD2=10Nm2 </p><p>　　電樞回路總電感量：要求在主回路電流為額定值10﹪時，電流仍連續(xù)&l

15、t;/p><p>　　生產機械：D=10 s≤5﹪</p><p>　　1、靜態(tài)參數設計計算</p><p>　　A、空載到額定負載的速降ΔnN</p><p><b>　　由公式：</b></p><p>　?。ㄆ渲蠨，s已知） </p><p>　　得：ΔnN≤5.26r

16、pm</p><p>　　B、系統(tǒng)開環(huán)放大倍數K</p><p><b>　　由公式：</b></p><p>　?。ㄓ晒?可算出Ce =0.1925Vmin/r） </p><p><b>　　得：K=53.3</b></

17、p><p>　　C、測速反饋環(huán)節(jié)放大系數a</p><p>　　測速發(fā)電機電動勢系數: UNc/ nNc=0.0579 Vmin/r</p><p>　　測速發(fā)電機輸出電位器RP2分壓系數a2</p><p>　　根據經驗，人為選定a2=0.2</p><p>　　則a=Cec a2=0.01158</p>

18、<p>　　注：RP2的選擇主要從功耗方面考慮，以不致過熱為原則。</p><p>　　D、運算放大器的放大系數Kp</p><p>　　由公式 （其中α即a） </p><p>　　Kp ≥20.14 </p><p>　　取Kp=21 （若向小方向取，可

19、能影響快速性，由于后加限幅電路，略大無妨）</p><p>　　此處的近似，使k由53.3變?yōu)?5.58</p><p>　　2、動態(tài)參數設計計算</p><p>　　在經典控制論中，動態(tài)分析基于確定系統(tǒng)的傳遞函數，所以要求出傳遞函數并根據已知求的傳遞函數中的未知參數，再用勞斯判據得出系統(tǒng)穩(wěn)定性，在穩(wěn)定的基礎上再加校正以優(yōu)化系統(tǒng)，使穩(wěn)、準、快指標平衡在要求范圍內的值

20、上。</p><p>　　構成系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)是電力電子變換器和直流電動機。不同電力電子變換器的傳遞函數，它們的表達式是相同的，都是</p><p>　　只是在不同場合下，參數Ks和Ts的數值不同而已。</p><p>　　直流電動機的傳遞函數：</p><p>　　假定主電路電流連續(xù)，則動態(tài)電壓方程為：，</p><p&g

21、t;　　如果，忽略粘性磨擦及彈性轉矩，電機軸上的動力學方程為： </p><p>　　額定勵磁下的感應電動勢和電磁轉矩分別為： ，</p><p>　　— 包括電機空載轉矩在內的負載轉矩，N-m；</p><p>　　— 電力拖動系統(tǒng)折算到電機軸上的飛輪慣量，N-m2；</p><p>　　—電機額定勵磁下的轉矩系數，N-m/A；

22、 </p><p>　　—電樞回路電磁時間常數，s；</p><p>　　— 電力拖動系統(tǒng)機電時間常數，s</p><p><b>　　整理以上各式得：</b></p><p><b>　　式中為負載電流。</b></p><

23、p>　　在零初始條件下，取等式兩側的拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數為：</p><p>　　電流與電動勢間的傳遞函數為：</p><p>　　整個直流電動機的動態(tài)的結構圖8所示</p><p><b>　　圖8</b></p><p>　　直流閉環(huán)調速系統(tǒng)中的其他環(huán)節(jié)還有比例放大器和測速反饋環(huán)節(jié)，它們的響應都可

24、以認為是瞬時的，因此它們的傳遞函數就是它們的放大系數，即:</p><p><b>　　放大器: ，</b></p><p><b>　　測速反饋: ，</b></p><p>　　知道了各環(huán)節(jié)的傳遞函數后，把它們按在系統(tǒng)中的相互關系組合起來，即各環(huán)節(jié)的傳遞函數，表示成結構圖形式，就可以畫出閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖，如

25、下圖所示。由圖可見，電力電子變換器是一個時間常數很小的滯后環(huán)節(jié)，這里把它看作一階慣性環(huán)節(jié)處理后，帶比例放大器的閉環(huán)直流調速系統(tǒng)可以看作是一個三階線性系統(tǒng)。 </p><p>　　反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖9所示：</p><p>　　圖9、反饋控制單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)動態(tài)結構框圖</p><p>　　由圖可見，反饋控制閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數是：</

26、p><p>　　式中 K = KpKs / Ce ，</p><p>　　其中,Ts晶閘管裝置滯后時間常數 </p><p><b>　　Tm機電時間常數 </b></p><p><b>　　Tl：電磁時間常數</b></p><p><b>　　主電路電

27、感值L</b></p><p>　　根據要求在主回路電流為額定值10﹪時，電流仍連續(xù)。</p><p>　　結合抑制電流脈動的措施中關于L的討論，得：</p><p><b>　　公式：</b></p><p>　　其中，整流變壓器副邊額定相電壓（二次相電壓）</p><p>　　得：

28、L=0.017H</p><p><b>　　其他未知參數計算</b></p><p>　　電磁時間常數 </p><p><b>　　機電時間常數</b></p><p>　　對于三相橋式整流電路，晶閘管裝置的滯后時間常數為 Ts = 0.00167 s </p>

29、<p><b>　　系統(tǒng)傳函為：</b></p><p><b>　　五、穩(wěn)定性分析</b></p><p>　　穩(wěn)定是系統(tǒng)首要的條件，一切的分析只有建立在穩(wěn)定的基礎上才有意義。</p><p>　　1、基于經典自控理論得分析</p><p>　　根據系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數</p>

30、<p><b>　　特征方程</b></p><p>　　應用三階系統(tǒng)的勞斯-赫爾維茨判據，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是 </p><p><b>　　代入整理得：</b></p><p><b>　　或</b></p><p><b>　　所以：</b

31、></p><p><b>　　把所得參數代入</b></p><p>　　就是說，k小于49.4系統(tǒng)才穩(wěn)定。</p><p>　　但是，按穩(wěn)態(tài)調速性能指標要求計算出的要K ≥53.3</p><p><b>　　它們是矛盾的。</b></p><p>　　所以，當前的

32、系統(tǒng)是不滿足要求的。</p><p>　　2、用Simulink仿真</p><p>　　Simulink仿真連接圖</p><p><b>　　輸出示波器波形</b></p><p><b>　　當前系統(tǒng)輸出曲線</b></p><p>　　輸出示波器波形：很明顯系統(tǒng)振蕩&

33、lt;/p><p>　?。ㄓ捎跊]加限幅，電流早已過大，電機已毀，實際中是不存在的</p><p><b>　　六、系統(tǒng)校正</b></p><p>　　為了滿足要求，還保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，一般采用加調節(jié)器校正的方法來整定系統(tǒng)。</p><p><b>　　1、調節(jié)器的選擇</b></p>&

34、lt;p>　　PI調節(jié)器：比例積分控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點，又克服了各自的缺點，揚長避短，互相補充。比例部分能迅速響應控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差，保持系統(tǒng)穩(wěn)定運行，實現無靜差調速。這是當給定電壓恒定時，閉環(huán)系統(tǒng)起到抑制作用，當電動機負載或電源電壓波動時，電動機的轉速穩(wěn)定在一定的范圍 之中。</p><p>　　根據經驗并驗證，本系統(tǒng)加PI調節(jié)器可滿足要求，調節(jié)器的傳遞函數為：&l

35、t;/p><p>　　Simulink中創(chuàng)建的模型：</p><p><b>　　轉速波形：</b></p><p><b>　　系統(tǒng)的階躍響應：</b></p><p>　　查看階躍響應的菜單 最大轉速：1130rpm</p><p>　　調節(jié)時間：0.293s

36、 超調量：11.3</p><p><b>　　圖7、單位階躍響應</b></p><p>　　由下圖可見，電樞電流峰值達到了250多安，實際電機允許的瞬間最大電壓為額定值的1.5倍，即82.5A，所以此系統(tǒng)還需加限流裝置。</p><p>　　電機電樞電壓及轉速曲線</p><p>　　2、限流裝置的選擇

37、：</p><p>　　當時二極管截止，時二極管導通；電流負反饋信號即可加到放大器上去，因此，</p><p><b>　　截止電流，</b></p><p><b>　　堵轉電流</b></p><p><b>　　聯(lián)立上式 </b></p><p>

38、　　電流截止負反饋環(huán)節(jié)如上圖11所示：</p><p>　　Idbl應小于電機允許的最大電流，一般取 </p><p>　　從調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上看，希望穩(wěn)態(tài)運行范圍足夠大，截止電流應大于電機的額定電流，一般取</p><p>　　本系統(tǒng)限流值應為：82.5A</p><p><b>　　七、系統(tǒng)驗證</b><

39、/p><p>　　1、分析系統(tǒng)的各項指標</p><p><b>　　程序：</b></p><p><b>　　k=692670;</b></p><p>　　d=conv(conv([1 0],[1 38.5]),[1 600]);</p><p>　　s1=tf(k,d);

40、</p><p>　　[mag,phas,w]=bode(s1);</p><p>　　figure(1);</p><p>　　margin(mag,phas,w);</p><p>　　sisotool(s1)</p><p><b>　　仿真結果：</b></p><p&

41、gt;<b>　　其中：</b></p><p>　　即：增益余度: Gm=26.6dB</p><p>　　幅值穿越頻率：ωc=152rad/sec </p><p>　　相角余度：γ=54.5 </p><p>　　相角穿越頻率：ωg=25rad/sec</p><p>　　系統(tǒng)為1

42、型，速度誤差系數：Kv=ω=2</p><p>　　2、Simulink仿真系統(tǒng)驗證系統(tǒng)運行情況</p><p>　　系統(tǒng)可以作如下連接：</p><p><b>　　給定：11.58</b></p><p><b>　　超調15.28％</b></p><p>　　峰值時間

43、0.285s</p><p><b>　　調節(jié)時間0.5s</b></p><p>　　可見，電機轉速快速穩(wěn)定在1000rpm，符合要求。</p><p><b>　　八、小結</b></p><p>　　通過對單閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)的全面設計，復習和鞏固了《自動控制原理》、《電力拖動自動控制系統(tǒng)—

44、運動控制系統(tǒng)》等一系列專業(yè)相關知識，在設計過程中，對以前不明白的地方有了新的認識和具體的把握。</p><p>　　學習的matlab仿真技術，使自控原理中的各參數以及工作過程更直觀的反映在屏幕上，更重要的是matlab為系統(tǒng)設計與整定提供了一個十分強大而簡便的工具，幫助我們解決了復雜運算、測繪等問題，使設計者更加集中精力解決相關的控制問題，也使控制過程的脈絡更加清晰。</p><p>&

45、lt;b>　　九、參考文獻</b></p><p>　　1.顧繩谷．電機與拖動基礎．機械工業(yè)出版社，1980</p><p>　　2.方承遠．工廠電氣控制技術．北京：機械工業(yè)出版社，2002</p><p>　　3.齊占慶. 機床電氣控制設備.機械工業(yè)出版社，1987</p><p>　　4.楊玉娟. 機床電氣控制. 機械

46、工業(yè)出版社，1986</p><p>　　5.趙秉衡. 工廠電氣控制設備. 冶金工業(yè)出版社. 2001</p><p>　　6.李仁．電器控制．北京：機械工業(yè)出版社，1998</p><p>　　7.趙明．工廠電氣控制設備．北京；機械工業(yè)出版社，1985</p><p>　　8.陳遠齡．機床電氣自動控制．重慶：重慶大學出版社，1999<

47、/p><p>　　9.工廠常用電氣設備手冊．北京：中國電力出版杜，1998</p><p>　　10.陳本孝．電器與控制．武漢：華中理工大學出版社，1996</p><p>　　11.熊葵谷．電器邏輯控制技術．北京：科學出版社，1998</p><p>　　12.陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)—運動控制系統(tǒng).北京.機械工業(yè)出版社.2003</