电流转速单闭环直流调速系统课程设计..pdf

1 皖 西 学 院 课程设计 系别：机电系 专业：09 电气 (电力拖动方向 ) 学 生 姓 名： 课程设计题目： 电流转速单闭环直流调速系统 起迄日期: 11 月 5 日11 月 18 日 课程设计地点: 指导教师:俞鹤 2 一、摘要 反馈控制系统的规律是要想维持系统中的某个物理量基本 不变，就引用该量的负反馈信号去与恒值给定相比较，构成闭环 系统。对调速系统来说，若想提高静态指标，就得提高静特性硬 度，也就是希望转速在负载电流变化时或受到扰动时基本不变。 要想维持转速这一物理量不变，最直接和有效的方发就是采用转 速负反馈构成转速闭环调节系统。 本文通过利用 Matlab 仿真平台设计单闭环直流调速系统， ， 包括单闭环直流调速系统的基本构成和工作原理、对所设计系统 的静态性能指标和动态性能指标进行分析、根据动态性能指标设 计调节器、根据设计任务书的具体要求设计出系统的Simulink 仿真模型，验证所设计系统的性能。 关键词 ：稳态性能稳定性 开环 闭环负反馈静差 二、总体方案设计 1、控制原理 设计如下的原理图： 图 1、单闭环直流调速系统原理图 根据设计要求，所设计的系统为单闭环直流调速系统，该系 统的控制对象是直流电动机，被控对象是电动机的转速，晶闸管 同步脉冲触发电路用来调节晶闸管的控制角，晶闸管触发及整流 3 电路为功率放大和执行环节，测速模块把测得的转速反馈到输入 中。采用变电压调节方式，实现对直流电机的无极平滑调速。 本系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、 电动机 -发电机和测速反馈组成。 图中将反映转速变化的电压信号 作为反馈信号，经速度变换后接到电流调节器的输入端，与给定 的电压相比较经放大后，得到移相控制电压Uct 用作控制整流桥 的触发电路，触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间。 通过改变脉冲相位来改变三相全控整流的输出电压，达到控制电 机转速的目的。电动机的转速随着给定电压变化，即反馈控制的 闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏 差，它就会自动产生纠正偏差的作用。 这里，电压放大环节采用集成电路运算放大器实现，主电路 用晶闸管可控整流器调节对电机的电源供给。 所以，更具体的原理图如下： 图 2、单闭环直流调速系统具体原理图 2、控制结构图 有了原理图之后，把各环节的静态参数用自控原理中的结构 图表示，就得到了系统的稳态结构框图。 4 图 3、单闭环直流调速系统稳态结构框图 三、 各部件相关参数选择 1、VM系统简介 晶闸管电动机调速系统（简称VM系统） ，其简单原理图 如图 1。图中 VT是晶闸管的可控整流器，它可以是单相、三相或 更多相数，半波、全波、半控、全控等类型。 优点： 通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相 位，即可改变整流电压从而实现平滑调速。 缺点： （1 ）由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系 统的可逆运行造成困难。 （2 ）元件对过电压、过电流以及过高的du/dt 和 di/dt都 十分敏感，其中任一指标超过允许值都可能在很短时间内损坏元 件。 因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在 选择元件时还应有足够的余量。 5 图 4 V M系统 2、比例放大器 运算放大器用作比例放大器（也称比例调节器、P调节器） ， 如图 5， ex UUin和为放大器的输入和输出电压， bal R为同相输入端 的平衡电阻，用以降低放大器失调电流的影响 放大系数为 0 1 R R U U K in ex p 3、UPE环节的原理图设计 该环节的时间常数和放大系数的计算。UPE环节的动态结构图如 下图 6： 整流电路：采用三相桥式全控整流。 6 三相桥式全控整流电路原理图如图所示。三相桥式全控整流电 路是由三相半波可控整流电路演变而来的，它由三相半波共阴极 接法(VT1，VT3，VT5)和三相半波共阳极接法(VT1，VT6，VT2)的 串联组合。 其工作特点是任何时刻都有不同组别的两只晶闸管同时导通，构 成电流通路。接线图中晶闸管的编号方法使每个周期内6 个管子 的组合导通顺序是VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6。 四 、参数计算 设计完系统框图，就可以用已知的传递函数结合设计要求中 给定的参数进行对系统静态和动态两套参数的计算。以便于后续 步骤利用经典控制论对系统的分析。 为了方便以下的计算，每个参数都采用统一的符号，这里先 列出设计要求中给出的参数及大小： 电动 机 ： PN=10kw UN=220v IdN=55A nN=1000rpm Ra=0.5 晶闸管整流装置：二次线电压E2l=230v Ks=44 主回路总电阻： R=1 测 速 发 电 机 ： PNc=23.1kw UNc=110v IdN=0.21A nNc=1900rpm 系统运动部分：飞轮矩GD 2=10Nm2 电枢回路总电感量： 要求在主回路电流为额定值10时，电 流仍连续 生产机械： D=10 s5 7 N a dN N n Ce RIU 1、静态参数设计计算 A、空载到额定负载的速降 nN 由公式： （其中 D，s 已知） 得：nN5.26rpm B、系统开环放大倍数K 由公式： （由公式 可算出 Ce =0.1925Vmin/r） 得：K=53.3 C、测速反馈环节放大系数a 测速发电机电动势系数 : UNc/ nNc=0.0579 Vmin/r 测速发电机输出电位器RP2分压系数 a2 根据经验，人为选定a2=0.2 则 a=Cec a2=0.01158 注：RP2的选择主要从功耗方面考虑，以不致过热为原则。 D、运算放大器的放大系数Kp 由公式（其中 即 a） Kp 20.14 取 Kp=21 （若向小方向取， 可能影响快速性， 由于后加限幅电路， 略大无妨） 此处的近似，使 k 由 53.3 变为 55.58 2、动态参数设计计算 在经典控制论中，动态分析基于确定系统的传递函数，所以 要求出传递函数并根据已知求的传递函数中的未知参数，再用劳 斯判据得出系统稳定性，在稳定的基础上再加校正以优化系统， 使稳、准、快指标平衡在要求范围内的值上。 构成系统的主要环节是电力电子变换器和直流电动机。不同 电力电子变换器的传递函数，它们的表达式是相同的，都是 e sp C KK K )1( e d KC RI n )1 ( N N sn sn D 1 )( s s s sT K sW 8 只是在不同场合下，参数 Ks 和Ts 的数值不同而已。 直流电动机的传递函数： 假 定 主 电 路 电 流 连 续 ， 则 动 态 电 压 方 程 为 ： E t I LRIU d dd dd0 ， 如果，忽略粘性磨擦及弹性转矩，电机轴上的动力学方程为： t nGD TT d d 375 2 Le 额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为： dme ICT， nCE e L T 包括电机空载转矩在内的负载转矩，N-m ； 2 GD 电力拖动系统折算到电机轴上的飞轮惯量， N-m2 ； em 30 CC电机额定励磁下的转矩系数，N-m/A； R L Tl电枢回路电磁时间常数，s； me 2 m 375CC RGD T 电力拖动系统机电时间常数，s 整理以上各式得： ) d d ( d d0d t I TIREU l t E R T II d d m dLd 式中 m L dl C T I为负载电流。 在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得电压与电流间的传 递函数为： 9 1 1 )()( )( 0d d sT R sEsU sI l 电流与电动势间的传递函数为： sT R sIsI sE mdLd )()( )( 整个直流电动机的动态的结构图8 所示 图 8 直流闭环调速系统中的其他环节还有比例放大器和测速反 馈环节，它们的响应都可以认为是瞬时的，因此它们的传递函数 就是它们的放大系数，即: 放大器 : p n c a )( )( )(K sU sU sW， 测速反馈 : )( )( )( n fn sn sU sW ， 知道了各环节的传递函数后，把它们按在系统中的相互关系 组合起来，即各环节的传递函数，表示成结构图形式，就可以画 出闭环直流调速系统的动态结构图，如下图所示。由图可见，电 力电子变换器是一个时间常数很小的滞后环节，这里把它看作一 阶惯性环节处理后，带比例放大器的闭环直流调速系统可以看作 是一个三阶线性系统。 反馈控制闭环调速系统的动态结构图9 所示： 10 图 9、反馈控制单闭环直流调速系统动态结构框图 由图可见，反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是： 式中K = KpKs/ C e ， 其中,Ts晶闸管装置滞后时间常数 Tm机电时间常数 Tl：电磁时间常数 1 主电路电感值 L 根据要求在主回路电流为额定值10时，电流仍连续。 结合抑制电流脉动的措施中关于L的讨论，得： 公式： 其中，整流变压器副边额定相电压（二次相电压） 得：L=0.017H 2 其他未知参数计算 电磁时间常数 机电时间常数s075.0 1925.0 30 1925.0375 0.110 375 me 2 m CC RGD T s017.0 0 .1 017.0 R L Tl V8 .132 3 230 3 2 2 l U U mind 2 693.0 I U L ) 1)(1( )( m 2 ms sTsTTsT K sW l 11 对于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为Ts= 0.00167 s 系统传函为： 五、稳定性分析 稳定是系统首要的条件，一切的分析只有建立在稳定的基础上才 有意义。 1、基于经典自控理论得分析 根据系统闭环传递函数 特征方程 应用三阶系统的劳斯 -赫尔维茨判据， 系统稳定的充分必要条件是 代入整理得： 或 所以： 把所得参数代入 就是说， k小于 49.4 系统才稳定。 但是，按稳态调速性能指标要求计算出的要K53.3 它们是矛盾的。 所以，当前的系统是不满足要求的。 4.49 )( s 2 ssm TT TTTT K l l s 2 ssm )( TT TTTT K l l ssms )1 ()(TTKTTTT ll 0 111 )( smsmsm K TTT K TT K TTT ll 00000 30213210 aaaaaaaa， 01 11 )( 1 sm 2 sm 3 sm s K TT s K TTT s K TTT ll 1 11 )( 1 )1( )1)(1( / 1 ) 1)(1( / )( sm2sm3 sm e sp m 2 ms esp m 2 ms esp c s K TT s K TTT s K TTT KC KK sTsTTsT CKK sTsTTsT CKK sW l l l l l ）（ ）（ 1s075. 0s001275.01s00167.0 58.55 sW 2 12 2、用 Simulink仿真 Simulink仿真连接图 输出示波器波形 当前系统输出曲线 输出示波器波形：很明显系统振荡 （由于没加限幅，电流早已过大，电机已毁，实际中是不存在的 13 六、系统校正 为了满足要求，还保证系统的稳定性，一般采用加调节器 校正的方法来整定系统。 1、调节器的选择 PI 调节器： 比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规 律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。比例部 分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差，保持系 统稳定运行，实现无静差调速。这是当给定电压恒定时，闭环系 统起到抑制作用，当电动机负载或电源电压波动时，电动机的转 速稳定在一定的范围之中。 根据经验并验证， 本系统加 PI调节器可满足要求， 调节器的 传递函数为： Simulink 中创建的模型： 转速波形： s s sW 088.0 1049.0 )( pi 14 系统的阶跃响应： 查看阶跃响应的菜单最大转速： 1130rpm 调节时间： 0.293s 超调量： 11.3 图 7、单位阶跃响应 由下图可见，电枢电流峰值达到了250 多安，实际电机允许的瞬 间最大电压为额定值的1.5 倍，即 82.5A，所以此系统还需加限流装置。 15 电机电枢电压及转速曲线 2、限流装置的选择： 当 com U dRs I 时二极管截止， com U dRs I 时二极管导通； 电流负反馈信号 i U 即可加到放大器上去，因此， 截止电流 scom RU dcr I ， 堵转电流 sncom RUU * dbl I 联立上式 Nscom IRU)2.11.1(I dcr NSncom IRUU)25. 1()(I * dbl 电流截止负反馈环节如上图11 所示： Idbl应小于电机允许的最大电流，一般取 NSncom IRUU)25. 1()(I * dbl 从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电 流应大于电机的额定电流，一般取 Nscom IRU)2.11.1(I dcr 本 系统限流值应为： 82.5A 16 七、系统验证 1、分析系统的各项指标 程序： k=692670; d=conv(conv(1 0,1 38.5),1 600); s1=tf(k,d); mag,phas,w=bode(s1); figure(1); margin(mag,phas,w); sisotool(s1) 仿真结果： 17 其中： 即：增益余度 : Gm=26.6dB 幅值穿越频率： c=152rad/sec 相角余度： =54.5 相角穿越频率： g=25rad/sec 系统为 1 型，速度误差系数： Kv= =2 2、Simulink仿真系统验证系统运行情况 系统可以作如下连接： 给定： 11.58 18 超调 15.28 峰值时间 0.285s 调节时间 0.5s 可见，电机转速快速稳定在1000rpm，符合要求。 八、小结 通过对单闭环直流电机调速系统的全面设计，复习和巩固 了自动控制原理 、 电力拖动自动控制系统运动控制系统 等一系列专业相关知识，在设计过程中，对以前不明白的地方 有了新的认识和具体的把握。 学习的MATLAB仿真技术，使自控原理中的各参数以及工 作过程更直观的反映在屏幕上，更重要的是MATLAB为系统设 计与整定提供了一个十分强大而简便的工具，帮助我们解决了 复杂运算、测绘等问题，使设计者更加集中精力解决相关的控 制问题，也使控制过程的脉络更加清晰。 九、参考文献 1. 顾绳谷电机与拖动基础机械工业出版社，1980 2. 方承远工厂电气控制技术北京：机械工业出版社，2002 3. 齐占庆 . 机床电气控制设备 . 机械工业出版社， 1987 4. 杨玉娟 . 机床电气控制 . 机械工业出版社， 1986 5. 赵秉衡 . 工厂电气控制设备 . 冶金工业出版社 . 2001 19 6. 李仁电器控制北京：机械工业出版社，1998 7. 赵明工厂电气控制设备北京；机械工业出版社，1985 8. 陈远龄机床电气自动控制重庆：重庆大学出版社，1999 9. 工厂常用电气设备手册北京：中国电力出版杜，1998 10. 陈本孝电器与控制武汉：华中理工大学出版社，1996 11. 熊葵谷电器逻辑控制技术北京：科学出版社，1998 12. 陈伯时 . 电力拖动自动控制系统运动控制系统. 北京 . 机械 工业出版社 .2003 13. 胡寿松 . 自动控制原理 .北京.科学大学出版社 14. 陆俊.电力电子技术北京 . 机械工业出版社 .2005