《运动控制系统》课程设计（论文)-转速电流双闭环不可逆直流调速系统设计

转速电流双闭环不可逆直流调速系统设计第1页共27页转速电流双闭环不可逆直流调速系统设计摘要直流电动机调速控制器选用了转速、电流双闭环调速控制电路。在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。控制系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行嵌套联接。确定其结构形式和设计各元部件，并对其参数的计算，包括给定电压、转速调节器、电流调节器、检测电路、触发电路和稳压电路的参数计算然后最后采用MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行了仿真分析。本次设计的主要任务就是应用自动控制理论和工程设计的方法对直流调速系统进行设计和控制，设计出能够达到性能指标要求的电力拖动系统的调节器，通过在DJDK1型电力电子技术及电机控制试验装置上的调试,并应用MATLAB软件对设计的系统进行仿真和校正以达到满足控制指标的目的。关键词双闭环；转速调节器；电流调节器转速电流双闭环不可逆直流调速系统设计第2页共27页目录绪论11、双闭环调速系统的工作原理311、双闭环调速系统的工作原理312、双闭环调速系统主电路的数学模型1013、转速和电流两个调节器设计的给定参数122、设计双闭环调速系统的电流调节器和转速调节器1321、工程设计方法的基本思路1322、电流调节器的设计1323、转速调节器的设计163、SIMULINK仿真1931、电流环的仿真设计1932、转速环的仿真设计1933、双闭环直流调速系统的仿真设计20课程设计体会24参考文献25附录26转速电流双闭环不可逆直流调速系统设计第1页共27页绪论直流调速系统的概述三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。研究课题的目的和意义在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。双闭转速电流双闭环不可逆直流调速系统设计第2页共27页环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求，需要设计者有扎实的理论基础和丰富的实践经验，而初学者则不易掌握，于是有必要建立实用的设计方法。大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低阶系统近似。若事先深入研究低阶典型系统的特性并制成图表，那么将实际系统校正或简化成典型系统的形式再与图表对照，设计过程就简便多了。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。1、双闭环调速系统的工作原理及数学模型转速电流双闭环不可逆直流调速系统设计第3页共27页11、双闭环调速系统的工作原理111转速控制的要求和调速指标生产工艺对控制系统性能的要求经量化和折算后可以表达为稳态和动态性能指标。设计任务书中给出了本系统调速指标的要求。深刻理解这些指标的含义是必要的，也有助于我们构想后面的设计思路。在以下四项中，前两项属于稳态性能指标，后两项属于动态性能指标（1）调速范围D生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，即（11）MINAXD（2）静差率S当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落，与理想空载转速之比，称作静差率，即（12）10NSOM静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的。（3）跟随性能指标在给定信号R（T）的作用下，系统输出量CT的变化情况可用跟随性能指标来描述。具体的跟随性能指标有下列各项上升时间，R超调量，调节时间ST（4）抗扰性能指标此项指标表明控制系统抵抗扰动的能力，它由以下两项组成动态降落，恢复时间MAXCVT112调速系统的两个基本矛盾转速电流双闭环不可逆直流调速系统设计第4页共27页在理解了本设计需满足的各项指标之后，我们会发现在权衡这些基本指标的两个矛盾，即1动态稳定性与静态准确性对系统放大倍数的要求互相矛盾；2起动快速性与防止电流的冲击对电机电流的要求互相矛盾。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统,在保证系统稳定的条件下,实现转速无静差，解决了第一个矛盾。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速启制动，突加负载动态速降小等等，则单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程中的电流和转矩。无法解决第二个基本矛盾。在电机最大电流受限的条件下，希望充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态后，又让电流立即降低下来，使转速马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流IDCR值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图12A所示。转速电流双闭环不可逆直流调速系统设计第5页共27页NIDNIDLT0IDLAB图12调速系统启动过程的电流和转速波形A带电流截止负反馈的单闭环调速系统的启动过程B理想快速启动过程当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。对于经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大电流转矩受限的条件下,希望充分地利用电机的过载能力,最好是在过渡过程中始终保持电流转矩为允许的最大值,使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动,到达稳定转速后,又让电流立即降低下来,使转矩马上与负载平衡,从而转入稳态运行这样的理想起动过程波形如图12B所示,起动电流呈方形波,而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩受限的条件下，调速系统所能得到的最快的启动过程。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突变，图12B所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全的实现。问题是希望在启动过程中只有电流NIDN0T转速电流双闭环不可逆直流调速系统设计第6页共27页负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后,希望只有转速反馈,不再靠电流负反馈发挥主要作用,而双闭环系统就是在这样的基础上产生的。113调速系统的双闭环调节原理见图13整流电路见附录UNUNWASRSWACRSUIUIUCTUD01/STRL1SKSIDIDLSMNCE1图13双闭环调速系统的原理框图为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,在系统中设置了两个调节器,分别调节转速和电流,二者之间实行串级连接把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速调节环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的动、静态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器，转速调节器ASR的输出限幅电压是UNMAX，它决定了电流调节器给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压是UIMAX，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。转速电流双闭环不可逆直流调速系统设计第7页共27页114双闭环调速系统的起动过程分析双闭环调速系统起动过程的电流和转速波形是接近理想快速起动过程波形的。按照转速调节器在起动过程中的饱和与不饱和状况，可将起动过程分为三个阶段，即电流上升阶段；恒流升速阶段；转速调节阶段。从起动时间上看，第二段恒流升速是主要阶段，因此双闭环系统基本上实现了在电流受限制下的快速起动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是起动过程中转速一定有超调。其起动过程波形如图14所示。图14双闭环调速系统起动时的转速和电流波形从图14知,整个起动过程分为三个阶段第I阶段是电流上升阶段。突加给定电压UN后,通过两个调节器的控制作用,使UCT、UD0、ID都上升，当IDIDL后，电动机开始转动。由于机械惯性作用，转速转速电流双闭环不可逆直流调速系统设计第8页共27页的增长不会很快，因而转速调节器ASR的输入偏差电压UNUNUN数值较大，其输出很快达到限幅值UIM，强迫电流ID迅速上升。当IDIDM时，UIUIM，电流调节器的作用使I不再迅猛增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。第II阶段是恒流升速阶段。从电流升到最大值IDM开始，到转速升到给定值N为止，属于恒流升速阶段，是启动过程中的主要阶段。在这个阶段中ASR始终是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定UIM作用下的电流调节系统，基本上保持电流ID恒定，因而拖动系统的加速度恒定，转速成线性增长。第III阶段是转速调节阶段。在这阶段开始时，转速已经达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值UIM，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超调。转速超调以后，ASR的输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出电压及ACR的给定电压UI立即从限幅值下来，主电流ID也因此下降。但是，由于ID仍大于负载电流IDL，在一段时间内，转速仍继续上升。到IDIDL时，转距TETL，则DN/DT0，转速N达到峰值。此后，电动机才开始在负载的阻力下减速，与此相应，电流ID也出现一小段小与IDL的过程，直到稳定。综上所述，双闭环调速系统有如下三个特点1）饱和非线性控制随着ASR的饱和和不饱和，整个系统处于完全不同的两个状态。当ASR饱和时，转速环开环。系统表现为恒流电流调节的单闭环转速电流双闭环不可逆直流调速系统设计第9页共27页系统，当ASR不饱和时，转速闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环则表现为电流随动系统。在不同情况下，表现为不同结构的现行系统，这就是饱和非线性控制的特征。2）准时间控制启动过程中主要阶段实第II阶段，即恒流升速阶段。它的特征是电流保持恒定，一般选择为允许的最大值，以便充分发挥电动机的过载能力，使启动过程尽可能更快。这个阶段属于电流受限制的条件下的最短时间控制，或称时间最优控制。3）转速超调由于采用了饱和非线性控制,启动过程结束进入第III阶段即转速调节阶段后,必须使转速调节器退出饱和状态。按照PI调节器的特性，只有使转速超调，ASR的输入偏差电压UN为负值，才能使ASR退出饱和。这就是说，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速动态响应必然有超调6。115转速和电流两个调节器的作用转速调节器和电流调节器在双闭环调速系统中的作用，可以归纳为（1）、转速调节器的作用1）使转速N跟随给定电压UM变化，稳态无静差；2）对付在变化起抗扰作用；3）其输出限幅决定允许的最大电流。（2）、电流调节器的作用1）对电网电压波动起及时抗扰作用；2）起动时保证获得允许的最大电流；3）在转速调节过程中，使电流跟随起给定电压UM变化；转速电流双闭环不可逆直流调速系统设计第10页共27页4）当电动机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护最用。如果故障消失，系统能够自动恢复正常7。12双闭环调速系统主电路的数学模型121、额定励磁下的直流电动机的数学描述由图25中的C可列出微分方程如下主电路,假定电流连续EDTLRIUD0额定励磁下的感应电动势NECE牛顿动力学定律,忽略粘性摩擦DTGDTLE3752额定励磁下的电磁转矩IDM式中TL包括电机空载转矩在内的负载转矩，单位为NM；GD2电力拖动系统运动部分折算到电机轴上的飞轮转矩，单位为NM2；CM30CE/电动机额定励磁下的转矩电流比，单位为NM/A；定义下列时间常数TLL/R电枢回路电磁时间常数，单位为S；TMGD2R/375CECM电力拖动系统机电时间常数，单位为S。整理后得0DTITULREDD转速电流双闭环不可逆直流调速系统设计第11页共27页DTERTIMDL式中IDLTL/CM负载额定电流在零初始条件下，取等式两侧的拉式变换，得电压与电流间的传递函数1310SRESTUILD电流与电动势间的传递函数为14SSIMDLD由以上传递函数，可以得到额定励磁下直流电动机的动态结构图如图24所示UD0S1/STRLIDIDLSTRMNSCE1ES图24额定励磁下直流电动机动态结构图由上图可以看出，直流电动机有两个输入量。一个是理想空载整流电压UD0，另一个是负载电流IDL。前者是控制输入量，后者是扰动输入量。如果不需要在结构图中把电流ID表现出来，可将扰动量IDL的综合点前移，并进行等效变换，如图15所示转速电流双闭环不可逆直流调速系统设计第12页共27页UD0SIDLSNS1/2TSCEML1TRLAUD0SNS1/2TCEMLB图15直流电动机动态结构图的简化和变换AB0DLI0DLI13、转速和电流两个调节器设计的给定参数某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路基本参数如下直流电动机额定电压，额定电流额定转速VUN20,136AIDN，电动机电势系数，允许过载倍数MI1460RNNRVCEMI512、按工程设计方法设计双闭环调速系统的电流调节器和转速调节器21、工程设计方法的基本思路用经典的动态校正方法设计调节器必须同时解决自动控制系统的稳定性、快速性、抗干扰性等各方面相互矛盾的静态、动态性能要求8。作为工程设计转速电流双闭环不可逆直流调速系统设计第13页共27页方法,首先要使问题简化,突出主要矛盾。简化的基本思路是，把调节器的设计过程分为两步第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需要的稳态精度。第二步，再选择调节器的参数，以满足动态性能指标这样做，就把稳、准、快抗干扰之间互相交叉的矛盾问题分成两步来解决，第一步先解决主要矛盾动态稳定性和稳态精度，然后在第二步中进一步满足其它动态性能指标。在选择调节器结构时，只采用少量的典型系统，它的参数与性能指标的关系都已事先找到，具体选择参数时只须按现成的公式和表格中的数据计算以下就可以了。这样就使设计犯法规范化，大大减少了设计工作量。22电流调节器的设计221确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数TS。三相桥式电路的平均失控时间TS00017S。（2）电流滤波时间常数TOI。三相桥式电路的每个波头的时间是33MS，为了基本滤平波头，应有（12）TOI33MS，因此取TOI2MS0002S。（3）电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取IT。TSOI037SI（4）电磁时间常数的确定。由前述已求出电枢回路总电感。L（21）21MIN69140835LDULKMHI则电磁时间常数转速电流双闭环不可逆直流调速系统设计第14页共27页（22）1830135LLLMHTSR222、选择电流调节器的结构根据设计要求，并保证稳态电流无静差，可按典型I型系统设计5I电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型调节器，其传递函数为（23）1IACRSKWS式中电流调节器的比例系数；I电流调节器的超前时间常数。I检查对电源电压的抗扰性能,各项指标都是可以接受031S8467LIT的，因此基本确定电流调节器按典型I型系统设计。223、计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数。031SILT电流开环增益要求时，取，5I5IIK因此（24）10537IIKST于是，ACR的比例系数为（25）1505804362IIISR式中电流反馈系数；1/253NVI晶闸管专制放大系数40SK转速电流双闭环不可逆直流调速系统设计第15页共27页224、校验近似条件电流环截止频率135CIIKS（1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件（26）1196307CISST满足近似条件。（2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件（27）CIW82403180满足近似条件。（3）电流环小时间常数近似处理条件（28）1118073072CISOISTS满足近似条件。225、计算调节器电阻和电容由图61，按所用运算放大器取R040K，各电阻和电容值为,取（29）019436IIRKK45K，取（210）3715IICF07F，取（263042021OIITR11）按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，435I满足设计要求。转速电流双闭环不可逆直流调速系统设计第16页共27页23转速调节器的设计231、确定时间常数（1）电流环等效时间常数1/KI。由前述已知，则05IIKT（212）1203704IITSSK（2）转速滤波时间常数，根据所用测速发电机纹波情况，取ON01SON（3）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取（213）10741074NONITSSK232、选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数式为（214）1NASRSWS233、计算转速调节器参数图21含滤波环节的PI型电流调节器转速电流双闭环不可逆直流调速系统设计第17页共27页按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取H5，则ASR的超前时间常数为（215）H50174S8NT则转速环开环增益K（216）2222639645017NNSSH可得ASR的比例系数为（217）710457028621NMENRTHC式中电动势常数，2303MIN/NAEUIRVR转速反馈系数。MIN1067I/5NRVRN234、检验近似条件转速截止频率为（218）1113964087345NCNNKS（1）电流环传递函数简化条件为（219）11563730ICNIST满足简化条件。（2）转速环小时间常数近似处理条件为（220）111358730ICNONKST满足近似条件。235、计算调节器电阻和电容转速电流双闭环不可逆直流调速系统设计第18页共27页根据图62所示，取，则04RK（取470）（221）RKN684710（222）FCN6315,取（223）304ONTR1236校核转速超调量按抗扰性能都较好的原则，取H5，则ASR的超前时间常数为，设理想空载起动时，负载系数，已知，S0871450Z53NIA，MINRNN5108R13MIN/ECVRSTM180。当时，而调速系统开环机械特性的额定TSH2/MAXB稳态速降（224）MNNBBNTZCN2MAXMAX式中电机中总电阻；05837095AR为基准值，对应为额定转速。IN1RN图22含滤波环节的PI型转速调节器转速电流双闭环不可逆直流调速系统设计第19页共27页根据式（624）计算得（225）10810745321628N能满足设计要求。3SIMULINK仿真31电流环的仿真设计校正后电流环的动态结构框图经过化简和相关计算，在MATLAB中搭建好系统的模型，如附件图电流环的仿真电流环的仿真32转速环的仿真设计校正后电流环的动态结构框图经过化简和相关计算，在MATLAB中搭建好系统的模型，如附件图转速环的仿真模型（1）转速环的仿真结果（2）33双闭环直流调速系统的仿真设计首先建立双闭环直流调速系统的动态数学模型，可以参考该系统的动态结构形式，双闭环直流调速系统的动态结构框图如图31所示转速电流双闭环不可逆直流调速系统设计第20页共27页图31双闭环直流电机调速系统的动态数学结构框图图31框图中的各个参数设计好。则把这些参数的值代入框图中的公式就可得到以下框图32。转速电流双闭环不可逆直流调速系统设计第21页共27页图32双闭环直流调速系统动态结构框图为了分析双闭环调速系统的特性，在转速调节器和速度调节器的输出端设置一个限幅值，限幅值的大小可以根据所选的运算放大器的输入电压的大小来选定，本设计选取的限幅值为13V。根据动态模型图以及计算参数，用MATLAB/SIMULINK进行仿真，主要是仿真电动机的输出转速。但是通过仿真得到的转速超调量很大，不满足设计的估计值，原因可能是还有一些因素没有考虑到，比如电动机的数学模型是理想化的，应该有其他的因素影响，这是设计中没有考虑到的，而且计算得到的是近似值，通过的是工程设计方法，与实际还是有误差的。在仿真过程中发现整流电路的输出电压超过了最大计算值，所以在输出端也加个限幅值。通过仿真发现仿真的转速超调量大于设定值，所以在仿真中通过调节转速微分负反馈环节来抑制超调。并在5秒时加入扰动。最终得到的转速仿真图形附件图转速电流双闭环不可逆直流调速系统设计第22页共27页（3）从图33可以很明显的看出转速的起动和扰动的现象。从仿真得到的转速曲线图中可以得出转速超调量为167，基本满足设计的要求，但是与设定值相比还是有误差。在09秒的时候，转速达到一个稳定值，系统无静差运行，其中在5秒的时候输入一个负载扰动量，在51秒的时候扰动消失，速降DLI达到了，过了04秒之后转速又达到稳定值。从图中可以看出，扰动40/MINR很快得到了调节，这是两个PI型调节器自动调节的作用。另外从图中也可以看到，系统是无静差运行的，符合设计的要求。从仿真的结果来看，得到这样结论1工程设计方法在推导过程中为了简化计算做了许多近似的处理,而这些简化处理必须在一定的条件下才能成立。例如将可控硅触发和整流环节近似地看作一阶惯性环节,设计电流环时不考虑反电势变化的影响将小时间常数当作小参数近似地合并处理设计转速环时将电流闭环从二阶振荡环节近似地等效为一阶惯性环节等。2仿真实验得到的结果也并不是和系统实际的调试结果完全相同,因为仿真实验在辨识过程中难免会产生模型参数的测量误差,而