直流调速系统的设计全解

1、直流调速系统的设计摘 要： 本设计从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统 的数学模型，而且详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。利用MATLAB对系统进行了各种参数给定下的仿真， 之后按照自动控制原理， 对双闭环调速系统 的设计参数进行分析和计算，通过仿真获得了参数整定的依据。速度和电流双闭环直流调速系统具有良好的性能，最广泛使用的直流马达， 转速，电流双闭环直流调速系统的静态和动态的速度商品的特定质量调节特性。 速度和电流双闭环直流调速系统的控制律， 性能特点以及交流和直流电源驱动的 自动化控制系统的设计方法品种的重要基础。 首先，应该有速度和电流双闭环直 流调速系统的基本组

2、成部分及其静态特性 ;然后，在动态模型的系统从一开始免 疫的基础上，建立和它的性能和速度的两个方面与目前的两个监管机构的作用， 三是工程设计方法的基本调节， 古典控制理论， 动态校正方法， 推导出了设计方 法，即计算简单的优点，方便，易于掌握 ;第四，应用工程解决方案，以两环速 度控制两个监管系统的设计，等等。关键词： 直流调速 动态模型 MATLABAbstract:T his design from the working principle of DC motor with established the mathematical model of the double closed l

3、oop DC speed control system, and the system principle and the static and dynamic performance in detail. Using MATLAB to simulate system under various parameters of a given. After according to automatic control theory, the design parameters of double closed loop speed regulation system were analysis

4、and calculation, is obtained through the simulation of the parameter tuning of the basis.Speed and current double closed loop DC speed control system has good performance and is the most widely used of the DC motor, speed, current double closed loop DC speed control system of static and dynamic spee

5、d commodity specific quality regulation characteristics. The control law for the speed and current double closed loop DC speed control system, performance and characteristic of AC and DC power driven automation control system design method of varieties. First of all, it should be a basic part of the

6、 speed and current double closed loop DC speed control system and the static characteristic of; then, in the dynamic model of the system from the start immune based, establishment and its performance and speed of the two aspects and the two And the role of the regulators, and the third is the engine

7、ering design method of the basic regulation, the classical control theory, dynamic correction method, deduces the design method, that is, to calculate the advantages of simple, convenient, easy to master; the fourth, application engineering solutions, to two loop speed control of two regulatory syst

8、em design, and so on.Keywords:D C speed regulation dynamic model MATLAB1 前言直流传动具有良好的调速特性和转矩控制性能， 在工业生产中应用较早并沿 用至今。早期直流传动采用有接点控制， 通过开关设备切换直流电动机电枢或磁 场回路电阻实现有级调速。 1930 年以后出现电机放大器控制的旋转交流机组供 电给直流电动机（由交流电动机 M 和直流发电机 G 构成，简称 GM 系统）， 以后又出现了磁放大器和汞弧整流器供电等，大规模集成电路和计算机控制技 术，随着电力电子和电子技术， 实现了直流传动的无接点控制。 由直流电动机的 速

9、度和输入电压的使用特点已通过调整直流电流或汞弧整流器触发阶段获得可 变直流电压供电的直流电动机， 所以容易实现速度之间的激励原理简单的比例关 系。然而，这种方式后来州长可控整流直流电源供应速度控制系统所取代， 已不 再使用。可控硅 1957 年后，直流驱动系统的快速性， 可靠性和经济性不断提高， 在 20 世纪，作为一个主流高速传输很长一段时间。今天是逐步推广计算机控制 的全数字直流调速精度高， 速度控制控制系统的使用范围广泛， 代表了直流电气 传动的发展方向。之所以多年后的直流驱动器， 工业生产的发展仍然被广泛使用， 关键是一个简单的手段来实现高性能。 例如，该系统稳定的速度最高为每万件稳

10、速精度， 宽转速 1:1 万或更多的速比控制系统数万， 快速响应系统响应时间缩短 到几毫秒或更少。2 直流调速系统直流调速系统是人为或自动改变直流电动机达到所需的机械的工作速度。 从 机械性能角度来看， 那个或通过改变外加电压电机的参数等方法来改变电动机的机械性能，从而改变的力学性能和电机的工作特性是力学性能的交集电机的速度 变化的稳定运行。2.1 直流调速系统的调速原理一个速度的任何设备控制的需要， 对生产过程的控制性能有一定要求。 例如， 精密机床的加工精度要求几十微米到数微米 ;重型机床进给机构要求的速度，最 高和最低差近 300 倍宽的范围；初轧机轧辊的几千千瓦的电动机容量不有 1 的

11、 时间来完成从现在的进程，扭转。第二；高速纸机造纸速度 1000m/min ，需要 稳定的速度误差小于 0.01 。作为一个设计系统的基础上，所有这些要求，可 以转化为运动控制系统的静态和动态指标。直流电动机具有良好的效果， 制动性能， 适当的速度平稳广泛， 电力拖动自 动控制系统有调速系统、位置随动系统（伺服系统）、张力控制系统、多电机同 步控制系统等多种类型， 是一个电气传动自动化与控制系统更普遍的应用。 这是 在理论上，实践，比较成熟，但也从闭环控制的角度是，它也是外汇管理制度的 基础。从生产机械要求控制的物理量来看，由可控硅所以直流电机（ VM ）中的直 流调速控制系统组成， 各种系统

12、往往都是通过控制转速来实现的， 因此，调速系 统是最基本的电力拖动控制系统。直流电动机的转速和其它参量的关系和用式 （ 31）表示：31)U I R nKe式中 n电动机转速；U电枢供电电压；R电枢回路总电阻；I电枢电流；Ke由电机机构决定的电势系数。在上式中， Ke 是常数，电流 I 是由负载决定的，因此，调节电动机的转速可 以有三种方法：（1）减弱励磁磁通 ；（2）改变电枢回路电阻 R；（3）调节电枢供电电压 U。 在为所需的顺利无级调速控制系统， 例如一定范围内， 以规范的方式， 最好 的电枢电压。抵制变革的速度只能达到调整， 超过了小范围的弱磁励磁磁通减少， 即使它可以平稳速度控制，

13、但往往只是与监管方案的速度范围小， 在基本速度（额 定转速），升速度。因此，直流电机调速自动控制趋于改变主电压。2.2 电流、转速双闭环直流调速系统的理论分析2.2.1双闭环调速的工作过程和原理速度调节器的输出作为电流参考电压到电流调节器， 然后才等于最大电流上 升时间对于一个不断给定的电机电流最大速度值的最大启动。 两者之间实行嵌套 连接，电机最大电流 （堵转电流） 可以通过设置调整的变化幅度的输出速度的限 制。在电机转速达到给定的速度， 速度控制器的输入错误信号减少到接近零， 速 度调节器和电流调节器饱和退出， 闭环发挥调节。电流调节器来修复触发相电压， 整流输出直流电压和电机速度校正偏差

14、补偿相应的修改时间。另一个很小的常 数，而且还因为功率电机电枢电流调节电流调节器的快速变化波动的时候， 一直 没有时间在改变电机转速， 从而使电流恢复到原来的价值， 所以我们的速度更良 好稳定的速度运行。2.2.2双闭环直流调速系统的组成及其静特性为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用， 在此则以给定值的电流调节器 输出信号的转变，在直流电压和电流的快速增加，可在系统中设置两个调节器， 分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。如图 2.1 所示。把 转速调节器的输出当作电流调节器的输入， 速度由负载引起的波动， 速度控制器 的输入信号将产生错误随时由速度调节器， 再用电流调节器的

15、输出去控制电力电 子变换器 UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称 作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 一、双闭环直流调速系统的组成图 2.1 转速、电流双闭环直流调速系统其中： ASR转速调节器， ACR电流调节器， TG测速发电机， TA电流 互感器， UPE电力电子变换器， Un 转速给定电压， Un转速反馈电压， Ui 电流给定电压， Ui 电流反馈电压。 二、双闭环直流调速系统的静特性分析静态特性分析，关键是掌握稳定状态 PI 调节器的特点，所以一般有两个条 件：饱和 -限制输出幅度，不饱和 -输出幅度不符合限制。当调整饱和度，输出 是恒定值， 输

16、入变化没有影响输出， 除非有一个反向输入信号， 在退出饱和度调 节，换句话说， 监管机构暂时切断饱和输入和输出连接调整环相当于开环。 当不 饱和稳压器， PI 的失调电压 U 输入的作用是在稳定状态下的总零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静 特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。图 2.2 双闭环直流调速系统的稳态结构框图 1转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此，U n Unnn0（ 35）Ui UiId（ 3 6 ）由第一个关系式可得：Unn n n0（ 3 7）从而得到图 2.2 所示静特性曲线的 CA

17、段。与此同时，由于 ASR不饱和， Ui Uim 可知 Id Idm ，这就是说， CA段特性从理想空载状态的 Id=0一直延续 到 Id Idm 。而 Idm ，一般都是大于额定电流 Idm 的。这就是静特性的运行段， 它是一条水平的特性。2转速调节器饱和这时， ASR输出达到限幅值 Uim ，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统 不再产生影响。 双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调节系统。 稳态 时：I Uim II dIdm（ 3 8）其中，最大电流 Idm 取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加 速度，由上式可得静特性的 AB 段，它是一条垂直的特性。这样是下垂特性只

18、适 合于 n n0 的情况，因为如果 n n0 ,则Un U n ，ASR将退出饱和状态。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于 Idm 时表现为转速无静差，这时， 转速负反馈起主要的调节作用，但负载电流达到 Idm 时，对应于转速调节器的饱 和输出 Uim ，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到 过电流的自动保护。这就是采用了两个 PI 调节器分别形成内、外两个闭环的效 果。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，因此，静特性的两 段实际上都略有很小的静差，见图 2.3 中虚线。图 2.3 双闭环直流调速系统的静特性、各变量的稳态工作点和稳态参数计算由双闭环直流

19、调速系统的稳态结构图可知，双闭环调速系统在稳态工作时，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有以下关系：Un U n nn039)UcU i Ui IdIdl310)Ud0Ce n I d RCe U nI dl RKsKsKs311)上述关系表明，在稳态工作点上，转速 n 是由给定电压 Un*决定， ASR的输出量 Ui*是由负载电流 Idl 决定的，而控制电压 Uc的大小则同时取决于 n和 Id，或 者说，同时取决于 Un*和 Idl 。一体化的动态过程调节器的输入输出达到稳定状 态而定，输入为零时，输出的稳态值无关，与输入，但其需要所决定的后半部。 有价证券投资背后的需要调节提供多少产值，

20、它可以提供多少， 直至饱和，增长。 鉴于这一特点， 双闭环调速控制系统， 闭环稳态参数是一个单一的静态误差系统 的计算是完全不同的， 但与静态和非稳态计算系统的不同类似， 按照监管机构与 该反馈值给出的反馈系数。转速反馈系数：Unm/ nmax；电流反馈系数：Uim / Idm；两个给定电压的最大值 U nm 、 U im 由设计者给定，受运算放大器允许输入 电压和稳压电源的限制。2.3 双闭环直流调速系统的数学模型的建立双闭环直流调速系统数学模型的建立涉及到可控硅触发器和整流器的相关 内容，这里仅作简单介绍， 具体的内容将在第四章内加以说明。 全控式整流在稳 态下，触发器控制电压 Uct 与

21、整流输出电压 U a0的关系为：Ua0 AU2 cosU2 cos(KU ct )(312)其中： A整流器系数； U2 整流器输入交流电压； 整流器触发角； Uct 触发器移项控制电压； K触发器移项控制斜率；整流与触发关系为余弦， 工程中近似用线性环节代替触发与放大环节， 放大 系数为： K Ua0 /Uct绘制双闭环直流调速系统的动态结构框图如下：图 2.4 双闭环直流调速系统的动态结构框图2.4 调节器的设计方法2.4.1PI 调节器PI调节器的结构如下图所式：图 2.5 PI 调节器结构图由图可得：R1 Uin1Uindt K piUinininpi inR0 inR0C1inpi

22、inKpi：PI调节器比例部分的放大系数Uexin11 U indt316)：PI 调节器积分时间常数PI调节器的传递函数为： w K pi1ss2.4.2调节器的设计方法为了保证转速发生器的高精度和高可靠性， 系统采用转速变化率反馈和电流 反馈的双闭环电路主要考虑以下问题：1. 保证转速在设定后尽快达到稳速状态；2. 保证最优的稳定时间；3. 减小转速超调量。为了解决上述问题， 就必须对转速、 电流两个调节器的进行优化设计， 以满 足系统的需要。建立调节器工程设计方法所遵循的原则是：1. 概念清楚、易懂；2. 计算公式简明、好记；3. 不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向；4. 能

23、考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简明的计算公式；5. 适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。 直流调速系统调节器参数的工程设计包括确定典型系统、选择调节器类型、 计算调节器参数、计算调节器电路参数、校验等内容。在选择调节器结构时， 只采用少量的典型系统， 它的参数与系统性能指标的 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一下 就可以了，这样就使设计方法规范化，大大减少了设计工作量。2.5 电流环、速度环的设计2.5.1调节器的具体设计本设计为双闭环直流调速系统， 整流装置采用三相桥式全控整流电路基本数 据如下：1. 晶闸管装置放大系数： K s 302. 电

24、枢回路总电阻： R=0.183. 时间常数：电磁时间常数 Tl 0.012s机电时间常数 Tm 0.12s4. 调节器输入电阻 R0 20k设计指标：静态指标：无静差；动态指标：电流超调量 i% 5% ；空载起动到额定转速时的转速超调量n % 15% 。计算反馈关键参数：U12Uim120.026V / AIn 1.5 305U 15Unnnm 101500 0.015V /(r/min).电流环的设计1）确定时间常数整流装置滞后时间常数 Ts 0.0017s ；电流滤波时间常数 Toi 0.002s （三相桥式电路每个波头是时间是 3.3ms，为了基本滤平波头，应有（ 12） Toi 3.3

25、3ms，因此取 Toi 2ms 0.002s ） 电流环小时间常数之和按小时间常数近似处理 T i Ts Toi 0.0037s 。（Ts和Toi一般都比 Tl小得多，可以当作小惯性群近似地看作是一个惯性环节 ） （2）选择电流调节器结构根据设计要求： i% 5% ，且 Tl0.012 2.86 10 ，可按典型型设计i T i 0.0042 电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，所以把电流调节器设计成 PI 型的. 检查对电源电压的抗扰性能： Tl 0.012s 3.24 10T i 0.0037 s 由附录表二，各项指标可接受。（3）选择电流调节器的参数ACR 超 前 时 间 常 数 i

26、 Tl 0 . 0s1 ；2 电 流 环 开 环 时 间 增 益ACR的比例系数：Ki Ki iR 135.1 0.012 0.18 0.37 。 i i K s 30 0.026KiT0.5i0.50.0037 s=135.1s 14）校验近似条件电流环截止频率 ci Ki 135.1s 1 ，晶闸管装置传递函数近似条件：1ci 3Ts ，111 1 196.1 135.1 ，满足近似条件； 3TS 3 0.0017 S忽略反电动势对电流环影响的条件：为现ci 31TmTl3113 TsToi 3 0.0017 0.002511 161.69 s 1 ci ，满足近似条件。电流环可以达到的动

27、态指标为：.速度环的设计1）确定时间常数% 4.3% 5% ，也满足设计要求。电流环等效时间常数：1KI2T i 2 0.0037 0.0074 s79.06s 1 ci ，满足近似条件；0.12 0.0012 ci 小 时 间 常 数 近 似 处 理 条 件 ： ci 31 Ts1Toi ，转速环小时间常数近似处理：转速滤波时间常数： Ton 0.014sT n 2T i Ton 0.0074 0.014 0.0214 s。（2）选择转速调节器结构按跟随和抗扰性能都能较好的原则 ,在负载扰动点后已经有了一个积分环节 , 为了实现转速无静差 ,还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节 ,因此需要

28、由 设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型型系统 选用设计 PI 调 节器。典型型系统阶跃输入跟随性能指标见附录表三。（3）选择调节器的参数：n hT n 5 0.0214 0.107s转速开环增益：KNh12h2T2512 52 0.02142262.03s 2ASR的比例系数：Kn(h 1) CeTm2h RT n6 0.026 0.2 0.122 5 0.015 0.18 0.02146.48113 2T iTon4）近似校验电流环传递函数简化条件：5T1 i 5 0.10037 54.05s 1cn ，满足条件；K转速截止频率为： cn KN Kn n 262.03 0.107

29、s 1 28.03s 11转速环小时间常数近似处理条件：3 2 0.0037 0.014s 32.75s cn5）检验转速超调量当 h=5 时， n 37.6% ,不能满足要求 .按 ASR 退饱和的情况计算超调量：max% 81.2% ，nn ICdeR 3050.20.18 274.5r /min，满足设计要求3 双闭环直流调速系统仿真3.1 仿真模型由于本文只进行了理论性设计， 故在系统安装与调试阶段只对控制电路部分 进行了 MATLAB仿真，以分析直流电机的启动特性。采用 MATLAB中的 simulink 工具箱对系统在阶跃输入和负载扰动情况下的动态响应（主要为转速和电枢电 流）进行仿真。仿真可采用面向传递函数的仿真方法或面向电气系统原理结构图 的仿真方法，本文采用面向传递函数的仿真方法。系统仿真结构如图3.1 所示图 3.1 系统仿真结构图图 3.2 ASR 内部结构图图 3.3 ACR 内部结构图图 3.4 双闭环直流调速系统仿真结果3.2 动