晶闸管-直流电动机闭环-静差调速系统仿真设计

1、-作者xxxx-日期xxxx晶闸管-直流电动机闭环-静差调速系统仿真设计【精品文档】 晶闸管-直流电动机闭环-静差调速系统仿真设计内容提要： 直流电动机具有调速性能好，启动转矩大，易于在大范围内平滑调速等优点，其调速控制系统历来在工业控制中占有极其重要的地位。随着电力技术的发展，特别是晶闸管等器件问世以后，只需对电枢回路进行控制，相对比较简单，特别是在高精度位置伺服控制系统、在调速性能要求高或要求大转矩的场所，直流电动机仍然被广泛采用，直流调速控制系统中最典型一种调速系统就是速度。关键词：调节器 最优模型 闭环负反馈 静差 KEIL目 录1绪 论 11.1直流调速系统概述 12 单闭环控制的直

2、流调速系统简介22.1 VM系统简介22.2转速控制闭环调速系统的调速指标22.3闭环调速系统的组成及静特性32.4反馈控制规律42.5主要部件52.5.1 比例放大器52.5.2 比例积分放大器52.5.3额定励磁下直流电动机 72.6稳定条件82.7稳态抗扰误差分析83 单闭环直流调速系统的设计及仿真113.1参数设计及计算113.1.1参数给出 113.1.2 参数计算 113.2有静差调速系统123.2.1有静差调速系统的仿真模型123.2.2主要元件的参数设置133.2.3仿真结果及分析133.2.4 动态稳定的判断，校正和仿真14【精品文档】1绪 论从生产机械要求控制的物理量来看，

3、电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统、张力控制系统等多种类型，而各种系统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拖动控制系统。相比于交流调速系统，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟。直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在20世纪60年代发展起来的电力电子技术，使电能可以变换和控制，产生了现代各种高效、节能的新型电源和交直流调速装置，为工业生产，交通运输，楼宇、办公、家庭自动化提供了现代化的高新技术，提高了生产效率和人们的生活质量，使人类社会生产、生活发生了巨大的变化。随着新型电力电子器件的研究和开发以及先进控制技术的发展，电力电子和电力拖动控制装置的性能

4、也不断优化和提高，这种变化的影响将越来越大。2 单闭环控制的直流调速系统简介2.1 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

5、的余量。图1 VM系统调速指标1调速范围 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，用字母D表示，即其中和一般都指电机额定负载时的转速。2静差率 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s，即静差率用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度。它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度越高。 调速范围和静差率两项指标并不是彼此孤立的必须同时提才有意义。脱离了对静差率的要求，任何调速系统都可以得到极高的调速范围；反过来，脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了。3调速范围、静差率和额定速降的关系以电

6、动机的额定转速为最高转速，若带额定负载时的转速降落为，则该系统的静差率应该是最低速时的静差，即于是，而调速范围为将上面的式代入，得上式即为调速范围、静差和额定速降之间所应满足的关系。对于一个调速系统，它的特性硬度或值是一定的，如果对静差率的要求越严，也就是s越小，系统能够允许的调速范围也越小。转速反馈控制的闭环调速系统，其原理如图。图2 采用转速负反馈的闭环调速系统1忽略各种非线性因素，假定各环节输入输出都是线性的；2假定只工作在VM系统开环机械特性的连续段；3忽略直流电源和电位器的内阻。电压比较环节：放大器：晶闸管整流与触发装置：VM系统开环机械特性：测速发电机：放大器的电压放大系数；晶闸管

7、整流器与触发装置的电压放大系数；测速反馈系数，单位为Vmin/r;因此转速负反馈闭环调速系统的静特性方程式式中为闭环系统的开环放大系数，这里是以作为电动机环节的放大系数的。静特性：闭环调速系统的电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系。根据各环节的稳态关系画出闭环系统的稳态结构图，如图3所示： 图3 转速负反馈闭环调速系统稳态结构图从上面分析可以看出，闭环系统的开环放大系数K值对系统的稳定性影响很大，K越大，静特性就越硬，稳态速降越小，在一定静差率要求下的调速范围越广。总之K越大，稳态性能就越好。然而，只要所设置的放大器仅仅是一个比例放大器，稳态速差只能减小，但不能消除，因为闭环系统的稳态速降

8、为只有K=才能使，而这是不可能的。 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4，为放大器的输入和输出电压，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。 放大系数为图4 P调节器原理图 图5 P调节器输出特性 比例积分放大器在定性分析控制系统的性能时，通常将伯德图分成高、中、低三个频段，频段的界限是大致的。图6为一种典型伯德图的对数幅频特性。一般的调速系统要求以稳和准为主，对快速性要求不高，所以常用PI调节器。采用运算放大器的PI调节器如图7。 图6 典型控制系统的伯德图 图7 比例积分（PI）调节器PI调节器的传递函数为PI调节器比例放大部分的放大系统；P

9、I调节器的积分时间常数。此传递函数也可以写成如下的形式式中PI调节器的超前时间常数。反映系统性能的伯德图特征有以下四个方面：1.中频段以 -20dB/dec的斜率穿越零分贝线，而且这一斜率占有足够的频带宽度，则系统的稳定性好；2.截止频率越高，则系统的快速性越好；3.频段的斜率陡、增益高，表示系统的稳态精度好（即静差率小，调速范围宽）；4.频段衰减得越快，即高频特性负分贝值越低，说明系统抗高频噪声的能力越强。用来衡量最小相位系统稳定程度的指标是相角裕度和以分贝表示的幅值裕度Lg。稳定裕度能间接的反映系统动态过程的平稳性，稳定裕度大意味着振荡弱、超调小。在零初始状态和阶跃输入下，PI调节器输出电

10、压的时间特性如图8： 图8 阶跃输入时PI调节器的输出特性 图9 PI校正装置在原始系统上 添加部分的对数幅频性 将P调节器换成PI调节器，在原始系统上新添加部分的传递函数为其对数幅频特性如图9所示。 由图8可以看出比例积分的物理意义。在突加输入电压时，输出电压突跳到，以保证一定的快速控制作用。但是小于稳态性能指标所要求的比例放大系数的，因为快速性被压低了，换来稳定性的保证。作为控制器，比例积分调节器兼顾了快速响应和消除静差两方面的要求；作为校正装置，它又能提高系统的稳定性。额定励磁下直流电动机（主电路，假定电流连续）（额定励磁下的感应电动势）（牛顿动力学定律，忽略粘性摩擦）（额定励磁下的电磁

11、转矩）式中 包括电机空载转矩在内的负载转矩，单位为Nm；电力拖动系统运动部分折算到电机轴上的飞轮力矩，单位为；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：电枢回路电磁时间常数，单位为s；电力拖动系统机电时间常数，单位为；得电压与电流间的传递函数电流与电动势间的传递函数为额定励磁下直流电动机的动态结构图如下：图10 额定励磁下直流电动机的动态结构图反馈控制闭环调速系统的特征方程为稳定条件为整理后得上式右边称作系统的临界放大系统，K值超出此值，系统就不稳定。根据上面的分析可知，可能出现系统的临界放大系数都比系统稳态时的比放大系数小，不能同时满足稳态性能指标，又保证稳定和稳定裕度

12、。为此必须再设计合适的校正装置，以改造系统，才能达到要求。采用比例调节器的闭环控制有静差调速系统的动态结构图如图11。当时，只扰动输入量，这时的输出量即为负载扰动引起的转速偏差n，可将动态结构图改画的形式如图12。图11采用比例调节器的闭环有静差 图12 给定为0时采用比例调节器的调速系统结构图的一般情况 闭环有静差调速系统结构图负载扰动引起的稳态速差：这和静特性分析的结果是完全一致的。将图12比例调节器换成积分调节器如图13突加负载时，于是负载扰动引起的稳态速差为可见，积分控制的调速系统是无静差的。用比例积分调节器控制的闭环调速系统的动态结构如图14。 图13 给定为0时采用积分调节器图 图

13、14 给定为0时采用比例积分调节器的闭环调速系统结构图 的闭环调速系统工程结构图则稳态速差为因此，比例积分控制的系统也是无静差调速系统。上述分析表明，就稳态抗扰性能来说，比例控制系统有静差，而积分控制和比例积分控制系统都没有静差。显然，只要调节器中有积分成份，系统就是无静差的。只要在控制系统的前向通道上在扰动作用点以前含有积分环节，则外扰动便不会引起稳态误差。3 单闭环直流调速系统的设计及仿真参数给出1.电动机：额定数据为10kW,220V,52A,1460r/min,电枢电阻，飞轮力矩GD2=10Nm2。 2.晶闸管装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器Y/Y联结，二次电压=230V，触发整

14、流环节的放大系数=40。3.VM系统主电路总电阻4.测速发电机：永磁式，ZYS231/110型；额定数据为23.1W,110V,0.18A,1800r/min。D=10，静差率s5%. 参数计算根据以上数据和稳态要求计算参数如下：D=10，s5%，额定负载时调速系统的稳态速降为，求出系统的开环放大系数式中 测速反馈系数包含测速发电机的电动势转速比和电位器的分压系数，即=根据测速发电机数据，试取，如测速发电机与主电动机直接联接，则在电动机最高转速成1460r/min下，反馈电压为相应的最大给定电压约需用18V。若直流稳压电源为20V，可以满足需要，因此所取的值是合适的。于是，测速反馈系数为电位器

15、的选择方法如下：考虑测速发电机输出最高电压时，其电流约为额定值的确20%，这样，测速机电枢压降对检测信号的线性度影响较小，于是此时所消耗的功率为为了使电位器温度不是很高，实选瓦数应为消耗功率的一倍以上，故选为10W，3k的可调电位器。实取按运算放大器参数，取则 有静差调速系统的仿真模型根据系统稳态结构图(如图3),选择仿真模块：使用constant模块作为转速给定电压，ramp模块作为负载扰动，并用staturation模块限幅，选择Gain模块作为传递函数模块，sum模块作为信号综合点，最后加上示波器。由此建立有静差调速系统的数学模型，并用KILE软件对系统进行仿真（注意：在接线时，如果出现

16、错误，提示颜色为红色）。图15 有静差调速系统主要元件的参数设置由于触发装置GT的控制电压是由给定电压和反馈电压的差经过放大器后产生的，所以二者的差不会很大，于是取，即常量值（constant value）设为18。采用斜坡函数，并加上staturation模块作为限幅。在电路图的Simulink 菜单选项中，选择Simulintion Parameter 中。仿真结果及分析1.Kp的值不同时其输出特性如图16所示，a)为，b）为。 (1） (2）图16 有静差调速系统的稳态特性 上图转速 下图负载电流(1)图中转速为1449.75r/min，随着负载电流的增加，转速有所下降，在0.63s时，

17、电流达到额定值52A，这时的转速降为1442.5r/min，系统的转速降为n=1449.75r/min-1442.5r/min=7.25r/min。(2)图中为时系统的特性，从转速曲线可以看到，随着放大倍数的增加，系统的转速降减小，静特性的硬度增加，抗负载能力提高。2.不同给定值下系统的输出稳态特性，如图17。(1）为，转速降为n=1449.75r/min-1442.5r/min=7.25r/min。(2)为,转速降为n=1433.75-1426.25r/min=7.6r/min。通过对比可以得出，单闭环调速系统具有很好的跟随特性。 (1） (2）图17 有静差调速系统不同给定作用时的稳态输出特性 动态稳定的判断，校正和仿真按保证最小电流时电流连续的条件(三相桥