直流电机拖动系统概述

1、1. 直流电拖动系统概述机直流电动机在电力拖动系统中具有两个突出优点。首先直流电动机具有良好的启动、制动性能、调速性能和控制性能，这个优点使直流电动机运动控制系统（简称直流调速系统）在需要调速的高性能电力拖动中得到广泛的应用。另外，它的电枢电压、电枢电力、电枢回路电阻、电机输出转矩、电机转速等各参数、变量之间的关系几乎都是近似的线性函数关系，这使直流电动机的数学模型较为简单、准确、相应地使得直流调速控制系统的分析、计算及设计也较为容易，且经过较长时间的实践，直流拖动控制系统在理论和实践上都比较成熟、经典，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是及交流调速控制系统的基础。但常规的意义的直流电动机也具

2、有它不可克服的缺点-带有机械换向装置，即有换向器和电刷，运行时会产生火花和电磁干扰，电刷易磨损需维护、更换；而交流电动机则不存在机械换向的问题。2. 单闭环直流调速系统3. 双闭环直流调速系统在许多工程实践中，有一些生产机械由于生产工艺的要求，要求电机经常处于启动，制动的工作状态，其速度图多为梯形或三角形。这类生产机械要求电机经常过载或堵转，例如，往返运动的龙门刨床，可逆轧钢机等。这类机械要求尽量缩短启、制动过程的时间，来提高生存率。为此，要求电机在最大允许电流和转矩条件下，充分利用电机的过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度启动，达到稳态

3、转速时，立即让电流减下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想启动过程中，启动电流呈方波型，转速按线性增长。这是在最大的电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的启动过程。 如图1。 图13.1 双闭环直流调速系统的基本构成双闭环直流调速系统是指含有：转速负反馈，实现转速的无静差调节；电流负反馈环，使系统在充分利用电动机过载能力的条件下获得最佳过度过程。在单闭环控制系统中，一个调节器的动态参数无法保证两种调节器过程同时具有良好的动态品质。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，用转速调节器（ASR）调节转速，用电流调节器（ACR）调节电流，二者之间串

4、级连接。转速调节器的输出作为电流调节器的给定信号输入，电流调节器的输出去控制电力电子变换器（UPE）从闭环机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。 如图2。 图23.2 双闭环控制系统起动过程分析前面已经指出，设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要先探讨它的起动过程。双闭环调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图4所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分为三个阶段，在图中表以、和。第阶段：0t1是电流上升

5、阶段。突加给定电压后，通过两个调节器的控制作用，使、都上升，当后，电动机开始转动。由于机电惯性的作用，转速的增长不会太快，因而ASR的输入偏差电压数值较大并使其输出达到饱和值，强迫电流迅速上升。当时，电流调节器ACR的作用使不再迅速增加，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。图3 双闭环调速系统起动时的转速和电流波形第阶段：t1t2是恒流加速阶段。这一阶段是起动过程的主要阶段。在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒流给定作用下的电流调节系统，基本上保持电流恒定（电流可能超调，也可能不超调，

6、取决于ACR的参数），因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增加。又，n，这样才能保持=cont。由于ACR是PI调节器，要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，应略低于。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中电流调节器是不能饱和的，同时整流装置的最大电流也须留有余地，即晶闸管装置也不应饱和，这都是设计中必须注意的。第阶段：t2以后是转速调节阶段。此时，但由于积分作用，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速必超调。当时，使ASR退出饱和状态，其输出电压即ACR的给定电压迅速下降，也迅速下降。但由于，在一段时间内，转速仍继续增加。当时，n达到最大值

7、（t3时刻）。此后，电动机在负载的阻力下减速，与此相应，电流也出现一段小与的过程，直到稳定。在这最后的转速调节阶段内，ASR与ACR都不饱和，同时起调节作用。由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则是力图使尽快地跟随ASR的输出量，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。总上所述，双闭环调速系统的起动过程有三个特点：l 饱和非线性。在不同情况下表现为不同结构的线性系统。l 准时间最优控制。阶段属于电流受限制条件下的最短时间控制。采用饱和非线性控制方法实现准时间最优控制是一种很有使用价值的控制策略，在各种多环系统中普遍地得到应用。l 转速必超调。按照PI调节器的特性，只有转速超调，

8、ASR的输入偏差电压为负值，才能使ASR退饱和。这就是说，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速必超调4. 双闭环直流调速系统的工程设计双闭环直流调速系统的工程设计，主要包括确定预期典型系统，选择调节器形式等。设计结果应满足生产机械工艺要求提出的静态与动态性能指标。可以借助伯德图设计，经过反复试凑，才能确定调节器的特性，从而选定其结构并计算参数。工程设计的方法实际上是一种经验性的方法，需要有一定的经验和熟练的设计技巧。 现代的电力拖动自动控制系统系统中，除电机的惯性较大外，其余部分的惯性很小。经过合理的简化处理，整个系统一般都可以近似为低阶系统，并从中找出少数典型系统作为工程设计的基础。工程上通

9、常选用下述两种典型系统如闭环二阶典型系统和闭环三阶典型系统。事先对这两种典型系统做比较深入的研究，把它们的开环对数频率特性当做预期的特性，弄清楚它们的参数与系统性能指标的关系，写成简单的公式或制成简明的图表。则在设计时，只要把实际系统校正或简化成典型系统，就可以利用现成的公式和图表来进行参数计算，设计过程就要简便得多，在工程实践汇总得到了广泛的应用。之所以选定这两种系统作为典型系统，是因为这两种系统结构简单，便于工程上实现，而且在不是相当高的要求下，完全能够满足工程设计的需要。工程设计的主要步骤是根据被控对象和要求，确定预期的典型系统，根据典型系统选择调节器形成和最佳参数，并以此计算系统电路参

10、数。 如果系统要求更精确的动态性能，可参考“模型系统法”.对于复杂的不可能简化成典型系统的情况，可采用高阶系统或多变量系统的计算机辅助分析和设计。实际控制系统对于各种动态指标的要求各有不同。一般来说，调速来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标则以跟随性能为主。在电力拖动自动控制系统中，采用工程设计方法设计调节器时，应该首先根据控制系统的要求，确定要校正成哪一类典型系统。大部分控制对象配以适当的调节器，就可以校正成典型系统，但也有些实际系统不可能简单地校正成典型系统的形式，这就需求经过近似处理，才能使用上述的工程设计方法。4.1 电源设计该模块的主要功能是为转速给定电路提供

11、电源，众所周知，电源是一切电路的心脏，其性能在很大程度上影响着整个电路的性能。为使系统很好的工作，本文特设计一款±15V的直流稳压电源供电，其电路图如图3.5所示。直流稳压电源主要由两部分组成：整流电路和滤波电路。整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导通作用，因此二极管是组成整流电路的关键元件。在小功率（1KW）整流电路中，常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。本设计采用桥式整流电路，其主要特点如下：输出电压高，纹波电压小，管子所承受的最大反向电压较低，电源变压器充分利用，效率高。 图3.5 ±15V电源电路原理图滤波电路

12、用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两侧并联电容器；或在整流电路输出端与负载间串联电感L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。4.2 控制电路的设计本控制系统采用转速、电流双闭环结构，其原理图如图3.6所示。 图3.6 双环调速系统原理图为了获得良好的静动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI 调节器。图4.7中标出了两个调节器的输入输出的实际极性，他们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图3.7为双闭环调速系统的稳态结构图。图3.8为双闭环调速系统的稳态结构图。ACR和ASR的输入、输出信号的极性，主要视

13、触发电路对控制电压的要求而定。若触发器要求ACR的输出Uct为正极性，由于调节器一般为反向输入，则要求ACR的输入Ui*为负极性，所以，要求ASR输入的给定电压Un*为正极性。本文基于这种思想进行ASR和ACR设计。4.3 调节器结构的选择。确定了要采用哪一种典型系统之后，选择调节器的方法就是把控制对象与调节器的传递函数相乘，匹配成典型系统。有时仅靠P,I,PI,PD和PID.几种调节器都不能满足要求，就不得不做一些近似处理，或者采用更为先进的控制规律.传递函数的近似处理。有时仅仅通过调节器的选择还不能校正成哪一类典型.此时可先对控制对象的传递函数做近似处理，再与调节器的传递函数配成典型系统的

14、形式处理。有时仅仅通过调节器的选择还不能校正成哪一类典型此时可先对控制对象的传递函数做近似处理，再与调节器的传递函数配成典型系统的形式。5. 双闭环直流调速系统工程设计举例设待分析的直流电机为双闭环直流调速系统，具体参数为， , ,，,无静差。电流过载倍数，电流超调量，电流反馈系数，.转速反馈系数：，晶闸管装置放大系数：；设计要求：静态指标：无静差；动态指标：电流超调量，空载起动到额定转速时的转速超调量在设计双闭环调速系统时，一般是先内环后外环，调节器的结构和参数取决于稳态精度和动态校正的要求，双闭环调速系统动态校正的设计与调试都是按先内环后外环的顺序进行，在动态过程中可以认为外环对内环几乎无

15、影响，而内环则是外环的一个组成环节3。由于典型型系统的跟随性能由于典型型系统，而典型型系统的抗扰性能优于典型型系统，因此一般来说，从快速启动系统的要求出发，可按典型型系统设计电流环；由于要求转速无静差，转速环应按典型型系统设计。工程设计法是建立在频率特性理论基础上的，只需将典型系统和典型系统的开环频率特性作为调速系统仅有的两种预期特性。工程设计的步骤如下：l 对已知系统的固有特性做恰当的变换和近似处理，以简化调节器结构。l 根据具体情况选定预期特性，即典型系统或典型系统，并按照零极点相消的原则，确定串联调节器的类型。l 根据要求的性能指标，确定调节器的有关P、I、D参数。l 画出相应的调节器参

16、数，并确定有关RC网络参数。l 校验。5.1 电流环的设计5.1.1 确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数。=0.0017s（2）电流滤波时间常数，=0.002s（3）电流环小时间常数。按小时间常数近似处理，取5.1.2 确定将电流环设计成何种典型系统根据设计要求，而且，因此，电流环可按典型型系统设计。5.1.3 电流调节器的结构选择电流调节器选用PI型，其传递函数为：5.1.4 选择电流调节器参数ACR超前时间常数：；电流环开环增益：因为要求，故应取，因此于是，ACR的比例系数为.005。所以电流调节器的传递函数为5.1.5 计算电流调节器的电路参数电流调节器原理如图4所示，按所用运算放大

17、器，取，各电阻和图4 电流调节器原理图电容值计算如下：，取；，取； ，取5.2 转速环的设计5.2.1. 确定时间常数（1）电流环等效时间常数为；（2）转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取；（3）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取。5.2.2. 确定将转速环设计成何种典型系统由于设计要求转速无静差，转速调节器必须含有积分环节；有根据动态设计要求，应按典型型系统设计转速环。5.3.3 转速调节器的结构选择转速调节器选用PI型，其传递函数为：5.3.4 选择转速调节器参数按跟随和抗绕性能都较好的原则取h=5，则ASR超前时间常数：；转速开环增益：；于是ASR的比例系数为：。转速

18、调节器也选用PI型，其传递函数为5.3.5 计算转速调节器的电路参数转速调节器原理图如图5所示，按所用运算放大器，取，各电阻图5 转速调节器原理图和电容值计算如下：，取；，取；，取。6. 双闭环调速系统在Simulink环境下的仿真4系统调试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4.1所

19、示。 图4.1 系统仿真结构图在仿真过程中，Matlab设置很多不同的算法，而不同的算法，对仿真出来波形影响很大。对于用数值方法求解常系数微分方程(Ordinary Differential Equation,简写为ODE)或微分方程组，MATLAB提供了七种解函数，最常用的是ODE45。ode45可用于求解一般的微分方程，他采用四阶、五阶龙格-库塔法。仿真结果如图4.2-4.3所示。电流输出图电压输出图5 结论 双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态启动时，转速和电流的动态过程如仿真图4.2所示。由于在启动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶

20、段和转速调节阶段。从启动时间上看，第二阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速启动，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，就是转速必超调。在双闭环调速系统中，ASR的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态是无静差，其输出限幅决定允许的最大电流。ACR的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压的波动。通过仿真可知：启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随电流外环调节电

21、机的电枢电流以平衡负载电流。6总结与体会 经过这次的课程设计，不仅在书上学到的知识得到了巩固，而且还在设计过程中拓展了其他没有学过的知识。这次的课程设计经历了将近一个暑假，从查找资料，到确定方案，最后再到用软件仿真，我们组都团结协作，互相帮助，并且得到老师的关怀。我们以前学习的知识都渐渐离我们远去，甚至不知道、不清楚哪些知识该用到哪些地方，什么时候用。学校安排了这次课程设计，通过自己查找资料，了解情况，让我们清楚我们学的知识与现实工业生产之间的联系，使得我们对知识深刻的了解和巩固。与此同时，在团队的协作中使我们在与人共事之中学会交流学会合作。因为在今后的工作中一个人独立完成不与别人合作，是基本

22、不可能的，所以在这次课程设计中也锻炼了我们的团队的协作精神，为今后的学习和工作积累了经验，是一笔难得的财富。参考文献1姚舜才，温志明，黄刚 . 编著 .运动控制系统分析与应用 .北京：国防工业出版社，2008.63752王划一 . 主编 .自动控制原理 . 北京：国防工业出版社，2006.8163林红，周鑫霞 . 主编 .电子技术 .北京：清华大学出版社，2008.2492614邱关原，罗先觉 .电路 .北京：高等教育出版社，2006.3403725王远，张玉平 .模拟电子技术基础 .北京：机械工业出版社，2007.891146阎石.主编. 数字电子技术基础 .北京：高等教育出版社，1998.18521