双闭环直流电动机调速系统设计及MATLAB仿真

1、目录1、引言2二、初始条件：2三、设计要求：3四、设计根本思路3五、系统原理框图3六、双闭环调速系统的动态结构图4七、参数计算61 .有关参数的计算62 .电流环的设计63 .转速环的设计8七、双闭环直流不可逆调速系统线路图10.1.系统主电路图1.02触发电路1.1.3 .限制电路1.54 .转速调节器ASR设计165 .电流调节器ACR设计.166 .限幅电路的设计1.7.八、系统仿真1.7.1 .使用普通限幅器进行仿真.7.2 .积分输出加限幅环节仿真.9.3 .使用积分带限幅的PI调节器仿真2.九、总结24、设计目的1 .联系实际,对晶闸管-电动机直流调速系统进行综合性设计,加深对所学

2、?自动限制系统?课程的熟悉和理解,并掌握分析系统的方法.2 .熟悉自动限制系统中元部件及系统参数的计算方法.3 .培养灵活运用所学自动限制理论分析和解决实际系统中出现的各种问题的水平.4 .设计出符合要求的转速、电流双闭环直流调速系统,并通过设计正确掌握工程设计的方法.5 .掌握应用计算机对系统进行仿真的方法.、初始条件:1 .技术数据(1) 直流电机铭牌参数：Pn=90KW,Un=440V,In=220A,nN=1500r/min,电枢电阻Ra=0.088Q,允许过载倍数入=1.5;(2) 晶闸管整流触发装置：Rrec=0.032Q,Ks=45-48.(3) 系统主电路总电阻：R=0.12Q

3、(4) 电磁时间常数：T1=0.012s(5) 机电时间常数：Tm=0.1s(6) 电流反应滤波时间常数：Toi=0.0025s,转速率波时间常数：Ton=0.014s.(7) 额定转速时的给定电压：Unm=10V(8) 调节器饱和输出电压：10V2 .技术指标(1) 该调速系统能进行平滑的速度调节,负载电机不可逆运行,具有较宽的调速范围(D10),系统在工作范围内能稳定工作；(2) 系统静特性良好,无静差(静差率s2);(3) 动态性能指标：转速超调量6n8%,电流超调量6i5%,动态速降An08-10%,调速系统的过渡过程时间(调节时间)ts-E,V5又导通,V7、V8变为截止,脉冲消失.

4、脉冲宽度由C3反向充电时间常数R11XC3决定.(2)锯齿波形成和脉冲移相环节锯齿波的形成有自举式电路、恒流源电路等.在上图中由VI、RP2和R&R4等组成恒流源电路.电容C2的冲放电形成锯齿波,锯齿波通过V3组成的设计跟随器输出.锯齿波电压ue3直流限制电压uk、直流廉价电压up经电阻R6、R7、R8与V4基极b4连接,着三个电压叠加决定V4的基极电位ub4的大小,即限制V4的工作状态.Up的作用是为了确定uk=0时脉冲的初始相位.如感性伏在电流连续,三相全控桥(可逆系统)的脉冲初始相位应定在=90,可通过调节up与ue3叠加来实现,锯齿波过零变正点,即为脉冲产生的时刻,对应于=90,此时变

5、流器输出Ud=0.Uk与ue3叠加限制脉冲相位移动(up固定在某值),当uk0时,过零点N点向左移动,900,电路工作整流状态：当uk0时,N点向右移动,900电路工作于逆变状态.该电路要求锯齿波宽度大于180,如选240.(3)同步环节触发脉冲uG必须与主电路的电源同步.上图电路中,同步环节又由同步变压器TS和晶体管V2等组成.同步电压us经TS降压产生二次电压uTS来限制V2的导通与关断,从而限制C2的冲放电过程,V2截止时C2充电,V2导通是C2放电,这样就形成了锯齿波.正弦波uTS的一个周期内V2截止与导通各一次,对应锯齿波是一个周期,与主回路电源频率一样,到达同步的目的.锯齿波的宽度

6、由C1的充电时间常数R1C1决定.(4)强触发环节品闸管采用强触发可缩短开通时间,有利于改善用并联器件的动态均压和均流,增加触发的可靠性,强触发电路如下图.强触发的电源,由单相桥式整流电路获得50V电压.在V8截止时,C6充电,D点电位上升到50V.当V8导通时,C6迅速放电,D点电位迅速下降,uD15V时,VD15导通,由15V电源供电,V8截止后,C6由充电到uD=50V,为下一次触发做准备.(5)双窄脉冲形成环节第一个脉冲由本相触发电路的V4由截止变为导通时使V5截止而V7、V8导通所产生；第二个脉冲由滞后60.相位的后一个相触发电路产生其一个脉冲时将信号引至本想触发电路V6的基极,使其

7、截止,V7、V8又导通而产生.这样每一个触发电路一个周期能输出两个相隔60的窄脉冲.为预防脉冲互相干扰,参加VD4和R17.三相桥式全控整流电路,晶闸管的导通顺序为：VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6-VT1,彼此相隔60.为能准确产生双窄脉冲,图中的X和Y断应按图所示的顺序连接,即前相的触发电路的Y端接后相的X端3 .限制电路说明：转速调节器ASR调节转速,用电流调节器ACR调节电流.ASR与ACR之间实现审级连接,即以ASR的输出电压Ui作为电流调节器的电流给定信号,再用ACR的输出电压Uc作为晶闸管触发电路的移相限制电压.从闭环反应的结构上看,转速环在外面为外环,电流环在里面

8、为内环.为了获得良好的静.动态性能,转速和电流两个调节器都采用具有输入、输出限幅电路的PI调节器,且转速与电流都采用负反应闭环.4 .转速调节器ASR设计由参数计算过程可知,ASR采用PI调节.比例调节器响应快,但它使系统有静差；而积分调节器可以实现系统无检察,但响应慢.假设把比例、积分限制结合起来构成比例积分PI调节器,那么可以取长补短：作为限制器,它可以兼顾快速响应和消除静差两方面的要求：作为校正装置,它又能提升系统的稳定性.故所设计的转速调节器采用PI调节,如下列图所示.其中Un为转速给定电压,Ufn为转速反应电压.5 .电流调节器ACR设计与转速调节器的设计类似,电流调节器也采用PI调

9、节,充分利用了电动机的过载水平获得最快的动态响应,即最正确过渡过程.其电路图如图四所示,其中Ui为电流给定电压即ASR的输出电压,Ufi为电流反应值.6 .限幅电路的设计通常,调节器输出的限幅方法有三种,一种是采用二极管钳位的外限幅电路,一种是采用二极管钳位的负反应内限幅电路,第三种是采用晶体三极管负反应内限幅电路.在这里,我们采用第一种限幅方式,即二极管钳位的外限幅电路.电路图如图五所示,其中端接至调节器ASR或ACR的输出端UinRp1VD17sR1UoutOVD2Rp2+15VO-15V八、系统仿真1.使用普通限幅器进行仿真使用MATLAB的SIMULINK对双闭环调速系统进行动态函数分

10、析,其分析原理图如下:图中ASR限幅值为：上限10下限-130ACR限幅值为：上限100下限-100图中直流电动机的参数、晶闸管整流装置的参数、转速反应以及电流反应系数都是从设计要求中所得,而转速调节器ASR和电流调节器ACR是根据参数按工程设计法设计出来的.具体计算方法见本报告的参数计算.在双闭环直流调速系统的MATLAB仿真中,电流调节器限幅相对来说比拟简单.只要给出适宜的限幅值,采用任何一种限幅方式均不影响仿真结果,由于电机在整个起动过程中,电流调节器一直处于不饱和状态.而转速调节器在电机起动过程中,会经历不饱和、饱和及退饱和三个状态；转速调节器采用不同限幅方式,电机在突加阶跃给定空载起

11、动时会得到不同的转速和电流波形.由以上原理图可得出仅在PI调节器的输出端简单加一限幅环节时的起动转速波形和电流波形图转速波形图电流波形从上图可以看出,起动时转速超调量较大,振荡次数多,起动时间较长.这是由于速度调节器输出到达限幅值时,转速并未到达给定值,偏差均大于零,积分局部的输出一直在增加,这就可能使积分局部的输出到达很大的值.当转速达到期望值后,积分调节器的输出不能立即变小,而是需要经过一段时间使积分调节器的输出恢复到开始限幅瞬间的数值.在这段时间内调节器暂时调节功能.此仿真并不能到达题设要求,为此必须对ASR和ACR进行改正.2,积分输由加限幅环节仿真下列图给出在积分输出和调节器输出后均

12、加一限幅环节的Simulink仿真模型.在这一模型中,积分输出后,再加限幅环节,即积分环节和限幅环节分开图中ASR限幅值为：上限10下限-130ASR积分限幅值为：上限10下限-10ACR限幅值为：上限100下限-100ACR积分限幅值为：上限10下限-10从以上的原理图可得出转速和电流波形如下:从以上图可以看出,采用这种限幅方式时,电机受到扰动后,转速回不到原来的转速.这是由于电机起动时积分调节器的输出很快到达限幅值,由于输出的PI调节器仍维超调很小,所以在整个起动过程中,积分调节器也没能退出饱和,使得PI的输出一直保持在限幅值上.而当增加负载,速度降低,偏差增加,持在限幅值上,转速调节器不

13、起作用.所以受到扰动后,电机的转速回落不到原来的值.如果增加限幅值,又会使仿真结果如之前一样.为此须对积分环节再加以改变.3,使用积分带限幅的PI调节器仿真下列图给出了积分带限幅的PI调节器Simulink仿真模型.图中不仅把PI调节器的比例局部和积分局部分开,对PI调节器的输出设置上、下限幅,还要对积分设置上、下限幅.而且这种积分是积分环节本身所带的.在Simulink环境下,这种积分限幅的实现需要双击积分模块,在对话框中选中Limitoutput项,然后设置上、下限幅上图中ASR限幅值为：上限10下限-130ASR积分限幅值为：上限10下限-10ACR限幅值为：上限100下限-100ACR

14、积分限幅值为：上限10下限-10由上图可知,转速超调量较少符合要求,但发现电流上升过快,且相应的调节时间较长,而通过屡次试验发现调节ASR的限幅值可以改变调节时间,但这样将会使到最后电流过大.如下列图:上图中ASR限幅值为：上限40下限-130ASR积分限幅值为：上限10下限-10ACR限幅值为：上限100下限-100ACR积分限幅值为：上限10下限-10参加负载后,转速,电流波形如下:上图中ASR限幅值为：上限10下限-130ASR积分限幅值为：上限10下限-10ACR限幅值为：上限100下限-100ACR积分限幅值为：上限10下限-10使用积分带限幅的PI调节器Simulink仿真模型的工

15、作过程分三种情况：当积分器未饱和和且比例加积分的和小于限幅值时,调节器表现为线性的PI调节器；当积分输出未饱和而比例加积分的和大于限幅值时,调节器的输出等于限幅值,积分器继续积分；当积分的输出到达本身的限幅值时,其输出便停止增长,调节器的输出等于其限幅值.此时,如果输入信号改变极性,比例积分调节器是从积分本身的限幅值开始退去饱和的.综上,使用积分带限幅的PI调节器能够获得最好的转速,电流波形.九、总结一开始接触这个课程设计时,觉得并不会很困难,无论是参数计算还是动态仿真都能在教材中找到相关的资料,再加上以前师兄、师姐的报告,觉得完成课设并不会需要太多时间.但在真正的设计过程中发现,参数的计算并

16、不会太过复杂,只需要花一定时间,以认真细致的态度对待就可以.而动态仿真过程中却出现了一系列问题.由于教材中是介绍使用原理图进行仿真,于是我也利用Matlab的Simulink功能将相关模块一样的画下来,参数也一样地设置,却无法进行仿真,这个问题一直无法解决,直到后面发现可以利用动态函数进行仿真.于是我放弃原本想法,改用动态函数进行仿真.相对于原理图仿真,动态函数比拟简单些,只需要在Matlab中画下相关传递函数模块,并进行连线即可.仿真也能够实现,只是发现转速超调量到达60%.面对这个问题,初步觉得是ASR限幅值设置不对,于是进行实验却没有得到很好结果.之后再对参数重新计算,甚至将教材例题中的数据代入进行仿真,但问题依然无法解决.直到在华工图书馆电子网页上找到一篇关于双闭环调整系统饱和限幅值设置的论文后问题才得以解决.即使用本设计最后提到的使用积分带限幅的PI调节器.在调速系统中,双闭环直流调速系统具有较广泛的应用.作为自动限制专业的专业课,学好电机学及电机调速系统等相关知识,并熟练掌握其限制规律及设计方法,将使我们受益匪浅.而本次课设在这方面起到极大作用.通过本次课设,学会使用Matlab进行动态函数的分析使用,使用WORD中的Mathtype进行公式编辑,学会对双闭环调整系统限幅值采用三种不同方法得到不同结果,最重要的是学会遇到问题时寻找方法解决,从而