V-M双闭环直流调速系统建模与仿真

1、精选优质文档-倾情为你奉上V-M双闭环直流调速系统建模与仿真1.主电路选型和闭环系统1.1调速系统组成原理V-M双闭环直流调速系统，是由单闭环直流调速系统发展起来的，调速系统使用比例积分调节器，可以实现转速的无静差调速。采用电流截止负载环节，限制了起（制）动时的最大电流。这对一般的要求不太高的调速系统，基本上已能满足要求，但电流环只是在超过临界电流值以后，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。在实际工作中，缩短起、制动的时间是提高生产率的重要因素。为此，在起动、制动的过程中，希望能够始终保持电流（电磁转矩）为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运行。，到达

2、稳定转速后，最好让电流立即降下来，使电磁转矩马上与负载转矩相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动（制动）过程波形如图1-1所示，这时，起动电流成矩形，而转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能得到的最快的起动（制动）过程。图1-1 调速系统时间最优理想过渡过程实际上，由于主电路电感的作用，电流不可能突变，为了实现在允许条件下最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，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

3、达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用。为了达到以上目的系统采用转速、电流双闭环直流调速系统。分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套连接，如图1-2所示。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,电流反馈控制直流调速系统。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1-2 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图ASR-转速调节器 ACR-电流调节器 TG-测速发电机TA-电流互器   UPE-电力电子变换器 Un*-转速给

4、定电压Un-转速反馈电压  Ui*-电流给定电压  Ui-电流反馈电压本设计采用三相全控桥整流电路，在直流侧串有平波电抗器，该电路能为电动机负载提供稳定可靠的电源，利用控制角的大小可有效的调节转速，并在直流交流侧安置了保护装置，保证各元器件能安全的工作，同时由于使用了闭环控制，使得整个调速系统具有很好的动态性能和稳态性能。系统组成的原理框图如图1-3所示：图1-3 双闭环直流调速系统原理框图1.2 稳态结构图 双闭环直流调速系统稳态结构如图1-4所示，两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定了电流给定的最大值，电

5、流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm，图2-1中用带限幅的输出特性表示PI调节器的作用。当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。此时，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是输入偏差电压在稳态时为零。为了实现电流的实时控制和快速跟随，希望电流调节器不要进入饱和状态，因此，对于静特性来说，只有转速调节器有饱和和不饱和两种情况。双闭环直流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，转速负反馈起主要作用。当负载

6、电流达到Idm时对应于转速调节器为饱和输出Uim*，这时，电流调节器起主要作用，系统表现为电流无静差，起到过电流的自动保护作用。这就是采用两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。图1-4 双闭环直流调速系统的稳态结构图转速反馈系数 电流反馈系数1.3 V-M系统分析图1-5晶闸管整流器-电动机调速系统原理图图1-5绘出了V-M系统的原理图，图中VT是晶闸管整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，改变可控整流器平均输出直流电压Ud，从而实现直流电动机的平滑调速。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在 104以上，门极电流可以直接用电子控制；响应时间是毫秒级，具有快速的控制作

7、用；运行损耗小，效率高；使V-M系统获得了优越的性能2.电流环设计2.1电流环的简化双闭环系统调节器的设计是从内环到外环，即先设计好电流环后将其等效成速度环中的一个环节，再对速度环进行设计。在一般情况下，系统的电磁时间常数Tl远小于机电时间常数Tm，因此，转速的变化往往比电流变化慢的多。对于电流环来说，反电势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即E0。这样，就可以暂时把反电动势的作用去掉，得到忽略电动势影响的电流环近似结构图，如图2-1a 所示。简化的近似条件是：如果把给定滤波和反馈滤波同时等效地移到环内前向通道上，再把给定信号改成Ui*（s）/，则电流环等效成

8、单位负反馈系统（见图2-1b），从这里可以看出两个滤波时间常数取值相同的方便之处。由于Ta和Toi一般都比Tl小的多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为：，则电流环结构图最终简化成图2-1c ，简化的近似条件是： ，a）b）c）图2-1 电流环的动态结构图及其化简a） 忽略反电动势的动态影响 b）等效为单位负反馈系统 c）小惯性环节近似处理 在设计电流调节器时，首先考虑应把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由图2-1可以看出来，采用型系统就够了。再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用作用时有太大的超调，以保证

9、电流动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型型系统。2.2 时间常数的计算（1）三相桥式电路的平均失控时间Ts按课本中表2-2给出，如下所示， 可得Ts 0.0017s表2-1 晶闸管整流器的失控时间（2）电流滤波时间常数Toi任务书已给出： Toi 0.002s（3）电流环小时间常数Ti按小时间常数近似处理，取0.0017s+0.002s0.0037s（4）电磁时间常数Tl =电枢回路总电感/电枢回路总电阻(5)机电时间常数Tm（6）ACR超前时间常数Tl0.07s2.3选择电流调节器结构电流环的一项重要作用就是保持电枢

10、电流在动态过程中不超过容许值，因而在突加控制作用时不希望有超调，或者超调量越小越好。可电流环还有另一个对电网电压波动及时调节的作用，因此还要提高其抗扰性能。由于设计要求超调量i5并且保证系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续，有好的动态性能，我们采用典型I型来设计电流调节器。电流调节器选用PI型。令电流调节器的传递函数为检查对电源电压的抗扰性能： 但由于对电流超调量有较严格要求，而抗扰指标却没有具体要求，因此电流环仍按典型I型系统设计。2.4 计算调机器参数ACR超前时间常数Tl0.07s由于超调量i5，查表课本表3-1得 =0.5因此，电流环的开环增益为 电流反馈系数，电流调节器限幅值为

11、10V,则 于是ACR的比例系数为: 2.5 近似条件验算电流环截止频率，(1)检验晶闸管装置传递函数近似条件：， 满足近似条件；(2)检验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：满足近似条件；(3)检验电流环小时间常数近似处理条件：，满足近似条件。由于 =0.5电流环可以达到的动态指标为：，也满足设计要求。2.6 计算电流调节器电阻和电容含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器原理图如图2-2所示。图2-2 含给定滤波及反馈滤波的PI型电流调节器其中，UGi为电流调节器的给定电压，Id为电流负反馈电压，调节器的输出就是触发装置的控制电压UK。按所用运算放大器取R040K，各电阻和电容值计算如下

12、 RiKi R02.36×40K94.4K (取100 K) ( 取0.7F) ( 取0.2F )2.7电流调节器的作用结合以上所述，电流调节器ACR的主要作用如下：(1) 对电网电压波动起抗干扰作用 ；(2) 启动时保证获得容许的最大电流 Idm ；(3) 在转速调节过程中，使电枢电流跟随给定电压变化 ；(4) 当电机过载甚至堵转时，可以限制电枢电流的最大值，从而起到快速的过流安全保护，如故障消失，系统能自动恢复工作。3. 转速环设计3.1转速环的简化图3-1 典型 I 型系统的电流环的动态结构图在设计转速调节器时，可把已设计好的电流环看作是转速调节器的一个环节，为此必须求出它的等

13、效传递函数。图 3-1给出了校正成典型I型系统的电流环的结构图，其闭环传递函数为: 若按=0.5选择参数，则 已知电流闭环传递函数为 因此电流环的等效环节应相应地改成 原来电流环的控制对象可以近似看成是个双惯性环节，其时间常数是Tl和，闭环后，整个电流环等效近似为只有小时间常数的一阶惯性环节。这就表明，电流闭环后，改造了控制对象，加快了电流跟随作用。 用电流环的等效环节代替图2-1的电流闭环后整个转速调节系统的动态结构图就如图3-2所示。图3-2 转速环的动态结构图与电流环相似，我们可以将转速环结构图化简为图3-3图3-3 转速环的动态结构图的化简按跟随和抗扰性能都能较好的原则,在负载扰动点后

14、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,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。其传递函数为:3.2 时间常数的计算（1）电流环等效时间常数: 已取=0.5，则： （2）转速滤波时间常数 根据所用测速发电机波纹情况，任务书给出:TON=0.01s（3）转速环小时间常数 按小时间常数近似处理，取s（4）转速反馈系数 由于本系统的限幅值为10V，则3.3 转速调节器参数的计算（1） ASR超前时间常数 按跟随和抗扰性能都较好的原则，查表，取h5，则：5×0.0174s0.087s（2） 转速环的比例系数 转速环的

15、开环增益为 电动机的转矩常数为 C9.55Ce=9.55×0.1321=1.262V·min/r于是，ASR的比例系数为： 3.4检验近似条件 转速环的截止频率 =396.4×0.08734.49（1）电流环传递函数简化条件： 满足简化条件 ；（2）转速环小时间常数近似处理条件：,满足近似条件。3.5 检验转速超调量电机容许过载倍数1.5，负载系数z0（理想空载起动）。当h5时，；而377.55r/min,因此，转速调节器的退饱和超调量为 =8.83 < 10 符合任务书要求3.6计算转速调节器电阻和电容含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器原理图如图4-1

16、0所示。图3-4 含给定滤波及反馈滤波的PI型转速调节器其中，UGn为转速调节器的给定电压，n为转速负反馈电压，调节器的输出就是电流调节器的给定电压UGi。按所用运算放大器取R040K，各电阻和电容值计算如下RnKnR010.98×40 K439.2 取440K 取1F3.7 转速调节器的作用结合以上所述，转速调节器ASR的主要作用如下：(1) 使转速n跟随给定电压UGn 变化，保证转速稳态无静差 ；(2) 对负载变化起抗干扰的作用 ；(3) 输出限幅值决定电枢主回路的最大容许电流值Idm 。4系统仿真 4.1 电流环的仿真设计根据图2-1a在Simulink中建立如图4-1所示电流

17、环仿真模型:图4-1 电流环仿真模型4.2 电流环仿真参数设置Step模块参数设置如下:图4-2 Step模块参数设置ACR参数设置如下图4-3 ,4-4所示:图4-3 电流环比例系数的设置图4-4 电流环积分系数的设置其余模块的仿真参数皆在仿真图中给出。4.3电流环仿真波形仿真启动，双击示波器就可以发现仿真结果如下图4-5：图4-5 空载时电流仿真波形观察上图4-5可以发现电流环空载启动时，大约在在0.04s处达到稳定值，波形开始平稳。如图可以观察到电流的调节时间较长，为了改善这个条件，可以适当增加电流环的比例系数，但是这样做的后果是导致超调量增加。4.4 双闭环的仿真设计.在单闭环调速系统

18、动态数学模型的基础上，考虑如图1-4的双闭环控制的结构，将前面计算的双闭环相关数据代入动态结构图 中，得到本系统仿真模型如图4-6所示:图4-6 双闭环的仿真模型4.5 转速环仿真参数设置ASR参数设置如下图4-7 ,4-8所示:图4-7 转速环比例系数的设置图4-8 转速环积分系数的设置4.6 双闭环仿真波形及分析仿真启动，双击示波器就可以发现仿真结果如下图4-9,4-10：图4-9 双闭环空载启动波形图图4-10 双闭环满载高速启动波形图空载时波形如图4-9所示，观察波形可发现ASR调节器经过了不饱和，饱和，退饱和三个阶段，很快达到稳定与给定转速，电流最终稳定在0A,而在满载高速启动时, 根据图形发现启动时间较空载时延长了，退饱和超调量减小了。起动过程的三个阶段都能很清楚的看到,电流最后稳定在额定值。为了验证在稳定运行时突加扰动时对双闭环系统的影响，将step1模块参数按下图4-11进行设置再进行仿