基于MATLAB的直流电动机双闭环调速系统的仿真研究

摘要本论文从当前我国直流电动机调速系统的发展现状出发，由于科技发展对调速控制精度、抗干扰性和快速性地要求也越来越高，提出了采用速度电流双闭环的调速系统方案，研究了该系统的动态和静态特性，特别是某些特殊的应用场合如龙门刨床、轧钢机，除了以上要求外，还要求能快速的实现正、反转，为此提出了采用α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统方案。使用MATLAB的SIMULINK工具，分别对速度电流双闭环的调速系统和α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统进行了仿真，对速度环和电路环都使用PI控制，由仿真结果表明，这两种方案均具有快速响应、速度波动小、在干扰到来后快速恢复设定速度，有效地消除了系统稳态误差。通过仿真可得到用于实际系统的PI参数，简化了在线调试过程。关键词：直流电动机；调速系统；双闭环；可逆；龙门刨床；基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的仿真第一章绪论1.1研究背景及意义直流电动机因为其所具有的较好的起动性能和制动性能，很适合用于在一个很大的泛范围内进行平滑调速，比如在轧钢机、龙门刨床、钻机、挖掘机、削床、造纸机或是高层电梯等对可控电力系统有高性能要求的领域中，而且在这些领域的应用也十分广泛。这些年来，直流电动机拖动控制系统不论在理论还是实践上都有了很大的提高。从机械生产在控制方面要求上的一些物理量来说，电力拖动的自动控制系统有以下几种：调速系统，控制张力的系统、多电机同步控制系统以及位置随动系统等几种类型，而且这几种系统基本上都是通过控制电动机的转速来控制的，从而，拖动控制系统就成为调速系统中最基本的一个。所有需要运用转速控制的机器设备，加工时对其在控制上都有要求，比如一些相当精密的机械会要求它的加工精度需要达到百分之几毫米更有甚者要达到几微米；有的重型铣床给料结构有可能需要爱一个很大的范围内去调节，例如他们在快速移动的时候有可能要求速度要达到600mm/min，如果用于加工一些精密部件反而会要求加工时候的最低速度只有2mm/min，这两个速度差了有300倍；有些点位式的数控机床在精度上也会要求较高，例如可能要达到几微米，而且对速度的跟踪要求更高，可能要低于定位精度的一半。又例如在轧钢工业制造中，大型的产量高的钢锭初轧机中的轧辊电动机容量需要达到几千kW，而且必须在一秒以内必须完成从正向转动到反向转动的全过程。类似的例子数不胜数，针对这些所谓的要求，在生产过程总对生产设备量化了一定的技术指标，并且经过一系列的折算，都可以转化成电力拖动控制系统中的的稳态和动态所包含的性能指标，因此可以将他们作为在设计系统时所能依靠的一些数据。1.2论文内容龙门刨床或是轧钢机等一些机械的调速系统有时会经常处在一种正反转状态,如果要提高机械的生产效率和生产质量,因此会要求在生产过程中尽量降低过渡过程中的一些时间。速度和电流双闭环直流调速系统（简称双闭环调速系统）是通过控制电流和转速的两个调节器所综合起来进行调节的,通过调节能够获得很好的静态和动态的性能。但是这样的系统所产生的转速相应曲线和电流响应曲线很难进行精确的绘制,在对系统特性进行分析和理解的时候是很不方便的。因此本论文通过将一个直流电动机的双闭环调速系统作为实例,探讨了怎么利用MATLAB软件中的仿真功能对整个系统的分析,对设计系统和改进系统方面具有很大的意义。课题利用MATLAB软件的仿真平台直流电动机双闭环调速系统进行分析，设计其友好的图形用户界面,根据仿真结果观察分析系统特性,并应用于工程实践中去。第二章直流调速系统原理在现代电力拖动自动控制系统中直流调速的发展相比其他来说是相对比较早的。晶闸管是在20世纪60年代出现的，将自动控制理论和电力电子以及计算机结合起来，使电力电子传动技术的研究和应用进一步发展。虽然现在在交流调速方面的发展比较快，使得在交流调速技术方面也是越来越成熟，而且交流电动机相对来说相对经济和容易维护，使得用户在使用交流调速方面的应用更加广泛也更加受到用户的欢迎。不过，直流电动机调速系统依然是交流调速控制的基础，特别是在调速广阔的尺度上，除此之外，在建立反馈控制理论方面直流调速也是交流调速的基础[7]。2.1直流电动机的转速控制要求和指标直流电动机调速系统对转速的要求指标主要包含以下几个：（1）调速：即在设定的最高转速或最低转速的范围内，应当分级或是平滑的进行转速调节；（2）稳速：即是在保证需要的精度时，这需要的转速上应当可以稳定的运行，及时在任何可能影响转速时也不能在转速上有很大的波动，才能进一步保持产品的质量；（3）加、减速：即在频繁的起动或是制动时对设备的要求应当尽快的进行加速或是减速以达到提高生产效率的结果；但是对于不适合经受太大速度变化的机械应当要求在起动或是制动的时候要尽量平稳。针对以上三个方面，有时需要同时具备，可能有时只需要保证其中一项或两项具备，尤其在调速和稳速两个方面，通常在任何场合下都有可能碰到，有时可能存在相互矛盾。在定量分析的时候，应当针对这两方面的要求预先定义这两个调速指标，即调速范围和静差率。把这两项指标综合在一起才能称为调速系统的稳态性能指标。（1）调速范围调速范围定义为生产机械要求电动机提供的最高转速和之比，使用字母表示，即：（2-1）其中，和指额定负载定义的最大和最小转速，对于一些负载较轻的设备，如精密磨床，也可以使用实际负载时的转速。（2）静差率静差率定义为当系统在某一转速下运行时，负载由空载增加到额定值时所对应的转速差，与理想空载转速之比，用s表示，即：（2-2）从上诉可以看出，静差率主要是是用来衡量调速系统在负载发生变化的情况下转速的稳定程度，它和机械特性中的一些机械硬度肯可能存在一定的关系，如果机械特性的硬度越硬，静差率的大小就会越小，因此转速的相对稳定性就会越高。静差率和调速范围这两个方面并不是响度孤立的，必须同时提出才能有意义。调速系统的调速范围指的是在最低速时还可以满足所要求的静差率转速的可调范围。如果脱离了对静差率方面的要求，对于任何调速系统来说都可以获得很高的调速范围；反之，如果脱离了调速范围，要提供所需的静差率也很容易。2.2直流调速系统方案确定已知，晶闸管-电动机控制系统的机械特性方程如下：（2-3）其中，为直流电机转速，为电枢电压，为电磁转矩，为电枢回路总电阻，即=+（为电枢电阻，为换向极绕组电阻），Φ为直流电动机励磁磁通，为由电机结构决定的电势常数，为由电机结构决定的转矩常数。根据式（2-3）可知，，，为电机固有参数，，Φ，是可调的参数。所以就产生三种调速方案，如下：（1）改变的调速方案；通过电枢回路串联一个电阻，这种方案经济实用、线路简单、，缺点是能耗高、机械特性较软、调速范围比较窄，而且调速不平滑可以说是有级调速等，因此并没用得到广泛应用。（2）改变的调速方案；此乃应用最广泛的调速方案，属于无级调速，调速范围大。可以用于可逆调速。在恒转矩负载的设备中使用。（3）减弱Φ的调速方案；又称弱磁调速，也属于平滑调速，一般是保持电枢电压为额定值，改变励磁电压，降压就升速，升压就减速，属于恒功率调速。电动机的允许最大转矩将随磁通减小而下降，而且一定保证有励磁电压，否则将会产生飞车，非常危险。鉴于上述三种调速方案，各自都有优缺点和使用场合。对直流调速系统要求很高的场合，如龙门刨床的生产工艺对主拖动系统的要求在低速时保持恒转矩调速，在高速时保持恒功率调速，所以可以采用调压和调磁相结合的调速方案。第三章直流调速控制系统仿真3.1MATLAB仿真工具介绍MATLAB是MathWorks公司推出的一个性能很高的数值计算软件，而且软件的可视化效果也很好，它主要集中了数值的分析、处理信号、矩阵运算而且还能够现实图形，使用起来非常方便，界面更能构成一个良好的用户环境，是使用者使用起来更加方便。。MATLAB是MatrixLaboratory（矩阵实验室的缩写）。到现在为止MATLAB公司已经推出面向各个领域的MATLAB工具箱，其中主要包括像信号处理，系统控制、处理图像、系统辨识、系统最优化、小波等工具箱，而且现在还在进一步开放更多的领域。随着这些功能强大的工具想的继续增加，面向各个领域的研究和应用也取得了很大的进展。因此我们借助于这个强大的工具去研究各个领域的问题，可以让各个领域的研究人员更加直观、方便的进行模拟或是数据分析以及计算与设计相关的工作，在一定程度上节省了人力物力，更加节省了成本。直到后来开发了SIMULINK软件，它主要是针对框图的仿真平台作为依据，将SIMULINK连接在MATLAB运行的环境上，它将MATLAB的强大计算功能加以利用，并且在此基础上以更加直观的框图进行仿真模拟和运行计算。SIMULINK也在此提供了很多种的仿真工具，而且这个软件一直在扩展它的模块库，也不断的将其内容进行丰富，在进行系统仿真时更加方便了。运用这个SIMULINK平台，采用这个软件做出来的仿真模型在一定程度上有很强的可读性，从而可以避免使用MATLAB的窗口进行MATLAB命令和一些函数进行仿真时，就必须要记住很多的函数，从而造成了很多的麻烦，这个好处对于技术人员来说，这将对他们的工作节省了更多地时间和精力。所以现在使用的MATLAB软件也都捆绑了SIMULINK软件，而且SIMULINK软件的版本也在不停地升级，更加方面工作人员。所以在MATLAB软件加入了SIMULINK软件使得现在的MATLAB软件已经不是原来单纯的被称为“矩阵实验室”的软件了，它已经成为了一个高级的计算平台和仿真平台。MATLAB的SIMULINK的仿真环境很有特色，这个操作环境中，工作人员可以使用电机来拖动鼠标的方法去画系统或是电路，也能完成对系统或是电路的仿真。起初的MATLAB软件的仿真编程是在一个文本的窗口，所编制的程序是一行行的命令符和函数，直观性不强，也很难建立起来与实际相关的系统或是电路形象相联系起来。在SIMULINK的运行环境中，系统函数和电路元器件的都采用模型框图来表示。框图之间采用连线的方式，这种线就可以表示信号的流向。因此对于这个软件的使用者来说，他们只需要针对性的学习图形界面的一些主要内容就可以，然后在用鼠标和键盘对电路或是系统进行仿真模拟，省去了专门记录那些难记忆又很复杂的函数公式，这对大多数人来说是十分方便的，因此很受用户欢迎。3.2直流电动机的控制结构直流电机进行调速的基础是将被调节电机的转速设定一个值，它主要有三种控制方案：开环、双闭环、单闭环。开环控制值得是仅仅只采用触发装置GT去控制电压来对电动机的额转速进行调节，对于静差率的要求并不高的地方，也可以试验在一定程度内的无级调速。不过，这种场合很少，大部分需要无级变速的设备常常对静差率做了一定的要求，比如龙门刨床，很大程度上因为毛坯的表面不够平，造成在加工时的负载常伴有一定的波动，但是加工过程中需要保证加工精确度以及表面粗糙程度，在速度上却不能有较大的变化，其范围一般是D为20~40，静差率s≤5%。有一种热连轧机，各个机架是由单独的电动机驱动的，如果几个机架同时轧制，这就需要各机架出口的线速度应当保持相当严格的比例，从而才能保证被轧金属的流量每一秒都相等，才不会使钢材发生拱起甚至被拉断，因此在工作时应当根据工艺的要求，如果调解范围D=3~10，静差率s应维持在0.2%~0.5%之间。如果发生这种情况，开环调解速度的系统是远远不能不能满足应用的要求，那么单闭环调速系统通过发电机测速测量到当时的速度和预先设定的速度进行比较，将差值经过放大器，产生触发装置GT的控制电压，用来控制电动机转速。这种方式比开环系统的机械特性硬，静差率小，所以在静差率相同时，在一定范围内可以大大提高电动机的调速范围。如果采用PI控制，会自动纠正调速偏差，使得实际的速度可以跟踪预先设定的速度，从而能够实现转速没有静差。当对一个系统的动态性能要求比较高的时候，就像要求快速起动、快速制动或者是突加负载进行动态速降等等，单闭环系统更加不能满足要求。因为单闭环系统不可能完全按照我们需要控制系统的转矩或者电流。像龙门刨床、可逆轧钢机那样的机器经常需要正反转运行，在发电机的最大电流受限制下，应尽量缩短起动、制动时间，才能很好的提高生产效率，才能更加充分的去利用电机所允许的超载的能力，但是在过渡过程中尽量保持电流所允许的最大值运行，才能使电力系统能够用最大的加速度起动，当转速达到稳定后，又会让电流很快下降。使得转矩可以立刻与负载保持平衡，逐渐进入稳定的状态。因此采用速度和电流的双闭环调节速度的系统可以很好的解决上述提出的一些问题。3.3速度单闭环直流调速系统仿真速度单闭环直流调速系统框图如图3-1所示。系统由转速给定和测速发电机TG测量到的速度反馈进行比较，得到=-，经过放大器放大倍、得到用于移相器CF的电压输入。移相器的输出用于控制晶闸管的控制角来控制晶闸管整流器以此来控制直流电动机M的电压。当电机负载增加时，转速下降，转速反馈减小，而转速的偏差增大，放大器的输出增加，整流器输出电压也增加，电枢电流增大，电动机的电磁转矩增加，转速升高。速度单闭环直流调速系统的仿真模型如图3-2所示。该模型以5HP/220V直流电机为例，直流电机参数如图3-11所示，电枢电阻，电枢电感H，励磁电阻，励磁电感为H，电枢绕组和励磁绕组互感H，电动机转动惯量，粘滞摩擦系数，库仑摩擦转矩。直流电机参数设置如图3-3所示。测量的转速经过系数变换为对应的电压，和参考电压进行比较，经过带限幅的比例环节，得到移相器的角度输入。运行结果如图3-4所示。运行时间4s，开始时不加负载转矩，电流快速上升，直到达到设定速度后，电流降低为零；在2s时加额定转矩25，电流开始增加，但是速度没有返回到设定值，电流存在较大波动。原因是速度闭环存在稳态误差，不能很好的对电流进行控制的缘故。图3-1速度单闭环直流调速系统框图图3-2速度单闭环直流调速系统仿真模型图3-3电机参数图图3-4仿真结果3.4转速电流双闭环直流调速系统仿真转速电流双闭环控制直流调速系统被广泛的应用于当前的直流调速系统中，它的原理图如图3-5所示。采用两个PI控制器组成外环和内环，外环是速度PI控制，内环是电流PI控制。电流调节器的给定为速度调节器的输出，使电流环可以随着转速的变化去调节电动机的电枢电流。如果电机的转速低于所给定的转速时，调节器增大给定电流，然后通过电流环使电动机的实际电流增加，电动机的转矩增加，转速也会上升。反之当实际转速高于所给定转速时，速度调节器的输出减小，电流调节器使得实际电流减小，电磁转矩减小，使速度降下来。图3-5转速电流双闭环直流调速系统框图根据图3-5，使用MATLAB的SIMULINK工具，画出仿真模型如图3-6。模型参数如图3-3所示。控制过程为，将测量到的电机速度wm和设定速度wref进行比较，进入速度PI控制器，当前设定速度需要的电流参考值Iref，将参考电流值Iref与测量电流值Ia进行比较得到控制晶闸管的脉冲信号，经过晶闸管和平波电抗器H，得到稳定的直流电压，接入电机中，用来控制速度。速度环和电流环的PI参数如图3-7所示。图3-6转速电流双闭环直流调速系统仿真模型图图3-7速度和电流PI控制仿真参数图3-8仿真波形图仿真过程同3.3，和3.3相比，增加了速度积分控制和电流PI控制。仿真结果如图3-8所示。由图3-8可知，整个仿真过程分为阶段：0~0.6s是启动恒流阶段，电流很快增加到最大值运行，速度快速上升，在速度达到设定速度后由于空负载，电流逐渐减低接近于零，在2s时将增加负载转矩25，系统为了保持现有速度，经过速度环需要增大电流来保证现有速度，经过调解环节后速度并没有恢复到原来值，原来值和现在值的差即是静差。和图3-4相比，双闭环系统的静差明显降低。3.5转速电流双闭环直流可逆调速系统仿真所为可逆即需要电动机既可以正转又可以反转，可以通过改变电动机励磁Ф的方向或者改变电枢电流Id的方向。在晶闸管-直流电动机控制系统中，因为晶闸管具有单向导电性，无法产生反向的电流，所以如果想实现电动机的反转，需要两套晶闸管反并联，连到电动机的供电端。如图3-9所示。整流组VF控制电动机的正转，整流组VR控制电动机的反转。在一组整理器工作时，另一组不能给控制信号。本文对α=β有环流直流可逆调速系统进行仿真。其电气原理图如图3-10所示。图3-9可逆调速系统两组晶闸管结构图图3-10α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统电气原理图图3-10中，通过对Un*设定为正或者负值来设定电动机的正转还是反转，经过速度调节和电流调节，然后电流调节器输出分两路，根据设定Un*的正负选择合适的晶闸管整流通路来控制电动机的正反转。给Un*加正信号时，整流器组VF处于工作状态，整流器组VR工作于逆变状态。反之，同理。图3-11α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统仿真模型使用MATLAB的SIMULINK工具，α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统仿真模型如图3-11所示。该模型以5HP/220V直流电机为例，直，电枢电阻，电枢电感H，励磁电阻，励磁电感为H，电枢绕组和励磁绕组互感H，电动机转动惯量，粘滞摩擦系数，库仑摩擦转矩。从正转起动到反转过程的转速、电流和电机输入电压变化波形分别如图3-12所示。仿真时间为12s，0~0.7s为系统正转起动过程，0.7~4.7s为系统维持正转转速700r/min，4.7~8.2s为系统反转过程，8.2s~12s为系统正转过程。在起动过程中，系统经历了电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段，在转速到达设定转速后迅速下降，当设定转速为反转负数时，系统进入反转调节状态电流Ia随之为负，电压Ud也为负，从而实现了电动机的反转。图3-12电机正反转过程波形图系统在改变电动机转向的过程中分为本桥逆变和反接制动两个步骤。换向过程放大波形如图3-13所示。从4.66s反转过程开始，电动机