双闭环调速课程设计实践报告

运动控制实习报告班级：自动化0331班姓名：XXX学号：082222222电机参数为：调速系统的基本数据如下:晶闸管三相桥式全控整流电路供电的双闭环直流调速系统,直流电动机:220V,136A,1460r/min,电枢电阻Ra=0.2Ω,允许过载倍数λ=1.5;电枢回路总电阻:R=0.5Ω,电枢回路总电感:L=15mH,电动机轴上的总飞轮力矩:GD2=22.5N·m2,晶闸管装置:放大系数Ks=40,电流反馈系数:β=0.05V/A,转速反馈系数:α=0.007Vmin/r,滤波时间常数:Toi=0.002s,Ton=0.01s设计要求:(1)稳态指标:转速无静差;(2)动态指标:电流超调量σi≤5%,空载起动到额定转速的转速超调量σn≤10%一、电机参数的初步计算和电机模型原理1）电机模型基本参数的计算：；；；所以转速调节器的输出限幅值为；。2）电机模型原理:为了分析调速系统的稳定性和动态品质，必须首先建立描述系统的动态物理规律和数学模型，对于连续的线性定长系统，其数学模型是常微分方程，经过拉氏变换，可用传递函数和动态结构图表示。建立系统动态数学模型的基本步骤如下：根据系统中各环节的物理规律，列出描述该环节动态过程的微分方程。求出各环节的传递函数。组成系统动态结构框图，并求出系统的传递函数。下图为本文直流闭环调速系统的等效电路：图1.1直流闭环调速系统的等效电路假定主电路的电流连续，则动态方程为：（3.1）忽略粘性摩擦及弹性转矩，电动机上的动力学方程为：（3.2）额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为：（3.3）（3.4）式中—包括电动机在内的负载转矩；—电力拖动系统折算到电动机轴上的飞轮惯量；—额定励磁下电动机的转矩系数，；—电枢回路电磁时间常数，；—电力拖动系统机电时间常数，。综合整理得：（3.5）（3.6）式中—负载电流，。在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得电压与电流的传递函数为：（3.7）则有电压电流间的结构框图：图1.2电压电流间的结构框图电流与电动势间的传递函数为：（3.8）则有电流电动势间的结构框图：图1.3电流电动势间的结构框图合并得到：图1.4直流电机的动态结构框图由上图可以看出，直流电动机有两个输入量，一个是施加在电枢上的理想空载电压，另一个是负载电流。前者是控制输入量，后者是扰动输入量。如果不需要在结构图中显现出电流，可将扰动量的综合点移前，再进行等效变换，分别得到IdL0和IdL=0时的变换图，如图3.5所示图1.5直流电动机的动态结构框图的变换和简化经过变化和简化可以得到直流调速系统的动态结构框图：图1.6直流调速系统的动态结构图反馈控制环的开环传递函数为：（3.9）其中，设Idl=0，从给定输入作用上看，闭环直流调速系统的闭环传递函数是：二、直流电机调速系统的八种仿真1、双闭环直流调速系统1．1双闭环直流调速系统的工作原理：双闭环直流调速系统可以按照理想的要求来控制电流，缩短启动制动的时间，提高生产效率，在启动（或制动）过渡过程中，希望保持电流为允许最大值，使调速系统以最大的加速度加(减)速运行。当到达稳态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。为了使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，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者实行串级联接。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。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。1．2双闭环直流调速系统的设计：1.2.1电流调节器的设计：（1）执行机构晶闸管三相桥全控整流的滞后时间常数，取。（2）电流环的反馈系数：，转速环的反馈系数:.（3）电流调节器参数的计算： 根据题目要求：，电流超调量很小，对抗扰指标没有具体要求，因此将电流环设计成典I型。用PI型电流调节器，设计成典型系统时其传递函数为： ，电流环开环传递函数为：用调节器零点消去大的时间常数，因为取，得：其中，由于，由课本表3-1，取，其中，，所以有：，则：检验电流环的近似条件:1）校验电流环小时间常数的近似条件：,可见，满足小时间常数近似条件。2）校验忽略反电动势对电流环的影响的近似条件：，满足条件。3）校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件：，满足近似条件。按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为满足设计要求。1.2.2、转速环的设计：（1）.确定时间常数：已知，由电流环设计可知，得转速环小时间常数（2）选择转速调节器的结构：由于设计要求无静差，又根据动态要求，应按典II型系统设计转速环。故ASR选用PI调节器，其传递函数为：为转速调节器的比例系数，为转速调节器的超前时间常数。这样，调速系统的开环传递函数为：令，则。取5，得到相应的参数如下:.（3）.校验近似条件：转速环截止频率为 1）电流环传递函数简化条件： 满足条件 2）小时间常数近似条件： 满足近似条件 1.2.3.要求指标的再检验：（1）转速的超调：h=5,此时，满足题目要求。（2）调节时间的检验：当h取5时，调节时间为： 1.3Simulink环境中的系统模型、仿真结果及分析1.3.1Matlab和Simulink简介MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。SIMULINK是MATLAB里的工具箱之一，主要功能是实现动态系统建模、仿真与分析；SIMULINK提供了一种图形化的交互环境，只需用鼠标拖动的方便，便能迅速地建立起系统框图模型，并在此基础上对系统进行仿真分析和改进设计。其特点是：1)高效的数值计算及符号计算功能,能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来;2)具有完备的图形处理功能,实现计算结果和编程的可视化;3)友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言,使学者易于学习和掌握;4)功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等),为用户提供了大量方便实用的处理工具.1.3.2电流环的MATLAB计算及仿真1）电流环的计算在电流调节器的设计中已写出，不在重复。2）电流环的仿真：其中参数为：比例为1.022，积分为34.067图1、电流环模型图2、电流环的仿真波形图3）波形分析：设计时考虑了反电动势的影响，可以得到更加真实的方针结果。由图中可以看到，在电动机的横流升速阶段，电流值低于，其原因是电流调节系统受到电动机反电动势的影响，它是一个线性渐增的扰动量，所以系统做不到无静差，而是略低于。1.3.3转速环的MATLAB仿真图3、双闭环直流调速系统的模型（有负载）图4、双闭环直流调速系统的仿真波形（有负载）图5、双闭环直流调速系统的仿真模型（无负载）图6、双闭环直流调速系统的仿真波形（无负载）1．3.4转速环波形分析在1秒的时候加入幅值80阶跃负载，可以看到电流逐渐增大，后逐渐到达新的稳态，而转速开始降低，后又增加到原来的稳态值，稳态时达到原始稳态值。由于采用的是误差调节，因此稳态无差。空载时，稳态电流为零；负载为80A时，稳态电流等于负载电流。从电流的波形可以看出，电流达到了期望的快速启动的形状。而转速和电流的超调量和调节时间不大，在要求指标范围内，性能较好。抗负载扰动能力也较好。二．开环直流调速系统仿真2.1开环直流调速系统的工作原理通过调节触发装置电压来调节电动机的转速，叫开环调速系。由于VM系统的输出电压与触发电压成正比，转速与输出电压成正比，因此可以通过调节触发装置的电压来调节转速。如果对静差率要求不高，开环调速能够实现一定范围内的无级调速。2.2开环直流调速系统的仿真图7、开环直流调速系统的模型（无负载）图8、开环直流调速系统的仿真波形（无负载）图9、开环直流调速系统的仿真模型（有负载）图10、开环直流调速系统的仿真波形（有负载）2.3开环直流调速系统的波形分析转速大小与给定的电压成正比，当给定为10.22v时，电机的转速为3000多转，比电机额定的转速高很多，与双闭环相比，给定电压要小的多，就能达到额定转速。负载为80A时，电机转速跟着下降，而且负载越大，转速降的越多，不能保持转速为恒定值，即不能对转速进行控制，只是粗略的调速，此类调速试用于风机类等对转速要求不高的生产过程。对电机的电流也没有控制的作用。并且，电机的静差率比较大。三．单闭环有静差转速负反馈调速系统的建模与仿真3.1单闭环有静差转速负反馈调速系统的工作原理闭环系统可以获得比开环系统硬的多的稳态特性，从而保证一定静差率的前提下，能够提高调速范围，但是须增加检测和电压放大器。其原理为:在开环系统中，当负载电流增大时，电枢电压也增大，转速只能老老实实的降下来；闭环系统装有反馈装置，转速稍有降落，反馈电压就感觉出来了，通过比较和放大，提高晶闸管装置的输出电压，使系统稳定在新的机械特性上，因而转速又有所回升。闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随负载的变化相应的改变整流电压。单闭环有静差就是控制器采用比例控制，比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。偏差一旦产生，控制器立即就发生作用即调节控制输出，使被控量朝着减小偏差的方向变化，偏差减小的速度取决于比例系数Kp，Kp越大偏差减小的越快，但是很容易引起振荡，尤其是在迟滞环节比较大的情况下，Kp减小，发生振荡的可能性减小但是调节速度变慢。随着比例系数Kp的增加，闭环系统响应的幅值增大，超调量加大，系统响应速度加快，同时会减少稳态误差，但是不能消除稳态误差。3.2单闭环有静差转速负反馈调速系统的仿真图11、单闭环有静差转速负反馈调速系统的模型（有负载）图12、单闭环有静差转速负反馈调速系统的模型（无负载）当放大倍数为3时的波形：图13、单闭环有静差转速负反馈调速系统的波形图（有负载）图14、单闭环有静差转速负反馈调速系统的波形图（无负载）改变放大倍数为0.8时波形图：图15、单闭环有静差转速负反馈调速系统的波形图（有负载）3.3单闭环有静差转速负反馈调速系统的波形分析由波形图可以看出，无论是空载还是带有负载，稳态转速都只与给定有关，仿真时给定为额定转速1460转，稳态时转速都接近于额定转速，实现了对转速的直接控制。但是，由于为有差调节，稳态转速与额定转速有一定的误差，并且，放大倍数越大，稳态误差越小，但是超调量和调节时间也越长，即稳态性能提高的同时，系统的动态响应变差。放大倍数从3改变到0.8的波形图的对比，很容易得到以上结论。因此，实际中，在保证系统稳态指标的前提下，可以减小放大倍数，提高动态性能。四．单闭环无静差转速负反馈调速系统的建模与仿真4.1单闭环无静差转速负反馈调速系统的工作原理单闭环无静差就是调节器中加有积分项，在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。实质就是对偏差累积进行控制，直至偏差为零。积分控制作用始终施加指向给定值的作用力，有利于消除静差，其效果不但与偏差大小有关，而且还与偏差持续的时间有关。简单来说就是把偏差积累起来，一起算总账。随着积分时间常数Ti的增加，闭环系统响应的超调量降低，系统响应速度稍有变慢。积分环节的主要作用是消除系统的稳态误差。在频域分析中，积分控制可以增强系统抗干扰能力。故可相应增加开环增益，从而减少稳态误差。但纯积分环节会带来相角滞后，减少了系统相角裕度，通常不单独使用。4.2单闭环无静差转速负反馈调速系统的仿真在双闭环的基础上改变相应的结构，得到单闭环无差转速负反馈的仿真模型，采用PI调节器，实现误差控制。并且调节PI调节器的参数，观察输出波形，得到最佳的状态。图16、单闭环无静差转速负反馈调速系统的模型（有负载）图17、单闭环无静差转速负反馈调速系统的波形图（有负载）图18、单闭环无静差转速负反馈调速系统的模型（无负载）图19、单闭环无静差转速负反馈调速系统的波形图（无负载）4.3单闭环有静差转速负反馈调速系统的波形分析与单闭环有静差系统相比，可以看出无静差系统的稳态转速不会随调节器参数的改变而改变，始终跟随给定。调节时间和超调量要比有差调速稍微大些。满足了对稳态性能的要求指标。五．单闭环电流截止转速负反馈调速系统的建模与仿真5.1单闭环电流截止转速负反馈调速系统的工作原理直流电动机全压启动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，不仅对电机不利，对过载能力低的晶闸管来说，更是不允许的。另外，生产中的电动机会遇到堵转的情况，由于电机的闭环特性很硬，若无限流环节，电流会远远超过允许值，如果只依靠过流保护继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，会给正常工作带来不便。为了实现截流反馈，在转速闭环反馈中引入电流截止负反馈环节。反馈信号取自串入电动机电枢回路的小阻值电阻，正比于电流。截止电流，当时电流环起作用，当时电流环不起作用。堵转电流：。一般取截止电流堵转电流本题中额定电流为136，取截止电流，堵转电流，采样电阻，由上述公式得，在仿真图中阶越输入为16.98，仿真比较电压。负载下图为负载为200A，给定为10.22V时的波形图。5.2单闭环电流截止转速负反馈调速系统的仿真图20、单闭环电流截止转速负反馈调速系统的模型（无负载）图21、单闭环电流截止转速负反馈调速系统的波形图（无负载）图22、单闭环电流截止转速负反馈调速系统的模型（有负载）图23单闭环加电流截止之前和之后调速系统的波形图（有负载）5．3单闭环电流截止转速负反馈调速系统的波形分析由上图可得，加电流截至负反馈以后，转速的超调量减小，调节时间减小，电流的超调量减小，并且调节时间减小，动态性能明显提高，由实际系统可知，加入电流截至负反馈以后，能够防止电枢电流过大，起到了有效的保护电机的作用。同时，加入电流截至负反馈对与负载扰动的抵抗也增强。六、单闭环电压负反馈调速系统的建模与仿真6.1单闭环电压负反馈调速系统的工作原理转速负反馈的缺点：必须要有转速检测装置，在模拟控制中就是使用测速发电机，安装测速发电机时，必须使它的轴和主电动机的轴严格同心，使它们能平稳地同轴运转，比较麻烦，维修较麻烦；此外，测速反馈信号中含有各种交流文波，给调试和运行带来麻烦。如果忽略电枢压降，则直流电机的转速近似与电枢两端的电压成正比，所以电压负反馈基本上能够代替转速负反馈的作用。在电压负反馈中，作为反馈检测元件的是一个起分压作用的电位器，比测速发电机要简单的多。电压反馈信号，称作电压反馈系数。电压负反馈把被反馈环包围的整流装置的内阻等引起的稳态速降减小到，由电枢电阻引起的速降仍和开环系统一样。电压负反馈实际上是一个自动调压系统。电压反馈对于扰动引起的速降无能为力。同样对于电动机励磁引起的扰动，电压反馈也无法克服。因此，电压负反馈调速系统的静态速降比同等放大系数的转速负反馈系统要大一些，稳态性能要差一些。在实际的系统中，为尽可能减小静态速降，电压反馈的两根引出线应尽可能靠近电动机的电枢两端。6.2单闭环电压负反馈调速系统的仿真图24、单闭环电压负反馈调速系统的模型（无负载）图25、单闭环电压负反馈调速系统的波形图（无负载）图26、单闭环电压负反馈调速系统的模型（有负载）图27、单闭环电压负反馈调速系统的波形（有负载）6.3单闭环电压负反馈调速系统的波形分析由图可见，电压负反馈同样可以起到对转速的调节作用，使转速跟随给定。当使用有差调节时，稳态转速以一定的精度跟随给定转速；当使用误差调节时，稳态转速与给定转速相等。带负载时，与上述相同。需要指出的是，反馈电压直接取自接在电动机电枢两端的电压，看似简单，却把主电路的高电压和控制回路的低电压串在一起了，从安全的角度来看是不合适的。对于小容量调速还可以将就，对于高容量、大电压的系统，要在反馈回路中加入电压隔离变换器。七、单闭环电压负反馈和带电流正反馈调速系统的建模与仿真7.1电压负反馈和带电流正反馈调速系统的工作原理电压负反馈调速系统固然可以省去一台测速电机，但是由于它不能弥补电枢电压降所造成的转速降落，调速系统性能不如转速负反馈系统。电流正反馈就是在电压负反馈的基础上增加的措施，使系统性能能够接近转速反馈系统的性能。具体是在主电路中串入取样电阻，由取电流正反馈信号。串接时须使极性与转速给定型号极性一致，而与电压反馈信号极性相反。当负载增大使静态速降怎加时，电流正反馈信号也怎加，通过运算放大器使晶闸管整流装置控制电压随之增加，从而补偿了转速的降落。7.2电压负反馈和带电流正反馈调速系统的仿真图28电压负反馈和带电流正反馈调速系统模型（无负载）图29电压负反馈和带电流正反馈调速系统的波形（无负载）图30电压负反馈和带电流正反馈调速系统模型（有负载）图31电压负反馈和带电流正反馈调速系统波形（有负载）7.3电压负反馈和带电流正反馈调速系统的波形分析从上图可以看出波形与电压负反馈调速系统的波形大致相同，但是电流正反馈和电压负反馈是性质完全不同的两种控制作用。电压负反馈是被调量的负反馈，具有反馈控制规律，在采用比例放大器时总是有静差的。放大系数越大，静差越小，但总是有。电流正反馈在调速系统中的作用却不是这样的，电流正反馈不属于反馈控制，而是补偿控制，是按负载扰动的补偿控制。其优点在于提高了系统的稳态性能。八、pwm直流调速系统仿真8.1pwm直流调速系统仿真的原理采样理论中的一个重要理论：冲量相等而形状不同的窄脉冲家在具有惯性环节上时，其效果基本相同。这个原理成为面积原理，它是PWM控制的重要理论基础。若将半个周期的正弦波分成N等份，就可以把正弦波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等为，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平的，各脉冲幅值按正弦规律变化。若将上述脉冲换成同等数量的等幅值而不等宽的矩形脉冲代替，是矩形脉冲和相应的正弦脉冲的面积相等，这就是PWM形。可以看出，其幅值相等，而宽度按正弦规律变化，PWM系统的优点为（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；（2）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；（3）动态响应相对较快，动态抗扰能力强；（4）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高；（5）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。PWM变换器的作用是：用PWM调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。PWM变换器电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大类，下面主要阐述可逆PWM变换器的工作原理。8.2桥式可逆PWM变换器可逆变换器主电路的结构形式有H型、T型等多种类型，现在选用常用的H型变换器，它是由4个电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。H型变换器在控制方式上分为双极式、单极式和受限式三种。本设计选用双极式H型PWM型变换器。图2.2绘出了双极式H型PWM变换器的电路原理图。图32桥式ＰＷＭ变换器原理图和同时导通和关断，其驱动电压和为正；和同时导通，其驱动电压==-。其波形如下图所示。在一个开关周期内，当时，和为正；晶体管和饱和导通；而和为负，和截止。加在AB两端，=，电枢电流沿回路1流通。时，和为负，晶体管和截止；而和为正，但是，和并不能立即导通因为在电枢电感释放储能的作用下，沿回路2经和续流，这时，=-，在一个周期内正负相间。由于电压的正负变化使电流波形存在两种情况，具体如上图所示。相当于电动机负载较重的情况，这是平均负载电流大，在连续阶段电流仍维持正方向，电机始终工作在第一象限的电动状态。相当于负载很轻的情况，平均电流小，在续流阶段电流很快衰减到零，于是和c-e极两端失去反压，在负的电源电压（－）和电枢反电动势的合成作用下导通，电枢电流反向，沿回路3流通，电机处于制动状态。与此相仿，在期间，当负载轻时，电流也有一次倒向。双极式PWM变换器的可逆要视正、负脉冲电压的宽窄而定。当正脉冲较宽时，则电枢两端的平均电压为正，在电动运行时电动机正转。当正脉冲较窄时，平均电压为负，电动机反转。如果正、负脉冲宽度相等，平均电压为零，则电动机停止。图33正向电动运行时的输出波形双极式可逆PWM变换器电枢平均端电压为：（2.14）以定义为PWM的占空比，则有（2.15）ρ的变化范围为。当ρ为正值时，电动机正转；ρ为负值时，电动机反转；ρ＝0时，电动机停止。在ρ＝0时虽然电机不动，电枢两端的瞬时电压和瞬时电流都不是零，而是交变的。这个交变电流平均值为零，不产生平均转矩，陡然增大电机的损耗。8.3PWM变换器环节的数学模型图2.5绘出了PWM控制器和变换器的框图，其驱动电压都由PWM控制器发出，PWM控制与变换器的动态数学模型和晶闸管触发与整流装置基本一致。按照上述对PWM变换器工作原理和波形的分析，不难看出，当控制电压改变时，PWM变换器输出平均电压按线性规律变化，但其响应会有延迟，最大的时延是一个开关周期T。图34PWM变换器环节框图根据其工作原理，当控制电压改变时，PWM变换器的输出电压要到下一个周期方能改变。因此，脉宽调制器和PWM变换器合起来可以看成一个滞后环节，它的延时最大不超过一个开关周期T。则，当整个系统开环频率特性截至频率满足因此PWM控制与变换器（简称PWM装置）也可以看成是一个滞后环节，其传递函数可以写成（2.20）当开关频率为10kHz时，T=0.1ms，在一般的电力拖动自动控制系统中，时间常数这么小的滞后环节可以近似看成是一个一阶惯性环节，因此（2.21）Kp——脉宽调制器和PWM变换器的放大系数。8.4pwm直流调速系统仿真电气原理图（此为期中作业的一部分）图35pwm直流调速系统仿真电气原理图8.5SG3524的功能及引脚(a)

SG3524引脚说明(b)

SG3524内部框图图35SG3524的功能及引脚SG3524工作过程是这样的：直流电源Vs从脚15接入后分两路，一路加到或非门；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的＋5V基准电压。＋5V再送到内部（或外部）电路的其他元器件作为电源。振荡器脚