带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统建模与仿真课程设计报告.doc

潇湘学院

《课程设计报告》

题目： 带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统建模与仿真
专业： 电气工程及其自动化
班级：
姓名：
学号：
指导教师： 陈敏

初始条件：
1．技术数据
输出功率为:7.5Kw 电枢额定电压220V
电枢额定电流 36A 额定励磁电流2A
额定励磁电压110V 功率因数0.85
电枢电阻0.2欧姆 电枢回路电感100mH
电机机电时间常数2S
电枢允许过载系数1.5
额定转速 1430rpm
2．技术指标
稳态指标：无静差（静差率s≤2%, 调速范围 D≥10 ）
动态指标：系统稳定

要求完成的主要任务:
1．技术要求：
(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（D≥10），系统在工作范围内能稳定工作
(2) 根据指标要求进行动态校正，选择调节器的参数，并确定电流截止负反馈环节的相关参数，
(3) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续
2．设计内容：
(1) 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图
(2) 根据带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统原理图, 分析转速调节器和电流截止负反馈的作用,
(3) 通过对调节器参数设计, 得到转速和电流的仿真波形，并由仿真波形通过MATLAB来进行调节器的参数调节。
(4) 绘制带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图）
(5) 整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书
目录
摘要 4
1.闭环调速控制系统构成 5
1.1 主电路 5
1.2 原理框图 6
2带电流截止负反馈的转速负反馈的分析 6
2.1电流截止负反馈的提出 6
2.2 电流截止负反馈环节 7
2.3 带电流截止负反馈调速系统结构框图和静特性 8
3 参数设计 10
3.1整体分析 10
3.2稳定性参数计算和判断 11
3.3 转速调节器校正 12
3.3.1 PI调节器结构 12
3.3.2 调节器的选择 13
3.4 电流截止负反馈参数设计 16
4. 电流MATLAB仿真 17
4.1 将设计的参数进行仿真 17
4.2 调节器参数调整 18
5.电气总图 19
6.结束语 20
参考文献 21

摘要
为了提高直流调速系统的动态、静态性能，通常采用闭环控制系统（主要包括单闭环、双闭环）。而在对调速指标要求不高的场合，采用单闭环即可。闭环系统较之开环系统能自动侦测把输出信号的一部分拉回到输入端，与输入信号相比较，其差值作为实际的输入信号；能自动调节输入量，能提高系统稳定性。在对调速系统性能有较高要求的领域常利用直流电动机，但直流电动机开环系统稳定性不能够满足要求，可利用转速单闭环提高稳态精度，而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的，为了消除系统静差，可采用积分调节器代替比例调节器。
关键词：直流调速 单闭环 稳态精度 比例调节

带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统建模与仿真

1.闭环调速控制系统构成
1.1 主电路
本控制系统采用含电流截止负反馈的转速负反馈主电路结构，其原理图如图1所示。

图1 含电流截止负反馈的转速负反馈原理图
图中的电动机的电枢回路由晶闸管组成的三相桥式整流电路供电，通过与电动机同轴刚性连接的测速发电机TG检测电动机的转速，并经转速反馈环节分压后取出合适的转速反馈信号，此电压与转速给定信号经速度调节器ASR综合调节，ASR的输出作为移相触发器的控制电压，由此组成转速负反馈单闭环直流调速系统。改变即可调节电动机的转速。
在本系统中ASR采用比例积分调节器，属于无静差调速系统。为了防止在起动和运行过程中出现过大的电流冲击，系统引入了电流截止负反馈以限止电流不超过其允许的最大值。

1.2 原理框图
将开环系统改为单闭环转速负反馈调速系统，并采用PI调节器，就既保证动态性能，又能作到转速的无静差，较好的解决开环系统的不足，此闭环系统的工作原理是：将直流电动机转速变化信号反馈到触发环节，来自动增大或减小触发角α来自动调节整流输出电压Uds，即可达到稳定,其系统结构框图与系统原理图如图2所示
转速反馈α
Un给定
IdR
Uc

Un
ΔUn
Kp
Ks
1/Ce
Ud0
n

图2 单闭环转速负反馈系统框图
转速单闭环实验是将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，经“速度变换”后接到“速度调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较经放大后，得到移相控制电压UCt，用作控制整流桥的“触发电路”，触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间，以改变“三相全控整流”的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环系统。电机的转速随给定电压变化，电机最高转速由速度调节器的输出限幅所决定，速度调节器采用P（比例）调节对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则需将调节器换成PI(比例积分)调节。这时当“给定”恒定时，闭环系统对速度变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的转速能稳定在一定的范围内变化。

2带电流截止负反馈的转速负反馈的分析
2.1电流截止负反馈的提出
（1）起动的冲击电流---直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电机换向不利，对过载能力低的电力电子器件来说，更是不能允许的。
（2）闭环调速系统突加给定起动的冲击电流---采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压仍为零，相当于偏差电压，差不多是其稳态工作值的 1+K 倍。这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压一下子就达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，当然是不允许的。
（3）堵转电流---有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。例如，由于故障，机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。
为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。那么，引入电流负反馈，应该能够保持电流基本不变，使它不超过允许值。

2.2 电流截止负反馈环节
通过对电流负反馈和转速负反馈的分析。考虑到，限流作用只需在起动和堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随着负载增减，采用电流截止负反馈的方法，则当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。
电流截止负反馈环节如图3和图4所示

.

图3 利用独立直流电源作比较电压 图4 利用稳压管产生比较电压

图5 封锁运算放大器的电流截止负反馈环节 图6 电流截止负反馈环节的I/O特性
电流截止负反馈环节输入输出特性如图6所示。
图3中用独立的直流电源作为比较电压，其大小可用电位器调节，相当于调节截止电流。图4中利用稳压管VS的击穿电压Ubr作比较电压，线路要简单得多，但不能平滑的调节截止电流值。图5是反馈环节与运放的连接电路。
2.3 带电流截止负反馈调速系统结构框图和静特性
带电流截止负反馈的闭环直流调速系统结构框图如图7所示：

图7 带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态系统结构框图

系统两段静特性的方程式：
当时，电流负反馈被截止，静特性与转速负反馈相同

当时，引入电流负反馈，静特性变为：

静特性的几个特点：
（1）电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻 KpKsRs ，因而稳态速降极
大，使特性急剧下垂。
（2）比较电压 Ucom 与给定电压 Un* 的作用一致， 好象把理想空载转速提高到

（3）两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性。当挖土机遇到坚硬的石块而过载时，电动机停下，电流也不过是堵转电流，在式（1）中，令 n = 0，得
一般,因此
（4）最大截止电流
应小于电机允许的最大电流，一般取 ：Idbl =（1.5~2.0） IN
从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流大于电机的额定电流，
一般取： Idcr ≥（1.1~1.2）IN
（5）调速系统的起动过程如图8图9所示

图8带电流截止负反馈单闭环调速系统 图9理想的快速启动过程

3 参数设计
3.1整体分析
本题目要求设计带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统，为满足以上技术要求和性能指标的要求，选择以下方案设计系统：
1) 系统要求平滑调速，可采用调压调速方式。因为调压调速系统是在保持他励直流电动机的磁通为额定值的情况下，将电枢两端的电压（电源电压）降低为不同的值时，可以获得与电动机固有机械特性相互平行的人为机械特性，调速方向是基速以下，属于恒转矩调速方法。只要输出的电压是连续可调的，即可实现电动机的无级调速，调速范围可以达到很宽。
2) 系统静特性良好，无静差。在参数设置合理的情况下，带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统本身可以做到系统的稳定运行。
3) 本设计中的电力电子变换装置采用三相桥式控制的晶闸管整流装置，应用题目要求中给定的参数进行设计，其Rrec=0.5Ω，Ks=40。
4) 在带电流截止负反馈环中，截止电流的上限选择需要根据电机的品牌和参数论证，以保证电机不至于因电流过大而烧毁。
3.2稳定性参数计算和判断
为了满足D=10，s≤2%，额定负载时调速系统的稳态速降为：

根据，求出系统的开环放大系数：

计算测速反馈环节的放大系数和参数：
设在额定转速下稳态时的给定电压为，则须有
故转速反馈环节的放大系数
计算运算放大器的放大系数和参数：

验证系统在此控制器下的稳定性：
电枢回路电磁时间常数
电力拖动机电时间常数
三项桥式整流电路的失控时间常数
为保证系统稳定，开环放大系数应满足
按动态性能指标，得,而按稳态性能指标有，说明比例控制闭环系统的动态稳定性和稳态性能要求是矛盾的，此系统不稳定。
3.3 转速调节器校正
3.3.1 PI调节器结构

如图10所示是PI调节器即比例积分调节器既结构图，用于实现系统的无静差调速系统

图10 PI调节器的结构图

比例积分调节器的控制传递函数为：
=/ ，为PI调节器的比例放大系数，= /，为PI调节器超前时间常数。比例调节器的输出只取决于输入偏差量的现状，而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。积分调节器到稳态时ΔUn =0，只要历史上有过ΔUn ，其积分就有一定数值，足以产生稳态运行所需要的控制电压。如图11为采用PI调节器单闭环调速系统动态校正特性

图11 采用PI调节器单闭环调速系统
3.3.2 调节器的选择
在设计闭环调速系统时，常常会遇到动态稳定性与稳态性能指标发生矛盾的情况，这时，必须设计一个合适的动态校正装置，用它来改造系统，使它同时满足动态稳定性和稳态性能指标两方面要求。
动态校正的方法很多，而且对于一个系统来说，能够符合要求的校正方案也不是唯一的。在电力拖动自动控制系统中，最常用的是串联校正和反馈校正。串联校正比较简单，也容易实现。对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统，由于其传递函数的阶次较低，一般采用PID调节器的串联校正方案就能完成动态校正的任务。
PID调节器中有PD、PI和PID三种类型。由于PD调节器构成的超前校正，可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性，但稳定精度可能受到影响；由PI调节器构成的滞后校正，可以保证稳定精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的。一般调速系统的要求以动态稳定性和稳态精度为主，对快速性要求差一些，所以采用PI调节器。
现在我们利用PI调节器来校正，原系统的传递函数如下

其中，， ，由于
因此分母中的二次项可以分解成两个一次项之积，，

编写Matlab程序如下
k=109.46/(0.00167*0.161*0.07);
z=[ ];
p=[-1/0.0067 -1/0.07 -1/0.161];
[num,den]=zp2tf(z,p,k);
bode(num,den);
margin(num,den);
grid
校正前伯德图如图12所示：

图12 校正前伯德图

由于原始系统不稳定，表现为放大系数K过大，截止频率过高，应该设法把他们压下来。因此，把校正环节的转折频率设置在远低于原始系统截止频率处,令,使校正装置的比例微分项与原始系统中时间常数最大惯性环节对消,从而选定。
其次，为了使校正后的系统具有足够的稳定裕度，它的对数幅频特性应以的斜率穿越线，将原始的对数幅频和相频特性压低，使校正以后系统的对数幅频和相频特性的截止频率。这样，在处，应有
根据以上两点，校正环节添加部分的对数特性就可以确定下来了：

取，为了使，取，在伯德图上查得相应的，因而
因为 ，
所以 ，
于是PI调节器的传递函数为：

最后选择PI调节器的阻容参数，选取，则
，取
，取
校正后系统开环传递函数为

编写Matlab程序如下：
k=372.3/(0.00167*0.54*0.07);
z=[ ];
p=[-1/0.00167 -1/0.07 0];
[num,den]=zp2tf(z,p,k);
bode(num,den);
margin(num,den);
grid

所得伯德图如图13所示：

图13 校正后伯德图
由图13可以看出，校正后系统的幅值裕度和稳定裕度都满足稳定的条件，
但截至频率变低，快速性被压低，显然这是一个偏于稳定的方案，最终能使系统稳定。
综上所述，转速调节器的类型和参数选择是正确的，即选为PI调节器，参数为，，。

3.4 电流截止负反馈参数设计
其工作原理如图3，是利用独立的直流电源作为比较电压，其大小可用电位器调节，相当于可调截至（保护）电流值。当 时，二极管导通，电流截止负反馈信号加到放大器上去，从而使晶闸管系统输出电压减小，机械特性呈下垂特性；当时，二极管截止，消失。
由所给的技术参数值可知，。为了减小所产生的功耗，选择为，可得。

4. 电流MATLAB仿真
4.1 将设计的参数进行仿真
仿真原理框图如图14所示：

图14 仿真原理图
电流仿真波形如图15所示，扰动加在2秒时：

图15 电流仿真波形
转速波形如图16所示：

图16 转速仿真波形

在图15中可以看到电流经2秒时的给定扰动后后先波动了一下，然后迅速又回到稳态，电流初始输出值未超过在26.25A，即1.5In满足电流截止要求，系统转速最终稳定于1500r/min。

4.2 调节器参数调整
在控制系统中设置调节器是为了改变系统的静、动态性能。在采用了PI调节器后，构成的是无静差调速系统，改变比例系数和积分系数，可得到振荡、有静差、无静差、超调大、启动快等不同转速曲线。如图15,16的调节其参数是Kp=0.294, τ=0.54，系统转速响应无超调，但调节时间较长。若改为Kp=0.8, τ=0.06,则波形如图17所示，可见系统响应的超调较大，有扰动，但是启动快速性好。

图17 调节参数后转速波形

5.电气总图
带电流截止负反馈转速单闭环调速系统电气原理总图如图18所示：

图18 电气总图
6.结束语
通过本次课程设计,我学到了很多东西。我巩固了软件MATLAB的运用,对一些理论知识的实际运用有了更深的理解，特别是晶闸管、变压器等元件的综合运用。我锻炼了独立思考的能力,对电拖的基础知识和综合运用有了深层的理解，尤其是对带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统的设计。总之每一次的实践课实习学习都是在给我们将来积累经验，锻炼自主学习，独立思考，综合运用所学知识的能力。让我最深的体会便是学以致用，要把所学的知识联系起来，综合运用。通过知识的总结，实际的运用，设计出能够为人们所用的智能系统。努力提高自己的动手能力。思路即出路，课程设计发端之始，思绪全无，举步维艰，于是重拾教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。实践出真知，而且我们要有创新的精神，在课程设计中不忘在小处创新，希望我在下一次课程设计中能有更大的突破！你们是事实是时候四是实施生死时速事实是事实是事实上
通过本次设计，增加了我对电机控制知识的掌握，更巩固了我的专业课知识，使自己受益匪浅，总之，通过本次设计不仅进一步强化了专业知识，还掌握了设计系统的方法步骤等，为今后的工作和学习打下了坚实的基础。

参考文献
[1]陈伯时.《电力拖动自动控制系统》.北京：机械工业出版社.2003
[2]杨荫福.《电力电子装置及系统》.北京：清华大学出版社.2006
[3]胡寿松.《 自动控制原理》. 北京：科学出版社. 2007
[4]王兆安.《电力电子变流技术》.北京：机械工业出版社.2003
[5]王兆安 黄俊. 《电力电子技术》. 北京：机械工业出版社.2000
[6]张明勋. 《电力电子设备和应用手册》. 北京：机械工业出版社. 1992
[7]何建平 陆治国.《电气传动》.重庆：重庆大学出版社.2002

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