基于双闭环控制的直流电机调速系统设计

基于双闭环控制的直流电机调速系统设计内容摘要：

各物理、 数学 类 尖端技术使 用软件中 的 数 据运 算 及模拟等 方面 一枝独秀。 MATLAB 可以 实现 数 值 和 函数 的精确 绘制、 直线式 矩阵的 运算、 完成和实现 算法 、 溶合 其 它程序设计 的程序 、搭 建用户 窗口 等，主要 运用于 系统 控制设计、 项目 计算、 信号 观 测 与 解释 等 领域。 矩阵是 MATLAB 的 最基本数据单 元 ，它 使得 MATLAB 的指令 表达 方 式 与 数学 、 物理运用 工程中 经常运用到 的 方 式十分 类 似， 因可此 用 MATLAB 来 计 算问题 会 比用 其它各类类似功能的 语言 来得 简 便快 捷得多，并且 MATLAB 同时 也吸收了 其它众多的 软件的优点，使 之 成为一个强大的 数学 运用 软件。 更重要的是， 在 最 新版本中 ， MATLAB加入了对 C， C++， JAVA 等语言 的支持 ， 可以 对它们进行 直接 的 调用 ，而且 用户 还 可以 把 自己 动手 编写 出来 的 有效且经常会用到的 程序 插入到 MATLAB 的 库函数 中 ，这样一来，在下次自己要用时就以 方便 的 调 取出来，节省时间。 课题设计内容 在我这一设计中，控制 对象 当然是 直流电动机，用 习惯中的 PI 控制 方法 对双闭环 的 直流调速系统进行 详细的 设计、性能对比 和 仿真， 在此基础之上，还会对我所设计的整体 方案的合理性 进行探讨。 我在这次设计中主要对以下问题进行了细致工作 ： 1）在系统整体方案的勾画和设计前，对 双 闭环直流 电动机 调速系统 的基本原理和方法进行了学习和了解 ， 并对 它的主要特性 和 组成 进行了综合分析并咨询了老师 ， 确定 双 闭环调速系统达到的稳定状态时的工作条件 ，进行总体设计。 2）在基本原理的基础上，针对数学模型着手稳定性分析。 3）对系统各参数进行计算并选择合适的数据。 4）利用 SIMULINK 进行系统结果仿真并对其中的上升时间作分析和调整。 5） 与开环、单闭环系统进行比较。 5 2 双闭环调速系统的工作原理 我们所说的双闭环调速系统通常是指的转束、电流双闭环调速系统，以下简称双闭环调速系统均是此意，特作说明。 直流电动机 双闭环的直流电动机调速系统控制对象是直流电动机，所谓调速就是针对电动机转速进行调节，所以有必要对其性能做一定介绍。 直流电动机具有良好的制动、起动特性，合适用在大范围上的平滑调速，在许多需要宽范围调速和要求快速正反转的电机拖动控制的区域中得到普遍应用。 其稳态转速可根据电机知识近似表示为： eKIRUn () 式中，“ n 指转速（ r/min） U指电枢电压（ V） I 指电枢电流（ A） R 指电枢回路总电阻（ Ω ） 指励磁磁通（ Wb） eK 指电动势常”。 由式上式不难理解针对转速调整所能采取的三种措施为： 1）调节电枢电压 2）减弱励磁磁通 3）调节电枢回路电阻 很明显，对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢电压的方式最好，减弱磁通能够平滑调速却受调速范围限制，一般只作辅助调速，而用电阻调速只能做到有级调速，因此，直流调速以变压调速为主，转化为数学表达式为： csd UKU （ ） 由上讨论知，对转速的调节实际上是对电枢电压的调节，这就是之后双闭环调速系统的基础之一。 而在实际生产中，另有一些情况对电枢电流有严格要求，这就有了电流反馈参与调节，形成转速、电流组成的双闭环调速的两大基础，这将在后面详细阐述，此处不作说明。 6 双闭环调速系统的组成 双闭环直流调速系统中存在转速、电流两个调节 器，分别调节转速和电流，并引入转速和电流负反馈。 为了分别使转速环和电流环起作用，就引入两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流上，二者之间进行 嵌套（或称串级）联接，如图 所示 [10]。 将转速调节器 ASR 的输出作为电流调节器 ACR 的输入，再将电流调节器的输出控制电力电子变换器 UPE。 从系统结构上来看，电流环作内环 嵌套在里面一层 ；转速环 作为 外环 联接在电流环外部。 这样就 得到了我们常见的电流、 转速 组成的 双闭环直流调速系统。 ++UPEASR AC R M+TA+TGniU*iUnU*nUcUdUdI 图 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图 ASR转速调节器 *iU 电流给定电压 TG测速发电机 TA 电流互感器 UPE电力电子变换器 iU 电流反馈电压 *nU 转速给定电压 ACR电流调节器 nU 转速反 馈电压 双闭环调速系统的工作原理 在实际中，我们可以将 转速 通过连杆与我们要控制的电动机连接在一起，这样，当所控制的电动机转动时，就会带动测速发电机以同样大小的转速转动，尽而可以在不知道转速实际大小的情况下就将其引入了反馈中，再引入一个比例系数串在测速电机后，就可将输出的 的 处理 信号 引入 到输入端， 然后将 给定值 同引 7 入的处理信号作对比。 后面就是我们熟知的环节了，将比对结果引入 放大环节 以得到我们想要的用来 控制 电流环的 电压。 将这个电压作为电流环的输入，电流环输出则通过单向导通的二极管反馈输入信号处 ， 最 终 达到控制电机转速的目的[11]。 其中的放大环节 ， 我们有很多选择，其中一种方法就是采用集成实现，这对电路来说，并不是难事。 主电路 选择用可控整流器根据需要来设置 对电 动 机的 输入 供给 ，二极管可以直接采用习惯中常用的二极管即可。 所以，具体 原理图如 图： U P E MT G0R0R0R0 iRnRnC iU*iU*nU TAdUASRA C RcU 图 双闭环直流调速系统原理图 直流电动机的起动与调速 直流电动机的起动 常用的直流电动机的起动方法有三种： ① 接入变阻器起动； ② 降压起动； ③直接起动 [12]。 对于经常正反转运行的调速系统，起、制动过程经济效益明显，那么在此过程中就希望始终能够保持电流最大值，使能得到最大的加速度 [13]。 而在生活实际中，电流是不可能一下子变化的，为了能在合理的电流下最快制、起动，关键在于如何得到一段保持最大电流的恒电流过程。 这就是利用反馈控制规律的重要原因和作用。 当然它也会带来相应的问题，因为我们希望在起动过程中只有电流负反馈而没有转速负反馈，在达到稳态转速后又只有转速负反馈而没有电流反馈 [14]。 为了达到这一目的，我就引入了反 馈，其中理想的起动图如图。 8 mdImdIdlInn tdI 图 理想起动的过程 直流电动机速度的调节 电动机是用以驱动生产机械的，根据负载的需要，常常希望电动机的转速能在一定甚至是宽广的范围内进行调节，且调节的方法要简单、经济 [15]。 直流电动机在这些方面有其独特的优点。 由式（ ）知，要对转速进行调节的三种方法： 1）调节电枢电压 2）减弱 励磁磁通 3）调节电枢回路电阻 其中，对于要求在某一给定范围上做线性调速的系统来说，以电枢电压改变的方式最佳，用电阻和减弱磁通的方式一般只作辅助调速，因此，直流电动机调速控制以改变电压调速这一形式为主，数学表达式为： csd UKU  （ ）由上讨论知，对转速的调节实际上是对电枢电压的调节，此处再说明一次。 9 3 双 闭环直流调速系统的 性能 指标 静态性能指标 （ 1） 静差率 当电机拖动 控 在某一转速下运转时，系统从理想空载转速 0n 至额定 的 负载时转速降落了 Nn 与理想空载转速 0n 之比，叫做静差率 s[16]，即 ： 0nns N （ ） 用百分数可表示为 ： %1000  nns N （ ） （ 2） 调速范围 生产机械要求电动机在额定负载运转时，提供的最高运转速度 maxn 与最低运转速度 minn 之比，称为调速范围，用符号 D 表示，即 ： minmaxnnD （ ） 式中 “ minn 指 额定 的 负载最低转速 ， maxn 指 额定 的 负载最高转速 ” （ 3） 静差率 与 调速范围 之间的关系 静差率 S 可表达为 NNN nn nn ns m inm in0 （ ） 那么，我们根据该式变形 可得 minn 为： s nsnsnn NNN  )1(m in （ ） 结合式（ ）联立解得： )1( sn snD NN （ ） 10 以上我对静特性的详细分析与研究可得出这样的结论， K 值 将 对 控制 的稳 定特性产生不可忽视的 影响。 它 越大，稳 定 速降 相对就 越小， 静特性 就会 越硬， 特别是在有 静差率 特别 要求的 控制 范围 就会 越宽。 还要提出来的是 ， 如果控制中只PK （为常数） 时 ， 那么， 稳态速降只能减少而不可能消除，因为 )1( kC RIn e dcl  （ ） 当 且仅在 时 才能使 0cln ，而 现实生产中， 这是不可能 企及 的。 因此，这样的调速 控制只能归总到有 静差 之 调速系统，简称有差调速系统。 使用闭、开环系统的理想机械特性如图。 2101020304ccnnnnnnABCDdIn闭 环 特 性开 环 特 性1dI 2dI 3dI 4dI 图 闭、开环系统机械特性的比较 开坏系统是双闭环系统的 基础，但它有明显的不足，由上图不难知，对于一个给定的电压，它对应的机械特性是固定的，所谓调速只是在坐标上上下移动，并不是说改变了 n ，对确定的 cU ，工作曲线唯一确定。 调速范围和静差率是一对互相制约的性能指标，如果在提高调速范围的同时要能降低静差率，那么就只能减少 n。 也就 是说这没能在稳定静差率的同时增加调速范围。 对于上面的问题，在提高调速范围的同时要降低静差率，解决的方法就是采用反馈的优秀技术，组建转速闭环形式的调节系统，降低转速的大幅降下，减轻静差，增宽调速的范围。 很容易看出，闭环控制的范围要远远大得多。 11 双闭环控制 的性能指标 我都很清楚，在这一环节中，如欲做到能改善系统的动、静的态性能，我们可以做的就是添加一种调节器，静态的指标我们在上节中已做了详尽的讲述，本节主要对各动态级性指标做阐述，我们研究的 系统 的 动态 级 性能指标 是在长期的生活生产中，结合各种经验和实 际要求，通过一定时间的整理观察以及实践 后 总结得到 的。 在 智能 化 及近似智能化的 系统中， 我们认为 动 态 指标 就 是 两种比较突出明显的参数系数，我们会一一作对它们做介绍。 （ 1） 跟随性能指标 1） 上升时间 rt 实际上， 在 经典 的阶跃响应 模拟 过程 上 ， 当 输出量 C 从 0 开始 首 次 提高到到稳 定时的数 值 C 所 需要 的时间 就是我们通常 称 的 阶跃响应的上升时间，它表示动态响应的快速性，见图 : CCm ax  C)2(5 0000 或CtCt0rt pt st 图 常见 阶跃响应 的 过程和 各种 跟随性能指标 2） 调节时间 st 在原。