V-M双闭环直流调速系统建模与仿真.doc

武汉理工大学《电机拖动运动控制系统》课程设计说明书
V-M双闭环直流调速系统建模与仿真1概述
转速、电流双闭环调速系统f简称双闭环调速系统)是由单闭环调速系统发展而来的。单闭环调速系统可以实现转速调节无静差，但单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，而用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统，则可以获得近似理想的过渡过程。二、双闭环直流调速系统的原理双闭环直流调速系统具有良好的稳态和动态性能，它已经成为应用非常广泛的一种调速系统。其系统原理图如图所示。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具有输入、输出限幅电路PJ调节器，且转速与电流都采用负反馈闭环。由于调整系统的主要参量为转速，故将转速环作为主环放在外面，电流环作为副环放在里面，这样可以抑制电网电压扰动对转速的影响。在双闭环直流调速系统中设置了两个调节器，转速调节器的输出当作电流调节器的输入，电流调节器的输出控制晶闸管整流器的触发装置。电流调节器在里面称作内环，转速调节器在外面称作外环，这样就形成转速、电流双闭环调速系统

2设计任务及要求
2.1 设计任务
1．技术数据及技术指标：
直流电动机：PN=60KW, UN=220V , IN=308A , nN=1500r/min ,
最大允许电流 Idbl=1.5IN ,
三相全控整流装置：Ks=35
电枢回路总电阻 R=0. 18Ω ，
电动势系数： Ce= 0.196V.min/r
系统主电路：Tm=0.12s ，Tl=0.012s
滤波时间常数：Toi=0.0025s , Ton=0.015s,
其他参数：Unm*=8V , Uim*=8V , Ucm=8V
δi≤5%，δn≤8
2.2设计要求
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) 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) 根据双闭环直流调速系统原理图, 分析转速调节器和电流调节器的作用,
(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V-M双闭环直流不可逆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。
3理论设计
3.1方案论证
3.1.1调速系统组成原理分析
单闭环调速系统用PI调节器实现转速稳态无静差，消除负载转矩扰动对稳态转速的影响，并用电流截止负反馈限制电枢电流的冲击，避免出现过电流现象。单转速单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电流的动态过程。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的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm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，采用电流负反馈就能够得到近似的恒流过程。应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，在达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈作用。
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，二者之间实行嵌套连接，如图2-1所示。把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。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2-1 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---电流互感器 UPE---电力电子变换器 Un*---转速给定电压
Un---转速反馈电压 Ui*---电流给定电压 Ui---电流反馈电压
3.1.2稳态结构图分析
双闭环直流调速系统稳态结构如图2-2-1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。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，只有转速调节器饱和不饱和两种情况。
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。

图2-2-1 双闭环直流调速系统的稳态结构图
α——转速反馈系数 =0.005
β——电流反馈系数 =0.017

图2-2-2 双闭环直流调速系统原理图
3.1.3调节器作用
3.1.3.1转速调节器作用
（1）转速调节器是调速系统的主导调速器，它使转速n很快地跟随给定电压Un*变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。
（2）对负载变化起扰动作用。因为负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动作用。
（3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。
3.1.3.2电流调节器作用
（1）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压Ui*（即外环调节器的输出量）变化。
（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才反馈回来，因而使抗扰性能得到改善。
（3）在转速过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。
（4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复过程。
3.1.4 V-M系统分析

图2-3 晶闸管整流器-电动机调速系统原理图
图2-3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，具有快速的控制作用；运行损耗小，效率高；使V-M系统获得了优越的性能。
3.2系统设计
3.2.1电流调节器的设计
3.2.1.1确定时间常数
（1） 整流装置滞后时间常数Ts。按下表3-1所示，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.00167s。
表3-1晶闸管整流器的失控时间（f=50Hz）
整流电路形式
最大失控时间
Tsmax(ms)
平均失控时间 Ts(ms)
单相半波
单相桥式（全波）
三相半波
三相桥式
20
10
6.67
3.33
10
5
3.33
1.67
（2）电流滤波时间常数Toi。Toi=0.0025s。
（3）电流环小时间常数之和T∑i。按小时间常数近似处理，
取T∑i=Ts+Toi=0.00167+0.0025=0.00417s。
3.2.1.2选择电流调节器结构
根据课设任务要求，并保证稳态电流无差，可以按典Ⅰ型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为

式中Ki是电流调节器的比例系数；
是电流调节器的超前时间常数。
检查对电源电压的抗扰性能： ≈2.88，各项指标都是可以接受的。
3.2.1.3计算电流调节器参数
电流调节器超前时间常数：=Tl=0.012s。
电流环开环增益：要求时，应取KIT∑i=0.5，因此
KI==119.9
于是，ACR的比例系数为
Ki==0.43
3.2.1.4校验近似条件
电流环截止频率：=KI=119.9
(1)校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件
=≈199.6＞ 满足近似条件
(2)校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件
=≈79.05＜ 满足近似条件
(3)校验电流环小时间常数近似处理条件
=*≈163.1＞ 满足近似条件
3.2.1.5 计算调节器电阻和电容
电流调节器原理如图3-2所示，按所用运算放大器取Ro=40K，各电阻和电容值计算如下：
Ri=KiRo=0.43*40=17.2K, 取20K
Ci===0.6uF 取0.75uF
Coi===0.25uF 取0.25uF

图3-2 含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器
按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为
=4.3%＜5% 满足设计要求
3.2.2转速调节器的设计
3.2.2.1确定时间常数
(1)电流环等效时间常数。已取KIT∑i=0.5，则
=2T∑i=2*0.00417=0.00834s
(2)转速滤波时间常数Ton。
Ton=0.015s
(3)转速环小时间常数T∑n。按小时间常数近似处理，取
T∑n=+Ton=0.00834+0.015=0.0233s
3.2.2.2选择转速调节器结构
按照设计要求,设计成典Ⅱ型，选用PI调节器，传递函数为
WASR（s）=
式中Kn是转速调节器的比例系数；
是转速调节器的超前时间常数。
3.2.2.3计算转速调节器参数
按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为
=hT∑n=5*0.0233=0.117s
转速开环增益为
KN===221.0
ASR的比例系数为
Kn===10.79
3.2.2.4检验近似条件
转速环截止频率为
==KN=221.0*0.117=25.9
(1) 电流环传递函数简化条件
==56.5＞ 满足简化条件
(2) 转速环小时间常数近似处理条件
=≈29.8＞ 满足近似条件
3.2.2.5校核转速超调量
理想空载启动时设z=0，已知数据：，R=0.18，IN =308A，nN =1500r/min,
Ce=0.196V.min/r,Tm=0.12s,Tn=0.0233s。当h=5时，由表3-3可知
=81.2%，那么
=2*81.2%*1.5*(308*0.18/0.196)/1500*(0.0233/0.12)=8.9%＜10%
能满足设计要求
表3-3典型Ⅱ型系统动态抗扰性能指标与参数的关系
h
3
4
5
6
7
8
9
10
Cmax/Cb

tm / T

tv / T
72.2%

2.45

13.60
77.5%

2.70

10.45

81.2%

2.85

8.80

84.0%

3.00

12.95

86.3%

3.15

16.85

88.1%

3.25

19.80

89.6%

3.30

22.80

90.8%

3.40

25.85
3.2.2.6计算调节器电阻和电容
转速调节器原理图如图3-4所示，取Ro=40K，则
Rn=KnRo=1.14*40=45.6K，取47K
Cn==≈2.49uF 取3uF
Con==≈1.5uF 取2uF

图3-4含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器

4仿真
4.1系统仿真框图
图4-1为双闭环直流调速系统仿真框图

图4-1 双闭环调速系统的动态结构图
Toi为电流反馈滤波时间常数 Ton为转速反馈滤波时间常数

4.2仿真模型的建立
(1)打开模型编辑窗口：通过单击SIMULINK工具栏中新模型的图标或选择File——New——Modle菜单项实现。
(2)复制相关模块：双击所需子模块库图标，则可以打开它，以 选中所需的子模块，拖入模型编辑窗口。
(3)修改模块参数：双击模块图案，则出现关于该图案的对话框，通过修改对话框内容来设定模块的参数。
(4)模块连接：以鼠标左键单击起点模块输出端，拖动鼠标至终点模块输入端，则在两模块间产生→线。当一个信号要分送到不同模块的多个输入端时，需要绘制分支线，通常可把鼠标移到期望的分支线的起点处，按下鼠标的右键，看到光标变为十字后，拖动鼠标直至分支线的终点处，释放鼠标按钮，就完成了分支线的绘制。
4.3仿真模型的运行
如图示4-2为仿真模型

图4-2转速环仿真模型
4.3.1空载时仿真图形
(1)设置负载电流为0A;
(2)启动仿真：点击按钮，仿真启动，双击示波器就可以发现仿真结果如下图4-3：

图4-3转速环空载高速起动波形图
(3) 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，最终稳定与给定转速。电流最终稳定为0A。
4.3.2满载时仿真波形
(1)把负载电流设置为308A，满载启动
(2)按照前面步骤启动模型，波形得到如图4-4：

图4-4 满载时波形图
(3)根据图形发现启动时间延长了，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。

5总结与体会
本次课程设计是针对双闭环直流电机调速系统的设计，基于题目所给要求进行分析，对原理加以理解，然后根据所已知的条件设计调节器，最后运用matlab进行仿真。
这次的课程设计历时一周，课设的理论分析还非常顺利，但是在仿真的过程中碰到了很多问题，开始仿真的时候发现空载时转速电流均不能稳定而是周期性变化，满载时却能最终稳定在额定值，超调量也能满足要求，于是对照图形检查参数发现也没有错。重启了一下MATLAB之后仍然没有解决问题。最后冷静下来分析，应该是转速外环参数错了，于是回过头去在理论分析的环节中改错，最后发现在计算Kn时出错，不小心将Kn缩小了十几倍，导致后面仿真的时候转速环没有起到应有的作用。改正之后，仿真结果符合设计要求，课程设计圆满结束。在这次的课程设计过程中，看得最多的还是课本，之外还有图书馆的一些书籍。通过这次的电机与拖动课程设计，我对该双闭环直流调速系统的结构形式、工作原理及各个器件的作用和设计有了进一步的认识，同时，通过与有共同设计内容的同学交流，分析、整理和研究，加强了自己分析问题解决问题的能力。此外在使用MATLAB进行仿真的过程中，对理论知识的理解更加具体直观了，同时也熟悉了MATLAB的一些操作。总之这次的课程设计，我收获了很多。

参考文献
[1] 阮毅 陈伯时 《电力拖动自动控制系统-运动控制系统》 机械工业出版社2009.
[2] 尔桂花 《运动控制系统》清华大学出版社，2002.
[3] 李志民 《同步电动机调速系统》机械工业出版社，1996.
[4] 洪乃刚《电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真》机械工业出版社，2006.

附图

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