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带电流截止负反馈转速单闭环V-M不可逆直流调速系统

摘要

晶闸管—电动机调速系统（V—M系统）在20实际60年代开始逐步取代G—M系统而成为20世纪后30年中直流调速系统的主要形式。电源是静止装置，由电力电子AC/DC变换器供电。输出电压可调的电力电子AC/DC变换器最常见的就是大家所熟悉的晶闸管可控整流器，通过改变晶闸管的可控整流器的控制角α来改变可控整流器输出电压的极性和大小。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。
带电流截止负反馈的闭环直流调速系统的在对调速精度要求不高的，大功率容量的电机中的应用是非常广泛的，它具有控制简单方便，调速性能较好，设备成本低等的优点。
通过对单闭环调速系统的组成部分可控电源、由运算放大器组成的调节器、晶闸管触发整流装置、电机模型和测速电机等模块的理论分析，比较原始系统和校正后系统的差别，得出直流电机调速系统的最优模型。然后用此理论去设计一个实际的调速系统。
关键词：稳态性能 稳定性 单闭环 电流截止负反馈 无静差

目录
第0章 前言………………………………………………………………………………..3

第1章 课程设计内容……………………………………………………………………..3

第2章 性能指标…………………………………………………………………………..4

第3章 方案论证……………....................................... …………………………………..5

第4章 主回路与控制回路设计………………………………. ………………………....8

第5章 参数计算………………………………………………………………………….15

第6章 Matlab建模与仿真................................................................................................16

第7章 总电气图…………………………………………………………………………25

第8章 结束语……………………………………………………………………………26

第9章 致谢………………………………………………………………………………27

第10 章 参考文献…………………………………………………………………………28

前言

为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。在对调速性能有较高要求的领域常利用直流电动机作动力，但直流电动机开环系统稳态性能不能满足要求，可利用速度负反馈提高稳态精度，而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的，为了消除系统的静差，可用积分调节器代替比例调节器。
反馈控制系统的规律是要想维持系统中的某个物理量基本不变，就引用该量的负反馈信号去与恒值给定相比较，构成闭环系统。对调速系统来说，若想提高静态指标，就得提高静特性硬度，也就是希望转速在负载电流变化时或受到扰动时基本不变。要想维持转速这一物理量不变，最直接和有效的方法就是采用转速负反馈构成闭环调节系统

一、课程设计内容
系统参数：
电动机：
功率装置放大倍数：
电枢回路总电阻：
电枢电感：
电机有关时间常数：
系统指标：调速范围D=10，无静差

其主要内容包括：
1、方案确定；
2、主电路设计；
3、控制电路设计；
4、主要电气设备的计算和选择；
5、绘制原系统的动态结构图；
二、性能指标
任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对消速性能都有一定的要求。例如，最高速与最低转速之间的范围，是有级调速还是无极调速，在稳态运行时允许转速波动的大小，从正转运行变到反转运行的时间间隔，突加或突减负载使得允许的转速波动，运行停止时要求的定位精度等等。归纳起来，对于调速系统系统转速控制的要求有以下三方面：1）调速。在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地或平滑地调节转速。2）稳速。以一定的精度再说需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动。3）加、减速。自动设备要求加、减速尽量快，以提高生产效率，不易经受剧烈速度的机械则要求起、制动尽量平静。
为了进行定量分析，可以针对前两项要求定义两个调速指标，叫做“调速范围”和“静差率”。这两个指标合成调速系统的稳态性能指标。一个调速系统的调速范围是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围，若额定负载下的转速降落为△nN ，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即 ，于是最低转速为 ，而调速范围为 ，将上式的nmin 式代入，得，表示变压调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所满足的关系。

三、 方案论证
普通闭环直流调速系统及其存在的问题
（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。

限流保护—电流截止负反馈的提出
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。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。
对于直流电动机调速的方法有很多，各种调速方法可大致归纳如下：
方案1 　串联电阻调速
系统采用串联电阻调速。这种方法最大的优点就是实现原理简单，控制电路简单可靠，操作简便。这种调速属于基速以下的调速方法，可以达到生产工艺对速度的要求。但它外串电阻只能是分段调节，不能实现无级平滑调速，而且电阻在一定程度上消耗能量，功率损耗比较大，低速运行时转速稳定性差，容易产生张力不平稳，难以控制。
系统采用弱磁调速。由于弱磁调速方法的特点可以看出：功率损耗小，特别是用于调节励磁的电阻器功率小，控制方便而其容易实现，更重要的是可以实现无级平滑调速，为生产节约了生产成本。这是它的优点，但同时要注意到弱磁调速方法难以实现低速运行，以及可逆运行。只能在基速以上运行，且电动机的换向能力以及机械强度的限制，速度不能调得太高，这就限制了它的调速范围的要求，针对我们要设计的目标调速系统，速度要求在1000r/min，很明显这种调速方法难以做到，必须要配合其他的控制方法才能实现，这样成本将会升高，而且控制将会变得复杂，失去了弱磁调速本身所具有的优点。
方案2 　弱磁调速
系统采用弱磁调速。由于弱磁调速方法的特点可以看出：功率损耗小，特别是用于调节励磁的电阻器功率小，控制方便而其容易实现，更重要的是可以实现无级平滑调速，为生产节约了生产成本。这是它的优点，但同时要注意到弱磁调速方法难以实现低速运行，以及可逆运行。只能在基速以上运行，且电动机的换向能力以及机械强度的限制，速度不能调得太高，这就限制了它的调速范围的要求，针对我们要设计的目标调速系统，速度要求在1000r/min，很明显这种调速方法难以做到，必须要配合其他的控制方法才能实现，这样成本将会升高，而且控制将会变得复杂，失去了弱磁调速本身所具有的优点。
方案3 　调节电枢电压调速
系统采用调节电枢电压的调速方法。这种可以获得与电动机的固有机械特性相平行的人为机械特性，调速方向是基速以下只要输出的电压是连续可调的，即可实现电动机的无级平滑调速，而且低速运行时的机械特性基本上保持不变所以得到的调速范围可以达到很宽，而且可以实现电动机的正反转。
基于以上对各种调速可行性方案的论述本，本系统将采用调压调速的调速方法以满足生产工艺的要求。
与电动机同轴安装一台测速发电机GT,从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Un，与给定电压U*n相比较后，得到转速偏差电压△Un，经过放大器A，产生电力电子变换器UPE所需的控制电压Uc,用以控制电动机的转速。这就责成了反馈控制的闭环直流调速系统。晶闸管装置常用于特大容量系统。其原理图如图1所示。
图1 转速单闭环V-M不可逆直流调速系统
由图可见，该系统的控制对象是直流电动机M,被控量是电动机的转速n，晶闸管触发及整流电路为功率放大和执行环节，由运算放大器构成的比例调节器为电压放大和电压（综合）比较环节，电位器RP1是给定原件，测速发电机TG与电位器RP2为转速检测原件。该调速系统的组成框图如下：

图2
特点： ①把转速反馈与给定比较形成控制信号，组成闭环控制；
      ②测速环节：直流测速发电机，与直流电机同轴联结；
      ③设置放大器
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，在于它能随着负载的变化而相应地改变整流电压，而开环系统不能自动调节。以负载增大为例，闭环调速系统的自动调节过程如下：

    总结:具有比例调节器的单闭环调速系统的基本性质，强调指出：有静差系统的概念。这种系统是以存在偏差为前提的，反馈环节只是检测偏差，减小偏差，而不能消除偏差，因此它是有静差调速系统。
V-M系统的工作原理分析
晶闸管—电动机调速系统（简称V—M系统），其原理图如图1-1所示。图中VT是晶闸管的可控整流器，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，即可改变平均整流电压Ud，从而实现平滑调速，也大大提高了系统的动态性能；反并联两组全控整流电路，就可实现电机的四象限运行。
由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难；
元件对过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指标超过允许值都可能在很短时间内损坏元件。
因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时还应有足够的余量。
图3 V—M系统原理图

四、主回路设计
主电路主要是指电源装置和执行装置（直流电动机），由于电动机是我们的控制对象，所以就对电源装置进行可行性和优越性的比较论证。
直流电动机的调速方法有两种，具体为：1）使用脉冲宽度调制晶体管功率放大器，即采用PWM的调压调速控制；2）使用晶闸管可控整流装置调速。考虑到第二种的优点，可调电源电路采用后者，使用晶闸管可控整流装置调压调速。
晶闸管可控整流装置调速
通过晶闸管的导通角的移相，改变触发角，从而改变电压的导通时间，改变电压的平均值。电路如下：

图4 三相桥式整流电路原理图

电路特点：电路直接由交流转换为直流，所以效率比较高。其次，整流装置时SRC，容量相对IGBT而言，比较大，电动机的容量就可以做的相对较大，可靠性也比较高，技术成熟等优点。设计的对象电机的容量是18.5KW，可以很好地满足容量的要求，再次，触发电路也比较简单，有现成的集成触发电路，设计起来相对简单。不过由于也存在正反两组的问题，所以也要考虑逻辑控制问题，以免发生环路导通短路事故。
负载时直流电动机，如果出现电流断续则电动机的机械特性将很软，导通角越小，则电流波形的底部就越窄，电流平均值是与电流波形的面积成正比的，因而为了增大电流平均值，必须增大电流峰值，这要求较多的降低反电动势，因此，当电流断续时，随着Id的增大转速n降落较大，机械特性较软，相当于整流电源的内阻增大，较大的电流峰值在电动机换向时容易产生火花。同时对于相等的电流平均值，若电流波形底部越窄，则其有效值越大，要求电源的容量也大。
为了克服以上缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通额时间。为保证电流连续所需的电感量L可由下式得出：

一般取Idmin为电动机额定电流的5%~10%。
整流电路参数计算：
(1)的计算

—负载要求的整流电路输出的最大值；
—晶闸管正向压降，其数值为0.4—1.2V，通常取；
n—主电路中电流回路晶闸管的个数；
A—理想情况下时，整流输出电压与变压器二次侧相电压之比；
C—线路接线方式系数；
—电网电压波动系数，通常取；
—最小控制角，通常不可逆取；
—变压器短路电压比，100Kv以下的取；
—变压器二次侧实际工作电流额定电流之比；

取，电压比 :

（2）一次和二次向电流和的计算
由式得 ，由表得 ，，考虑励磁电流和变压器的变比K，根据以上两式得：
I1=1.05×287×0.861/1.91=135.84A
I2=0.861×287=247A
（3）变压器的容量计算
S1=m1U1I1=3×380×135.87=154.85kVA
S2=m2U2I2=3×198.87×247=147.3kVA
S=0.5×(S1+S2)=0.5×(154.85+147.3)=151.1kVA
因此整流变压器的参数为：变比K=1.91，容量S=151.1KVA，联结方式为：⊿/Y。

（4）电枢回路的平波电抗器的计算
电动机在运行时保证电流连续，取此时的电流为额定电流的5%～10%。

则电枢需要串入的电枢电抗大小可以算为：
（其中La为电枢的固有电抗值）

（6）转速给定电路设计
转速给定电路主要由滑动变阻器构成，调节滑动变阻器即可获得相应大小的给定信号。转速给定电路可以产生幅值可调和极性可变的阶跃给定电压或可平滑调节的给定电压。其电路原理图如图3所示。

图5 转速给定电路原理图

（7） 电流截止负反馈与调节器
将上述有静差系统中的比例放大器改成比例积分调节器，便构成了无静差系统。为了限制起动冲击电流，系统也采用电流截止负反馈。
图示是一个带电流截止负反馈的无静差的直流调速系统，采用比例积分调节器一实现无静差，采用电流截止负反馈来限制动态过程的冲击电流。TA为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号Ui。当电流超过截止电流Idcr时，Ui高于稳压管VS的击穿电压，使晶体三极管VBT导通，则PI调节器的输出电压Uc接近于零，电力电子变换器的输出电压Ud急剧下降，达到限流的目的。改变即可调节电动机的转速。

图6 无静差直流调速系统原理图
如图3-2所示，上述无静差调速系统的理想静特性如图实线所示。

图7 带电流截止的无静差直流调速系统的静特性
当<时，系统无静差，静特性是不同转速的一族水平线；
当≥时，电流截止负反馈起作用，静特性急剧下垂，基本上是一条垂直线。

图8 无静差直流调速系统稳态结构图（<）

图9 无静差直流调速系统稳态结构图（≥）
PI型调节器原理图如图10所示。

图 10 PI调节器原理图
当时上述系统的稳态结构图如下所示。

图11

现以阶跃负载为例（指突增或突降负载的情况），来讨论 PI调节器在扰动调节过程的作用，

调节器的输出限幅值的确定：
转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定电流给定电压的最大值，其输出决定了电力电子变换器的最大输出电压Udm。
对于本系统：设转速达到额定时的给定电压为+7.5V，转速调节器的输出最大限幅值为±5V，Ks=62.5。

图12 系统动态结构框图

为了实现转速无静差，必须在扰动作用点以前设置一个积分环节，从图可以看出，在负载扰动作用点以后，已经有一个积分环节，故从静态无差考虑需要Ⅱ型系统。从动态性能上看，考虑转速调节器饱和非线性后，调速系统的跟随性能与抗扰性能是一致的，而典型Ⅱ型系统具有较好的抗扰性能。所以，转速环应该按典型Ⅱ系统进行设计。
由图可以明显地看出，要把转速环校正成典型Ⅱ型系统，转速调节器ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为

式中——转速调节器的比例系数；
——转速调节器的超前时间常数；
闭环调速系统用PI调节器串联校正， PI校正牺牲了系统的快速性，而系统的稳态精度变好。
（8）触发电路

图13 触发电路原理图

五、计算
当电流连续时，V-M系统的额定速降为

开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为

闭环系统的稳定条件：

六、Matlab建模与仿真
本次设计利用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，，

其所得伯德图如图3.2所示:

图14 系统校正前bode图
PI调节器的传递函数为：

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：

校正后所得伯德图如图15所示：

图15 校正后bode图
由图15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，，。

6.1带PI调节器的转速负反馈直流调速系统
（1）单闭环直流系统的结构图

图16单闭环直流系统仿真模型

示波器的波形：

图17单闭环直流系统仿真波形

（2）加入PI调节器后仿真，经调整系数后仿真

图18 PI调节器控制的直流调速系统仿真模型

示波器波形：

图19 PI调节器控制的直流调速系统仿真波形

（3） 加入电流截止负反馈后仿真：

图20带电流截止负反馈PI调节器控制的直流调速系统仿真模型

示波器波形：

图21带电流截止负反馈PI调节器控制的直流调速系统仿真波形

加入负载后仿真:

图22 加入负载后仿真模型

示波器波形：

图23加入负载后仿真波形
七、总电气图

图24带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统电气原理总图
八、结束语
课程设计做完了，感谢老师的知道和同学们的帮助。通过这次课程设计，我对《运动控制系统》这门课程有了新的认识。当初学习时态度不认真，而考试也是仅仅停留在应付过去、保证及格的层面上，等到真正做课设了，发现几乎没学到东西，后悔莫及。因此课程设计过程可以说是困难重重，没办法，只能硬着头皮一页一页翻书，很多东西不懂就问，可以说是从零开始。这次课设使我对运动控制系统、尤其是单闭环不可逆直流调速系统有了深入的了解，因为很多资料在网上搜不到，都是自己琢磨、跟同学讨论的，很有收获。

九、致谢
首先感谢学院能给我一个让我们把所学的知识总结起来的机会，通过这次课程设计，使我对电力拖动有了一个整体上的概括，以及晶闸管的用法和作用的了解。这次课程设计是在各个老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。还有小组成员的合作一起完成的这个课程设计，这个课程设计让我们对以前学过的知识有了重新的认识，这次课程设计让我受益非浅。
在此，我还要感谢和我同组的同学。在做课程设计时，正是由于同学的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本次设计的顺利完成。他们对本课题做了不少工作，给予我不少的帮助。

十、参考文献
[1] 陈伯时.电力拖动自动控制系统（第四版）.机械工业出版社.2009
[2] 王兆安，刘进军.电力电子变流技术(第五版）.机械工业出版社.2009
[3] 麦崇裔.电机学与拖动基础.华南理工大学出版社.2006
[4] 罗飞.电力拖动与运动控制系统.化学工业出版社.2007
[5] 杨萌福.电力电子装置及系统.清华大学出版社.2006