直流电机双闭环调速系统论文

直流调速系统性能改善的根本手段

                               一般直流电动机具有相同的工作原理和应用特性，按类型主要分为直流有刷电动机和直流无刷电动机。随着新材料的出现，技术的更新进步，直流无刷电动机得到了迅速发展，逐渐克服了机械换向装置的固有缺点，凭其技术优势和性能优势在许多场合取代了其它种类的电动机。 图0.1所示为直流电动机的电路原理图。根据直流电动机的转速公式：              图0.1 直流电动机的电路原理图

                               （0.1）

可知，直流电机调速方案有三种：

1)       调节电枢供电电压U

2)       改变电动机主磁通φ

3)       改变电枢回路电阻R

简单的可以用可控直流电源和直流电动机组成一个开环调速系统，但它的性能并不能很好的满足期望值，应用范围极小。因此可以设计一个具有转速反馈控制的单闭环调速系统，把转速作为系统的被调节量，检测误差，纠正误差，这样就可以有效地解决系统调速范围和静差率的矛盾。若采用比例积分调节器，还能实现无静差，引入电流截止负反馈能限制电枢电流的冲击，避免出现过电流现象。但转速单闭环系统还存在一个缺点—不能充分按照理想要求控制电流（或电磁转矩的动态过程），起动过程不是非常的理想。

按照反馈控制规律，若想控制某个变量便引入该变量的负反馈，因此可以组建一个转速、电流双闭环直流调速系统。该系统在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈；达到稳定转速后只有转速负反馈，电流负反馈不再发挥作用。这样便可以按照理想要求控制电流得到比较理想的起动过程。

（1）系统的组成

    为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，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（串级）连接，如图1.1所示。系统由ASR—转速调节器，ACR—电流调节器，TG—测速发动机，TA—电流互感器，UPE—电力电子变换器等组成。

图1.1 双闭环系统原理图

—转速给定电压，Un—转速反馈电压， —电流给定电压，Ui—电流反馈电压

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；转速环在外面，称作外环。这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统（双闭环系统）。为了获得良好的动、静态性能，转速和电流两个调节器一般采用PI调节器。

图1.2 双闭环直流调速系统的动态结构图

      在恒定负载条件下转速变化的过程的与电动机电磁转矩（或电流）有关，图1.3是双闭环直流调速系统在带有负载IdL条件下起动过程的电流波形和转速波形。从电流与转速变化过程所反映出的特点可以把起动过程分为电流上升，恒流升速和转速调节三个阶段，转速调节器在三阶段中经历快速进入饱和，饱和及退饱和三种情况。

   (1) Ⅰ阶段(0-t1)是电流上升阶段：突加给定电压后，Uc,Ud0,Id都会上升，但由于Id<IdL电动机还不能转动。当Id>IdL后,电动机开始缓慢转动， 数值很大， 很快达到限幅值 ，强迫电枢电流Id迅速上升。直到 , ,ACR很快压制了Id的增长。

(2) Ⅱ阶段(t1-t2)是恒流升速阶段：这个阶段，  

另外ACR一般选用PI调节器，电流环按典型Ⅰ型系统设计，因此对斜坡扰动是无法实现消除静差的。在这个阶段中，电动机的反电动势正是一个斜坡扰动，所以系统做不到无静差，而是略低于Idm。为了保证电流环的这种调节作用，起动过程中ACR不能饱和。

(3) Ⅲ阶段(t2以后)是转速调节阶段：当转速上升到n*时， ，电动机仍然在加速，出现转速超调之后 为负，使它退出饱和。由于Id>IdL，转速继续上升。直到Id=IdL，转速达到峰值（t3）。此后Id<IdL，电动机开始在负载的阻力下减速，直到稳态。在这个阶段最后，ASR和ACR都不饱和，ASR是主导调节器，电流内环是一个电流跟随子系统。

双闭环直流调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统抗扰性能是一个重要的性能指标，主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。

由图1.2可以看出，负载扰动出现在电流环之后，因此只能靠ASR来产生抗负载扰动的作用。   

电网电压变化对调速系统也会产生扰动作用。在双闭环系统中，由于增加了电流内环，电压波动在电流内环的前向通路上，可以得到比较及时的调节，不必等到它影响到转速之后才反馈回来，因而扰动性能得到改善。

    电流环ACR电路原理图如图2.1所示。

（1）   确定时间常数

1)   整流装置滞后的时间常数Ts。

2)   电流滤波时间常数Toi。

3)   电流环小时间常数之和T∑i。              图2.1 电流环ACR电路原理图

    按小时间常数处理，取T∑i=Ts+Toi                                     （2.1）

（2）   选择电流调节器的结构

（3）   计算电流调节器的参数

电流调节器超前时间常数：τi=TL

电流环开环增益根据表格计算为KI，于是ACR的比例系数为   （2.2）

（4）   校验近似条件

1)      校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件 则满足近似条件。

2)      校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 < 满足近似条件。

3)      校验电流环小时间常数近似处理条件 则满足近似条件。

（5）   计算调节器电阻和电容

   电流调节器的原理图如图2.1所示：

， ，                                 （2.4）                                 

根据上述参数，可以得到电流环可以达到的动态跟随性能指标  

转速环ASR电路原理图如图2.2所示

（1）    确定时间常数

1)     电流环等效时间常数 。

2)  转速滤波时间常数Ton。

3)   转速环小时间常数之和T∑n。按小时            图2.2 转速环ASR电路原理图

间常数处理，取T∑n= 。                               （2.5）

（2）   选择转速调节器的结构

（3）   计算转速调节器的参数

按跟随和抗干扰性能都较好的原则，取h=5

转速调节器超前时间常数：                        （2.6）

转速环开环增益 ，ASR的比例系数为   （2.7）

（4）   检验近似条件

1)     电流环传递函数简化条件 则满足简化条件

2)     转速环小时间常数近似处理条件 则满足近似条件

（5）   计算调节器电阻和电容

   转速调节器的原理图如图3所示：

  ， ，                               （2.9）

在一个由三相零式晶闸管整流装置供电的转速、电流双闭环调速系统中，己知电动机的额定数据为:PN= 60kW，UN = 220 V，IN = 308 A，nN =1000 r/min，电动势系数Ce=0.196V.min/r，主回路总电阻R =0.18Ω ,触发整流环节的放大倍数Ks=35。电磁时间常数TL =0.012s，机电时间常数Tm =0. 12s,电流反馈滤波时间常数

Toi =0.0025s，转速反馈滤波时间常数Ton =0. 015s,额定转速时的给定电压( )N=10V调节器ASR,ACR饱和输出电压 =8V,Ucm=6. 5V。系统的静、动态指标为:稳态无静差，调速范围D=10，电流超调量 5%，空载起动到额定转速时的转速超调量 10%。试求:

（1）   确定电流反馈系数  (假设起动电流限制在1.1IN以内)和转速反馈系数 。

（2）   试设计电流调节器ACR,计算其参数Ri、Ci、Coi。画出其电路图，调节器输入回路电阻R0=40kΩ

（3）   设计转速调节器ASR，计算其参数Rn、Cn、Con。(R0=40kΩ)

（4）          计算电动机带40％额定负载起动到最低转速时的转速超调量 。

（1）                       

（2）   ACR的设计

查表2-2可知，三相零式晶闸管平均失控时间 Ts=3.33ms

又Toi=2.5ms,所以

因为 ，按照I型系统设计，选用PI调节器         

WACR(s)=

其中            

所以            

                 

电流环截止频率：

a)              检验晶闸管整流装置传递函数近似条件

，满足近似条件。

b)  校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

= < 满足近似条件。

c)  校验电流环小时间常数近似处理条件

，则满足近似条件。

d)  计算调节器电阻和电容

，选择9K

= ，

，

（3）   ASR的设计

1)   确定时间常数

a)          电流环等效时间常数 ，因为 。

b)    转速滤波时间常数Ton=0.015s。

c)     转速环小时间常数之和T∑n= 。

d)          转速调节器的结构，器传递函数为WASR(s)=

2)  计算转速调节器的参数

,

，

,

3)  检验近似条件

a)    转速环传递函数简化条件

，满足简化条件

b)    转速环小时间常数近似处理条件

，满足近似条件

c)     转速超调量的检验（表3-5，h=5时， ）,

得到 ,因此上述设计不符合要求。

查表3-4可知，应当选择小一些的h，h=3

,

，

,

4)  再次检验近似条件

a)    电流环传递函数简化条件

，满足简化条件

b)    转速环小时间常数近似处理条件

，满足近似条件

c)     转速超调量的检验（表3-5，h=3时， ）,

   

得到 ,因此上述设计符合要求。

5)  计算调节器电阻和电容

  ，取310K

，

，

（4）   带40％额定负载起动到最低转速时的转速时

（1）   图1.2为双闭环系统仿真框图，根据计算实例中计算得到的参数可知

直流电动机：额定电压:UN= 220 V ,额定电流:IN=308 A ,额定转速:nN=1000     r/min , 电动机电动势系数：Ce=0.196V.min/r。

1)            电枢回路总电阻：R =0.18Ω，电枢回路电磁时间常数:TL =0.012s，

电力拖动系统机电时间常数:Tm=0. 12s。

2)           假定晶闸管整流装置输出电流可逆，装置的放大倍数:Ks=35。

3)           整流装置滞后时间常数Ts=3.33ms；电流滤波时间常数Toi=0. 0025s ；电流反馈系数:β=0.0236V/A；转速反馈系数: ；转速滤波时间常数Ton =0. 015s；对应额定转速时的给定电压:( )N=10V

4)           电流环传函:         (3.1）

5)           转速环传函:        （3.2）  

（2）   建立Simulink图（R2016a）

1)       电流环

a)       打开模型编辑窗口

进入MATLAB，依次单击命令窗口工具栏中“新建” “ SIMULINK MODAL” →“simpleSIMULINK MODAL” →将现有元件全选删除。

b)       复制相关模块

在untitled窗体上点击libraryBowser图标，依次选择下列图标并鼠标左键将该模板拖入模型编辑窗口。“Source-Step（阶跃输入）”、“Mathoperations-Sum（加法器），gain（增益）”、“continuous-transfer fen（控制器），integrator（积分）”、“sinks-acop（示波器）”、“discontinue-saturation（非线性）”

c)       修改模块参数

双击模块图案，会出现该图案的对话框，根据电流环的传递函数（式3.1）修改对话框内容来设定模块的参数。

d)       模块连接

根据电流环仿真模型框图如图3.1所示中所需要的元件顺序排序，鼠标右键拖动模块可以复制相同的模块。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处，则可以在两模块之间产生 线。

图3.1电流环仿真模型框图

2)       转速环

为了在示波器中反映出转速电流的关系，增加“Signl Routing-Mux”模块把两个输入聚合成一个向量输出给Scope。并增加Step1模块用来输入负载电流。根据转速环传递函数（式3.2）设置相应参数。

根据转速环仿真模型如图3-2所示。进行模块连接。

图3-2  转速环仿真模型

（1）   按设计参数的起动过程仿真结果

  按照理论设计参数起动的过程仿真波形图如图3.3所示。

  其中，电流环仿真波形如图图3.4所示。计算得到                                               图3.3转速环空载起动波形图                       （3.3）

因此是不满足条件的，需要进行参数优化。

转速环仿真波形如图图3.5所示。

              （3.4）

  因此不满足设计要求需要进行参数优化。            图3.4 电流环仿真波形

（2）   起动过程的参数优化

电流环参数优化的方案：因为Cmax的值与比例系数K有关，K影响电流PI调节器的放大系数Ki，因此在仿真模型中改变系数Ki即可。  

转速环参数优化的方案：因为与 ∝ ，因此可以改变Kn的值得到最优的 。（kn的优化与Ki的优化类似）

  

图3.6 优化参数起动的过程仿真波形

（3）   仿真结果分析

经过上面的分析可以看出按照设计参数仿真时结果并没有达到了设计指标要求，原因是由于在理论计算中采用了很多的近似处理已经脱离了现实中的模拟情况，另外由于仿真软件的局限性，与使用者的电脑主频等参数相关，所以要得到最优的结果必须进行参数优化，逐次逼近最优参数。

参数优化后各个元件的选型：

电流调节器的原理图如图2.1所示，选择R0=40K，则

，选择7.5K

= ，选择1.8uF

，选择0.5Uf

转速调节器的原理图如图3所示,选择R0=40K，则

  ，选择510K

，选择05uF

，选择18uF

1)       抗电网电压波动的扰动

2)       抗负载扰动

   

图3.7 转速环反馈线接反仿真图              图3.8 电流环环反馈线接反仿真图

   

图3.9 转速环反馈线掉线仿真图                          图3.10 电流环环反馈线掉线仿真图

1)       实验原理分析

1)       转速调节器不饱和

                           (4.1)

                               (4.2)

同时，由于ASR不饱和， ,由式1.2可知：Id<Idm。因此AB段静特性从立项空载状态的Id=0一直延续到Id=Idm，而Idm一般都大于额定电流IDn的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。

2)       转速调节器饱和

ASR输出达到限幅值 时，转速外环呈开环状态，转速的变化对转速环不再产生影响，双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调速系统。稳态时

                               (4.4)

  式中Idm是由设计者选定的，取决于电动机的容许过载能力和系统要求的最大加速度。式4.2描述得表示图1.4中的BC段，它是垂直的特性。这样的下垂特性只适合n<n0的，否则 <Un ,ASR将退出饱和状态。

    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调节作用。当负载电流达到Idm时，对应于转速调节器为饱和输出 ，这时，电流调节器起主要调节作用， 图4.2 双闭环直流调速系统的静特性                                                   

系统表现为电流无静差，起到过电流的自动保护作用。                              

图1.4也反映了ASR调节器退饱和的条件。当ASR处于饱和状态时，Id=Idm，若负载电流减小，IdL<Idm，使转速回升，n>n0，△n<0，ASR反向积分，从而使ASR调节器退出饱和，又回到线性调节状态，使系统回到静特性AB段。

2)       实验步骤

  1）按图4.3双闭环机械特性实验电路图接线，涡流测功机负载转矩调至最小。

  2）逐渐增加给定电压Ug，使电机起动、升速，调节Ug和涡流测功机的负载转矩，使电动机转速nN=1500r/min，Id=IN=1.1A，然后逐步减小负载转矩直到空载，测取6～8点，即可测出系统的静特性n=f (Id)。                              

    双闭环系统控制回路接线图如图4.5所示，实验接线图如图4.6所示。

图4.5 双闭环系统控制回路接线图             图4.6 双闭环系统实验接线图

   用二踪慢扫描示波器观察动态波形，用数字示波器记录动态波形。在不同的调节器参数下，观察，记录下列动态波形：

（1）突加给定起动时，电动机电枢电流波形和转速波形。

  给定电压，观察波形。重复以上步骤，

直到获得比较理想的波形为止。突加给定起动，电动机电枢电流波形和转速波形如图4.7所示。

（2）突加额定负载时，电动机电枢电流波形和转速波形。

设置转矩为1，按照（1）中的调整        图4.8电动机电枢电流波形和转速波形

步骤，突加给定电压，观察电动机电枢电流波形和转速波形如图4.8所示。