双闭环可逆直流调速系统剖析

中文摘要.............................................................Ⅰ

1课程设计要求....................................................1

1.1课程设计目的....................................................1

1.2任务和要求......................................................1

2双闭环直流调速系统的设计.........................................1

2.1双闭环直流调速系统..........................................1

2.2双闭环调节器的设计..........................................2

3 α=β配合控制的直流可逆调速系统.............................3

3.1 α=β配合控制的直流可逆调速系统的工作原理..................3

3.2 α=β配合控制的直流可逆调速系统的建模.......................4

4 α=β配合控制的直流可逆调速系统仿真实例及分析..............6

4.1系统主要环节的仿真参数.....................................6

4.2仿真波形及分析...............................................7

5结论.............................................................10

参考文献.........................................................11

摘要

尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。因为它具有良好的线性特性，优异的控制性能，高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法，有效地控制电机，提高其运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。针对面向系统传递函数结构图仿真方法的不足，提出了一种基于MATLAB的Simulink、面向系统电气原理结构图的仿真新方法，实现了转速与电流双闭环α=β配合控制的直流可逆调速系统的建模与仿真。

关键词:直流电动机；α=β配合控制；Simulink；MATLAB仿真

I

1课程设计要求 1.1课程设计目的

课程设计是在校学生素质教育的重要环节，是理论与实践相结合的桥梁和纽带。运动控制系统课程设计，要求学生更多实践方案，解决目前学生课程设计过程中普遍存在的缺乏动手能力的现象. 《运动控制系统课程设计》是继《电机与拖动基础》和《运动控制系统》课程之后开出的实践环节课程，其目的和任务是训练学生综合运用已学课程的基本知识，进行电机调速技术和设计工作,掌握系统设计、调试和应用电路设计、分析及调试检测。

1.2任务和要求 1.静态设计

(1)确定控制系统采用的直流稳压电源电压(可选择)。(2)确定整流装置的放大倍数。（需根据电枢电压与控制电压确定)。并设计可控整流装置及触发电路。(3)确定电流反馈系数。(4)确定转速反馈系数。(5)根据调速范围与静差率要求确定静态速降及转速反馈环的反馈系数。

2.动态设计

电流环设计

①确定时间常数;②选择电流调节器结构;③选择电流调节器参数;④校验近似条件;⑤计算电流调节器电阻和电容.

转速环设计

①确定时间常数;②选择转速调节器结构;③选择转速调节器参数;④校验近似条件;⑤计算

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转速调节器电阻和电容;⑥校核转速超调量

2双闭环直流调速系统的设计 2.1双闭环直流调速系统

转速电流双闭环控制的直流调速是最典型的直流调速系统。其原理结构图如图2.1所示。双闭环控制直流调速系统的特点是，电动机的转速和电流分别由两个的调节器分别控制，且转速调节器的输出就是电流调节器的给定，因此电流环能够随转速的偏差调节电动机电枢的电流。当转速低于给定转速时，转速调节器的积分作用使输出增加，即电流给定上升，并通过电流环调节使电动机电流增加，从而使电动机获得加速转矩，电动机转速上升。当实际转速高于给定转速时，转速调节器的输出减小，即电流给定减小，并通过电流环调节使电动机电流下降，电动机将因为电磁转矩减小而减速。在当装束调节器饱和输出达到限幅值时，电流环即以最大电流Idm实现电动机的加速，使电动机的启动时间最短，在可逆调速系统中实现电动机的快速制动。

该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。

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图2.1 双闭环直流调速系统的稳态结构

2.2双闭环调节器的设计 （1）电流环的设计

电流反馈系数:U*imI0.05nom

三相晶闸管整流电路平均失控时间：Ts0.0017s

电流滤波时间常数Toi取2ms。

电流环小时间常数TiTsToi0.0037ms。

根据设计要求，i%5%，应取KITi0.5，因此按典Ⅰ型系统设计。电流调节器选用1型，其传递函数为

WACRsKisiis

其中：i0.076s

KiR0.0762.85i2T2.84iKs20.003737.84

（2）转速环的设计

3

PI

*Unom0.00667Vminrnnom转速反馈系数

电流环等效时间常数为

2Ti0.0074s。

取转速滤波时间常数Ton0.01s。

Tn2TiTon0.0174s

根据稳态无静态及其他动态指标要求，按典Ⅱ型系统设计转速环，取h=5，ASR选用PI调节器，其传递函数为

nhTWASRsKnns1ns

其中，

n0.087

Knh1CeTm2hRTn60.2720.1320.16110.49100.006672.850.0174

3 α=β配合控制的直流可逆调速系统

3.1 α=β配合控制的直流可逆调速系统的工作原理

α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统的电气原理图如图3.1所示。图中，主电路由两组三相桥式.晶闸管全控型整流器反并联组成，并共用同一路三相电源。由于采用α=β配合控制方式，在两组整流器之间没有直流环流，但还存在脉动环流，为了脉动环流的大小，在主电路中串入了四个均衡电抗器Lc1Lc4，用于脉动环流。平波电抗器Ld，用于减少电动机电枢电流的脉动，减少电枢电流的断续区，改善电动机的机械特性。系统的控制部分采用了转速和电流的双闭环控制。由于可逆调速电流的反馈信号小不仅要反映电枢电流的大小还需要反

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映电枢电流的方向，因此电流反馈一般用直流电流互感器或霍尔电流检测器，在电枢端取电流信号。为了确保两组整流器的工作状态相反，电流调节器的输出分两路，路经止组桥触发器GTF控制正组桥整流器，另路经倒相器AR、反组桥GTR控制反组桥整流器。

图3.1 α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统的电气原理图

3.2 α=β配合控制的直流可逆调速系统的建模

组成α=β配合控制的直流可逆调速系统的主要子模块包括：三相交流电源，正、反并联的晶闸管三相全控整流桥、同步电源与6脉冲触发器、速度和电流调节器ASR 及ACR、倒相器、移相控制器，直流电动机。除了PI调节器和移相控制器模块需要自己封装外，其余均可从有关模块库中直接复制。

3.2.1 移相控制器的封装

触发器的控制角(alpha_deg端)通过了移相控制环节(shifter),移相控制模块的输入是移相控制信号Uc，输出是控制角，移相控制信号Uc由常数模块设定。移相特性如图3.2所示。移相特性的数学表达式为：

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90min90UcUcnom

图3.2 移项特性及子函数模块

30,U10V90(6Uc)。 mincm在本模型中取，所以

3.2.2 带限幅的PI调节器的封装

仿真模型与系统动态构图的各个环节基本上是对应的。需要指出的是。双闭环系统的转速和电流两个调节器都是有饱和特性和带输山限幅的PI调节器，为了充分反映在饱和限幅非线性影响下调速系统的上作情况，需要构建考虑饱和输出限幅的PI调节器，过程如下:

线性PI调节器的传递函数为

式中,Kp为比例系数；Ki为积分系数；KpKi。

上述PI调节器的传递函数可以直接调用Simulink中的传递函数或零极点模块。而考虑饱和和输出限幅的PI调节器模型如图3.3所示。模型中比例和积分调节分为两个通道，其中积分调节器 integrate 的限幅表示调节器的饱和限幅值，而调节器的输出限幅值由饱和模块

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Saturation 设定。当该调节器用作转速调节器 ASR时,在起动中由于开始转速偏差大，调节器输出很快达到输出限幅值，在转速超调后首先积分器退饱和，然后转速调节器输出才从限幅值开始下降。为了使系统模型更简洁，利用了Simulink 的打包功能 (Great Subsystem) 将调节器模型缩小为一个分支模块，如图所示。

图3.3 带饱和和输出限幅的PI 调节器及子系统模块

3.2.3 α=β配合控制的直流可逆调速系统整体的建模

将封装后的反组整流器与正组整流器，给定环节、ASR、ACR、直流电动机等一起可构成α=β配合控制的直流可逆调速系统的仿真模型。在电动机的负载转矩输入端TL接入了阶跃 (Step)模块，用于设置负载转加载的时刻，和用于负载转矩的最大值，如图3.4所示

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图3.4 α=β 配合控制的直流可逆调速系统仿真模型

4 α=β配合控制的直流可逆调速系统仿真实例及分析

α=β 配合控制的直流可逆调速系统的仿真模型中，交流电源( au、bu、cu )两组反并联的整流器(VF、VR)和两组触发器(Synchronized 6-Pulse Generator)、环流电抗器(Lc1Lc4)、平波电抗器 Ld 和电动机组成可逆系统的主电路。控制回路由转速给定、转速调节器ASR、电流调节器ACR、倒相器Gain和移相控制器Shifter等模块组成。其中给定环节可以通过切换开关(Manual Switch)选择电动机转向，在需要改变转向时， 双击该开关即可正转到反转或反转到正传的给定切换。 转速和电流的反馈信号均取自电动机测量单元的输出。转速调节器ASR和电流调节器ACR由带输出限幅的PI调节器分支电路来完成。

4.1 系统主要环节的仿真参数

给定信号：有两个常数模块和手动切换开关组成。

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电源：交流160V 50Hz 直流 220V

电机参数:电枢电阻

Rf146.7Ra0.21;电枢电感

La0.00021H2J0.57kgm;转动惯量；励磁电阻

；励磁电感Lf0H励磁与电枢绕组互感Laf0.84H；其它为元件默认值。

ASR为PI调节器，其中：Kp10.49;Kn120.5。

ACR为PI调节器，其中：Kp2.48;Ki37.3。

电抗器：Lc1Lc4为0.02H,Ld的值为0.035H。

4.2 仿真波形及分析

对图4.1的α=β配合控制的直流可逆调速系统进行仿真，得到调速系统在幅值为10的正、负阶跃给定信号、仿真时间为8s的情况下，得到电枢转速和电流的仿真波形如图4.1所示。图中电流和转速为相对值。从仿真曲线知，当系统给定信号变极性时：①输出转速能够很好地跟随转速给定信号，过渡过程性能较好；转速极性也随着给定信号改变极性；由于电机有机械惯性的滤波作用， 速度输出响应曲线谐波成分较少。② 随着给定信号改变极性电枢电流也改变极性(图中b中有正、负变化)，说明实现了转矩可逆；电流波形上升和下降沿很陡，动态性能较好；③由于α=β配合控制的直流可逆调速系统可实现快速回馈制动，转速换向时减速很快，换向性能较优，速度仿真曲线很好地证明了这一点。

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(a)电枢转速 (b)电枢电流

图4.1 仿真后系统转速及电枢电流的波形

仿真了8s的变化过程，其中0- 2.5s为系统的正转起动过程，2.5 -4s 为系统的加载过程，4 - 8s为系统的反转过程。在起动过程中可以看到，系统经历了电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段，在转速超调后电流迅速下降并且出现负向电流，这与不可逆调速系统的起动过程不同，因为不可逆调速系统不能产生反向电流，而可逆系统反转整流器可以提供反向电流，并加快起动的调节过程。因为是理想空载起动，起动结束时电枢电流为零。在2.5s时，电动机加上负载，转速发生波动，并且电流增加，经过1s左右时间的调整，系统达到新的平衡状态，转速恢复到1450r/min，电流上升到120A。

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在起动后4s 转速给定转速从“ + ”切换到“-”，系统进入反转的调节状态。电枢电流迅速改变方向，并从正变到负的最大值，电动机转速也由正变负，系统经历了本桥逆变和反接制动两个阶段。这两个阶段的放大波形如图4.2所示。

（a）电枢电流

（b）电动机转速

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（c）电动机反电动势 （d）平波电感反电动势

图4.2 本桥逆变和反接制动阶段分析

从3.998s反转过程开始到8s时间内，电动机的正向电流下降(见图4.2a)，转速没有太大的变化(见图4.2b) ，平波电感的反电动势为负，与电动机电枢反电动势方向相反，且平波电感的反电动势大于电动机电枢电动势(见图4.2c和图4.2d)，因此是平波电感储能释放，维持电动机的正向电流。这时，仍是正组桥导通，其控制角为β，系统进入了本桥逆变阶段。在4s之后，电枢电流开始改变方向，并反方向增加，反组桥进入整流，系统开始反接制动阶段，电动机转速下降。在4.01s左右，电流开始反向超调，这时在系统电流环的调节下反组整流器变为逆变状态，转速和电动机反电动势进一步减小，电动机的惯性储能释放，并经反组整流器流回电网，这是系统的回馈制动阶段。在4.3s 转速下降为零时回馈制动阶段结束，系统叉开始反向恒流起动过程，直到电动机进入反转的稳定运行阶段。

图4.3所示为上述α= β可逆调速系统的环流分析。其中图a、b分别为正转时 3.5 - 3.56s 内正组和反组整流器的输出流波形，正组整流器电流中包含了电动机负载电流和环流，反组整流器电流中只有脉动的环流成分，而电动机的电枢电流基本上是平稳的直流（IdIvrIvf）。

图4.3c所示为电动机从正转起动到反转过程中的转矩/转速曲线(机械特性)。从机械特性

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可以看到正反转过程经历了特性的三个象限，其中，第一象限电动机工作于正转电动状态，并在起动过程中电动机基本保持了最大转矩的升速;在第二象限电动机转矩变为负，转速减小，电动机工作于正转发电制动状态，这时电动机转速迅速下降到零;在第三象限电动机以最大反向转矩反向升速，最后稳定在反转工作点上，因为转速转矩均为负，所以电动机工作在反转电动状态。

（a）正组整流器输出电流波形 （b）反组整流器输出电流波形

图4.3 两组整流器的环流分析

5 结论

此次设计双闭环可逆直流调速系统的是α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统。需要用到电力拖动自动控制原理、电力电子技术和自动控制原理等课程的内容，而且要求能够熟练

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的运用MATLAB这一功能强大的专业软件。在老师的指导、同学的帮助和自己的努力下，我成功的完成了α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统在MATLAB里面的建模与仿真。完成这一课题进一步强化我的专业知识、提高我的设计能力。并学会了使用MATLAB这一功能强大的软件，能够在其中建模与仿真。

仿真结果分析说明在MATLAB仿真的基础上，对直流电动机的控制进行研究更加方便，准确。能很快了解所控制电机的特性，有利于实现电动机的最优控制。虽然我完成了此次课程设计，但仍然存在很多问题。发现了自身存在的许多不足，但我相信随着我的努力我能够不断完善自己。感谢各位指导老师在这次课程设计中对我的帮助。

参考文献

[1]洪乃刚.电力电子、电机控制系统的建模和仿真.北京：机械工业出版社，2011.

[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统.北京：机械工业出版社，2010.

[3]周建兴.MATLAB从入门到精通.北京：人民邮电出版社，2008.

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