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1、 转速、电流双闭环不可逆V-M直流调速系统的设计与仿真毕业论文目录摘要I引言II1 直流调速系统简介11.1 晶闸管-电动机直流调速系统简介11.2 单闭环调速系统简介21.2.1 系统的组成21.2.2 系统的工作原理21.2.3 单闭环调速系统的基本性质31.3 双闭环调速系统简介41.3.1 双闭环调速系统的构成41.3.2 双闭环调速系统的稳态结构及其静特性61.3.3 双闭环调速系统的动态分析92 直流双闭环调速系统方案确定132.1 总体方案132.2 电流环设计方案142.2.1 电流调节器的工作原理142.2.2 电流调节器的作用142.3 转速环设计方案152.3.1 转速调
2、节器的工作原理152.3.2 转速调节器的作用153 直流双闭环调速系统设计163.1 电流环的设计163.2 转速调节器的设计184基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真20设计总结24参考文献25附图261 直流调速系统简介调速系统是当今电力拖动自动控制系统中应用最普遍的一种系统。目前，需要高性能可控电力拖动的领域多数都采用直流调速系统。1.1 晶闸管-电动机直流调速系统简介20世纪50年代末，晶闸管（大功率半导体器件）变流装置的出现，使变流技术产生了根本性的变革，开始进入晶闸管时代。由晶闸管变流装置直接给直流电动机供电的调速系统，称为晶闸管-电动机直流调速系统，简称V-M系统
3、，又称为静止的Ward-leonard系统。这种系统已成为直流调速系统的主要形式。图1.1是V-M系统的简单原理图1,3,5。图中V是晶闸管变流装置，可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，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，以改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。由于V-M系统具有调速范围大、精度高、动态性能好、效率高、易控制等优点，且已比较成熟，因此已在世界各主要工业国得到普遍应用。 -图1.1 晶闸管-电动机直流调速系统（V-M系统）但是，晶闸管还存在以下问题：（1）由于晶闸管的单向导电性，给系统的可逆运行造成困难； （2） 由于晶闸管元件的过载能力小
4、，不仅要限制过电流和反向过电压，而且还要限制电压变化率（du/dt）和电流变化率(di/dt)，因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件；（3） 当系统处于深调速状态，即在较低速下运行时，晶闸管的导通角小，使得系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流，引起电网电压波形畸变，对电网产生不利影响；（4） 由于整流电路的脉波数比直流电动机每对极下的换向片数要小得多，因此，V-M系统的电流脉动很严重。1.2 单闭环调速系统简介1.2.1 系统的组成由前面的分析可知，开环系统不能满足较高的调速要求。许多需要无级调速的生产机械，常常不允许有很大的静差率。为了使系统同时满足D、S的要求，提高调速质量，必
5、须采用闭环系统。用转速检测装置，例如在电动机上安装一台测速发电机TG，检测出输出量或被调量n的大小和极性，并把它变换成与转速成正比的负反馈电压Ufn，与转速给定电压Un相比较后，得到偏差电压Un，经放大产生触发装置GT的控制电压Uc，用以控制电动机的转速。这就组成了转速负反馈单闭环调速系统，其原理图如图1.2。根据自动控制原理，反馈闭环控制系统是按被调量的偏差进行控制的系统。只要被调量出现偏差，它就会产生纠正偏差的自动调节过程。而前述转速降落正是由负载引起的转速偏差，因此闭环调速系统应该能大大减小转速降落。图1.2 单闭环调速系统1.2.2 系统的工作原理改变转速给定电压Un的大小，就可以改变
6、直流电动机的转速，实现平滑调速。如图1.3所示，设电动机在Ud1决定的特性上的点1处以转速n1稳定运行，这时负载电流Id=Id1，控制电压Uc=Uc1,整流平均电压Ud=Ud1,当电动机上的负载转矩TL加大时有如下自动调节过程,整流电压平均值的增量Ud=Ud2-Ud1,用与补偿电阻牙降增量IdR=(Id2-Id1)R中的很大部分，使转速最后稳定在Ud2决定的特性上的点2处，显然n2略小于n1。 图1.3 闭环系统静特性与开环机械特性的关系上述自动调节作用表明，增加或减小负载，就相应地提高或降低整流电压，因而得到一条新的开环机械特性。按上述工作原理在每条开环机械特性上取一个相应的工作点，再将这些
7、点集合起来 ，就是闭环系统的静特性，也就是说，闭环调速系统的静特性实际上是由许多机械特性上的不同运行点集合而成，可视为一条综合的特性直线，它代表闭环调节作用的结果。由此可知，闭环系统能减小稳态降速的实际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路。1.2.3 单闭环调速系统的基本性质转速单闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，具有以下具体特征，也就是反馈控制的基本规律：（1） 应用比例调节器的单闭环系统是有静差的；（2） 单闭环系统对于给定输入绝对服从；（3） 单闭环系统具有较强的抗扰性能。1.3 双闭环调速系统简介1.3.1 双闭环调速系统的构成单闭环调速系统可以实现转速
8、调节无静差，且采用电流截止负反馈作限流保护可以限制启（制）动时的最大电流。单闭环调速系统还存在以下问题：（1） 在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，系统的动态性能不够好。在采用电流截止负反馈和转速负反馈的单闭环调速系统中，一个调节器需完成两种调节任务：正常负载时实现速度调节，过载时进行电流调节。一般而言，在这种情况下，调节器的动态参数无法保证两种调节过程同时具有良好的动态品质。（2） 系统中采用电流截止负反馈环节来限制启动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应，即最佳过度过程。为了获得近似的理想的过度过程，并克服几个信号综合
9、于一个调节器输入端的缺点，最好的办法就是将主要的被调量转速与辅助被调量分开加以控制，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。1.3.1.1 直流双闭环调速系统的组成 图1.4 直流双闭环调速系统电路原理图在转速、电流双闭环调速系统中，即要控制转速，实现转速无静差调节，又要控制电流使系统在充分利用电动机过载能力的条件下获得最佳过度过程，其关键是处理好转速控制和电流控制之间的关系，就是将两者分开，用转速调节器ASR调节转速，用电流调节器ACR调节电流。ASR与ACR之间实现串级调节，即以ASR的输出电压Ui作为电流调节器的电流给定信号，再用ACR的输出电压Uc作为晶闸管触发电路
10、的移相控制电压。从闭环反馈的结构看，速度环在外面为外环，电流环在里面为内环。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具有输入、输出限幅电路的PI调节器4，且转速和电流都采用负反馈环。系统原理图如图1.4。1.3.1.2 调节器输出限幅值的整定在双闭环系统中转速调节器ASR的输出电压Ui是电流调节器ACR的电流给定信号，其限幅值Uim为最大电流给定值，因此，ASR的限幅值完全取决于电动机所允许的过载能力和系统对最大加速度的需要。而ACR的输出电压限幅值Ucm，表示对最小角的限制，也表示对晶闸管整流输出电压的限制。调节器输出限幅值的计算与整定是系统设计和调试工作中很重要的一环。1
11、.3.1.3 调节器锁零为使调速系统消除静差，并改善系统的动态品质，在系统中引入PI调节器作为矫正环节。由于PI调节器的积分作用，在调速系统停车期间，调节器会因输入干扰信号的作用呈现出较大的输出信号，而使电动机爬行，这在控制上是不允许的，因此对调速系统中具有积分作用的调节器，在没有给出电动机启动指令之前，必须将它的输出“锁”到零电位上，简称为调节器锁零5,6,7。系统中调节器锁零是由零速锁零电路来实现的。并且系统对调节器锁零电路有如下具体要求。（1） 系统处于停车状态时，调节器必须锁零；（2） 系统接到启动指令或正常运行时，调节器锁零立即解除并正常工作。根据上述要求，锁零电路只需两个信号来控制
12、调节器“锁零”与“开放”两个状态。停车时：Un=Ufn=0, 调节器锁零,无输出信号。启动时：Un0，Ufn=0，调节器锁零解除，并处于正常工作状态。稳态运行时：Un=Ufn0，调节器锁零解除，并处于正常工作状态。制动停车时：Un=0, Ufn0，调节器锁零解除，并处于正常工作状态。必须注意，对于可逆调速系统，Un=0, Ufn0时，调节器不能锁零，以保证调节器对其进行制动停车控制。为使锁零电路对不可逆和可逆系统都具有通用性，Un=0, Ufn0时，要求调节器不能锁零。调节器锁零可以采用场效应管来实现，如图1.5所示。图1.5 调节器锁零当Un=Ufn=0时，锁零调节电路使场效应管导通，从而使
13、调节器锁零。1.3.1.4 系统中调节器输入、输出电压极性的确定在转速、电流双闭环调速系统中，要构成转速、电流负反馈闭环，就必须使ASR、ACR的输入信号Un与Ufn,Ui与Ufi的极性相反，怎样确定这些信号的极性呢？在实际组成双闭环调速系统时，要正确的确定上述信号的极性，必须首先考虑晶闸管触发电路的移相特性要求，并决定ACR输出电压Uc的极性，然后根据ACR和ASR输入端的具体接法（是同相输入还是反相输入）确定Ui和Un的极性，最后按照负反馈要求确定Ufi和Ufn的极性。确定各输入、输出信号极性的一般方法如下： 根据晶闸管触发电路的移相特性要求确定其移相控制电压Uc的极性； 根据各调节器输入
14、端的具体接法（习惯上是采用反相输入方式，其输入与输出方式相反）确定调节器给定输入信号的极性； 根据负反馈的要求确定各调节器反馈输入信号的极性。1.3.2 双闭环调速系统的稳态结构及其静特性1.3.2.1 双闭环调速系统的稳态结构图根据图1.4所示的原理图可以很方便的画出图1.6所示双闭环调速系统的稳态结构图8。其中的转速、电流调节器ASR、ACR这两个环节的输入与输出稳态关系无法用放大系数表示，而用带限幅输出的PI调节器的输出特性表示。图1.6 双闭环调速系统的稳态结构图为转速反馈系数；为电流反馈系数1.3.2.2 双闭环调速系统的静特性双闭环调速系统的静特性仍然表示系统转速n与电流Id或转矩
15、Te的稳态关系，即系统达稳态时n=f(Id)或n=f(Te)。分析其静态性能的关键是掌握限幅输出的PI调节器的稳态特征。一般有两种状态：饱和输出达限幅值；不饱和输出未达限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，且不在受输入量变化的影响，除非有反向的输入量使调节器退出饱和；当调节器不饱和时，其比例积分控制作用总是使稳态输入偏差电压U为零。实际上，系统正常运行时，电流调节器不会达到预先设计好的饱和状态，因此，对于静特性来说，只需考虑转速调节器的饱和和不饱和两种情况。（1）转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差都为零。因此，由ASR的输入偏差电压Un=0得 （1.1） （1.2）由ACR的输入偏
