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1、带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统建模与仿真2015年4月目录一、设计参数1二、设计背景12.1问题的提出 12.2解决办法 1三、带电流截止负反馈闭环直流调速系统23.1总原理图 23.2电流截止反馈环节 23.3带电流截止负反馈闭环直流调速系统结构框图和静特性 3四、参数设计54.1基本参数的计算 54.2判别系统稳定性 64.3PI 调节器的设计 74.4取样电阻的选择10五、 Matlab 建模与仿真 105.1带 P I 调节器的闭环直流调速系统105.2加入电流截止负反馈11六、波形分析及结论166.1没有电流截止负反馈166.2加上电流截止负反馈166.3结论16一、设计参数
2、电动机：额定数据为 PN 3kW ， U N220V ， IN17.5A ， n N1500r/min ，电枢电阻 R a 1.2 ， GD 23.53N m 2 ；晶闸管触发整流装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器Y/Y联结，二次线电压U 2l230V ，二次线电压电压放大系数K s44；V-M 系统电枢回路总电阻2.8 ；要求：生产机械要求调速范围 D10，静差率 S2% ， Idcr1.2I N 21A ，Idbl1.77IN 31A , U n*10V二、设计背景2.1 问题的提出众所周知， 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
3、载能力低的电力电子器件来说，更是不能允许的。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。另外，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。2.2 解决办法为了解
4、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。但是，这种作用只应在启动和堵转时存在，再正常运行时又得取消，让电流自由的随负载增减。 这种当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈，叫做电流截止负反馈亏，简称截流反馈。三、带电流截止负反馈闭环直流调速系统3.1 总原理图VSTAVTU iR1C1LU*R0+nI dRP1-+M+U cU dR0-Rbaln+TGU nRP2-图 1 带电流截止负反馈闭环直流调速系统原理图
5、本系统采用带电流截止负反馈的转速负反馈主电路结构，其原理图如图1 所示。图中的电动机的电枢回路由晶闸管组成的三相桥式整流电路供电，通过与电动机同轴刚性连接的测速发电机TG检测电动机的转速，并经转速反馈环节分压后取出合适的转速反馈信号 U n ，此电压与转速给定信号U n* 经速度调节器ASR综合调节， ASR的输出作为移相触发器的控制电压 U c ，由此组成转速负反馈单闭环直流调速系统。改变U n* 即可调节电动机的转速。在本系统中ASR采用比例积分调节器，属于无静差调速系统。为了防止在起动和运行过程中出现过大的电流冲击，系统引入了电流截止负反馈以限止电流不超过其允许的最大值。3.2 电流截止
6、负反馈环节直流调速系统中的电流截止负反馈环节如图2 所示，电流反馈信号取自串入电动机电枢回路中的小阻值电阻Rs ， I d R s 正比于电流。设 Idcr 为临界的截止电流，当电流大于I dcr 时将电流负反馈信号加到放大器的输入端，当电流小于 I dcr 时将电流反馈切断。为了实现这一作用，须引入比较电压U com 。图 3 中利用独立的直流电源作比较电压，其大小可用电位器调节，相当于调节截止电流。在I d R s 与 U com 之间串接一个二极管，当 I d R sU com 时，二极管导通， 电流负反馈信号即可加到放大器上去；当 I d R sU com时，二极管截止，Ui 即消失。
7、显然，在这一线路中，截止电流I dcrU com R s 。图 2 利用独立直流电源作比较电压图 3 利用稳压管产生比较电压3.3 带电流截止负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图和静特性电流截止负反馈环节的输入输出特性如图4 所示，它表明：当输入信号（ I dR s - U com）为正值时， 输出和输入相等；当（ I d R s - U com）为负值时， 输出为零。 这是一个非线性环节（两段线性环节）， 将它画在方框中，再和系统的其它部分联接起来，即得带电流截截止负反馈的闭环调速系统稳态结构图5 所示，图中 U i 表示电流负反馈信号电压，U n 表示转速负反馈信号电压。图 4 电流截止负反
8、馈环节的输入- 输出特性图 5 带电流截止负反馈的闭环直流调速系统稳态结构框图由图 5 可写出该系统两段静特性的方程式。当I dIdcr 时，电流负反馈被截止，静特性和只有转速负反馈调速系统的静特性相同，即nK pK sU n*RI d（-K ）K） C（1Ce1eI d I dcr 后，引入了电流负反馈，静特性变成K p K sU*n-K p K s（）RI dnK）R sI d - U com -C（1K ）（） （Ce 1 KCe 1e（*）（）I dK pK s U nU com-R K p K sRs（K）（K）Ce1Ce 1对应上式的静特性如图6图 6 带电流截止负反馈闭环调速系统
9、的静特性电流负反馈被截止时相当于图中的CA段，它就是闭环调速系统本身的静特性，显然是比较硬的。电流负反馈起作用后，相当于图中的的AB 段。我们可以看出，AB段和 CA段相比有两个特点：1）电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻K p K sR s ，因而稳态速降极大，特性急剧下垂。2）比较电压U com 与给定电压 U *n 的作用一致，好像把理想空载转速提高到（*）n0K p K sU nU com（）Ce1 K即把 n0提高到图中的D点。当然，图中用虚线画出的DA段实际上是不起作用的。这样的两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性。当挖土机遇到坚硬的石块而过载时，电动机停下，电流也不过是堵转电流I dbl ，令 n=0，得I dblK pK（sU *n U com）RK p K sR s一般 K p K sR sR ，因此U n*U comI dblR sIdbl 应小于电动机允许的最大电流，一般为（
