1、摘要電力拖動自動控制系統是把電能轉換成機械能的裝置,它被廣泛地應用于一般生產機械需要動力的場合也被廣泛應用于精密機械等需要高性能電氣傳動的設備中,用以控制位置、速度、加速度、壓力、張力和轉矩等。直流電動機具有良好的起、制動性能宜于在大范圍內平滑調速在許多需要調速或快速正反向的電力拖動領域中得到應用。而轉速、電流雙閉環控制直流調速系統是性能很好、應用最廣的直流調速系統針對面向系統傳遞函數結構圖仿真方法的不足，提出了一種基于MATLAB的Simulink和Power System工具箱、面向系統電氣原理結構圖的仿真新方法，實現了轉速與電流雙閉環=配合控制的直流可逆調速系統的建模與仿真分別介紹了同步

2、脈沖觸發器、移相器控制器和PI調節器的建模，給出了直流可逆調速系統的仿真模型和仿真結果，仿真結果表明了仿真算法可信度較高。關鍵詞:= 配合控制;直流電機;MATLAB仿真;移項控制器 目錄摘要1第1章.緒論31.1配合有環流可逆控制直流調速系統簡介31.2 控制對象及要求4第2章：系統總體設計52.1=配合控制的直流可逆調速系統的工作原理52.2電流調節器設計62.2.1電流調節器的作用62.2.2電流環結構簡圖72.2.3設計電流調節器72.3轉速調節器設計102.3.1轉速調節器的作用102.3.2轉速環結構簡圖102.3.3設計轉速調節器11第3章Simulink仿真143.1 系統建模

3、143.1.1 移相控制器的封裝143.1.2 帶限幅的PI調節器的封裝153.1.3 =配合控制的直流可逆調速系統整體的建模163.2仿真波形及分析17結論20參考文獻21第1章.緒論1.1配合有環流可逆控制直流調速系統簡介可逆軋機、龍門刨床等生產機械要求運動控制系統能夠實現快速的正、反轉，以提高產量與加工質量；開卷機、卷取機等雖然不需要正、反向運行，卻需要快速制動。將上述生產工藝要求歸納成運動控制系統的性能，就是電動機除電動轉矩外還需產生制動轉矩，實現生產機械快速的減速、停車與正、反向運行等功能。在轉速n和電磁轉矩Tc的坐標系上，就是四象限運行的功能，如圖1-1所示。這樣的調速系統需要正、

4、反轉，故稱可逆調速系統。 +n 正轉 正轉 制動狀態 電動狀態 -Te +Te 反轉 反轉 電動狀態 制動狀態 -n圖1-1 調速系統的四象限運行 = 配合控制消除直流平均環流的原則是正組整流裝置處于整流狀態，即 Ud0f 為正時，強迫使反組處于逆變狀態，即Ud0r ，且幅值相等，使逆變電壓把整流電壓頂住，則直流平均環流為零。1.2 控制對象及要求交流電源：160V（峰值），50HZ電動機：Un=220V，n=136A，n=1460r/min，=2，Rrec=1.3,Ra=0.21，La=0.000543H勵磁電壓：Uf=220V，Rf=14.7，Lf=0，Lof=0.084H，J=2.29

5、kg·電抗器：L1L4為0.002H，平波電抗器為0.015H，Toi=0.002s，Ton=0.014s，=0.00685，=0.037設計要求為：1設計轉速調節器、電流調節器參數2建立仿真模型并進行仿真第2章：系統總體設計2.1=配合控制的直流可逆調速系統的工作原理=配合控制的有環流直流可逆調速系統的電氣原理圖如圖2-1所示。圖中，主電路由兩組三相橋式.晶閘管全控型整流器反并聯組成，并共用同一路三相電源。由于采用=配合控制方式，在兩組整流器之間沒有直流環流，但還存在脈動環流，為了限制脈動環流的大小，在主電路中串入了四個均衡電抗器Lc1Lc4，用于限制脈動環流。平波電抗器Ld，用于

6、減少電動機電樞電流的脈動，減少電樞電流的斷續區，改善電動機的機械特性。系統的控制部分采用了轉速和電流的雙閉環控制。由于可逆調速電流的反饋信號小不僅要反映電樞電流的大小還需要反映電樞電流的方向，因此電流反饋一般用直流電流互感器或霍爾電流檢測器，在電樞端取電流信號。為了確保兩組整流器的工作狀態相反，流調節器的輸出分兩路，一路經止組橋觸發器GTF控制正組橋整流器，另一路經倒相器AR、反組橋GTR控制反組橋整流器VR。圖2-1 =配合控制的有環流直流可逆調速系統的電氣原理圖其中：正組晶閘管VF，由GTF控制觸發： 正轉時，VF整流； 反轉時，VF逆變。 反轉晶閘管VR，由GTR控制觸發： 反轉時，VR

7、整流； 正轉時，VR逆變。根據可逆系統正反向運行的需要，給定電壓、轉速反饋電壓、電流反饋電壓都應該能夠反映正和負的極性。這里給定電壓：正轉時，KF閉合， Un* =“+”； 反轉時，KR閉合， Un* =“-”。轉速反饋：正轉時，Un=“-”; 反轉時，Un=“+”。控制電路采用典型的轉速、電流雙閉環系統，其中：轉速調節器ASR控制轉速，設置雙向輸出限幅電路，以限制最大起制動電流。電流調節器ACR控制電流，設置雙向限幅電路，以控制最小控制角min與最小逆變角min。在設計轉速調節器及電流調節器過程中按照“先內環后外環” 的設計原則，從內環開始，逐步向外擴展。在這里，首先設計電流調節器，然后把整

8、個電流環看作是轉速調節系統中的一個環節，再設計轉速調節器 。2.2電流調節器設計2.2.1電流調節器的作用(1) 作為內環的調節器，在轉速外環的調節過程中 ,它的作用是使電流緊緊跟隨其給定值 Ui* （即外環調節器的輸出量）的變化；(2) 對電網電壓波動起及時抗擾的作用。(3) 在轉速動態過程中，保證獲得電動機允許的最大電流，從而加快動態過程。 (4) 當電機處于過載甚至于堵轉時，限制電樞電流的最大值，起到快速的自動保護作用，一旦故障消失，系統能夠自動恢復正常。這個作用對系統的可靠運行來說是十分重要的。2.2.2電流環結構簡圖則電流環結構圖最終簡化成圖2-2在設計電流調節器時，首先考慮應把電流

9、環校正成哪一類典型系統。從穩態要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉特性，由圖可以看出，采用I型系統就夠了。再從動態要求上看，實際系統不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調，以保證電流在動態過程中不超過允許值，而對電網電壓波動的及時抗擾作用只是次要因素，為此，電流環應以跟隨性能為主，即應選用典型I型系統圖2-2.電流環結構簡圖2.2.3設計電流調節器(1)確定時間常數1）整流裝置滯后時間常數Ts。從書上查表可知三相橋式電路的平均失控時間Ta=0.0017s。2)電流濾波時間常數Toi。 三相橋式電路的每個波頭的時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應有（1-2）Toi=3.33ms，因此

10、取Toi=2ms=0.002s。3）電流環小時間常數之和T。按小時間常數近似處理，取T= Ts+Toi=0.0037s。4)直流電機參數 Ce=UN-INRanN=0.1311 min/r5）電樞回路電磁時間常數6）電力拖動系統機電時間常數（2）選擇電流調節器結構根據設計要求并保證穩態電流無差，可按照典型I型系統設計電流調節器。電流環控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調節器，其傳遞函數式為： 式中 Ki 電流調節器的比例系數；ti 電流調節器的超前時間常數。檢查對電源電壓的抗擾性能：，參照典型型系統動態抗擾性能指標與參數的關系表格，可以看出各項指標都是可以接受的。（3）計算電流調節器參數

11、電流調節器超前時間常數：ti=Tl=0.0560s。 晶閘管放大系數： 電流環開環增益：要求i5%時，應取KITi=0.5，因此 于是，ACR的比例系數為 （4)檢驗近似條件電流環截止頻率：ci=KI=135.1s-1；1) 校驗晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件： 滿足近似條件2）校驗忽略反電動勢變化對電流環動態影響的條件： 滿足近似條件3)校驗電流環小時間常數近似處理條件 滿足近似條件（5）計算調節器電阻和電容電流調節器原理圖如圖2-3所示.按所用運算放大器取R0=40k，各電阻和電容值計算如下： 圖2-3 PI型電路調節器2.3轉速調節器設計2.3.1轉速調節器的作用(1)轉速調節器是調速

12、系統的主導調節器，它使轉速n跟隨給定電壓 Un* 變化，穩態時可減小轉速誤差，如果采用PI調節器，則可實現穩態無靜差；(2) 對負載變化起抗擾作用；(3) 其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流2.3.2轉速環結構簡圖最后轉速環結構簡圖為圖2-4為了實現轉速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環節，它應該包含在轉速調節器 ASR 中，現在在擾動作用點后面已經有了一個積分環節，因此轉速環開環傳遞函數應共有兩個積分環節，所以應該設計成典型型系統，這樣的系統同時也能滿足動態抗擾性能好的要求。 圖2-4轉速環結構簡圖 2.3.3設計轉速調節器（1）確定時間常數1）電流環等效時間常數1/KI。由電流

13、環參數可知KITi=0.5，則2）轉速濾波時間常數Ton。根據已知條件可知Ton=0.014s3）轉速環小時間常數Tn。按小時間常數近似處理，?。?）選擇轉速調節器結構按照設計要求采用PI調節器，其傳遞函數為式中Kn 轉速調節器的比例系數；tn 轉速調節器的超前時間常數。（3）計算調節器參數按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數為：轉速環開環增益為：ASR的比例系數為：（4）檢驗近似條件轉速環截止頻率為 1) 電流環傳遞函數簡化條件為 滿足近似條件2) 轉速環小時間常數近似處理條件為 滿足近似條件（5）計算調節器電阻和電容轉速調節器原理圖如圖2-5所示圖2-5 PI型轉

14、速調節器的組成取R0=40k，則（5）校驗轉速超調量當h=5時，查詢典型型系統階躍輸入跟隨性能指標的表格可以看出，不能滿足設計要求。實際上，由于表是按照線性系統計算的，而突加階躍給定時。ASR飽和，不符合線性系統的前提，應該按照ASR退飽和的情況重新計算超調量。需要添加微分負反饋：第3章Simulink仿真3.1 系統建模 3.1.1 移相控制器的封裝 =配合控制的直流可逆調速系統的主要子模塊包括：三相交流電源，正、反并聯的晶閘管三相全控整流橋、同步電源與6脈沖觸發器、速度和電流調節器ASR 及ACR、倒相器、移相控制器，直流電動機。除了PI調節器和移相控制器模塊需要自己封裝外，其余均可從有關

15、模塊庫中直接復制。觸發器的控制角(alpha_deg端)通過了移相控制環節(shifter),移相控制模塊的輸入是移相控制信號Uc，輸出是控制角，移相控制信號Uc由常數模塊設定。移相特性如圖3-1所示。移相特性的數學表達式為： 圖3-1 移項特性及子函數模塊、3.1.2 帶限幅的PI調節器的封裝 在本模型中取 min=30°,Ucm =+lOV ，所以 =90°-(6*Uc) .仿真模型與系統動態構圖的各個環節基本上是對應的。需要指出的是。雙閉環系統的轉速和電流兩個調節器都是有飽和特性和帶輸山限幅的PI調節器，為了充分反映在飽和限幅非線性影響下調速系統的上作情況，需要構建考

16、慮飽和輸出限幅的PI調節器，過程如下:線性PI調節器的傳遞函數為式中,Kp為比例系數;Ki為積分系數; = KpKi。上述PI調節器的傳遞函數可以直接調用SIMULINK中的傳遞函數或零極點模塊。而考慮飽和和輸出限幅的PI調節器模型如圖4所示。模型中比例和積分調節分為兩個通道，其中積分調節器 integrate 的限幅表示調節器的飽和限幅值，而調節器的輸出限幅值由飽和模塊 Saturation 設定。當該調節器用作轉速調節器 ASR時,在起動中由于開始轉速偏差大，調節器輸出很快達到輸出限幅值，在轉速超調后首先積分器退飽和，然后轉速調節器輸出才從限幅值開始下降。為了使系統模型更簡潔，利用了SIM

17、ULINK 的打包功能 (Great Subsystem) 將調節器模型縮小為一個分支模塊，如圖3-2所示。圖3-2 帶飽和和輸出限幅的PI 調節器及子系統模塊3.1.3 =配合控制的直流可逆調速系統整體的建模 將封裝后的反組整流器與正組整流器，給定環節、ASR、ACR、直流電動機等一起可構成=配合控制的直流可逆調速系統的仿真模型。在電動機的負載轉矩輸入端TL接入了階躍 (Step)模塊，用于設置負載轉加載的時刻，和用于限制負載轉矩的最大值， = 有環流直流可逆調速系統仿真模型圖如圖3-3所示。在仿真模型中，交流電源(Ua 、Ub、Uc)兩組反并聯的整流器(VF、VR)和兩組觸發器(Synch

18、ronized 6-Pulse Generator)、 環流電抗器(Lc1Lc4)、平波電抗器Ld和電動機組成可逆系統的主電路?？刂苹芈酚赊D速給定、轉速調節器ASR、電流調節器ACR、倒相器Gain和移相控制器Shifter等模塊組成。其中給定環節可以通過切換開關(Manual Switch)選擇電動機轉向，在需要改變轉向時，雙擊該開關即可正轉到反轉或反轉到正傳的給定切換。轉速和電流的反饋信號均取自電動機測量單元的輸出。轉速調節器ASR和電流調節器ACR由帶輸出限幅的PI調節器分支電路來完成。圖3-3 =配合控制的直流可逆調速系統整體的模型3.2仿真波形及分析 可逆系統從正轉啟動到反轉過程仿真

19、了5s的變化過程，得到電樞轉速和電流的仿真波形如圖3-4所示。圖中電流和轉速為相對值。從仿真曲線知，當系統給定信號變極性時：輸出轉速能夠很好地跟隨轉速給定信號，過渡過程性能較好；轉速極性也隨著給定信號改變極性；由于電機有機械慣性的濾波作用， 速度輸出響應曲線諧波成分較少。 隨著給定信號改變極性電樞電流也改變極性，說明實現了轉矩可逆；電流波形上升和下降沿很陡，動態性能較好；由于=配合控制的直流可逆調速系統可實現快速回饋制動，轉速換向時減速很快，換向性能較優，速度仿真曲線很好地證明了這一點。圖3-2 正轉過程轉速曲線和電樞電流曲線圖3-3 反轉過程轉速曲線和電樞電流曲線圖3-4 正轉過程變換到反轉

20、過程轉速曲線和電樞電流曲線通過圖形分析可得01.3s為系統的正轉啟動過程，1.32.4s為系統的加載過程，2.45s為系統的反轉過程。在啟動過程中可以看到，系統經歷了電流上升、恒流升速和轉速調節三個階段，在轉速超調后電流迅速下降并且出現負向電流，這與不可逆調速系統的啟動過程不同，因為不可逆調速系統不能產生反向電流，而可逆系統反轉整流器可以提供反向電流，并加快啟動的調節過程。因為是理想的空載啟動，啟動結束時電樞電流為零。在其后電動機加上負載，轉速發生波動，并且電流增加，經過1s左右時間的調整，系統達到新的平衡狀態，轉速恢復到1450r/min，電流上升到150A。在啟動后3.5s轉速給定從“+”

21、切換到“-”，系統進入反轉的調節狀態。電樞電流迅速改變方向，并從正變到負的最大值，電動機的轉速也由正變負，系統經歷了本橋逆變和反接制動兩個階段。在2.35s之后，電樞電流開始改變方向，并反向增加，反組橋進入整流，系統開始反接制動階段，電動機轉速下降。在2.36s左右，系統開始反向超調，這是在系統電流環的調節下反組調節器變為逆變狀態，轉速和電動機反電動勢進一步減小，電動機的慣性儲能釋放，并經反組整流器流回電網，這是系統的回饋制動階段。在3.45s轉速下降為零是回饋制動階段結束，系統又開始反向恒流啟動過程，直到電動機進入反轉穩定運行階段。 結論在本次實訓中我設計的是=配合控制的有環流直流可逆調速系統。