1、直流調速系統的設計摘要：本設計從直流電動機的工作原理入手，建立了雙閉環直流調速系統的數學模型，而且詳細分析了系統的原理及其靜態和動態性能。利用MATLAB對系統進行了各種參數給定下的仿真，之后按照自動控制原理，對雙閉環調速系統的設計參數進行分析和計算，通過仿真獲得了參數整定的依據。速度和電流雙閉環直流調速系統具有良好的性能，最廣泛使用的直流馬達，轉速，電流雙閉環直流調速系統的靜態和動態的速度商品的特定質量調節特性。速度和電流雙閉環直流調速系統的控制律，性能特點以及交流和直流電源驅動的自動化控制系統的設計方法品種的重要基礎。首先，應該有速度和電流雙閉環直流調速系統的基本組成部分及其靜態特性;然后

2、，在動態模型的系統從一開始免疫的基礎上，建立和它的性能和速度的兩個方面與目前的兩個監管機構的作用，三是工程設計方法的基本調節，古典控制理論，動態校正方法，推導出了設計方法，即計算簡單的優點，方便，易于掌握;第四，應用工程解決方案，以兩環速度控制兩個監管系統的設計，等等。關鍵詞：直流調速動態模型MATLABAbstractThisdesignfromtheworkingprincipleofDCmotorwithestablishedthemathematicalmodelofthedoubleclosedloopDCspeedcontrolsystem,andthesystemprincipl

3、eandthestaticanddynamicperformaneeindetail.UsingMATLABtosimulatesystemundervariousparametersofagiven.Afteraccordingtoautomaticcontroltheory,thedesignparametersofdoubleclosedloopspeedregulationsystemwereanalysisandcalculation,isobtainedthroughthesimulationoftheparametertuningofthebasis.Speedandcurren

4、tdoubleclosedloopDCspeedcontrolsystemhasgoodperformaneeandisthemostwidelyusedoftheDCmotor,speed,currentdoubleclosedloopDCspeedcontrolsystemofstaticanddynamicspeedcommodityspecificqualityregulationcharacteristics.ThecontrollawforthespeedandcurrentdoubleclosedloopDCspeedcontrolsystem,performaneeandcha

5、racteristicofACandDCpowerdrivenautomationcontrolsystemdesignmethodofvarieties.Firstofall,itshouldbeabasicpartofthespeedandcurrentdoubleclosedloopDCspeedcontrolsystemandthestaticcharacteristicof;then,inthedynamicmodelofthesystemfromthestartimmunebased,establishmentanditsperformaneeandspeedofthetwoasp

6、ectsandthetwoAndtheroleoftheregulators,andthethirdistheengineeringdesignmethodofthebasicregulation,theclassicalcontroltheory,dynamiccorrectionmethod,deducesthedesignmethod,thatis,tocalculatetheadvantagesofsimple,convenient,easytomaster;thefourth,applicationengineeringsolutions,totwoloopspeedcontrolo

7、ftworegulatorysystemdesign,andsoon.Keywords:DCspeedregulationdynamicmodelMATLAB1前言直流傳動具有良好的調速特性和轉矩控制性能，在工業生產中應用較早并沿用至今。早期直流傳動采用有接點控制，通過開關設備切換直流電動機電樞或磁場回路電阻實現有級調速。1930年以后出現電機放大器控制的旋轉交流機組供電給直流電動機（由交流電動機M和直流發電機G構成，簡稱GM系統），以后又出現了磁放大器和汞弧整流器供電等，大規模集成電路和計算機控制技術，隨著電力電子和電子技術，實現了直流傳動的無接點控制。由直流電動機的速度和輸入電壓的使用特點

8、已通過調整直流電流或汞弧整流器觸發階段獲得可變直流電壓供電的直流電動機，所以容易實現速度之間的激勵原理簡單的比例關系。然而，這種方式后來州長可控整流直流電源供應速度控制系統所取代，已不再使用?？煽毓?957年后，直流驅動系統的快速性，可靠性和經濟性不斷提高，在20世紀，作為一個主流高速傳輸很長一段時間。今天是逐步推廣計算機控制的全數字直流調速精度高，速度控制控制系統的使用范圍廣泛，代表了直流電氣傳動的發展方向。之所以多年后的直流驅動器,工業生產的發展仍然被廣泛使用，關鍵是一個簡單的手段來實現高性能。例如，該系統穩定的速度最高為每萬件穩速精度，寬轉速1:1萬或更多的速比控制系統數萬，快速響應系統

9、響應時間縮短到幾毫秒或更少。2直流調速系統直流調速系統是人為或自動改變直流電動機達到所需的機械的工作速度。從機械性能角度來看，那個或通過改變外加電壓電機的參數等方法來改變電動機的機械性能，從而改變的力學性能和電機的工作特性是力學性能的交集電機的速度變化的穩定運行。21直流調速系統的調速原理一個速度的任何設備控制的需要，對生產過程的控制性能有一定要求。例如，精密機床的加工精度要求幾十微米到數微米;重型機床進給機構要求的速度，最高和最低差近300倍寬的范圍；初軋機軋輥的幾千千瓦的電動機容量不有1的時間來完成從現在的進程，扭轉。第二；高速紙機造紙速度1000m/min,需要穩定的速度誤差小于0.01

10、%。作為一個設計系統的基礎上，所有這些要求，可以轉化為運動控制系統的靜態和動態指標。直流電動機具有良好的效果，制動性能，適當的速度平穩廣泛，電力拖動自動控制系統有調速系統、位置隨動系統(伺服系統)、張力控制系統、多電機同步控制系統等多種類型，是一個電氣傳動自動化與控制系統更普遍的應用。這是在理論上，實踐，比較成熟，但也從閉環控制的角度是，它也是外匯管理制度的基礎。從生產機械要求控制的物理量來看，由可控硅所以直流電機(VM)中的直流調速控制系統組成，各種系統往往都是通過控制轉速來實現的，因此，調速系統是最基本的電力拖動控制系統。直流電動機的轉速和其它參量的關系和用式(31)表示：U-IR(3-1

11、)n二Ke式中n電動機轉速；u電樞供電電壓；R電樞回路總電阻；I電樞電流；血一由電機機構決定的電勢系數。在上式中，Ke是常數，電流I是由負載決定的，因此，調節電動機的轉速可以有三種方法：(1) 減弱勵磁磁通；(2) 改變電樞回路電阻R;(3) 調節電樞供電電壓U。在為所需的順利無級調速控制系統，例如一定范圍內，以規范的方式，最好的電樞電壓。抵制變革的速度只能達到調整，超過了小范圍的弱磁勵磁磁通減少,即使它可以平穩速度控制，但往往只是與監管方案的速度范圍小，在基本速度（額定轉速），升速度。因此，直流電機調速自動控制趨于改變主電壓。22電流、轉速雙閉環直流調速系統的理論分析2.2.1雙閉環調速的工

12、作過程和原理速度調節器的輸出作為電流參考電壓到電流調節器，然后才等于最大電流上升時間對于一個不斷給定的電機電流最大速度值的最大啟動。兩者之間實行嵌套連接，電機最大電流（堵轉電流）可以通過設置調整的變化幅度的輸出速度的限制。在電機轉速達到給定的速度，速度控制器的輸入錯誤信號減少到接近零，速度調節器和電流調節器飽和退出，閉環發揮調節。電流調節器來修復觸發相電壓，整流輸出直流電壓和電機速度校正偏差補償相應的修改時間。另一個很小的常數，而且還因為功率電機電樞電流調節電流調節器的快速變化波動的時候，一直沒有時間在改變電機轉速，從而使電流恢復到原來的價值，所以我們的速度更良好穩定的速度運行。2.2.2雙閉

13、環直流調速系統的組成及其靜特性為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，在此則以給定值的電流調節器輸出信號的轉變，在直流電壓和電流的快速增加，可在系統中設置兩個調節器，分別調節轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。如圖2.1所示。把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，速度由負載引起的波動，速度控制器的輸入信號將產生錯誤隨時由速度調節器，再用電流調節器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環結構上看，電流環在里面，稱作內環；轉速環在外邊，稱作外環。這就形成了轉速、電流雙閉環調速系統。一、雙閉環直流調速系統的組成圖2.1轉速、電流雙閉環直流調速系統其中：ASR轉速調節器，ACR電流調節器，

14、TG測速發電機，TA電流互感器，UPE電力電子變換器，U轉速給定電壓，Un轉速反饋電壓，Un*i*電流給定電壓，U電流反饋電壓。i二、雙閉環直流調速系統的靜特性分析靜態特性分析，關鍵是掌握穩定狀態PI調節器的特點，所以一般有兩個條件：飽和-限制輸出幅度，不飽和-輸出幅度不符合限制。當調整飽和度，輸出是恒定值，輸入變化沒有影響輸出，除非有一個反向輸入信號，在退出飽和度調節，換句話說，監管機構暫時切斷飽和輸入和輸出連接調整環相當于開環。當不飽和穩壓器，PI的失調電壓AU輸入的作用是在穩定狀態下的總零。實際上，在正常運行時，電流調節器是不會達到飽和狀態的。因此，對于靜特性來說，只有轉速調節器飽和與不

15、飽和兩種情況。圖2.2雙閉環直流調速系統的穩態結構框圖1. 轉速調節器不飽和這時，兩個調節器都不飽和，穩態時，它們的輸入偏差電壓都是零，因此,U*=Uaxn=axnnn0U*UpxIiid由第一個關系式可得：Unn*na0(3-5)(3-6)(3-7)從而得到圖2.2所示靜特性曲線的CA段。與此同時，由于ASR不飽和，U<U*可知J<J，這就是說，CA段特性從理想空載狀態的Id=0一直延續i*imddmd到1dId。而£，一般都是大于額定電流1,的。這就是靜特性的運行段，ddmdmdm它是一條水平的特性。2. 轉速調節器飽和這時，ASR輸出達到限幅值U*，轉速外環呈開環狀

16、態，轉速的變化對系統imimpdm(3-8)不再產生影響。雙閉環系統變成了一個電流無靜差的單電流閉環調節系統。穩態時：其中，最大電流£取決于電動機的容許過載能力和拖動系統允許的最大加dm速度，由上式可得靜特性的AB段，它是一條垂直的特性。這樣是下垂特性只適合于n<匕的情況，因為如果n>n0，則U>U*，ASR將退出飽和狀態。00nn雙閉環調速系統的靜特性在負載電流小于I時表現為轉速無靜差，這時，dm轉速負反饋起主要的調節作用，但負載電流達到時，對應于轉速調節器的飽dm和輸出U*，這時，電流調節器起主要調節作用，系統表現為電流無靜差，得到im過電流的自動保護。這就是采

17、用了兩個PI調節器分別形成內、外兩個閉環的效果。然而，實際上運算放大器的開環放大系數并不是無窮大，因此，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差，見圖2.3中虛線。圖2.3雙閉環直流調速系統的靜特性Id三、各變量的穩態工作點和穩態參數計算由雙閉環直流調速系統的穩態結構圖可知，雙閉環調速系統在穩態工作時,當兩個調節器都不飽和時，各變量之間有以下關系：(3-9)(310)(311)U*=U-axn=axnnn0U*-UpxIpxIiiddladiCxn+1xRsedKs上述關系表明，在穩態工作點上，轉速n是由給定電壓Un*決定，ASR的輸出量Ui*是由負載電流Idl決定的，而控制電壓Uc的大小則同時取決

18、于n和Id,或者說，同時取決于Un*和Idl。一體化的動態過程調節器的輸入輸出達到穩定狀態而定，輸入為零時，輸出的穩態值無關，與輸入，但其需要所決定的后半部。有價證券投資背后的需要調節提供多少產值，它可以提供多少，直至飽和，增長。鑒于這一特點，雙閉環調速控制系統，閉環穩態參數是一個單一的靜態誤差系統的計算是完全不同的，但與靜態和非穩態計算系統的不同類似，按照監管機構與該反饋值給出的反饋系數。轉速反饋系數：a-U*/n；nmmax電流反饋系數：p=U*/Id；imdm兩個給定電壓的最大值U*、U*由設計者給定，受運算放大器允許輸入nmim電壓和穩壓電源的限制。23雙閉環直流調速系統的數學模型的建

19、立雙閉環直流調速系統數學模型的建立涉及到可控硅觸發器和整流器的相關內容，這里僅作簡單介紹，具體的內容將在第四章內加以說明。全控式整流在穩態下，觸發器控制電壓U與整流輸出電壓U的關系為：Cta0U-AUcosa-AUcos(KU)(312)a022ct其中：A一整流器系數；U2整流器輸入交流電壓；a整流器觸發角；U觸發器移項控制電壓；K觸發器移項控制斜率；Ct整流與觸發關系為余弦，工程中近似用線性環節代替觸發與放大環節，放大系數為:K-U/Ua0ct繪制雙閉環直流調速系統的動態結構框圖如下:圖2.4雙閉環直流調速系統的動態結構框圖2.4調節器的設計方法2.4.1PI調節器PI調節器的結構如下圖所

20、式:Uin圖2.5PI調節器結構圖由圖可得:Uex(3-6)RU+1JUdt二KU+-JUdtRinRCinpiinin001Kpi：PI調節器比例部分的放大系數-:PI調節器積分時間常數1PI調節器的傳遞函數為：w二Kp+-spiTs2.4.2調節器的設計方法為了保證轉速發生器的高精度和高可靠性，系統采用轉速變化率反饋和電流反饋的雙閉環電路主要考慮以下問題：1. 保證轉速在設定后盡快達到穩速狀態；2. 保證最優的穩定時間；3. 減小轉速超調量。為了解決上述問題，就必須對轉速、電流兩個調節器的進行優化設計，以滿足系統的需要。建立調節器工程設計方法所遵循的原則是：1. 概念清楚、易懂；2. 計算

21、公式簡明、好記；3. 不僅給出參數計算的公式，而且指明參數調整的方向；4. 能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡明的計算公式；5. 適用于各種可以簡化成典型系統的反饋控制系統。直流調速系統調節器參數的工程設計包括確定典型系統、選擇調節器類型、計算調節器參數、計算調節器電路參數、校驗等內容。在選擇調節器結構時，只采用少量的典型系統，它的參數與系統性能指標的關系都已事先找到，具體選擇參數時只須按現成的公式和表格中的數據計算一下就可以了，這樣就使設計方法規范化，大大減少了設計工作量。25電流環、速度環的設計2.5.1調節器的具體設計本設計為雙閉環直流調速系統，整流裝置采用三相橋式全控整流電路基本數

22、據如下：1. 晶閘管裝置放大系數：K二30s2. 電樞回路總電阻：R=0.18Q3. 時間常數：電磁時間常數T二0.012sl機電時間常數T二0.12sm4. 調節器輸入電阻R二20kQ設計指標：靜態指標：無靜差；0動態指標：電流超調量O%<5%；空載起動到額定轉速時的轉速超調量io%<15%。nU*12計算反饋關鍵參數：卩=im=0.026V/A九I1.5X305nU*15a=f=二0.015V/(r/min)n1000n電流環的設計（1）確定時間常數整流裝置滯后時間常數T二0.0017s；s電流濾波時間常數T二0.002s（三相橋式電路每個波頭是時間是3.3ms,為oi了基本濾

23、平波頭，應有（12）T二3.33ms，因此取T二2ms二0.002s）oioi電流環小時間常數之和按小時間常數近似處理斤二T+T二0.0037s。（T和乙isoisT一般都比T小得多，可以當作小慣性群近似地看作是一個慣性環節）oil（2）選擇電流調節器結構T0012根據設計要求：o%<5%，且厶二竺乞二2.86<10，可按典型I型設計iTy0.0042電流調節器。電流環控制對象是雙慣性型的，所以把電流調節器設計成PI型的.檢查對電源電壓的抗擾性能：二二0.012'二3.24<10&0.0037s乙由附錄表二，各項指標可接受。（3）選擇電流調節器的參數ACR超前

24、時間常數t=T=0.0si；電流環開環時間增益il疋0.50.5K=135.1s-1，i&0.0037s乙itR135.1x0.012x0.18ACR的比例系數：K=K=0.37。iipK30x0.026s（4）校驗近似條件電流環截止頻率3=K=135.1s-1，cii晶閘管裝置傳遞函數近似條件：3<，現為ci3Ts3T=我為S=196J>135，滿足近似條件;S忽略反電動勢對電流環影響的條件：®>3ci丄現為TTmlI1：0.12x0.0012二79.06s-1<w，滿足近似條件;ci時間常數近似處理條件：13<ci3丄，現為TTsoi13Y0

25、.0017x0.0025二161.69s-1>3.，滿足近似條件。t=hTyn乙二5x0.0214二0.107sh亠1轉速開環增益：k二玨=262.03s-22x52x0.02142n1I1_3：TT-soi電流環可以達到的動態指標為：g%=4.3%<5%，也滿足設計要求。.速度環的設計(1) 確定時間常數電流環等效時間常數：K=2乞=22o.o。37=o.0074sI轉速濾波時間常數：T二0.014son轉速環小時間常數近似處理：斤二2Ty+T=0.0074+0.014二0.0214s。nion(2) 選擇轉速調節器結構按跟隨和抗擾性能都能較好的原則，在負載擾動點后已經有了一個積

26、分環節,為了實現轉速無靜差，還必須在擾動作用點以前設置一個積分環節，因此需要II由設計要求，轉速調節器必須含有積分環節，故按典型II型系統一選用設計PI調節器。典型II型系統階躍輸入跟隨性能指標見附錄表三。(3) 選擇調節器的參數：ASR的比例系數:6x0.026x0.2x0.12K=(h+D卩CeTm=6.48n2haRTy2x5x0.015x0.18x0.0214乙n（4）近似校驗=262.03x0.107s-1=28.03s-1轉速截止頻率為：®=Kn=Ktcn®1電流環傳遞函數簡化條件:二54.05s-1，滿足條件;cn轉速環小時間常數近似理條件：1111=xs-1

27、=32.75s-13*2斤T32x0.0037x0.014cn乙ion（5）檢驗轉速超調量當h=5時，o二37.6%，不能滿足要求.按ASR退飽和的情況計算超調量:n令=812%，竺=平二305瀘=274$/min，滿足設計要求。be3雙閉環直流調速系統仿真31仿真模型由于本文只進行了理論性設計，故在系統安裝與調試階段只對控制電路部分進行了MATLAB仿真，以分析直流電機的啟動特性。采用MATLAB中的simulink工具箱對系統在階躍輸入和負載擾動情況下的動態響應（主要為轉速和電樞電流）進行仿真。仿真可采用面向傳遞函數的仿真方法或面向電氣系統原理結構圖的仿真方法，本文采用面向傳遞函數的仿真方法。系統仿真結構如圖3.1所示Un*FifterlhZ10.OO2S+1FifterSmax150.0017s+1SCR1/1.8>3.aiss+id0.217sIS0.01O.OIs+1Fifter2O.OD2s+TSDOfH(ld)Fifter4圖3.1系統仿真結構圖圖3.2ASR內部結構圖GainlIntegrstDr圖3.3ACR內部結構圖