双闭环直流调速系统设计

双闭环直流调速系统设计及仿真

一 转速、电流双闭环控制系统

一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流

电动机的过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动，达

到稳态转速后，电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平衡，进入

稳定运行状态[1]。这种理想的起动过程如图1所示。

0nnt图1 转速调节系统理想起动过程

为实现在约束条件快速起动，关键是要有一 个使电流保持在最大

值的恒流过程。根据反馈控制规律，要控制某个量，就要引入这个量的

负反馈。因此很自然地想到要采用电流负反馈控制过程。这里实际提到

了两个控制阶段。起动过程中，电动机转速快速上升，而要保持电流恒

定，只需电流负反馈；稳定运行过程中，要求转矩保持平衡，需使转速

保持恒定，应以转速负反馈为主。如何才能做到使电流、转速两种负反

馈在不同的控制阶段发挥作用呢？答案是采用转速、电流双闭环控制系

统。如图2所示。图2 双闭环直流调速控制系统原理图参考双闭环的结构图和一些电力电子的知识，采用机理分析法可以

得到双闭环系统的动态结构图。如图3所示。

图3 双闭环直流调速系统动态结构图

在转速环、电流环的反馈通道和输入端增加了转速滤波、电流滤波

和给定滤波环节。因为电流检测信号中常含有交流成分，须加低通滤

波，其滤波时间常数按需要而定。滤波环节可以抑制检测信号中的交流

分量，但同时也个反馈检测信号带来延迟。所以在给定信号通道中加入

一个给定滤波环节，使给定信号与反馈信号同步，并可使设计简化。由

测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤

波，其时间常数用表示[2]。二 双闭环控制系统起动过程分析

前面已经指出，设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于

理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要先

探讨它的起动过程。双闭环调速系统突加给定电压由静止状态起动时，

转速和电流的过渡过程如图4所示。由于在起动过程中转速调节器ASR

经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分为三个阶

南京工程学院毕业设计说明书

南京工程学院

本科毕业设计（论文）

题目： 双闭环直流调速系统的设计与仿真研究

专 业： 自动化

班 级： 10自动化1 学 号: ***********

学生姓名： **

指导教师： ***

起讫日期： 2014.2～2014.5

南京工程学院毕业设计说明书

Graduation Design (Thesis)

Design and Simulation of

Double Loop DC Motor Control System

By

Wu Jie

Supervised by

Associate Prof. Zhang zhenyan

Department of Automation Engineering

Nanjing Institute of Technology

May, 2014

南京工程学院毕业设计说明书

I

摘 要

为了提高运动控制系统在实际工程中的应用效率，本文介绍了直流调速系统的工程设计方法[1]，利用 MATLAB软件，对直流调速系统进行数学建模和系统仿真的研究。所给出的仿真方法，可以灵活地调节系统的参数，从而获得理想的设计结果，并对设计出的系统进行分析。

建立调节器工程设计方法所遵循的原则是:

1）概念清楚、易懂。

2）计算公式简明、好记。

3）不仅给出参数计算公式，而且指明参数调节方向。

4）能考虑饱和非线性控制的情况，同时给出简单的计算公式。

5）适合于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统[2]。

由于这个课题相对简单，我在里面加入了相关性的内容以丰富本课题的广度和深度。在本设计中，我加入了三种简单的单闭环直流调速系统，并且通过对它们进行仿真分析，比较找出了它们的不足之处，从而更明显地体现了双闭环直流调速系统的优越性。并且通过对两种典型的双闭环直流调速系统进行仿真分析，从而更好地理解和运用双闭环直流调速系统[3]。

引言

直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。并通过Matlab进行系统的数学建模和系统仿真，分析双闭环直流调速系统的特性。

一．设计目的

1．了解自动控制系统学科。

2．学习绘画双闭环直流调速系统的动态和稳态结构框图。

3．掌握双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析。

4．体会参数设计的过程及工程设计方法的基本思路。

5. 利用MATLAB仿真。

二．直流调速系统设计

1.双闭环直流调速系统的组成

为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者实行嵌套连接，如图一所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面称为内环，转速环在外面，称作外环。这就形成了转速，电流反馈控制直流调速系统。

图1 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图

2.双闭环的稳态结构图和静特性

图2 双闭环直流调速系统的稳态结构图

转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压，当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况，电流调节器不进入饱和状态 。

- 1 -

第一章 调速系统的方案选择

直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，在许多调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的的应用。近年来，虽然高性能的交流调速技术发展很快，交流调速系统已逐步取代直流调速系统。然而直流拖动控制系统不仅在理论上和实践上都比较成熟，目前还在应用；而且从控制规律的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础。

直流电动机的稳态转速可以表示为

n=U−IRKe∅ （1-1）

式中：n——转速（r/min）；

U——电枢电压（V）；

I——电枢电流（A）；

R——电枢回路总电阻（Ω）；

∅——励磁磁通（Wb）；

Ke——由电机结构决定的电动势常数。

由上式可以看出，有三种调速电动机的方法：

1. 调节电枢供电电压U；

2. 减弱励磁磁通∅；

3. 改变电枢回路电阻R。

对于要求在一定范围内无级平滑调速系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在额定转速以上作小范围的弱磁升速。因此，采用变压调速来控制直流电动机。

1.1 直流电动机的选择

直流电动机的额定参数为：

额定功率KWPN67，额定电压VUN230，额定电流AIN291，额定转速min1450rnN，电动机的过载系数2，电枢电阻2.0aR

1.2 电动机供电方案的选择

电动机采用三相桥式全控整流电路供电，三相桥式全控整流电路输出的电压脉动较小，带负载容量较大，其原理图如图1所示。三相桥式全控整流电路的特点：

一般变压器一次侧接成三角形，二次侧接成星型，晶闸管分为共阴极和共阳极。 - 2 -

1) 有两个晶闸管同时导通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各有一个晶闸管，且不能为同一相的晶闸管。

2) 对触发脉冲的要求：按VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6的顺序，相位依次差60。；共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120。，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。；同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。。