带电流截止负反馈的转速直流调速matlab仿真

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PI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带电流截止负反馈单闭环直流调速系统的建模与仿真1一、设计参数电动机：额定数据为3kWPN，220VUN，17.5AIN，1500r/minnN，电枢电阻1.2Ra，22m3.53NGD；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230VU2l，二次线电压电压放大系数44Ks；V-M系统电枢回路总电阻2.8Ω；要求：生产机械要求调速范围10D，静差率2%S，21AI2.1NdcrI，AIINdbl3177.1,10VU*n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，让电流自由的随负带电流截止负反馈单闭环直流调速系统的建模与仿真2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++-+-MTG+-RP2nRP1U*nR0R0RbalUcVTVSUiTALIdR1C1UnUd-+MTG++-+--MMTGTG+-RP2nRP1U*nR0R0RbalUcVTVSUiTALIdR1C1UnUd--+MMTGTG图1带电流截止负反馈闭环直流调速系统原理图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nU，此电压与转速给定信号*nU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cU，由此组成转速负反馈单闭环直流调速系统。改变*nU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sR，sdRI正比于电流。设dcrI为临界的截止电流，当电流大于dcrI时将电流负反馈信号加到放大器的输入端，当电流小于dcrI时将电流反馈切断。带电流截止负反馈单闭环直流调速系统的建模与仿真3为了实现这一作用，须引入比较电压comU。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sdRI与comU之间串接一个二极管ＶＤ，当comsdURI时，二极管导通，电流负反馈信号Ｕｉ即可加到放大器上去；当comsdURI时，二极管截止，iU即消失。显然，在这一线路中，截止电流scomdcrRUI。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）（comsdU-RI为正值时，输出和输入相等；当）（comsdU-RI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iU表示电流负反馈信号电压，nU表示转速负反馈信号电压。图4电流截止负反馈环节的输入-输出特性带电流截止负反馈单闭环直流调速系统的建模与仿真4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dcrdII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）（）（K1CRI-K1CUKKnede*nspdcrdII后，引入了电流负反馈，静特性变成）（）（）（）（K1CRI-U-IRK1CKK-K1CUKKnedcomdsespe*nsp）（）（）（）（K1CIRKKR-K1CUUKKedsspecom*nsp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的静特性带电流截止负反馈单闭环直流调速系统的建模与仿真5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sspRKK，因而稳态速降极大，特性急剧下垂。2）比较电压comU与给定电压*nU的作用一致，好像把理想空载转速提高到）（）（K1CUUKKnecom*nsp'0即把'0n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dblI，令n=0，得sspcom*nspdblRKKRUUKKI）（一般RRKKssp，因此scom*ndblRUUIdblI应小于电动机允许的最大电流，一般为（1.5～2）NI.另一方面，从调速系统的稳态性能上看，希望CA段的运行乏味足够大，截至电流dcrI应大于点击的额定电流。例如dcrI（1.1～1.2）NI。这些就是设计电流截止负反馈环节参数的依据。四、参数设计4.1基本参数的计算电动机的电动势系数min/r0.1327Vmin/rV15001.217.5-220nRI-UCNaNNe当满足调速范围10D，静差率5%S时，系统额定负载的稳态速降带电流截止负反馈单闭环直流调速系统的建模与仿真63.06r/minr/min0.02-1100.021500s-1DsnnNcl）（）（开环系统的额定速降为n369.25r/mir/min0.13272.817.5CRIneNop闭环系统的开环放大系数应为119.671-3.06369.251-nnKclop转速反馈系数0.00667150010nUN*n运算放大器系数54.110.1327440.00667119.67CKKKesp4.2判别系统稳定性首先应确定主电路的电感值，用以计算电磁时间常数。为了保证最小电流dminI（5%～10%）NI时仍能连续，即dmin2IU0.693L现在132.8VV32303UU2l2取Ndmin8%II，则65.736mH8%17.5A132.8V0.693L取0.0627H65.7mHL计算系统中各环节的时间常数：电磁时间常数0.02346ss2.80.0657RLTl带电流截止负反馈单闭环直流调速系统的建模与仿真7机电时间常数0.15674ss0.1327300.13273752.83.53C375CRGDTme2m对于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数0.00167sTs为保证系统稳定，K应满足：100.610.001670.023460.001670.001670.023460.15674TTTTTTK2sl2sslm）（）（按稳态调速性能指标要求119.67K，因此，此闭环系统不稳定。4.3PI调节器的设计在设计闭环调速系统时，常常会遇到动态稳定性与稳态性能指标发生矛盾的情况，这时，必须设计一个合适的动态校正装置，用它来改造系统，使它同时满足动态稳定性和稳态性能指标两方面要求。动态校正的方法很多，而且对于一个系统来说，能够符合要求的校正方案也不是唯一的。在电力拖动自动控制系统中，最常用的是串联校正和反馈校正。串联校正比较简单，也容易实现。对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统，由于其传递函数的阶次较低，一般采用PID调节器的串联校正方案就能完成动态校正的任务。PID调节器中有PD、PI和PID三种类型。由于PD调节器构成的超前校正，可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性，但稳定精度可能受到影响；由PI调节器构成的滞后校正，可以保证稳定精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的。一般调速系统的要求以动态稳定性和稳态精度为主，对快速性要求差一些，所以采用PI调节器。现在我们利用PI调节器来校正，原始系统的开环传递函数)1sTsTT)(1sT(K)s(Wm2lms已知0.00167sTs，0.02346sTl，0.15674sTm，119.67K，在这里，lm4TT，因此分母中的二次项)1sTsTT(m2lm可以分成两个一次项之积，即带电流截止负反馈单闭环直流调速系统的建模与仿真810.15674s0.003677s1sTsTT2m2lm)10.02872s)(1s12802.0(于是，原始闭环系统的开环传递函数是)102872.0)(112802.0)(100167.0(67.119)s(Wsss相应的闭环对数幅频及相频特性如图7，其中三个转折频率分别为11181.712802.011ssT12234.820.0287211ssT133598.8000167.011ssT而41.56dB20lg119.6720lgK由图7可见，相角裕度和增益裕度GM都是负值，所以原始闭环系统不稳定。这与以上的判断一致。考虑原始系统中已包含放大系数为pK的比例调节器，现在换成