V-M双闭环直流调速系统建模与仿真

V-M双闭环直流调速系统建模与仿真1概述转速、电流双闭环调速系统f简称双闭环调速系统)是由单闭环调速系统发展而来的。

单闭环调速系统可以实现转速调节无静差，但单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，而用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统，则可以获得近似理想的过渡过程。

二、双闭环直流调速系统的原理双闭环直流调速系统具有良好的稳态和动态性能，它已经成为应用非常广泛的一种调速系统。

其系统原理图如图所示。

了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用具有输入、输出限幅电路PJ调节器，且转速与电流都采用负反馈闭环。

由于调整系统的主要参量为转速，故将转速环作为主环放在外面，电流环作为副环放在里面，这样可以抑制电网电压扰动对转速的影响。

在双闭环直流调速系统中设置了两个调节器，转速调节器的输出当作电流调节器的输入，电流调节器的输出控制晶闸管整流器的触发装置。

电流调节器在里面称作内环，转速调节器在外面称作外环，这样就形成转速、电流双闭环调速系统2设计任务及要求2.1 设计任务1．技术数据及技术指标：直流电动机：P N=60KW, U N=220V , I N=308A , n N=1500r/min ,最大允许电流I dbl=1.5I N ,三相全控整流装置：K s=35电枢回路总电阻R=0. 18Ω，电动势系数：C e= 0.196V.min/r系统主电路：T m=0.12s ，T l=0.012s滤波时间常数：T oi=0.0025s , T on=0.015s,其他参数：U nm*=8V , U im*=8V , U cm=8Vδi≤5%，δn≤82.2设计要求1．技术要求：(1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D≥10），系统在工作范围内能稳定工作(2) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续2．设计内容：(1) 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图(2) 根据双闭环直流调速系统原理图, 分析转速调节器和电流调节器的作用,(3) 通过对调节器参数设计, 得到转速和电流的仿真波形，并由仿真波形通过MATLAB来进行调节器的参数调节。

(4) 绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图）(5) 整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书。

3理论设计3.1方案论证3.1.1调速系统组成原理分析单闭环调速系统用PI调节器实现转速稳态无静差，消除负载转矩扰动对稳态转速的影响，并用电流截止负反馈限制电枢电流的冲击，避免出现过电流现象。

单转速单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电流的动态过程。

由于主电路电感的作用，电流不可能突变，为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。

按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，采用电流负反馈就能够得到近似的恒流过程。

应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，在达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈作用。

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，二者之间实行嵌套连接，如图2-1所示。

把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，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，称作内环；转速环在外边，称作外环。

这就形成了转速,电流反馈控制直流调速系统。

为了获得良好的静，动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。

图2-1 转速电流反馈控制直流调速系统原理图ASR---转速调节器 ACR---电流调节器 TG---测速发电机TA---电流互感器 UPE---电力电子变换器 Un*---转速给定电压Un---转速反馈电压 Ui*---电流给定电压 Ui---电流反馈电压3.1.2稳态结构图分析双闭环直流调速系统稳态结构如图2-2-1所示，两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。

转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm，图中用带限幅的输出特性表示PI调节器的作用。

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，其作用是输入偏差电压在稳态时为零。

为了实现电流的实时控制和快速跟随，希希望电流调节器不要进入饱和状态，因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和不饱和两种情况。

双闭环直流调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要作用。

当负载电流达到Idm时对应于转速调节器为饱和输出Uim*，这时，电流调节器起主要作用，系统表现为电流无静差，起到过电流的自动保护作用。

图2-2-1 双闭环直流调速系统的稳态结构图α——转速反馈系数α=0.005β——电流反馈系数β=0.017图2-2-2 双闭环直流调速系统原理图3.1.3调节器作用3.1.3.1转速调节器作用（1）转速调节器是调速系统的主导调速器，它使转速n很快地跟随给定电压Un*变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。

（2）对负载变化起扰动作用。

因为负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动作用。

（3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。

3.1.3.2电流调节器作用（1）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压Ui*（即外环调节器的输出量）变化。

（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。

增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才反馈回来，因而使抗扰性能得到改善。

（3）在转速过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。

（4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。

一旦故障消失，系统立即自动恢复过程。

3.1.4 V-M系统分析图2-3 晶闸管整流器-电动机调速系统原理图图2-3绘出了V-M系统的原理图，图中VT是晶闸管整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，改变可控整流器平均输出直流电压Ud，从而实现直流电动机的平滑调速。

晶闸管可控整流器的功率放大倍数在410以上，门极电流可以直接用电子控制；响应时间是毫秒级，具有快速的控制作用；运行损耗小，效率高；使V-M 系统获得了优越的性能。

3.2系统设计3.2.1电流调节器的设计3.2.1.1确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数Ts 。

按下表3-1所示，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.00167s 。

表3-1晶闸管整流器的失控时间（f=50Hz ） 整流电路形式 最大失控时间 Tsmax (ms)平均失控时间 Ts (ms) 单相半波 单相桥式（全波） 三相半波 三相桥式20106.673.33 10 5 3.33 1.67 （2）电流滤波时间常数Toi 。

Toi=0.0025s 。

（3）电流环小时间常数之和T ∑i 。

按小时间常数近似处理，取T ∑i =Ts+Toi=0.00167+0.0025=0.00417s 。

3.2.1.2选择电流调节器结构根据课设任务要求%5i ≤σ，并保证稳态电流无差，可以按典Ⅰ型系统设计电流调节器。

电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI 型电流调节器，其传递函数为式中Ki 是电流调节器的比例系数；i τ是电流调节器的超前时间常数。

ss K s W i i i ACR )1()(ττ+=检查对电源电压的抗扰性能：i T Tl ∑ 00417.0012.0≈≈2.88，各项指标都是可以接受的。

3.2.1.3计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：i τ=Tl=0.012s 。

电流环开环增益：要求%5i ≤σ时，应取K I T ∑i =0.5，因此 K I =i 5.0∑T =119.9于是，ACR 的比例系数为 Ki=βτs i K RKI =0.433.2.1.4校验近似条件电流环截止频率：ci ω=K I =119.9(1)校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件 s 31T =00167.0*31≈199.6＞ci ω 满足近似条件(2)校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 l m 13T T =012.0*12.01*3≈79.05＜ci ω 满足近似条件(3)校验电流环小时间常数近似处理条件31oi s 1T T =31*0025.0*00167.01≈163.1＞ci ω 满足近似条件3.2.1.5 计算调节器电阻和电容电流调节器原理如图3-2所示，按所用运算放大器取Ro=40K Ω，各电阻和电容值计算如下：Ri=KiRo=0.43*40=17.2K Ω, 取20K Ω Ci=i iR τ=1000*20012.0=0.6uF 取0.75uF Coi=o oi4R T =1000*400025.0*4=0.25uF 取0.25uF图3-2 含给定滤波和反馈滤波的PI 型电流调节器按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为i σ=4.3%＜5% 满足设计要求3.2.2转速调节器的设计3.2.2.1确定时间常数(1)电流环等效时间常数KI 1。

已取K I T ∑i =0.5，则 KI 1=2T ∑i =2*0.00417=0.00834s(2)转速滤波时间常数Ton 。

Ton=0.015s(3)转速环小时间常数T ∑n 。

按小时间常数近似处理，取T ∑n=KI 1+Ton=0.00834+0.015=0.0233s3.2.2.2选择转速调节器结构按照设计要求,设计成典Ⅱ型，选用PI 调节器，传递函数为W ASR （s ）=s s K n n ττ)1(n +式中Kn 是转速调节器的比例系数；n τ是转速调节器的超前时间常数。

3.2.2.3计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR 的超前时间常数为 n τ=hT ∑n=5*0.0233=0.117s转速开环增益为K N =2221n T h h ∑+=220233.0*5*26=221.0ASR 的比例系数为 Kn=n RT h CeTmh ∑+αβ2)1(=0233.0*18.0*0053.0*5*212.0*196.0*017.0*6=10.793.2.2.4检验近似条件转速环截止频率为cn ω=1ωKN=K N n τ=221.0*0.117=25.9(1)电流环传递函数简化条件31i∑T KI =3100417.09.119=56.5＞cn ω 满足简化条件(2)转速环小时间常数近似处理条件31onT KI =31015.09.119≈29.8＞cn ω 满足近似条件3.2.2.5校核转速超调量理想空载启动时设z=0，已知数据：5.1=λ，R=0.18Ω，I N =308A ，n N =1500r/min, Ce=0.196V.min/r,Tm=0.12s,T ∑n=0.0233s 。