带电流截止负反馈的转速闭环的数字式直流调速系统的仿真与设计)

运动控制课程设计

题目：带电流截止负反馈的转速闭环的数字式直流调速系统的仿真与设计

专业：电气工程及其自动化

班级：电气二班

姓名：刘俊

学号：0804010231

指导老师：吴新开

2011-12-29

带电流截止负反馈的转速闭环的数字式直流调速系统的仿真与

设计

摘要:到目前为止,虽然在交流电动机的调速问题方面已经解决,但是在速度调节要求却较高,本文主要介绍转速闭环直流调速系统的工作原理,并在此基础上对转速闭环直流电动机的调速系统进行分析,借助MATLAB/SIMULINK 建立起仿真图并进行仿真与分析。论文中给出了各个物理量的波形并对波形进行了分析从而对转速闭环调速系统的稳定性方面得出了一些结论。该调速控制系统可以实现平滑的调速,且具有良好的动静态调速性能,仿真结果验证了系统设计的有效性、可行性。

关键词: 转速闭环调速系统; 直流电动机; MATLAB 仿真

一、引言

在分析电压负反馈电流补偿直流调速系统的基础上，本文提出在主电路中增加了串联的取样电感，用来提取电枢自感电动势产生的压降。改进后的电流正反馈能补偿由电枢内阻和自感电动势产生的压降，提高了动态电流变化时电流补偿的精度。根据转速、电流双闭环调速系统的设计方法，用Simulink做了带电流补偿的电压负反馈直流调速系统仿真，仿真结果证明，增加取样电感后可以消除电流补偿的滞后，在忽略参数变化的影响下精确地补偿电枢压降，改进后的电压负反馈电流补偿能够获得跟转速负反馈同样的效果。电机是一种将电能转换成机械能的设备。到目前为止,虽然交流电动机的调速问题已经解决,但是在速度调节要求较高,正、反转和启、制动频繁或多单元同步协调运转的生产机械上,仍采用直流电动机。

二、课程设计的目的：

①学会使用MATLAB和PROTEL软件画图；

②了解恒压频比控制交流调速系统的工作原理及其参数的确定；

③学会应用MATLAB软件，建立数学模型对控制系统进行仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响；

三、程设计课题：

带电流截止负反馈的转速闭环的数字式直流调速系统的仿真与设

计

1.直流电动机控制系统设计参数

直流电动机(4)：

输出功率为:10Kw 电枢额定电压220V

电枢额定电流55A 额定励磁电流1A

额定励磁电压220V 功率因数0.85

电枢电阻0.1欧姆电枢回路电感100mH

电机机电时间常数1S 电枢允许过载系数1.5

额定转速1430rpm

环境条件:

电网额定电压:380/220V;

电网电压波动:10%;

环境温度:-40~+40摄氏度;

环境湿度:10~90%.

控制系统性能指标:

电流超调量小于等于5%;

空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%;

调速范围D＝20;

静差率小于等于0.03.

四、转速负反馈的闭环直流调速系统的原理

该系统由转速给定环节为Un*,放大倍数为KP的放大器、移相触发器CF、晶闸管整流器和直流电动机M、测速发电机TG等组成。带转速负反馈的直流调速系统的稳态特性方程为:K=KPKSKa/Ce,KP为放大器放大倍数;KS为晶闸管整流器放大倍数;Ce为电动机电动势常数; 为转速反馈系数;R 为电枢回路总电阻。从稳态特性方程2.10 式可以看到,如果适当增大放大器放大倍数KP电机的转速降△n 将减小,电动机有更好的保持速度稳定的性能。

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 P I 调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于下图。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压U c为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。

1 电截止负反馈

为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大问题,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

用只应在起动和堵转时存在,在正常运行时又得取消,让电流自由地

随着负载增减,这样的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,简称截流反馈。

为了实现截流反馈,须在系统中引入电流截止负反馈环节。如图1所示,电流反馈信号取自串人电动机电枢回路的小阻值电阻R S,IdR S正比于电流。设Idcr为临界的截止电流,当电流大于Idcr时将电流负反馈信号加到放大器的输入端,当电流小于Idcr时将电流反馈切断。为了实现这一作用,须引入比较电压Ucom。图1a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IdR S与Ucom之间串接一个二极管VD,当IdR S>Ucom时,二极管导通,电流负反馈信号Ui即可加到放大器上去;当IdR S≤Ucom时,二极管截止,Ui即消失。显然,在这一线路中,截止电流Idcr=Ucom/R S。

图2-1b中利用稳压管 VST的击穿电压Ubr作为比较电压,线路要简单得多,但不能平滑调节截止电流值。

图1 电流截止负反馈环节

图2 电流截止负反馈环节的输入输出特性

图3 带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性

电流截止负反馈环节的输入输出特性如图2所示,它表明:当输入信号(IdR s-Ucom)为正值时,输出和输入相等;当(IdR s-Ucom)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4,图中Ui表示电流负反馈信号电压,Un表示转速负反馈信号电压。

图4 带电流截止负反馈的闭环调速系统稳态结构图

2双闭环直流调速系统