电机控制系统的设计电机系统稳定性分析.docx
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电机控制系统的设计电机系统稳定性分析
摘要
电机控制系统发展到现在,极为迅速而且较成熟。
电动机也被广泛应用于工业中,成为工业越来越重要的一部分。
电机控制系统也因其具有良好的性能,如结构简单、易操作、易控制及经济效益好等,被各高校和企业列为重点研究对象。
在调速系统中,PWM双闭环直流调速系统是优越性能比较好的系统,应用也非常广泛。
在电机调速系统中,有着重要的地位。
本文主要从双闭环直流调速系统的组成、调速方法、起动过程等作出分析,阐述该系统的优良性能。
同时从转速、给定电压及电流等方面对电机系统的稳定性进行研究分析。
其次,通过
软件的作用,针对本次系统进行科学合理的仿真,从而获得后期的效果图,以进行相对深入的细致分析。
通过仿真,分析调速过程与系统稳定性之间的联系。
本文是借助PWM双闭环直流调速系统来分析电机系统的稳定性。
关键词:
稳定性;调速;双闭环;Simulink;直流电动机
abstract
Themotorcontrolsystemhasdevelopedrapidlyandmaturelyuptonow.Motorisalsowidelyusedinindustry,becominganincreasinglyimportantpartofindustry.Becauseofitsgoodperformance,suchassimplestructure,easyoperation,easycontrolandgoodeconomicbenefits,themotorcontrolsystemhasbeenlistedasakeyresearchobjectbyuniversitiesandenterprises.Inthespeedcontrolsystem,PWMdoubleclosed-loopDCspeedcontrolsystemhasbettersuperiorityandwideapplication.Inthemotorspeedcontrolsystem,hasanimportantposition.
Thispapermainlyanalysesthecomposition,speedregulationmethodandstartingprocessofthedoubleclosed-loopDCspeedregulationsystem,andexpoundstheexcellentperformanceofthesystem.Atthesametime,thestabilityofthemotorsystemisstudiedandanalyzedfromtheaspectsofspeed,givenvoltageandcurrent.Finally,thesystemissimulatedwiththehelpofMATLAB/Simulinksoftware,andtheresultsareobtainedandanalyzed.Throughsimulation,therelationshipbetweenspeedregulationprocessandsystemstabilityisanalyzed.Inthispaper,thestabilityofmotorsystemisanalyzedbymeansofPWMdoubleclosed-loopDCspeedregulationsystem.
Keywords:
stability;speedregulation;doubleclosedloop;Simulink;DCmotor
1前言
1.1课题背景和意义
在当今社会,电动机已经在农业领域、交通领域以及航空领域等多样化领域当中,获得相对广泛的实际应用。
的电力拖动设备(electricdrives)之中。
为了实现系统性的功能,如电动机的输出转矩、速度,将电动机及负载、用于电气能量形态变换(如DC-DC、DC-AC.AC-DC...)的功率变换装置以及系统控制器三部分组合在一起,就构成了电力拖动控制系统(electricdrivesystem)。
目前,科技与经济发展飞快,随着社会进步,生活及工业中应用需求也急剧增加。
电机控制系统从开初的默默无闻到今天的蓬勃发展,已经渗透到多个应用领域。
电机直流调速系统也因其具有良好的性能,如结构简单、易操作、易控制及经济效益好等,成为了世界工业发展的经济增长点。
况且随着人类运动范围的扩大以及附近环境的逐渐复杂已经难以满足人们的现实当中的需求,这时机器便很好替代人类活动。
而电机控制系统的优良性能可以满足我们在不同场合下对机器的应用。
这使得电机在我们生活应用的越来越广泛,发展速度越来越快。
在电机调速领域,直流调速系统因其起动过程快、抗干扰能力强、可靠性高及精度高等优点,得到了广泛的应用。
也正因如此,直流电力驱动系统已基本得到了相当广的应用。
在当前时期,转速电流双闭环直流调速系统,由于表现出极为优异的性能,故而尤其适用于工业、交通、家电、航空航天等调速领域的应用。
如今,尽管电机控制系统的应用已相当普及且成熟,但科技的发展,要求也越来越高,不仅要满足基本功能,也要有较高的性能。
同时科技的高速发展,事物的千变万化。
因此,电机领域也正面临许多新的技术挑战,研究其稳定性也就更具意义。
1.2国内外研究现状
电机发展至今有很长远的历史,从最初的简单设计,只有单一的功能到现在的数字化设计和多样化的功能,实现了电机行业的迅猛发展。
利用目前开发的新能源从材料的获取、技术的研发等进行了全面的运用,改进了工业的传统模式和方法,直流电机发展多样化,广泛使用在矿山、船舶制造和纺织企业等等。
在整个发展历程中,在40-50年代的发展历程中,大部分直流电动机所应用的电源,一般表现为M-G电动发电机组。
现如今,由于时代正在不断蓬勃发展,故而水银整流器应运而生,改变一个新的发展模式,直接将电机组替代,随后又进入发展的一个阶段,接着基于可控硅整流装置的节能环保又重新将水银整流器装置打回原形,整个市场被垄断。
但是直流电机的发展是十分迅猛的,当今时代的技术水平,又将直流电源供电方式实现单机功率、转速提高的发展进程作为首要任务,不断提升电机的性能和高转速,实现工业生产的效率,降低生产成本。
尤其是在大小上面,电机由原来的大型设备生产逐渐向小型轻便设备过渡。
随着技术进度,微处理器开始被研发和运用,数字化的控制系统逐渐取代以往的传统模式,特别是在80年代,LLY是由晶闸管整流器实现的。
控制系统的功能是十分重要的,它是系统工作核心部分,因此对于这块的研发是需要耗费很大精力的,同时也非常具有意义。
根据数据表明,国外主要的电气公司系统基本上是数字化控制的,有并且设计的产品是实用而且规范标准的。
直流电机的用途不断增加,不仅仅只是简单地控制功能,还提供一些额外的功能操作。
1.3研究内容和目的
本文选用双闭环PWM调速系统做为分析对象,从系统的组成、调速方法、起动过程等作出分析,同时结合MATLAB/Simulink仿真软件对转速环以及相应的双闭环调速系统等,进行科学合理的仿真,从而获得后期的效果图,以进行相对深入的细致分析。
经由此次仿真,我深入掌握双闭环调速系统内部的基本结构,并对其稳定性的了解,同时可以更好地应用双闭环直流调速系统。
结合理论知识和仿真,不但使我们对该系统的性能加深理解,也可以让我们发现双闭环调速系统的不足之处。
通过研究电机系统调速的原理,提高其系统的稳定性,使之有更高的性能性服务于日常生活、经济发展及生产活动中。
本文旨在基于双闭环直流调速系统,进行更深层次的细致研究。
其次,借助于
仿真软件的作用,针对该系统所表现出的稳定性,进行相对深入的细致分析。
对于本篇论文而言,其基本内容详细如下:
第一章:
该章节旨在针对本文的基本背景及其实际意义,进行相对深入的细致阐述;其次,基于相关参考文献,针对全球电机系统在当前时期的实际现状,进行更深层次的细致阐述。
最后,本章节旨在分配本文的基本研究内容。
第二章:
该章节旨在针对电力系统所含有的稳定性,进行综合定义,并且针对电机系统在实际运行过程中,所表现出的稳定性问题,进行更深层次的细致分析。
第三章直流电机调速系统分析:
简单描述直流电机的调速方法和系统组成,并对系统进行动稳态进行分析;
第四章该章节旨在直流双闭环调速系统内部的基本结构等,进行相对深入的细致阐述,与此同时,针对桥式电路进行分析;
第五章Simulink仿真分析:
对电流环、转速环和直流调速系统进行仿真分析;
第六章归纳总结,并对未来进行展望。
2稳定性定义
2.1电力系统稳定性定义
电力系统稳定性,其基本含义为:
某特定的电力系统,当处于正常运行的情况下,若受到来源于外部环境的影响,可以恢复至本来的运行状态的时间和速度。
这说明它具有能力经受住干扰。
稳定性总是与干扰相关的,假设系统无法恢复至本来的运行状态,亦或为即刻构建出全新的稳定状态,那么在此情况下,系统所表现出的状态变量,将不会存在稳态值,这意味着,该系统并不具备相对良好的稳定性能。
2.2电机系统稳定运行的问题
人们常言的电力拖动系统,其系统稳定运行,有两层的含义。
其一是电力系统运转能够已一个恒定的速度一直运行;其二是当外界条件发生一定的变化,电力系统并不受很大的干扰,即使系统转速发生微少的变化时,一旦外界干扰消失后,系统可以自动恢复到本来的运行速度,并且继续稳定运行下去。
要分析电力拖动系统的稳定性,需要基于图2.1所示的整个系统的数学模型进行。
本设计仅对系统中控制设备中调速的一部分进行分析。
图2.1电力拖动系统的组成
式2-1,为简化运动的方程,式中,称(Te-TL)为动转矩。
当Te-TL=0时,即动转矩等于零,转速恒定,这时系统处于稳态;当Te-TL>0时,即动转矩大于零,转速增加,系统处于加速过渡期;当Te-TL<0时,,转速下降,系统处于减速过渡期。
由式(2-1)可知,电磁转矩和负载转矩的具体形式决定该方程的稳定性。
由式可知,电磁转矩和负载转矩的具体形式决定该方程的稳定性。
(式2.1)
3直流电机调速系统稳定的分析
3.1直流电机调速方法
3.1.1转速方程
基于直流电机转速方程:
(式3.1)3.1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);
Φ—励磁磁通(Wb);
Kε—电动势常数。
综上所述,若想跟踪调节电机的实际速度,应当遵循下述两类基本方式:
(1)调整以上参数U;
(2)调整以上参数R;
(3)调整以上参数Φ。
3.1.2三种调速方法
⑴降压调速
如果在Φ=ΦN,R=Ra不间断运动的情况下,若切实减少电压UN,则必将减少转速n,此外还会直接影响理想空载转速n0。
总而言之,如果转速n持续递减,则其所涉及的机械特性曲线,将会保持平行下移的基本状态。
⑵调阻调速
如果在Φ=ΦN,U=UN不间断运动的情况下,若切实降低电阻Ra,则必将减少转速n,但这并不会直接影响理想空载转速n0。
总而言之,如果转速n持续递减,即表现出机械特性曲变软。
⑶调磁调速
当U=UN,R=Ra保持一动的状态下,减少励磁ΦN,使得转速n增大,理想空载转速n0受转速n的影响增大。
整体表现为转速n上升,即表现出机械特性曲变软。
图3.1三种调速特性曲线
3.1.3三种调速方法的性能与比较
降压调速:
通过调节电压来控制速度,但是电路中应当存在可调用的某特定直流电源。
一旦电压数值持续减少,则系统所表现出的转速也将逐步减少。
除此之外,还能进行无级调速,虽然其所涉及的范围并不广泛;调阻调速:
当电阻增大时,系统因机械特性变软而转速变得不稳定。
降压调速当负载大时,系统调速范围广,当在轻载时,则调速范围小;调磁调速:
通过改变励磁电流或磁通来对电机进行调速,减弱磁通可以使电机系统调速工程平滑,但调速范围不大,通常需要借助电压来实现调速。
综上,直流电机调速系统主要是应用调压调速这种方式来实现调速。
3.2调速性能指标及要求
每一个系统或者一台设备,在投入使用的时候,我们都要求它们满足预期的性能标准,电机调速系统也同样。
一个高性能的系统需要使其输出量跟随输入指令的变化,但是对负载扰动尽量不要响应。
前者是系统的跟随性能,后者是抗扰性能。
对于电机调速系统,其一般在调速及其加减速等相关方面,提出相对严苛的实际要求。
值得一提的是,当处于系统支持的区间当中,将能保持调滑调速。
稳速即为做到系统以均速运行时,受到外界一定的干扰时,系统不会有过大的波动,当干扰扰消失后,系统可以自动恢复到本来的运行速度,并且继续稳定运行下去。
加速和减速则要求过渡时间短,在短周期达到加减速的要求。
这样提到效率,节省时间,同时减少意外的发生。
对于直流调速系统的性能要求,一般可分为稳态指标和动态指标。
稳态指标旨在作用于运行过程,而动态指标旨在作用于过渡过程。
3.2.1调速系统稳态指标
⑴调速范围
调速范围生D的计算公式如下:
(式3.2)
⑵静差率
静差率S旨在代表调速系统所含有的稳定性,计算公式如下:
即:
(式3.3)
或用百分数表示:
(式3.4)
图3.2不同转速下的静差率
图3.2是两个不同理想空载调速系统部的静差率。
a与b是相互平行的直线,这说明a与b的特性是平行的,两者的硬度也是一样。
基于上述图表将能得知,如果处于理想空载转速相对较低的情况下,静差率将会尤为显著,所表现出的误差也将极为明显。
⑶调速范围、静差率和额定速降之间的关系
在直流电动机调压调速系统中,nmax即为电动机的额定转速nN,若额定负载时的转速降落为△nN,则系统的静差率是(式3-3)的静差率。
而额定负载时的最低转速为:
(式3.5)于是,最低转速为:
(式3.6)
而调速范围为:
(式3.7)将上面的式代入nmin,得:
(式3.8)
由此得知,如果系统所表现出的特性硬度值时刻恒定,则一旦调速范围D相对较小,那么相应的静差率S也将越高。
3.2.2调速系统动态指标
在不同的场合使用,我们对电机调速的系统性能要求也不同,有的系统要求抗扰性能比较高,有的要求跟随性能和抗扰性能都比较高。
也就是说对于不同的系统,我们要选择不同的动态指标,这样才能提高系统的稳定性。
跟随性能输出的响应是跟着给定信号变化的。
当控制系统以稳态运行时,受到外界干扰,输出量就会发生改变。
输出量的变化多少及系统恢复原有稳定时间长久,都可以表现出系统抵抗扰动的能力。
3.4双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性
图3.3双闭环直流系统的稳态结构图
在本篇论文中,双闭环直流系统所涉及的稳态基本结构示意图,详见图3.3。
在此过程中,深入了解PI调节器所涉及的稳态特性至关重要。
通常情况下,其出现于饱和产量已经满足极限值,然而在此期间,非饱和输出却并未满足极限值等情况。
从本质上而言,电流调节器当处于实际运行状态下,一般不可能满足饱和状态。
故而实则调速器表现出的良好静态特性,通常存在饱和情况以及相应的不饱和情况。
⑴转速调节器不饱和
通常情况下,当处于稳定情况当中,调速器以及相应的电流调节器,通常均表现为非饱和状态。
根据调整器的不同,调节器的输入偏置电压为零。
因此系统具有绝对刚性的静态特性(无静态误差)。
得到图3.4的CA段静特性曲线。
同时,转速调节器不饱和,U*i<U*im,所以Id<Idm,这表明,静特性曲线的水平CA段特性从理想空载状态的(Id=0),一直延续到电流最大值,而Idm一般都是大于额定电流的。
这时的静特性为图3-8的C~A段,呈现为水平的特性。
⑵转速调节器饱和
如果处于电机负载电流持续提高的情况下,调速器所表现出的输出U*i,也将持续攀升。
当Id上升到一定值(Idm)时,调速器的输出达到极限值,速度环失去了调节功能,处于开环状态。
速度的变化对系统没有影响。
此时,只有当前循环可以发挥作用。
将双闭环调速系统由速度零静态误差系统转化为无电流静态误差的单闭环恒流调节系统。
稳态时,系统的电枢电流最大值是由电动机的允许过载能力以及系统允许的最大加速度来决定的。
这时的静特性为图3.4的A~B段,呈现出很陡的下垂特性。
图3.4双闭环直流调速系统的静特性曲线
3.5双闭环直流调速系统的数学模型
3.5.1双闭环直流调速系统的动态数学模型
图3.5为双闭环调速的动态结构图,WASR(S)表示转速调节器,WACR(S)表示电流调节器的传递函数。
图3.5双闭环直流调速系统的动态结构图
3.5.2起动过程分析
在下述内容当中,旨在论述突加给定电压为U*n的双闭环调速系统的起动过程。
需要注意的是,自静态状态起,某特定系统当中全部物理量所表现出的转换过程,详见图3-10。
因为调速器ASR自启动时,已经推进不饱和阶段以及退饱阶段等三大阶段。
故而该系统的起动过程,将细分成如下阶段。
图3.4双闭环直流调速系统的转速阶跃响应和电流过渡过程
首先,即为第Ⅰ阶段,即图3.4中的0~t1段,也就是电流上升阶段。
在系统突加给定电压后,在电流调节器ACR和转速调节器ASR的控制器作用下,输出量、电枢电流Id、输出Udo等上升。
当电枢电流Id上升到一定值时,系统电机开始启动。
同时在电动机惯性的作用下,使得转速n和反馈信号增长速度比较慢,进而使ASR的输入偏差△Un的数值维持在较大的状态,使得调节器输出以较短的时间达到限幅值。
即使转速反馈信号在启动的过程中不断地增大,但是只要没超过给定值的时输入候,转速调速器△Un的极性就维持不变,速度环这时相当是开环的状态。
在第Ⅱ阶段,即图3.4中的t1~t2段,即本文当中所谓的恒流升速阶段。
对于该阶段而言,其中的电流将径直攀升至极大值Idm,从而使得转速n满足给定值。
值得一提的是,电枢电流Id由于受到来源于电流调节器的影响,一般保持恒定数值,电流Id是否超调,是由电流闭环的参数以及结构决定的。
电流环的调节作用若要不中停,那要保证电流闭环不能够初处于饱和的状态。
在第Ⅲ阶段,即图3.4中的t2~t4段,也就是转速调节阶段。
当电动机的转速上升到达给定时,瞬间ASR的输入△Un为0,然而,由于受到来源于积分的影响,其在输出过程中依然维持恒定的限幅值。
值得一提的是,在转速调节阶段,转速调节器和电流调节器都没有达到饱和,她们同时起调节的作用。
从上面的启动过程分析可以看出,需要注意的是,本系统在启动某特定的转速调节器时,通常表现为饱和的实际状态,可以基本实现理想的快速启动过程。
只有系统的速度响应超调,调速器才能退出饱和状态,使得转速调节器在系统稳定中起调节作用。
结合以上分析,可以得出双闭环调速系统在突加速度的起动过程有以下的特点:
⑴饱和非线形控制:
调速环处于怎样的运行状态是依据ASR的饱和与否而定。
总体而言,当转速调节器暂时处于饱和状态的情况下,转速环一般表现为开环状态。
在此过程中,系统仅仅可以电流调节,起到单闭环的作用;值得一提的是,如果转速调节器并未处于饱和的状态下,则在此情况下,转速环将暂时处于闭环状态。
⑵准时间最优控制:
实际上,对于该系统的启动过程而言,尤为关键的即为恒流升速阶段。
在该阶段中,电流时刻保持自身的极大值,使得系统可以快速起动。
这样,系统在受最大电流的约束,以此来达到最优控制的成效。
⑶转速超调:
若系统已经过渡至转速调节阶段,则仅仅存在转速调节器ASR处于退饱和状态。
在此情况下,需要进行一定的线性调节,并使得输入偏差电压发生极性改,这时转速超调。
4PWM直流双闭环调速系统构成分析
4.1直流双闭环调速系统的组成
转速、电流双闭环直流调速系统,所涉及的基本结构示意图,详见图4-1。
在本系统当中,为同时使得速度以及电流均达到良好的负反馈状态,故而依次设定ASR调节器以及相应的ACR调节器,两者结合即可实现相应的调节。
如果基于闭环结构方面进行观察,则电流调节环一般表现为内环;与此同时,速度调节环通常表现为外环。
如图4.1所示:
图4.1转速、电流双闭环直流调速系统结构
为有效提高该系统所含有的优良性能。
上述两类调节器,均决定选择PI调节器。
当积极构建出科学完善的系统结构图后,可借助于Simulink的作用,进行科学合理的仿真,从而针对该系统所含有的稳定性,进行相对深入的细致分析。
4.2双闭环直流调速系统的选择
对于直流调速系统而言,通常情况下,其一般选择双闭环调速系统,这是由于,此类系统一般表现出极为优异的稳定性。
众所周知,基于单闭环系统当中,一般均借助于电流截止负反馈的作用,来针对当前时期的电流进行实时调节。
然而,在此情况下,若在电流值已经远超临界值的情况下,电流冲击将无法精准把控系统所表现出的动态波型,详见图3-4,即为单闭环调速系统在此方面而形成的波形图。
我们可以看出,电流由较大的值下降时,电机转矩也减小。
导致增加加速时间增加,把整个过程拖长。
图4.2单闭环调速系统起动过程波形图4.3双闭环调速系统起动过的波形
工程领域一般沿用详见图4.3的启动波形。
该过程即将电流保持在系统允许的最大值,系统以允许的最大加速度启动,加速过程短。
当系统进入一定的稳态运行后,电流马上下降,使得转矩快速与负载达到相平衡,使得整个系统转入稳态运行。
如图4.3,启动电流呈现为方波形,转速表现为线性增长。
这种调速系统启动过程时间是最短的。
但是在实际应用中,电流是不可以然突跳开的,这是因为主电路电感存在的作用。
但我们希望调速系统启动过程的时间最短,这就要存在一段电流为最大值的过程,这是实现系统最快调速的关键。
根据反馈控制规律,一个负反馈的物理量维持在一定,电流负反馈当存在于系统正在稳态转速的过程中,那么就可以实现快速启动。
这事,我们需要选择双闭环调速系统。
但是两类负反馈实则在此系统中,表现为极富差异性的阶段作用。
故而将呈现出快速启动等优点。
4.3PWM脉宽调速原理及选择
4.3.1脉宽调速原理
脉宽调速原理。
其基本含义为;将波形转化为脉冲,以此来实现直观调速。
控制方式是以对电路的开关器件的接通或断开达到控制的。
H电路可以切实保障系统秉持良好速度以及正确的方向。
其实则为现今尤为典型的PWM调速技术之一,能够有效提高电机在实际运行过程中的良好稳定性。
使用PWM来制作脉冲更方便。
对于直流电机,软件延时引起的定时误差在允许范围内。
图4.4H桥式PWM脉宽调速电路
4.3.2选择PWM调速系统的理由
PWM调速系统含有下述优势:
(1)调速的范围广,低速运行时性能好,稳速运行时进度高;
(2)结构简单,系统主要的电路线路比较少,运行需要的电子器件也不多;
(3)系统谐波少,电机及主要功率器损耗低,效率高;
(4)系统动态响应快,对外界抗扰能力强,具有较高的稳定性;
(5)通用性强,应用灵活,应用广泛,收到大家的喜爱。
4.4H桥的驱动电路
H桥式电动机驱动电路的形状和H非常相似,这也是它名字的由来,它是由一个电机及四个三级管组成的。
当电路中的须对对角线上的一对三极管通电,电动机才可以成功运作。
电机的运转反向是由三极管不同导通通电的情况决定的。
图4.5H桥的驱动电路
5直流PWM-M双闭环调速系统的仿真分析
5.1Simulink的介绍
MATLAB软件最初诞生于美国新墨西哥大学,然后经许多出色的
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