带电流截止负反馈地转速直流调速matlab仿真.docx

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带电流截止负反馈地转速直流调速matlab仿真

（华东1

CHINAUNIVERSITYOFPEITROLRUM

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

一、设计参数1

二、设计背景1

2.1问题的提出1

2.2解决办法1

三、带电流截止负反馈闭环直流调速系统2

3.1总原理图2

3.2电流截止反馈环节2

3.3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5

4.1基本参数的计算5

4.2判别系统稳定性6

4.3PI调节器的设计7

4.4取样电阻的选择10

五、Matlab建模与仿真10

5.1带PI调节器的闭环直流调速系统10

5.2加入电流截止负反馈11

六、波形分析及结论16

6.1没有电流截止负反馈16

6.2加上电流截止负反馈16

6.3结论16

一、设计参数

电动机：

额定数据为Pn=3kW,Un=220V,In=17.5A,n”=1500r/min，电

枢电阻Ra=1.2^,GD2=3.53Nm2；

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

U21=230V，二次线电压电压放大系数Ks=44;

V-M系统电枢回路总电阻2.8Q;

要求：

生产机械要求调速范围D=10,静差率S空2%,Idcr=1.2I^21A,

Idbl=1.77In=31A,U；=10V

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

叫做电流截止负反馈亏，简称截

载增减。

这种当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈,流反馈。

三、带电流截止负反馈闭环直流调速系统

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Un，此电压与转速给定信号Un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Uc，由此组成转速负反馈单闭环直流调速系统。

改变U；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Rs，ldRs正比于电流。

设ldcr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|dRs与Ucom之间串接一个二极管VD,

当IdRsUcom时，二极管导通，电流负反馈信号U1即可加到放大器上去；当JRs乞Ucom

时，二极管截止，U即消失。

显然，在这一线路中，截止电流Jcr=Uc°m「Rs。

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（ldRs-UCom）为

正值时，输出和输入相等；当（JRs-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5所示，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电流截止负反馈环节的输入-输岀特性

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ldmldcr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

KpKsU；Rld

n-—

C”K）C0K）

ld-ldcr后，引入了电流负反馈，静特性变成

_KpKs（U；+Ucom）（R+KpKsRs）ld

-Ce（1+K）-Ce（1+K）

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

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

比有两个特点:

KpKsRs，因而稳态速降极

1）电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻大，特性急剧下垂。

2）比较电压Ucom与给定电压Un的作用一致，好像把理想空载转速提高到

即把n。

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

dbl，

时，电动机停下，电流也不过是堵转电流|dbl，令n=0,得

般KpKsRs八R，因此

1dbl

UU

ncom

st

Rs

Idbi应小于电动机允许的最大电流，一般为（1.5〜2）In.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|dcr应大于点击的额定电流。

例如ldcr_

（1.1〜1.2）In。

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

UN-lNRa220-17.51.2、，

CeVmin/r=0.1327Vmin/r

nN1500

当满足调速范围D=10，静差率S乞5%时，系统额定负载的稳态速降

.叽

开环系统的额定速降为

・nS

D（1-s）

15000.02

<

_10（1-0.02）

r/min=3.06r/min

-nop

InR

Ce

17.52.8

0.1327

r/min=369.25r/min

闭环系统的开环放大系数应为

一叱-仁119.67

3.06

转速反馈系数

Un

&

运算放大器系数

Kp=

nN

4.2判别系统稳定性

首先应确定主电路的电感值,

10%In时仍能连续，即

现在

取Idmin=8%In，则

取L=65.7mH=0.0627H

计算系统中各环节的时间常数:

电磁时间常数

卫0.00667

1500

119.67

54.11

Ce0.00667440.1327

用以计算电磁时间常数。

为了保证最小电流Idmin=（5%~

L二0.693

U2

230

3

=0.693

U2

dmin

V=132.8V

=65.736mH17.5A8%

0^657^0.02346s

2.8

机电时间常数

对于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数

T^0.00167s

为保证系统稳定，K应满足：

匚（丁T）T20.15674（0.023460.00167）0.001672一

Km—1ss100.61

T1Ts0.02346x0.00167

按稳态调速性能指标要求K_119.67，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PDPI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

W（s）「（TsS1）（TmTQ2Tms1）

已知Ts-0.00167s，Tl=0.02346s，Tm=0.15674s，K=119.67,在这里，Tm4Tl，

因此分母中的二次项（TmTlS2•TmS1）可以分成两个一次项之积，即

TmTls2Tms0.003677s20.15674s1

（0.12802s1）（0.02872s1）

119.67

于是，原始闭环系统的开环传递函数是

W（s）一（0.00167s1）（0.12802s1）（0.02872s1）

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

20lgK=20lg119.67=41.56dB

的判断一致。

系统的基础上先添加的传递函数为

由于原始系统不稳定，表现为放大系数K过大，截止频率过高，应该设法把它们压下来。

因此，把校正环节的转折频率，1Kpi设置在远低于原始系统截止频率--c1处。

可令•二「，

使校正装置的比例微分项Kpis1与原始系统中时间常数最大的惯性环节1「s1对消，从

而选定Kp訐。

图7原始闭环直流调速系统的伯德图

其次，为了使校正后的系统具有足够的稳定裕度，它的对数幅频特性应以-20dB/dec的

频率穿过OdB先，即使

是，PI调节器的传递函数为

校正后的伯德图为图&

图8校正后闭环直流调速系统的伯德图

从图8可以看出，校正后的系统稳定指标和GM都已变成较大的的正值，有足够的稳

定裕度，但快速性被压低了很多，显然这是一个偏于稳定的方案。

4.4取样电阻的选择

根据公式：

ldcr-（1.1〜1.2）lN，即：

19.25〜21A

Idbi一般为（1.5〜2）In，即：

26.25〜35A

Ucom

Rs—

Id

**

Idbl=丛^/，则Idbl取值不能小于：

Imin=¥=10=0.471I

RsIdbl21

且R如果过小，会导致Idbl不符合要求

但是，考虑到实际采样电阻功耗不可以过大，所以采用取样电阻：

Rs=1mQ，之后采样

电压经过运放放大1000倍（等效电阻为1Q）

五、Matlab建模与仿真

5.1带PI调节器的转速负反馈直流调速系统

总结构图：

空载转速波形图:

空载电流波形图:

空载时Ud、Ud-E、Id波形图:

额定负载转速波形图:

额定负载电流波形图:

5.2加入电流截止负反馈

总结构图：

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空载电流波形图:

额定负载转速波形图:

额定负载转速电流波形图:

2s时加扰动但总电枢电流不超过临界转速波形图:

2s时加扰动总电枢电流超过临界电流波形图:

六、波形分析及结论

6.1没有电流截止负反馈

由上面的波形可以看出，在没有电流截止负反馈的时候，无论是空载还是额定负载下，转速的超调量均在20%A上，电流达到250A,调节时间在0.3s左右，我们可以看出空载电流的最大值很大，这是由于PI调节器的作用，起始电压Ud=1080V，E=0,Ud全部加在

了电机系统电阻R=2.8Q上，ld二Ud.「R=385.7A,由于电磁时间常数中电感的平波作用，

Id起始值为250A左右，起始电流非常大，但是只是瞬时值，电机允许。

6.2加上电流截止负反馈

由上面的波形可以看出，在加上电流截止负反馈后，在空载的时候，超调量降到2%左

右，空载电流也降到40A以下，但调节时间变长。

当加入不超过临界电流的扰动时，转速虽会降低但会马上回到1500r/min;当加入超过临界电流的扰动时，转速会下降到另一稳定转速。

6.3结论

I负载越大，系统超调量越小，调节时间越长；

n电流截止负反馈有效地减小了系统的超调量，稳态性能好，但是由于电流被抑制，导

致启动转矩小，调节时间变长；

川本系统采用Pl调节器，符合一般调速系统对于系统“稳定性为先”的要求，对于快速性的要求较差。