带电流截止负反馈的转速直流调速matlab仿真

|十國几孩人辔 【牛和CHINA UNJVLRSIrr0E- PERQLEUM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233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P I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16一、设计参数电动机：额定数据为 P = 3kW， U = 220V， I = 17.5A， n = 1500r/min ,电N N N N枢电阻R = 1.20， GD2 = 3.53N-m2 ；a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U二230V，二次线电压电压放大系数K = 44；2lsV-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 U 时，二极管导通，电流负反馈信号Ui即可加到放大器上去；当I R Ud scomd scom时，二极管截止，U.即消失。显然，在这一线路中，截止电流I二U . R。idcrcom s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33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（I R -U ）为d s com正值时，输出和输入相等；当（I R -U ）为负值时，输出为零。这是一个非线性环节（两d s com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U表示电流负反馈信号电压，U表示转速负反馈 in信号电压。图4电流截止负反馈环节的输入-输出特性图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I I后，引入了电流负反馈，静特性变成 d dcr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 K K R ，因而稳态速降极 pss大，特性急剧下垂。2）比较电压U 与给定电压U*的作用一致，好像把理想空载转速提高到comnK K (U* + U )npsncom0 C 仃 + Ke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。0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Idbi，令n=0，得K K (U* + U )I = p s ncomdbi R + K K Rpss一般K KR R，因此pssU* + UI n comdbl RsIdbi应小于电动机允许的最大电流，一般为52） 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I应大于点击的额定电流。例如I dcrdcr（1.11.2） 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U - I RNN_anN=0.1327V - min/r220-17.5x 1.2“. zV - min/r当满足调速范围D = 10，静差率S 5%时，系统额定负载的稳态速降An=clAncl型兰二 119.673.06转速反馈系数U*U nnN二 0.006671500119.67运算放大器系数二 54.11p a K C 0.00667 x 44 0.1327s e4.2 判别系统稳定性(5%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I.=dmin10%)lN时仍能连续,L 二 0.693I dmin现在=% = 230 V = 132.8V233取Idmin二 8%1，则N132.8VL = 0.693 x= 65.736mH17.5A x 8%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-=00657 s = 0.02346sR 2.8机电时间常数3.53 x 2.8T = GD2R =30s = 0.15674sm 375CeCm 375 x 0.1327 x 30 x 0.1327兀对于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数T 二 0.00167ss为保证系统稳定，K应满足：T(丁 + t) + T20.15674x(0.02346+0.00167) + 0.001672K 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KW(s)=(Ts + 1)(T Ts2 + T s +1)sm lm已知 T 二 0.00167s，T 二 0.02346s，T 二 0.15674s，K = 119.67，在这里，T 4T，slmm l因此分母中的二次项(T Ts2 + T s +1)可以分成两个一次项之积，即m l mT Ts2 + T s +1 二0.003677s2 + 0.15674s +1 m l m=(0.12802s + l)(0.02872s +1)119.67于是，原始闭环系统的开环传递函数是W(0.00167s +1)(0.12802s +1)(0.02872s +1)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11 = 7.81s -11 T0.12802s111 = 34.82s-12 T 0.02872s21 = 598.80s-13 T0.00167 s320lgK = 201g119.67 = 41.56dB由图7可见，相角裕度丫和增益裕度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K的比例调节器，现在换成PI调节器，它在原始 P系统的基础上先添加的传递函数为1K Ts + 1W (s)=叫K piK Tspp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，1K T设置在远低于原始系统截止频率处。可令T二T， pic11使校正装置的比例微分项K Ts +1与原始系统中时间常数最大的惯性环节1T s +1对消，从 pi1而选定K t =T。pi 1a3p】DseGm =-1.51 dlB (at 101 radl/s- ( Pm = -2.4B deg (at 175 rad/s101103Frequency fradZs1G1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1频率穿过OdB先，即使o -oc2 T2取K e = T = 0.12802s，为了使Pi 1c21 (1.1 1.2) I ，即：19.2521A dcrnIdbl一般为52）IN，即:2&25UeomIU + U*=eomndbi Rs则】取值不能小于：IdblminU*nIdbl10 二 0.47021且R如果过小，会导致I不符合要求 dbl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1 Q）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：空载转速波形图: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时加扰动但总电枢电流不超过临界电流波形图:2s时加扰动总电枢电流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%以上，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U二1O8OV，E=0，U全部加在 dd了电机系统电阻R=2.8Q上，I二U R二385.7A，由于电磁时间常数中电感的平波作用，ddI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。d6.2 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；II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；III本系统采用PI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。