直流电机双闭环调速大作业

实验报告实验名称直流电机双闭环调速系统姓名与学号指导教师专业电气工程及其自动化一、实验内容与要求参照Chopper-FedDCMotorDrive例，建立直流电机双闭环调速系统模型。必做项：描述每个模块的功能；对仿真结果进行分析，包括转速改变、转矩改变下电机运行性能，并解释相应现象；仿真并分析转速PI调节器参数对电机运行性能的影响。选做项：电流调节器改用PI调节器。二、实验设备与仿真平台PC、Word2013、Matlab2013a三、研究背景与意义在现代工业中，为了实现各种生产工艺过程的要求，需要采用各种各样的生产机械，这些生产机械大多采用电动机拖动。随着工艺技术的不断发展，各种生产机械根据其工艺特点，对生产机械和拖动的电动机也不断提出各种不同的要求，这些不同的工艺要求，都是靠电动机及其控制系统和机械传动装置实现的。可见各种拖动系统都是通过控制转速来实现的，因此，调速控制技术是最基本的电力拖动控制技术。由于直流调速控制系统具有良好的起制动、正反转及调速等性能，目前在调速领域中仍占主要地位。按供电方式，它可分交流机组供电、水银整流供电和晶闸管供电三类。晶闸管供电的直流调速控制系统具有良好的技术经济指标。因此，在国内外已取代了其他两种供电方式。目前，我国的直流调速控制主要在以下几个方面进行着研究。①提高调速的单机容量。我国现有最大单机容量为7000kW，国外单机容量已达14500kW。②提高电力电子器件的生产水平，增加品种。20世纪50年代末出现的无自关断能力的半控型普通晶闸管是第一代电力电子器件。70年代以后，出现了能自关断的全控型器件，如电力晶体管（GTR）、门极可关断晶闸管（GTO）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、电力场效应管（MOSFET）、静电感应晶体管（SIT）和静电感应晶闸管（SITH）等称之为第二代电力电子器件，使得变流器结构变得简单、紧凑。80年代后，出现了电力集成电路（PIC），属于第三代电力电子器件，在PIC中，不仅含有主电路的器件，而且把驱动电路以及过压、过电流保护、电流检测甚至温度自动控制等电路都集成在一起，形成一个整体。当今，电力电子器件正在向大功率化、高频化、模块化、智能化发展。③提高控制单元水平。目前国内使用较多的仍是小规模集成运放和组件构成的交直流调速控制系统，触发装置甚至仍是分立元件的，目前，国外的第四代产品以微处理机为基础，具有控制、监视、保护、诊断及自复原等多种功能。目前，交流电机变频调速系统已经大面积代替直流电机调速系统。但是直流电机具有模型简单控制方便的优点，因此交流电机变频调速时总是将交流电机通过变换等效成直流电机后进行控制。研究典型的双闭环控制直流电机调速系统对于深入理解交流电机变频调速过程有重要意义。四、实验原理与系统建模双闭环调速系统中包括两个反馈控制闭环，内环为电流控制环，外环为速度控制环。电流环由PI型电流调节器LT，晶闸管移相触发器CF，晶闸管整流器和电动机电枢回路所组成。电流调节器的给定信号nu与电机电枢电流反馈信号fiu相比较，其差值iu送入电流调节器。调节器的输出为移相电压ku，通过移相触发器去控制整流桥的输出电压dU，在这个电压作用下电机的电流及转矩将相应地发生变化。电流反馈信号可能通过直流互感器或霍尔电流传感器取自电枢回路直流，也可以用交流互感器取自整流桥的交流输入电流，然后经过整流而得。电流调节的过程是这样实现的：当电流调节器的给定信号nu大于电流反馈信号fiu时，经过调节器控制整流桥的移相角，使整流输出电压升高，电枢电流增大；反之，当电流调节器的给定信号nu小于电流反馈信号fiu时，使整流输出电压降低，电流减小，力图使电枢电流与电流给定值相等。速度环中速度调节器ST也是一个PI型调节器，它的一个输入端送入速度给定信号gu，由它规定电机运行的速度；另一端送入来自与电机同轴的测速发电机TG的速度反馈信号fnu，两者之差nu输入到速度调节器，经PI调节后的输出信号nU则作为电流给定信号输入送到电流调节器，通过前面所述电流调节环的控制作用调节电机的电枢电流dI和转矩T，使电机转速发生变化，最后达到给定转速。双闭环调速系统连接上的特点是速度调节器的输出作为电流调节器的给定来控制电动机的电流和转矩。这样做的好处在于可以根据给定速度与实际速度的差额及时地控制电机的转矩，使在速度差值比较大时电机转矩大，速度变化快，以便尽快把电机转速拉向给定值，实现调速过程的快速性；而当转速接近给定值时，又能使电机的转矩自动减小，避免过大超调，使转速很快达到给定，做到静态无差。此外，由于电流环的等效时间常数一般比较小，当系统受到外来干扰时他能比较迅速地作出响应，抑制干扰的影响，提高系统运行的稳定性和抗干扰能力。而且双闭环系统有以速度调节器的输出作为电流调节器的输入给定值的特点，速度调节器的输出限幅值也就限定了电枢电流，对过载能力比较低的晶闸管元件能起到有效的保护作用。直流电机双闭环调速系统原理图及原理框图如图1、图2：图1直流电机双闭环调速系统原理图图2直流电机双闭环调速系统原理框图五、仿真模型与模型分析1、直流电机双闭环调速仿真模型下图是MATLAB中自带的直流电机双闭环调速的SIMULINK仿真模型。图3直流电机双闭环调速模型图2、直流电机双闭环调速仿真模型各模块功能分析2.1、参考速度选择模块图4参考速度选择模块参考转速可以通过开关选择是恒转速还是阶跃的过程，且转速参数可设定。图5恒/阶跃转速给定参数设定界面由以上数据可知，恒转速设定为120rad/s；阶跃转速是从120rad/s到160rad/s的阶跃过程，并且阶跃过程耗时0.4s。以上数据可修改，这里采用默认值。2.2、转矩选择模块图6转矩选择模块与参考转速选择模块相似，转矩也可以通过开关选择，选择是恒转矩运行还是转矩阶跃的过程。图7恒/阶跃转矩变化模块参数设置由以上数据可知，恒转矩设定为5N·m；阶跃转矩是从5N·m到25N·m的阶跃变化过程，历时1.2s。以上数据可修改，这里采用默认值。2.3、速度调节器ST图8速度调节器模块(左)与对应的原理图(右)速度调节器是一个PI调节器，它的一个输入端送入速度给定信号gu，由它规定电机运行的速度；另一端送入来自与电机同轴的测速发电机TG的速度反馈信号fnu，两者之差nu输入到速度调节器，经PI调节后的输出信号nU则作为电流给定信号输入送到电流调节器，通过前面所述电流调节环的控制作用调节电机的电枢电流dI和转矩T，使电机转速发生变化，最后达到给定转速。图9速度调节器的PI参数设置由参数设置界面数据可知，Kp=1.6，Ki=16，输出电流给定值最大限定值为30A。2.4、电流调节器LT图10电流调节器模块(左)与对应的原理图(右)速度调节器是一个PI调节器，其输入量是电流给定值和电流反馈值，输出量为移相电压。电流调节的过程是这样实现的：当电流调节器的给定信号nu大于电流反馈信号fiu时，经过调节器控制整流桥的移相角，使整流输出电压升高，电枢电流增大；反之，当电流调节器的给定信号nu小于电流反馈信号fiu时，使整流输出电压降低，电流减小，力图使电枢电流与电流给定值相等。图11电流调节器参数设置其内部参数设置如图11，可知当输入量差别超过2A时，就进行调节。2.5、触发脉冲发生模块图12触发脉冲发生模块(左)与对应的原理图(右)触发脉冲发生模块用于产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时候导通。其输入为电流调节器输出的移相电压，输出为触发脉冲。由图中给定数值可以看出接的是一个直流电压为280V的电源，当g输入为正时，输出高电平；当输入g信号为负时，输出低电平。相关参数设置如图13.图13触发电路的相关参数设置2.6、晶闸管-直流电机主电路模块图14晶闸管-直流电机主电路模块(左)与对应的原理图(右)完整原理图如图15：图15主电路原理图电路采用三相桥式全控整流电路供电，通过调节触发装置的控制电压来移动脉冲的相位，即可改变平均整流电压，从而实现平滑调速。直流电机电枢回路接有一个电感滤波。直流电机是他励直流电机，励磁电压是240V是直流电源。电机的内部参数设置如下：图16直流电机参数设置可知电枢回路的Ra=0.5Ω，La=0.01H，J=0.05kg.m2等。2.7、速度和电流反馈模块图17速度和电流反馈模块用于将速度与电流反馈信号与给定速度或电流进行比较，相应的比较差值分别送入速度调节器与电流调节器。其内部变量设置如下图：图18反馈环节设置可知反馈的量为速度和电枢电流，还有励磁电流和电磁转矩，但输出的只有速度和电枢电流反馈信号。2.8反馈电流滤波模块图19反馈电流滤波器用于消除干扰杂讯，提高电流反馈环的抗干扰能力。其内部参数设置如下图：图20滤波器参数设置2.8、示波器模块图21示波器模块图用于观察PWM波形，电枢电流和转速。六、电机运行性能仿真1、按照原定参数进行仿真图22仿真结果PWM波形、电流波形、转速波形图中三个变化段分别为启动、负载突减、负载突加时电流及转速发生的变化。同时可以看出转速调节波形范围比电流调节的效果要好得多，这是因为转速调节采用PI调节，调节效果由于采用滞环调节的电流调节。现对三个变化段分别进行分析。1.1、起动过程图23起动过程电流及转速动态过程仿真结果与其简化关系曲线上图为起动过程中电流及转速动态过程的仿真结果与其对应的理想关系曲线。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的(1)、(2)、(3)三个阶段。第(1)阶段是电流上升阶段。突加给定电压*nU后，cU、0dU、dI都上升，在dI没有达到负载电流dLI以前，电机还不能转动。当dLdII后，电机开始起动，由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压nnnUUU*的数值仍较大，其输出电压保持限幅值*imU，强迫电流dI迅速上升。直到dmdII，*imiUU，电流调节器很快就压制了dI的增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR不饱和。第(2)阶段是恒流升速阶段，ASR饱和，转速环相当于开环，在恒值电流给定*imU下的电流调节系统，基本上保持电流dI恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电机的反电动势E也按线性增长，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，0dU和cU也必须基本上按线性增长，才能保持dI恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压iimiUUU*必须维持一定的恒值，也就是说，dI应略低于dmI。第(3)阶段是转速调节阶段。当转速上升到给定值0*nn时，转速调节器ASR的输入偏差减小到零，输出维持在限幅值*imU，电机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，开始退出饱和状态，*iU和dI很快下降。但是，只要dI仍大于负载电流dLI，转速就继续上升。直到dI=dLI时，转矩LeTT，则dn/dt=0，转速n才到达峰值（3tt时）。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在43~tt时间内，dIdLI，直到稳定。如果调节器参数整定得不够好，也会有一段振荡过程。在这最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使dI尽快地跟随其给定值*iU。1.2、负载突加图24负载突加时电流及转速动态过程仿真结果与其简化关系曲线负载突然增加，电机转速将下降，于是速度反馈电压fnu将小于给定电压gu，在速度调节器输入端出现正的偏差电压，经过调节器的作用将使电流调节器的给定电流增大，整流桥的移相角前移，dI增大，电机电磁转矩增大。当LTT时，电机转速又回升，使fnu接近原来的给定电压gu。由于速度调节器是比例积分调节器，即使它的输入信号又趋于平衡，但只要在调节的过程中反馈电压fnu和给定电压gu之间一度出现偏差，经过积分，它就会改变调节器的输出，使电机的电流和转矩出现变化。一般经过一、二次调整和振荡，最后能