直流电机的转速电流双闭环控制

1直流电机的转速电流双闭环控制摘要：本设计主要采用模拟电路实现直流电机控制的整流电源，转速调PI调节器，电流PI调节器的设计。来实现对电机转速的控制，包括快速起动、恒速运行、堵转截止三大目标。该设计的主要电路均采用模拟电路实现，电流环的PI调节器用于保证快速起动，即保证电机起动时以最大负载电流起动，也即实现以最大加速度实现。而转速调节器则用于在运行时实现转速恒定，保证带负载的能力。两个PI调节器都采用集成运放实现。其主要优点是克服传统意义上单环控制只能满足一方面的要求的缺陷。关键词：电流环；转速环；PI调节器TheRotateSpeedandCurrentDoubleClosedLoopFeedbackControlforDCMotorAbstract:Themajortasksofthisdesignisutilizingsimulatingcircuitstoproducetherectifieringpowersource,currentPIregulatorandrotatespeedPIregulatorfortheDCmotor.ThemajorobjectofthisdesigenismakingtheDCmotorstartedrapidly,rotatingstably.yieldsmakingtheDCmotorstartedrapidlywiththelargestloadcurrent.Itisthesametostartingrapidlywiththelargestaccerelation.Simultaneous,TherotatespeedPIregulatormaketheDCmortorretatedstablytoanythechangeoftheload.BothofthePIregulatorsusetheintegratedamplifieroperatortoaccomplishthetask.Thepriorityofthisdesignareovercomingthedefectoftraditionalsinglefeedbackloop.Keyword:currentfeedbackloop;rotatespeedfeedbackloop;PIregulator2目录摘要…………………………………………………………………………………11引言…………………………………………………………………………………32电机的供电电源……………………………………………………………………52.1三相桥式整流电源………………………………………………………………53转速、电流双闭环系统的静态结构………………………………………………93.1转速、电流双闭环直流调速系统的构成………………………………………93.1.1双闭环系统的结构框图………………………………………………………93.1.2稳态结构框图和静态特性……………………………………………………104双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析……………………………124.1双闭环直流调速系统的数学模型……………………………………………124.1.1直流电机的动态数学模型……………………………………………………124.1.2双闭环直流调速系统的完整的动态结构框图………………………………144.2动态性能的时域分析…………………………………………………………144.2.1起动过程分析………………………………………………………………154.2.2动态抗扰性能分析……………………………………………………………164.3调节器的工程设计方法………………………………………………………164.3.1工程设计方法的基本思路……………………………………………………174.3.2典型系统………………………………………………………………………174.4控制系统的动态性能指标………………………………………………………204.4.1跟随性能指标…………………………………………………………………204.4.2抗扰性能指标…………………………………………………………………214.4.3典型Ⅰ型系统性能指标和参数的关系………………………………………224.4.4典型Ⅱ型系统性能指标和参数的关系………………………………………275.按工程设计方法设计双闭环系统的调节器……………………………………325.1电流调节器的设计……………………………………………………………335.1.1电流环结构图的化简…………………………………………………………335.1.2电流调节器结构的选择………………………………………………………345.1.4电流调节器的实现……………………………………………………………3635.2转速调节器的设计……………………………………………………………365.2.1电流环的等效闭环传递函数………………………………………………365.2.2转速调节器结构的选择………………………………………………………375.2.3转速调节器的参数计算………………………………………………………395.2.4转速调节器的实现……………………………………………………………366系统仿真…………………………………………………………………………386.1系统动态结构的MATLAB仿真………………………………………………386.2系统的整体结构的仿真………………………………………………………407总结………………………………………………………………………………44参考文献……………………………………………………………………………441引言4直流电机由于其调速的控制方法简易而获得了广泛的应用，其控制规律容易理解，并且便于通过线性控制系统的分析方法去解决工程设计的实际问题。电力电子技术的发展为直流电机提供了多种多样的供电电源，进而也使其控制精度进一步得到了提高，而且也促进了交流调速技术的发展，而交流调速的现代控制的基本规律和直流电机又有相同之处，因而研究直流电机将为交流电机的控制提供一定的基础。直流电机的转速电流双闭环控制则是为了同时满足动态和静态两种需求而设计的，是应用最广的直流调速技术。该调速技术的实际应用很多，例如龙门刨床、可逆轧钢机等，这样的工程机械的要求是尽量缩短起动、制动过程的时间来提高生产效率。而转速、电流双闭环控制直流调速系统性能能满足以上两项要求，直流电机的电流控制环能保证嗲及在最大允许电流的条件下快速起动，也即是充分利用直流电机的过载能力，此时电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，是转矩马上与负载转矩平衡，从而转入稳态运行。直流电机的转速控制环则能保证电机在给定控制电压控制下以某一恒定转速稳定运行，并且在突加负载时转速降落的值很小，在采用PI控制时理论上市没有转速降落的，也即实现了恒速稳定的运行，转速外环的控制精度取决于运算放大器的性能和测速发电机的线性化精度，如果测速环精度受到干扰，由于反馈控制规律只能消除前向通道上的各种干扰，而无法消除反馈支路上的干扰。因此测速的精度对于转速外环的控制精度非常的重要。本设计采用模拟电路实现两个调节器的功能，当然也可以采用数字控制系统，并且数字控制系统的控制精度要比模拟控制系统的控制精度要高。但是模拟控制系统的结构简单，而且便于理解其控制规律，转速调节器和电流调节器都采用模拟电路里面的有运放组成比例积分控制电路组成，这样的控制器原理都是很容易理解的，而且也便于工程调试和使用。本设计分一下几个部分，首先概要介绍晶闸管组成的三相桥式整流电源及其控制电路，第二部分介绍转速和电流组成的系统的静态特性，第三部分介绍整个系统的动态性能，包括一些基础的典型ⅠⅡ型系统和典型Ⅱ型系统。第三部分则是根据典型系统的要求来设计的各个环节的工程参数。直流调速系统的广泛应用使得对其控制理论的研究已经非常成熟，出现了各5种各样的控制系统，例如斩波控制方式，H桥可逆控制方式，以及PWM控制方式。但是转速电流双闭环控制由于其经过工程实践的检验，并且其控制系统的设计方法已经很成熟，并且被广泛的应用在其他的调速系统之中，典型的PI控制规律也容易本大多数人所理解。2电机的供电电源2.1三相桥式整流电源本设计的直流电机采用调节电源电压的方法来调节电机的转速，三相桥式整流电路能够满足这样的要求，采用集成触发电路可以实现对输出电压的线性控制，并且三相桥式整流桥的带负载能力很强，串接电抗器以后可以实现电流连续并且无脉动。该电路的主电路部分如图1所示。该电路有六个晶闸管组成，组成三相六脉波整流电路，当负载是直流电机时还需要添加电抗器来保证负载电流的连续不然电机机械特性会比较软，而且带负载能力不强，突加负载时会造成电机的瞬间停转，进而产生不必要的损害。该电路采用相位控制的方式来调节输出电压，现在已经有各种各样的相位触发控制电路用于晶闸管的控制，为了满足线性控制精度的要求，本电路采用集成相位触发控制器件，KJ004和KJ041，这两个芯片采用直流电压控制相位的方法，可以实现线性控制，其相关原理可查阅相关资料。由三个KJ004和一个KJ041组成的相位触发控制电路如图2图1三相桥式电路62.2整流装置的放大系数和传递函数在进行调速系统的分析和设计时，可以吧晶闸管触发和整流装置当做系统中的一个环节来看待。应用线性控制理论时，须求出这个环节的放大系数和传递函数实际的触发电路和整流电路都是非线性的，只能在一定的工作范围内近似看成线性环节。如有可能最好先用实验方法测出该环节的输入-输出特性，级Ud=f(Uc)曲线，图3是采用锯齿波触发器移相时的特性。设计师，希望整个调速范围的工作点都落在近似线性范围之中，并有一定的调节余量。这时，晶闸管触发和整流装置的放大系数Ks可由工作范围内的特性斜率决定，计算方法是1122334455667788991010111112121313141415151616KJ004*KJ004R29Res2R7Res2R14RPotC3CapR32Res2R12Res2R27RPot-15VC8Cap+15VC9CapR35Res2R5Res2R13RPotR23Res2R24Res2R25Res21122334455667788991010111112121313141415151616KJ004*KJ004R28Res2R6Res2R11RPotC2CapR31Res2R10Res2R22RPotC6CapC7CapR34Res2R3Res2R19Res2R20Res2R21Res21122334455667788991010111112121313141415151616KJ004*KJ004R26Res2R4Res2R9RPotC1CapR30Res2R8Res2R18RPotC4CapC5CapR33Res2R1Res2R15Res2R16Res2R17Res2R2RPotSMUsaUsb1122334455667788991010111112121313141415151616KJ041*Component_1Q12N3904Q22N3904Q32N3904Q42N3904Q52N3904Q62N3904D1DiodeD2DiodeD3DiodeD4DiodeD5DiodeD6Diode至VT1至VT2至VT3至VT4至VT5至VT6USaUSbUSc至VT1VT2VT3VT4VT5VT6cdsUUK图2相位触发控制电路7如果不可能实测特性，只好根据装置的参数估算。例如，党触发控制电压Uc的调节范围是0～10V，对应的整流电压Ud的变化范围是0～220V时，可取Ks=220/10=22.在动态过程中，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的。众所周知，晶闸管一旦导通后，控制电压的变化在该器件关断以前就不再起作用，直到下一相触发脉冲来到时才能使输出整流电压发生变化，这就造成整流电压滞后