双闭环直流调速系统设计及仿真 .docx
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1、1绪论1.1课题背景直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。在20世纪60年代,随着晶闸管的出现,现代电力电子和控制理论、计算机的结合促进了电力传 动控制技术研究和应用的繁荣。晶闸管-直流电动机调速系统为现代工业提供了高效、高性能的动力。尽管目前交流调速的迅速发展,交流调速技术越趋成熟, 以及交流电动机的经济性和易维护性,使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直 流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场,并且建立在反馈控制理 论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础1。现在的直流和交流调速装置都是数字化的,使用的芯片和软件各有特点,但基本控制原理有其共性。对于那些在实际调试
2、过程中存在很大风险或实验费用昂贵的系统,一般不允许对设 计好的系统直接进行实验。然而没有经过实验研究是不能将设计好的系统直接放到生产 实际中去的。因此就必须对其进行模拟实验研究。当然有些情况下可以构造一套物理装 置进行实验,但这种方法十分费时而且费用又高,而且在有的情况下物理模拟几乎是不 可能的。近年来随着计算机的迅速发展,采用计算机对控制系统进行数学仿真的方法已 被人们采纳。但是长期以来,仿真领域的研究重点是仿真模型的建立这一环节上,即在系统模型 建立以后要设计一种算法。以使系统模型等为计算机所接受,然后再编制成计算机程序, 并在计算机上运行。因此产生了各种仿真算法和仿真软件。由于对模型建立
3、和仿真实验研究较少,因此建模通常需要很长时间,同时仿真结果 的分析也必须依赖有关专家,而对决策者缺乏直接的指导,这样就大大阻碍了仿真技术 的推广应用。MATLAB提供动态系统仿真工具Simulink,则是众多仿真软件中最强大、最优秀、 最容易使用的一种。它有效的解决了以上仿真技术中的问题。在Simulink中,对系统进 行建模将变的非常简单,而且仿真过程是交互的,因此可以很随意的改变仿真参数,并 且立即可以得到修改后的结果。另外,使用MATLAB中的各种分析工具,还可以对仿 真结果进行分析和可视化。Simulink可以超越理想的线性模型去探索更为现实的非线性问题的模型,如现实世 界中的摩擦、空
4、气阻力、齿轮啮合等自然现象;它可以仿真到宏观的星体,至微观的分 子原子,它可以建模和仿真的对象的类型广泛,可以是机械的、电子的等现实存在的实 体,也可以是理想的系统,可仿真动态系统的复杂性可大可小,可以是连续的、离散的 或混合型的。Simulink会使你的计算机成为一个实验室,用它可对各种现实中存在的、 不存在的、甚至是相反的系统进行建模与仿真。自70年代以来,国内外在电气传动领域内,大量地采用了“晶闸管直流电动机调 速”技术(简称V-M调速系统)。尽管当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发 展,但在工业生产中V-M系统的应用量还是占有相当的比重。在工程设计与理论学 习过程中,会接触到大量关
5、于调速控制系统的分析、综合与设计问题。传统的研究方法 主要有解析法,实验法与仿真实验,其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不 同的局限性。随着生产技术的发展,对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速 范围、静态特性、动态响应等方面提出了更高要求,这就要求大量使用调速系统。由于 直流电机的调速性能和转矩控制性能好,从20世纪30年代起,就开始使用直流调速系 统。它的发展过程是这样的:由最早的旋转变流机组控制发展为放大机、磁放大器控制; 再进一步,用静止的晶闸管变流装置和模拟控制器实现直流调速;再后来,用可控整流 和大功率晶体管组成的PWM控制电路实现数字化的直流调速,使系统快速性、可控
6、性、 经济性不断提高。调速性能的不断提高,使直流调速系统的应用非常广泛。1.2课题研究的目的和意义直流电动机具有良好的起制动性能,易于在广泛范围内平滑调速,在需要高性能可 控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成 熟,而且从反馈闭环控制的角度来看,它又是交流拖动控制系统的基础,所以首先应该 掌握好直流系统。从生产机械要求控制的物理量来看,电力拖动自动控制系统有调速系 统,位置随动系统,张力控制系统,多电动机同步控制系统等多种类型,而各种系统往 往都通过控制转速来实现的,因而调速系统是最基本的拖动控制系统。直流调速的电枢 和励磁不是耦合的,是分开的,对电枢电流
7、和励磁电流能够做到精确控制;而交流调速, 电枢电流和励磁电流是耦合的,是无法做到精确控制的。因此在轧机、造纸等对力矩 要求很高行业,直流调速还是具有广泛性直流调速器具有动态响应快、抗干扰能力强优 点。我们知道采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条 件下实现转速无静差。由于主电路电感的作用,电流不能突跳,为了实现在允许条件下 最快启动,关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程,按照反馈控制规律,电 流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈,而不能 让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端,到达稳态转速后,又希望只要转速负 反馈,不让电流
8、负反馈发挥作用,因此我们采用双闭环调速系统。直流调速系统在理论 上和实践上都比较成热,从控制技术的角度来看,它又是交流调速系统的基础,因此, 直流调速系统的应用研究有实际意义。在工程实践中,有许多生产机械要求在一定的范 围内进行速度的平滑调节并且要求有良好的静、动态性能。由于直流电动机具有极好的 运行性能和控制性能,尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维 护容易,但长期以来,直流调速系统一直占据垄断地位。由于全数字直流调速系统的出 现,目前,直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式71.3设计的主要内容本课题以直流电动机为对象,用工程设计方法设计直流电动机转速、电流双 闭环调
9、速系统,基于直流电动机的基本方程给出动态结构图,建立双闭环调速系 统的数学模型,并应用 MATLAB进行仿真,对仿真结果分析、研究,验证控制 方案的合理性。主要完成如下工作:(1) 数学模型的建立认真学习相关资料,根据直流电动机基本方程,建立双闭环调速系统的数学 模型并给出动态结构框图。(2) 系统方案设计通过国内外中英文资料介绍,了解直流电动机双闭环调速系统的最佳工程设 计方法,并进行调速系统的设计。(3) 仿真的进行和结果的分析与探究深入学习和掌握MATLAB下的Simulink和Power System系统模型的搭建方法,进 行模型搭建和仿真,对结果进行分析与探究。2. 直流电动机调速系
10、统2.1直流电动机简介2.1.1直流电动机的工作原理图2.1表示是一台最简单的两极直流电机模型,它的固定部分(定子)上,装设了一对用直流励磁的主磁极 N和S,在旋转部分(转子)上装设电枢铁心。定子 与转子之间有一气隙。电枢铁心上装置了由A和X两根导体连成的电枢线圈,线圈的首端和末端分别接到两个圆弧形的铜片上,此铜片称为换向片,换向片之间互相绝缘。由换向片构成的整体称为换向器,固定在转轴上。在换向片上放置 着一对固定不动的电刷 B1和B2,当电枢旋转时,电枢线圈通过换向片和电刷与 外电路接通。枢铁心主聘极图2.1最简单的两极直流电机模型如果将直流电压直接加到线圈AX上,导体中就有直流电流通过。设
11、导体中的电流 为i,载流导体在磁场中将受到电磁力f = bil的作用,线圈上的电磁转矩则为TA = bilD式中,Da为电枢的外径。由于电流i为恒定,一周中磁通密度的方向为一正一负,因此电磁转矩txa将是交 变的,无法使电枢持续旋转。然而在直流电动机中,外加电压并非直接加于线圈,而是 通过电刷B】、B2和换向器再加到线圈上,这样情况就不同了。因为电刷 B1和B2 静止不动,电流i总是从正极性电刷B1流入,经过处于N极下的导体,再经处于S极下的导体,由负极性电刷 B2流出;故当导体轮流交替地处于 N极和S极下 时,导体中的电流将随其所处磁极极性的改变而同时改变其方向,从而使电磁转 矩的方向始终保
12、持不变,并使电动机持续旋转。此时换向器起到将外电路的直流, 改变为线圈内的交流的“逆变”作用。这就是直流电动机的工作原理9。2.1.2直流电动机的运行特性直流电动机的运行特性主要有两条:一条是工作特性,另一条是机械特性,即转速 转矩特性。分析表明,运行性能因励磁方式不同而有很大差异,下面主要对并励电动机 的运行特性加以研究。工作特性是指电动机的端电压U=UN,励磁电流If=IfN时,电动机的转速n、电磁转 矩Te和效率门与输出功率的关系,即n,T,门=f P)。由于实际运行中七较易测得, 且I随七的增大而增大,故也可把工作特性表示为n,T,n= f(I )。上述条件中,Ia 2eafN为额定励
13、磁电流,即输出功率达到额定功率、转速达到额定转速七时的励磁电流。先看转速特性n = f(P)o从电动势公式E广Cn和电压方程可知(2.1)n =旦二U 一少IC。 C。 C。 a上式通常称为电动机的转速公式。此式表示,在端电压U、励磁电流If均为常值的条件 下,影响并励电动机转速的因素有两个:一是电枢电阻压降;二是电枢反应。当电动机 的负载增加时,电枢电流增大,/.旦使电动机的转速趋于下降;电枢反应有去磁作用时, 则使转速趋于上升;这两个因素的影响部分地互相抵消,使并励电动机的转速变化很小。 实用上,为保证并励电动机的稳定运行,常使它具有稍微下降的转速特性10。并励电动机在运行中,励磁绕组绝对
14、不能断开。若励磁绕组断开,If =0,主磁通将 迅速下降到剩磁磁通,使电枢电流迅速增大。此时若负载为轻载,则电动机的转速迅速 上升,造成“飞车”;若负载为重载,所产生的电磁转矩克服不了负载转矩,则电动机 可能停转,使电枢电流增大到起动电流,引起绕组过热而将电机烧毁。这两种情况都是 危险的。机械特性是指U = Un,励磁回路电阻R广常值时,电动机的转速与电磁转矩的关系 n = f T )。g2.1.3直流电动机的起动与调速(1)直流电动机的启动直流电动机接到电源以后,转速从零达到稳态转速的过程称为起动过程。对电动机 起动的基本要求是:起动转矩要大;起动电流要小;起动设备要简单、经济、 可靠。直流
15、电动机开始起动时,转速n任0,电枢的感应电动势E = Cg 0,电枢电阻R 又很小,因而起动电流I - UjRa将达到很大的数值,常须加以限制。另一方面,起动转 矩T = C/1.,减小起动电流将使起动转矩随之减小。这是互相矛盾的。通常采用保证足 够的起动转矩下尽量减小起动电流的办法,使电动机起动。直流电动机常用的起动方法有三种: 直接起动; 接入变阻器起动; 降压 起动。(2)直流电动机速度的调节电动机是用以驱动生产机械的,根据负载的需要,常常希望电动机的转速能在一定 甚至是宽广的范围内进行调节,且调节的方法要简单、经济。直流电动机在这些方面有 其独到的优点。直流电动机转速和其他参量之间的稳
16、态关系可表示为U - IRn K中式中 n 转速(r/min);U 一电枢电压(V);I 一电枢电流(A);R 一电枢回路总电阻(。);一励磁磁通(Wb);Ke 一由电机结构决定的电动势常数。在上式中,K是常数,电流I是由负载决定的,因此调节电动机的转速可以有三种方法: 调节电枢供电电压U : 减弱励磁磁通; 改变电枢回路电阻R。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说,以调节电枢电压的方式为最好。 改变电阻只能实现有级调速;减弱磁通虽然能够平滑调速,但调速范围不大,往往只是配合调压方案,在基速(额定转速)以上作小范围的弱磁升速。因此,自动控制的直流 调速系统往往以变压调速为主1。2.2转速
17、控制的要求和调速指标任何一台需要控制转速的设备,其生产工艺对调速性能都有一定的要求。例如,最 高转速与最低转速之间的范围,是有级调速还是无级调速,在稳态运行时允许转速波动 的大小,从正转运行变到反转运行的时间间隔,突加或突减负载时允许的转速波动,运 行停止时要求的定位精度等等。归纳起来,对于调速系统转速控制的要求有以下三个方 面:(1) 调速。在一定的最高转速和最低转速范围内,分档地(有级)或平滑地(无级) 调节转速。(2) 稳速。以一定的精度在所需转速上稳定运行,在各种干扰下不允许有过大的转 速波动,以确保产品质量。(3) 加、减速。频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快,以提高生产率;不宜经
18、 受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。为了进行定量的分析,可以针对前两项要求定义两个调速指标,叫做“调速范围” 和“静差率”。这两个指标合称调速系统的稳态性能指标。(1) 调速范围生产机械要求电动机提供的最高转速n和最低转速n之比叫做调速范围,用字 maxminnmax母D表示,即(2.2)nmin其中,nmax和nmin一般都指电动机额定负载时的最高和最低转速,对于少数负载很轻的 机械,例如精密磨床,也可用实际负载时的最高和最低转速11。(2)静差率当系统在某一转速下运行时,负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落R,与理想空载转速n0之比,称作静差率s,即(2.3)AnS =N
19、n0或用百分数表示s =四 X 100%n 0显然,静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的。它和机械特性的硬度 有关,特性越硬,静差率越小,转速的稳定度就越高。然而静差率与机械特性硬度又是有区别的。一般变压调速系统在不同转速下的机械 特性是互相平行的,对于同样硬度的特性,理想空载转速越低时,静差率越大,转速的 相对稳定度也就越差。由此可见,调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的,必须同时提才有意义。 在调速过程中,若额定速降相同,则转速越低时,静差率越大。如果低速时的静差率能 满足设计要求,则高速时的静差率就更能满足要求了。因此,调速系统的静差率指标应 以最低速进所能达到的数值
20、为准12。(3)直流变压调速系统中调速范围、静差率和额定速降之间的关系在直流电动机变压调速系统中,一般以电动机的额定转速nN作为最高转速,若额定负载下的转速降落为AnN ,则按照上面分析的结果,该系统的静差率应该是最低速时的静差率,即AnAnS = N = Nn0min皿+的于是,最低转速为An人 G - s)Ann = n An=nminsNs而调速范围为D = nmx =nminnmin将上面的nmin式代入,得D=nsAn;(2.4)式(2.4)表示变压调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所应满足的关系。对于 同一个调速系统,AnN值一定,由式(2.4)可见,如果对静差率要求越严,即
21、要求s值 越小时,系统能够允许的调速范围也越小。2.3开环调速系统及其存在的问题图22所示的晶闸管-电动机系统就是开环调速系统,调节控制电压Uc就可以改变 电动机的转速。如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高,这样的开环调速系统 都能实现一定范围内的无级调速。但是,许多需要调速的生产机械常常对静差率有一定 的要求。例如龙门刨床,由于毛坯表面粗糙不平,加工时负载大小常有波动,但是,为 了保证工件的加工精度和加工后的表面光洁度,加工过程中的速度却必须基本稳定,也 就是说,静差率不能太大,一般要求,调速范围D=2040,静差率sW5%。又如热连轧 机,各机架轧辊分别由单独的电动机拖动,钢材在几个
22、机架内连续轧制,要求各机架出 口线速度保持严格的比例关系,使被轧金属的每秒流量相等,才不致造成钢材拱起或拉 断,根据工艺要求,须使调速范围D=310时,保证静差率sW0.2%0.5%。在这些情 况下,开环调速系统往往不能满足要求13图2.2晶闸管一电动机调速系统原理图2.4单闭环直流调速系统及动态校正由前述分析可知,开环系统不能满足较高的调速指标要求。许多需要无级调速的生 产机械,常常不允许有很大的静差率。为了使系统同时满足D、s的要求,提高调速质 量,必须采用闭环系统,用转速检测装置。例如,在电动机轴上安装一台测速发电机 TG,检测出输出量或被调量n大小和极性,并把它变换成与转速成正比的负反
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