直流電機拖動系統概述

1、1. 直流電拖動系統概述機直流電動機在電力拖動系統中具有兩個突出優(yōu)點。首先直流電動機具有良好的啟動、制動性能、調速性能和控制性能，這個優(yōu)點使直流電動機運動控制系統（簡稱直流調速系統）在需要調速的高性能電力拖動中得到廣泛的應用。另外，它的電樞電壓、電樞電力、電樞回路電阻、電機輸出轉矩、電機轉速等各參數、變量之間的關系幾乎都是近似的線性函數關系，這使直流電動機的數學模型較為簡單、準確、相應地使得直流調速控制系統的分析、計算及設計也較為容易，且經過較長時間的實踐，直流拖動控制系統在理論和實踐上都比較成熟、經典，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是及交流調速控制系統的基礎。但常規(guī)的意義的直流電動機也具

2、有它不可克服的缺點-帶有機械換向裝置，即有換向器和電刷，運行時會產生火花和電磁干擾，電刷易磨損需維護、更換；而交流電動機則不存在機械換向的問題。2. 單閉環(huán)直流調速系統3. 雙閉環(huán)直流調速系統在許多工程實踐中，有一些生產機械由于生產工藝的要求，要求電機經常處于啟動，制動的工作狀態(tài)，其速度圖多為梯形或三角形。這類生產機械要求電機經常過載或堵轉，例如，往返運動的龍門刨床，可逆軋鋼機等。這類機械要求盡量縮短啟、制動過程的時間，來提高生存率。為此，要求電機在最大允許電流和轉矩條件下，充分利用電機的過載能力，最好是在過度過程中始終保持電流（轉矩）為允許的最大值，使電力拖動系統以最大的加速度啟動，達到穩(wěn)態(tài)

3、轉速時，立即讓電流減下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想啟動過程中，啟動電流呈方波型，轉速按線性增長。這是在最大的電流（轉矩）受限制時調速系統所能獲得的最快的啟動過程。 如圖1。 圖13.1 雙閉環(huán)直流調速系統的基本構成雙閉環(huán)直流調速系統是指含有：轉速負反饋，實現轉速的無靜差調節(jié)；電流負反饋環(huán)，使系統在充分利用電動機過載能力的條件下獲得最佳過度過程。在單閉環(huán)控制系統中，一個調節(jié)器的動態(tài)參數無法保證兩種調節(jié)器過程同時具有良好的動態(tài)品質。為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統中設置兩個調節(jié)器，用轉速調節(jié)器（ASR）調節(jié)轉速，用電流調節(jié)器（ACR）調節(jié)電流，二者之間串

4、級連接。轉速調節(jié)器的輸出作為電流調節(jié)器的給定信號輸入，電流調節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器（UPE）從閉環(huán)機構上看電流環(huán)在里面，稱作內環(huán)；轉速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)，這就形成了轉速，電流雙閉環(huán)調速系統。 如圖2。 圖23.2 雙閉環(huán)控制系統起動過程分析前面已經指出，設置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近于理想的起動過程，因此在分析雙閉環(huán)調速系統的動態(tài)性能時，有必要先探討它的起動過程。雙閉環(huán)調速系統突加給定電壓由靜止狀態(tài)起動時，轉速和電流的過渡過程如圖4所示。由于在起動過程中轉速調節(jié)器ASR經歷了不飽和、飽和、退飽和三個階段，整個過渡過程也就分為三個階段，在圖中表以、和。第階段：0t1是電流上升

5、階段。突加給定電壓后，通過兩個調節(jié)器的控制作用，使、都上升，當后，電動機開始轉動。由于機電慣性的作用，轉速的增長不會太快，因而ASR的輸入偏差電壓數值較大并使其輸出達到飽和值，強迫電流迅速上升。當時，電流調節(jié)器ACR的作用使不再迅速增加，標志著這一階段的結束。在這一階段中，ASR由不飽和很快達到飽和，而ACR一般應該不飽和，以保證電流環(huán)的調節(jié)作用。圖3 雙閉環(huán)調速系統起動時的轉速和電流波形第階段：t1t2是恒流加速階段。這一階段是起動過程的主要階段。在這個階段中，ASR一直是飽和的，轉速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統表現為在恒流給定作用下的電流調節(jié)系統，基本上保持電流恒定（電流可能超調，也可能不超調，

6、取決于ACR的參數），因而拖動系統的加速度恒定，轉速呈線性增加。又，n，這樣才能保持=cont。由于ACR是PI調節(jié)器，要使它的輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，應略低于。此外還應指出，為了保證電流環(huán)的這種調節(jié)作用，在起動過程中電流調節(jié)器是不能飽和的，同時整流裝置的最大電流也須留有余地，即晶閘管裝置也不應飽和，這都是設計中必須注意的。第階段：t2以后是轉速調節(jié)階段。此時，但由于積分作用，所以電動機仍在最大電流下加速，必然使轉速必超調。當時，使ASR退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓即ACR的給定電壓迅速下降，也迅速下降。但由于，在一段時間內，轉速仍繼續(xù)增加。當時，n達到最大值

7、（t3時刻）。此后，電動機在負載的阻力下減速，與此相應，電流也出現一段小與的過程，直到穩(wěn)定。在這最后的轉速調節(jié)階段內，ASR與ACR都不飽和，同時起調節(jié)作用。由于轉速調節(jié)在外環(huán)，ASR處于主導地位，而ACR的作用則是力圖使盡快地跟隨ASR的輸出量，或者說，電流內環(huán)是一個電流隨動子系統。總上所述，雙閉環(huán)調速系統的起動過程有三個特點：l 飽和非線性。在不同情況下表現為不同結構的線性系統。l 準時間最優(yōu)控制。階段屬于電流受限制條件下的最短時間控制。采用飽和非線性控制方法實現準時間最優(yōu)控制是一種很有使用價值的控制策略，在各種多環(huán)系統中普遍地得到應用。l 轉速必超調。按照PI調節(jié)器的特性，只有轉速超調，

8、ASR的輸入偏差電壓為負值，才能使ASR退飽和。這就是說，采用PI調節(jié)器的雙閉環(huán)調速系統的轉速必超調4. 雙閉環(huán)直流調速系統的工程設計雙閉環(huán)直流調速系統的工程設計，主要包括確定預期典型系統，選擇調節(jié)器形式等。設計結果應滿足生產機械工藝要求提出的靜態(tài)與動態(tài)性能指標。可以借助伯德圖設計，經過反復試湊，才能確定調節(jié)器的特性，從而選定其結構并計算參數。工程設計的方法實際上是一種經驗性的方法，需要有一定的經驗和熟練的設計技巧。 現代的電力拖動自動控制系統系統中，除電機的慣性較大外，其余部分的慣性很小。經過合理的簡化處理，整個系統一般都可以近似為低階系統，并從中找出少數典型系統作為工程設計的基礎。工程上通

9、常選用下述兩種典型系統如閉環(huán)二階典型系統和閉環(huán)三階典型系統。事先對這兩種典型系統做比較深入的研究，把它們的開環(huán)對數頻率特性當做預期的特性，弄清楚它們的參數與系統性能指標的關系，寫成簡單的公式或制成簡明的圖表。則在設計時，只要把實際系統校正或簡化成典型系統，就可以利用現成的公式和圖表來進行參數計算，設計過程就要簡便得多，在工程實踐匯總得到了廣泛的應用。之所以選定這兩種系統作為典型系統，是因為這兩種系統結構簡單，便于工程上實現，而且在不是相當高的要求下，完全能夠滿足工程設計的需要。工程設計的主要步驟是根據被控對象和要求，確定預期的典型系統，根據典型系統選擇調節(jié)器形成和最佳參數，并以此計算系統電路參

10、數。 如果系統要求更精確的動態(tài)性能，可參考“模型系統法”.對于復雜的不可能簡化成典型系統的情況，可采用高階系統或多變量系統的計算機輔助分析和設計。實際控制系統對于各種動態(tài)指標的要求各有不同。一般來說，調速來說，調速系統的動態(tài)指標以抗擾性能為主，而隨動系統的動態(tài)指標則以跟隨性能為主。在電力拖動自動控制系統中，采用工程設計方法設計調節(jié)器時，應該首先根據控制系統的要求，確定要校正成哪一類典型系統。大部分控制對象配以適當的調節(jié)器，就可以校正成典型系統，但也有些實際系統不可能簡單地校正成典型系統的形式，這就需求經過近似處理，才能使用上述的工程設計方法。4.1 電源設計該模塊的主要功能是為轉速給定電路提供

11、電源，眾所周知，電源是一切電路的心臟，其性能在很大程度上影響著整個電路的性能。為使系統很好的工作，本文特設計一款±15V的直流穩(wěn)壓電源供電，其電路圖如圖3.5所示。直流穩(wěn)壓電源主要由兩部分組成：整流電路和濾波電路。整流電路的任務是將交流電變換成直流電。完成這一任務主要是靠二極管的單向導通作用，因此二極管是組成整流電路的關鍵元件。在小功率（1KW）整流電路中，常見的幾種整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。本設計采用橋式整流電路，其主要特點如下：輸出電壓高，紋波電壓小，管子所承受的最大反向電壓較低，電源變壓器充分利用，效率高。 圖3.5 ±15V電源電路原理圖濾波電路

12、用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負載電阻兩側并聯電容器；或在整流電路輸出端與負載間串聯電感L，以及由電容、電感組合而成的各種復式濾波電路。4.2 控制電路的設計本控制系統采用轉速、電流雙閉環(huán)結構，其原理圖如圖3.6所示。 圖3.6 雙環(huán)調速系統原理圖為了獲得良好的靜動態(tài)性能，轉速和電流兩個調節(jié)器一般都采用PI 調節(jié)器。圖4.7中標出了兩個調節(jié)器的輸入輸出的實際極性，他們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。圖3.7為雙閉環(huán)調速系統的穩(wěn)態(tài)結構圖。圖3.8為雙閉環(huán)調速系統的穩(wěn)態(tài)結構圖。ACR和ASR的輸入、輸出信號的極性，主要視

13、觸發(fā)電路對控制電壓的要求而定。若觸發(fā)器要求ACR的輸出Uct為正極性，由于調節(jié)器一般為反向輸入，則要求ACR的輸入Ui*為負極性，所以，要求ASR輸入的給定電壓Un*為正極性。本文基于這種思想進行ASR和ACR設計。4.3 調節(jié)器結構的選擇。確定了要采用哪一種典型系統之后，選擇調節(jié)器的方法就是把控制對象與調節(jié)器的傳遞函數相乘，匹配成典型系統。有時僅靠P,I,PI,PD和PID.幾種調節(jié)器都不能滿足要求，就不得不做一些近似處理，或者采用更為先進的控制規(guī)律.傳遞函數的近似處理。有時僅僅通過調節(jié)器的選擇還不能校正成哪一類典型.此時可先對控制對象的傳遞函數做近似處理，再與調節(jié)器的傳遞函數配成典型系統的

14、形式處理。有時僅僅通過調節(jié)器的選擇還不能校正成哪一類典型此時可先對控制對象的傳遞函數做近似處理，再與調節(jié)器的傳遞函數配成典型系統的形式。5. 雙閉環(huán)直流調速系統工程設計舉例設待分析的直流電機為雙閉環(huán)直流調速系統，具體參數為， , ,，,無靜差。電流過載倍數，電流超調量，電流反饋系數，.轉速反饋系數：，晶閘管裝置放大系數：；設計要求：靜態(tài)指標：無靜差；動態(tài)指標：電流超調量，空載起動到額定轉速時的轉速超調量在設計雙閉環(huán)調速系統時，一般是先內環(huán)后外環(huán)，調節(jié)器的結構和參數取決于穩(wěn)態(tài)精度和動態(tài)校正的要求，雙閉環(huán)調速系統動態(tài)校正的設計與調試都是按先內環(huán)后外環(huán)的順序進行，在動態(tài)過程中可以認為外環(huán)對內環(huán)幾乎無

15、影響，而內環(huán)則是外環(huán)的一個組成環(huán)節(jié)3。由于典型型系統的跟隨性能由于典型型系統，而典型型系統的抗擾性能優(yōu)于典型型系統，因此一般來說，從快速啟動系統的要求出發(fā)，可按典型型系統設計電流環(huán)；由于要求轉速無靜差，轉速環(huán)應按典型型系統設計。工程設計法是建立在頻率特性理論基礎上的，只需將典型系統和典型系統的開環(huán)頻率特性作為調速系統僅有的兩種預期特性。工程設計的步驟如下：l 對已知系統的固有特性做恰當的變換和近似處理，以簡化調節(jié)器結構。l 根據具體情況選定預期特性，即典型系統或典型系統，并按照零極點相消的原則，確定串聯調節(jié)器的類型。l 根據要求的性能指標，確定調節(jié)器的有關P、I、D參數。l 畫出相應的調節(jié)器參

16、數，并確定有關RC網絡參數。l 校驗。5.1 電流環(huán)的設計5.1.1 確定時間常數（1）整流裝置滯后時間常數。=0.0017s（2）電流濾波時間常數，=0.002s（3）電流環(huán)小時間常數。按小時間常數近似處理，取5.1.2 確定將電流環(huán)設計成何種典型系統根據設計要求，而且，因此，電流環(huán)可按典型型系統設計。5.1.3 電流調節(jié)器的結構選擇電流調節(jié)器選用PI型，其傳遞函數為：5.1.4 選擇電流調節(jié)器參數ACR超前時間常數：；電流環(huán)開環(huán)增益：因為要求，故應取，因此于是，ACR的比例系數為.005。所以電流調節(jié)器的傳遞函數為5.1.5 計算電流調節(jié)器的電路參數電流調節(jié)器原理如圖4所示，按所用運算放大

17、器，取，各電阻和圖4 電流調節(jié)器原理圖電容值計算如下：，取；，?。?，取5.2 轉速環(huán)的設計5.2.1. 確定時間常數（1）電流環(huán)等效時間常數為；（2）轉速濾波時間常數。根據所用測速發(fā)電機紋波情況，??；（3）轉速環(huán)小時間常數。按小時間常數近似處理，取。5.2.2. 確定將轉速環(huán)設計成何種典型系統由于設計要求轉速無靜差，轉速調節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)；有根據動態(tài)設計要求，應按典型型系統設計轉速環(huán)。5.3.3 轉速調節(jié)器的結構選擇轉速調節(jié)器選用PI型，其傳遞函數為：5.3.4 選擇轉速調節(jié)器參數按跟隨和抗繞性能都較好的原則取h=5，則ASR超前時間常數：；轉速開環(huán)增益：；于是ASR的比例系數為：。轉速

18、調節(jié)器也選用PI型，其傳遞函數為5.3.5 計算轉速調節(jié)器的電路參數轉速調節(jié)器原理圖如圖5所示，按所用運算放大器，取，各電阻圖5 轉速調節(jié)器原理圖和電容值計算如下：，??；，??；，取。6. 雙閉環(huán)調速系統在Simulink環(huán)境下的仿真4系統調試由于本文只進行了理論性設計，故在系統安裝與調試階段只對控制電路部分進行了MATLAB仿真，以分析直流電機的啟動特性。采用MATLAB中的simulink工具箱對系統在階躍輸入和負載擾動情況下的動態(tài)響應（主要為轉速和電樞電流）進行仿真。仿真可采用面向傳遞函數的仿真方法或面向電氣系統原理結構圖的仿真方法，本文采用面向傳遞函數的仿真方法。系統仿真結構如圖4.1所

19、示。 圖4.1 系統仿真結構圖在仿真過程中，Matlab設置很多不同的算法，而不同的算法，對仿真出來波形影響很大。對于用數值方法求解常系數微分方程(Ordinary Differential Equation,簡寫為ODE)或微分方程組，MATLAB提供了七種解函數，最常用的是ODE45。ode45可用于求解一般的微分方程，他采用四階、五階龍格-庫塔法。仿真結果如圖4.2-4.3所示。電流輸出圖電壓輸出圖5 結論 雙閉環(huán)直流調速系統突加給定電壓由靜止狀態(tài)啟動時，轉速和電流的動態(tài)過程如仿真圖4.2所示。由于在啟動過程中轉速調節(jié)器ASR經歷了不飽和、飽和、退飽和三個階段，即電流上升階段、恒流升速階

20、段和轉速調節(jié)階段。從啟動時間上看，第二階段恒流升速是主要的階段，因此雙閉環(huán)系統基本上實現了電流受限制下的快速啟動，利用了飽和非線性控制方法，達到“準時間最優(yōu)控制”。帶PI調節(jié)器的雙閉環(huán)調速系統還有一個特點，就是轉速必超調。在雙閉環(huán)調速系統中，ASR的作用是對轉速的抗擾調節(jié)并使之在穩(wěn)態(tài)是無靜差，其輸出限幅決定允許的最大電流。ACR的作用是電流跟隨，過流自動保護和及時抑制電壓的波動。通過仿真可知：啟動時，讓轉速外環(huán)飽和不起作用，電流內環(huán)起主要作用，調節(jié)啟動電流保持最大，使轉速線性變化，迅速達到給定值；穩(wěn)態(tài)運行時，轉速負反饋外環(huán)起主要作用，使轉速隨轉速給定電壓的變化而變化，電流內環(huán)跟隨電流外環(huán)調節(jié)電

21、機的電樞電流以平衡負載電流。6總結與體會 經過這次的課程設計，不僅在書上學到的知識得到了鞏固，而且還在設計過程中拓展了其他沒有學過的知識。這次的課程設計經歷了將近一個暑假，從查找資料，到確定方案，最后再到用軟件仿真，我們組都團結協作，互相幫助，并且得到老師的關懷。我們以前學習的知識都漸漸離我們遠去，甚至不知道、不清楚哪些知識該用到哪些地方，什么時候用。學校安排了這次課程設計，通過自己查找資料，了解情況，讓我們清楚我們學的知識與現實工業(yè)生產之間的聯系，使得我們對知識深刻的了解和鞏固。與此同時，在團隊的協作中使我們在與人共事之中學會交流學會合作。因為在今后的工作中一個人獨立完成不與別人合作，是基本

22、不可能的，所以在這次課程設計中也鍛煉了我們的團隊的協作精神，為今后的學習和工作積累了經驗，是一筆難得的財富。參考文獻1姚舜才，溫志明，黃剛 . 編著 .運動控制系統分析與應用 .北京：國防工業(yè)出版社，2008.63752王劃一 . 主編 .自動控制原理 . 北京：國防工業(yè)出版社，2006.8163林紅，周鑫霞 . 主編 .電子技術 .北京：清華大學出版社，2008.2492614邱關原，羅先覺 .電路 .北京：高等教育出版社，2006.3403725王遠，張玉平 .模擬電子技術基礎 .北京：機械工業(yè)出版社，2007.891146閻石.主編. 數字電子技術基礎 .北京：高等教育出版社，1998.18521