直流電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析與仿真

1、直流電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析與仿真 岳夕彪 楊潤生 陳仁偉 （河北石家莊軍械工程學(xué)院電氣工程教研室）Analysis and simulation of dynamic performance of DC Motor摘要：直流電動(dòng)機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬种匾淖饔?。研究直流電機(jī)的控制和調(diào)速方法，對提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。本篇論文介紹了直流電動(dòng)機(jī)速度控制技術(shù)的原理，提出了一種基于SIMULINK 建模與仿真的方法。在給定仿真條件下，運(yùn)行了仿真程序，得到了預(yù)期的仿真結(jié)果。關(guān)鍵字：直流電機(jī)，SIMULINK，調(diào)速，仿真ABSTRACT: The DC Motor

2、is playing the very important role in the industry agriculture production and the people's daily life. It has the important meaning to research the method of controlling and the speed adjustment of DC Motor for increasing the control precision and the speed of response.This paper introduces the

3、speed control theory of DC Motor, proposing a method of modeling and simulation based on SIMULINK. Running a simulation program in the given conditions , gaining the expected results.Key words：DC motor, SIMULINK, speed control, simulation0 引言直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起，制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用

4、。直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，從控制的角度來看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。MATLAB以及SIMULINK科學(xué)計(jì)算建模和仿真軟件是為了適應(yīng)這一要求而產(chǎn)生的優(yōu)秀仿真平臺(tái)軟件.SIMULINK是MATLAB最重要的組件之一，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。本設(shè)計(jì)研究的任務(wù)是采用SIMULINK工具，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法對電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行建模，并對其動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析與仿真。1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 1.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作

5、用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱為內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，稱做外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜，動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路圖如下圖所示。圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它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(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。圖中還表示了兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓Uim*決定了電流

6、給定電壓的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。 圖1.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用。轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。上圖的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中個(gè)環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：電壓比較環(huán)節(jié)： 放大器： 電力電子變換器： 調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性： 測速反饋環(huán)節(jié)： 從上述五個(gè)關(guān)系式中消去中間變量，整理后，即得轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式： 其中，稱做閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)，它相當(dāng)于在測速反饋電位器輸

7、出端把反饋回路斷開后，從放大器輸入起直到測速反饋輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各環(huán)節(jié)單獨(dú)的放大系數(shù)的乘積。1.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，可得出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，圖中WASR(s)和WACR(s)分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，在電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流Id顯露出來。WASR(s)WACR 圖1.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖1.3 VM系統(tǒng)在晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡稱VM系統(tǒng)）的原理圖中，VT是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位

8、，即可改變平均整流電壓Ud，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在104以上，其門級電流可以直接用電子控制。在控制的快速性上，變流機(jī)組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，這將會(huì)大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 圖1.3 晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)） 2. PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)積分調(diào)節(jié)器積分公式 式中 積分時(shí)間常數(shù)，=R0C。當(dāng)Uex 的初始值為零時(shí)，在階躍輸入作用下，對上式進(jìn)行積分運(yùn)算，得積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：對于直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，由于其傳遞函數(shù)的階次較低，要求以動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度為主，

9、對快速性的要求可以差一些，所以主要采用PI調(diào)節(jié)器。PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)： 上式表明PI調(diào)節(jié)器也可以用一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)比例環(huán)節(jié)來表示。正弦波發(fā)生器：幅度1 頻率1轉(zhuǎn)/秒PI調(diào)節(jié)器：P=4 I=0.5限幅裝置：4，-4 圖2.1 PID調(diào)節(jié)圖 圖2.2 正弦波形仿真圖 圖2.3 PID調(diào)節(jié)仿真圖 用比例積分調(diào)節(jié)器代替比例放大器后，可使系統(tǒng)穩(wěn)定，并有足夠的穩(wěn)定裕度，同時(shí)還能滿足穩(wěn)態(tài)精度指標(biāo)。PI調(diào)節(jié)器的功能不僅如此，還可以進(jìn)一步提高穩(wěn)態(tài)性能，達(dá)到消除穩(wěn)態(tài)速差的地步。帶比例放大器的反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是有靜差的調(diào)速系統(tǒng)，采用比例積分調(diào)節(jié)器的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)則是無靜差的調(diào)速系統(tǒng)。3.轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直流無

10、靜差調(diào)速系統(tǒng)的仿真3.1各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各變量之間有下列關(guān)系： 在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速n是由給定電壓Un*決定的，ASR的輸出量Ui*是有負(fù)載電流IdL決定的，而控制電壓Uc的大小則同時(shí)取決于n和Id。這些關(guān)系反映了PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)。P調(diào)節(jié)器的輸出量總是正比于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量在動(dòng)態(tài)過程中決定于輸入量的積分，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要PI調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算和無

11、靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似，根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù) 兩個(gè)給定電壓由設(shè)計(jì)者選定，受運(yùn)算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電源的限制。3.2軟件仿真及結(jié)果分析 利用SIMULINK工具組成轉(zhuǎn)速,電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真如下圖所示，轉(zhuǎn)速和電流閉環(huán)通過一個(gè)滯環(huán)控制接入脈沖發(fā)生器的輸入端，來實(shí)現(xiàn)對他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，使轉(zhuǎn)速最終趨于穩(wěn)定值。 圖3.1轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直流無靜差調(diào)速系統(tǒng) 圖3.2雙閉環(huán)直流無靜差調(diào)速系統(tǒng) 圖3.3單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過該設(shè)計(jì)系統(tǒng)改進(jìn)，在給定電壓為280V，脈沖發(fā)生器幅度為1 ,0.01s/轉(zhuǎn)；負(fù)載轉(zhuǎn)矩為5，電樞電感為10

12、e-03H，勵(lì)磁電壓為240V，直流電動(dòng)機(jī)選用型號(hào)為5 HP / 240 V的情況下，轉(zhuǎn)速,電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)與其為單閉環(huán)系統(tǒng)相比具有更好的調(diào)速特性。6.結(jié)束語本文利用MATLAB作為仿真工具，建立了一個(gè)簡單的以V-M系統(tǒng)為核心的雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)采用了雙閉環(huán)系統(tǒng)，所以系統(tǒng)能夠通過兩個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)作用減少穩(wěn)態(tài)速降。為使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能更好，該系統(tǒng)采用無靜差調(diào)節(jié)，即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用比例積分調(diào)節(jié)器（PI調(diào)節(jié)器），使系統(tǒng)保證恒速運(yùn)行，以保證滿足更嚴(yán)格的生產(chǎn)要求。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，設(shè)計(jì)和調(diào)試方便，實(shí)踐證明，它是一種性能很好，應(yīng)用最廣的調(diào)速系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)：1陳伯時(shí). 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)-運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng).北京：機(jī)械工業(yè)出版社. 20032楊興瑤. 電動(dòng)機(jī)調(diào)速的原理和系統(tǒng). 北京