雙閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及MATLAB仿真

1、目錄1、引言2二、初始條件：2三、設(shè)計(jì)要求：3四、設(shè)計(jì)根本思路3五、系統(tǒng)原理框圖3六、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖4七、參數(shù)計(jì)算61 .有關(guān)參數(shù)的計(jì)算62 .電流環(huán)的設(shè)計(jì)63 .轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)8七、雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)線路圖10.1.系統(tǒng)主電路圖1.02觸發(fā)電路1.1.3 .限制電路1.54 .轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR設(shè)計(jì)165 .電流調(diào)節(jié)器ACR設(shè)計(jì).166 .限幅電路的設(shè)計(jì)1.7.八、系統(tǒng)仿真1.7.1 .使用普通限幅器進(jìn)行仿真.7.2 .積分輸出加限幅環(huán)節(jié)仿真.9.3 .使用積分帶限幅的PI調(diào)節(jié)器仿真2.九、總結(jié)24、設(shè)計(jì)目的1 .聯(lián)系實(shí)際,對晶閘管-電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行綜合性設(shè)計(jì),加深對所學(xué)

2、?自動(dòng)限制系統(tǒng)?課程的熟悉和理解,并掌握分析系統(tǒng)的方法.2 .熟悉自動(dòng)限制系統(tǒng)中元部件及系統(tǒng)參數(shù)的計(jì)算方法.3 .培養(yǎng)靈活運(yùn)用所學(xué)自動(dòng)限制理論分析和解決實(shí)際系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種問題的水平.4 .設(shè)計(jì)出符合要求的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),并通過設(shè)計(jì)正確掌握工程設(shè)計(jì)的方法.5 .掌握應(yīng)用計(jì)算機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行仿真的方法.、初始條件:1 .技術(shù)數(shù)據(jù)(1) 直流電機(jī)銘牌參數(shù)：Pn=90KW,Un=440V,In=220A,nN=1500r/min,電樞電阻Ra=0.088Q,允許過載倍數(shù)入=1.5;(2) 晶閘管整流觸發(fā)裝置：Rrec=0.032Q,Ks=45-48.(3) 系統(tǒng)主電路總電阻：R=0.12Q

3、(4) 電磁時(shí)間常數(shù)：T1=0.012s(5) 機(jī)電時(shí)間常數(shù)：Tm=0.1s(6) 電流反應(yīng)濾波時(shí)間常數(shù)：Toi=0.0025s,轉(zhuǎn)速率波時(shí)間常數(shù)：Ton=0.014s.(7) 額定轉(zhuǎn)速時(shí)的給定電壓：Unm=10V(8) 調(diào)節(jié)器飽和輸出電壓：10V2 .技術(shù)指標(biāo)(1) 該調(diào)速系統(tǒng)能進(jìn)行平滑的速度調(diào)節(jié),負(fù)載電機(jī)不可逆運(yùn)行,具有較寬的調(diào)速范圍(D10),系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作；(2) 系統(tǒng)靜特性良好,無靜差(靜差率s2);(3) 動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：轉(zhuǎn)速超調(diào)量6n8%,電流超調(diào)量6i5%,動(dòng)態(tài)速降A(chǔ)n08-10%,調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間(調(diào)節(jié)時(shí)間)ts-E,V5又導(dǎo)通,V7、V8變?yōu)榻刂?脈沖消失.

4、脈沖寬度由C3反向充電時(shí)間常數(shù)R11XC3決定.(2)鋸齒波形成和脈沖移相環(huán)節(jié)鋸齒波的形成有自舉式電路、恒流源電路等.在上圖中由VI、RP2和R&R4等組成恒流源電路.電容C2的沖放電形成鋸齒波,鋸齒波通過V3組成的設(shè)計(jì)跟隨器輸出.鋸齒波電壓ue3直流限制電壓uk、直流廉價(jià)電壓up經(jīng)電阻R6、R7、R8與V4基極b4連接,著三個(gè)電壓疊加決定V4的基極電位ub4的大小,即限制V4的工作狀態(tài).Up的作用是為了確定uk=0時(shí)脈沖的初始相位.如感性伏在電流連續(xù),三相全控橋(可逆系統(tǒng))的脈沖初始相位應(yīng)定在=90,可通過調(diào)節(jié)up與ue3疊加來實(shí)現(xiàn),鋸齒波過零變正點(diǎn),即為脈沖產(chǎn)生的時(shí)刻,對應(yīng)于=90,此時(shí)變

5、流器輸出Ud=0.Uk與ue3疊加限制脈沖相位移動(dòng)(up固定在某值),當(dāng)uk0時(shí),過零點(diǎn)N點(diǎn)向左移動(dòng),900,電路工作整流狀態(tài)：當(dāng)uk0時(shí),N點(diǎn)向右移動(dòng),900電路工作于逆變狀態(tài).該電路要求鋸齒波寬度大于180,如選240.(3)同步環(huán)節(jié)觸發(fā)脈沖uG必須與主電路的電源同步.上圖電路中,同步環(huán)節(jié)又由同步變壓器TS和晶體管V2等組成.同步電壓us經(jīng)TS降壓產(chǎn)生二次電壓uTS來限制V2的導(dǎo)通與關(guān)斷,從而限制C2的沖放電過程,V2截止時(shí)C2充電,V2導(dǎo)通是C2放電,這樣就形成了鋸齒波.正弦波uTS的一個(gè)周期內(nèi)V2截止與導(dǎo)通各一次,對應(yīng)鋸齒波是一個(gè)周期,與主回路電源頻率一樣,到達(dá)同步的目的.鋸齒波的寬度

6、由C1的充電時(shí)間常數(shù)R1C1決定.(4)強(qiáng)觸發(fā)環(huán)節(jié)品閘管采用強(qiáng)觸發(fā)可縮短開通時(shí)間,有利于改善用并聯(lián)器件的動(dòng)態(tài)均壓和均流,增加觸發(fā)的可靠性,強(qiáng)觸發(fā)電路如下圖.強(qiáng)觸發(fā)的電源,由單相橋式整流電路獲得50V電壓.在V8截止時(shí),C6充電,D點(diǎn)電位上升到50V.當(dāng)V8導(dǎo)通時(shí),C6迅速放電,D點(diǎn)電位迅速下降,uD15V時(shí),VD15導(dǎo)通,由15V電源供電,V8截止后,C6由充電到uD=50V,為下一次觸發(fā)做準(zhǔn)備.(5)雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)第一個(gè)脈沖由本相觸發(fā)電路的V4由截止變?yōu)閷?dǎo)通時(shí)使V5截止而V7、V8導(dǎo)通所產(chǎn)生；第二個(gè)脈沖由滯后60.相位的后一個(gè)相觸發(fā)電路產(chǎn)生其一個(gè)脈沖時(shí)將信號引至本想觸發(fā)電路V6的基極,使其

7、截止,V7、V8又導(dǎo)通而產(chǎn)生.這樣每一個(gè)觸發(fā)電路一個(gè)周期能輸出兩個(gè)相隔60的窄脈沖.為預(yù)防脈沖互相干擾,參加VD4和R17.三相橋式全控整流電路,晶閘管的導(dǎo)通順序?yàn)椋篤T1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6-VT1,彼此相隔60.為能準(zhǔn)確產(chǎn)生雙窄脈沖,圖中的X和Y斷應(yīng)按圖所示的順序連接,即前相的觸發(fā)電路的Y端接后相的X端3 .限制電路說明：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,用電流調(diào)節(jié)器ACR調(diào)節(jié)電流.ASR與ACR之間實(shí)現(xiàn)審級連接,即以ASR的輸出電壓Ui作為電流調(diào)節(jié)器的電流給定信號,再用ACR的輸出電壓Uc作為晶閘管觸發(fā)電路的移相限制電壓.從閉環(huán)反應(yīng)的結(jié)構(gòu)上看,轉(zhuǎn)速環(huán)在外面為外環(huán),電流環(huán)在里面

8、為內(nèi)環(huán).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)器都采用具有輸入、輸出限幅電路的PI調(diào)節(jié)器,且轉(zhuǎn)速與電流都采用負(fù)反應(yīng)閉環(huán).4 .轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR設(shè)計(jì)由參數(shù)計(jì)算過程可知,ASR采用PI調(diào)節(jié).比例調(diào)節(jié)器響應(yīng)快,但它使系統(tǒng)有靜差；而積分調(diào)節(jié)器可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無檢察,但響應(yīng)慢.假設(shè)把比例、積分限制結(jié)合起來構(gòu)成比例積分PI調(diào)節(jié)器,那么可以取長補(bǔ)短：作為限制器,它可以兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求：作為校正裝置,它又能提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性.故所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié),如下列圖所示.其中Un為轉(zhuǎn)速給定電壓,Ufn為轉(zhuǎn)速反應(yīng)電壓.5 .電流調(diào)節(jié)器ACR設(shè)計(jì)與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)類似,電流調(diào)節(jié)器也采用PI調(diào)

9、節(jié),充分利用了電動(dòng)機(jī)的過載水平獲得最快的動(dòng)態(tài)響應(yīng),即最正確過渡過程.其電路圖如圖四所示,其中Ui為電流給定電壓即ASR的輸出電壓,Ufi為電流反應(yīng)值.6 .限幅電路的設(shè)計(jì)通常,調(diào)節(jié)器輸出的限幅方法有三種,一種是采用二極管鉗位的外限幅電路,一種是采用二極管鉗位的負(fù)反應(yīng)內(nèi)限幅電路,第三種是采用晶體三極管負(fù)反應(yīng)內(nèi)限幅電路.在這里,我們采用第一種限幅方式,即二極管鉗位的外限幅電路.電路圖如圖五所示,其中端接至調(diào)節(jié)器ASR或ACR的輸出端UinRp1VD17sR1UoutOVD2Rp2+15VO-15V八、系統(tǒng)仿真1.使用普通限幅器進(jìn)行仿真使用MATLAB的SIMULINK對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)函數(shù)分

10、析,其分析原理圖如下:圖中ASR限幅值為：上限10下限-130ACR限幅值為：上限100下限-100圖中直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)、晶閘管整流裝置的參數(shù)、轉(zhuǎn)速反應(yīng)以及電流反應(yīng)系數(shù)都是從設(shè)計(jì)要求中所得,而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR是根據(jù)參數(shù)按工程設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)出來的.具體計(jì)算方法見本報(bào)告的參數(shù)計(jì)算.在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB仿真中,電流調(diào)節(jié)器限幅相對來說比擬簡單.只要給出適宜的限幅值,采用任何一種限幅方式均不影響仿真結(jié)果,由于電機(jī)在整個(gè)起動(dòng)過程中,電流調(diào)節(jié)器一直處于不飽和狀態(tài).而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在電機(jī)起動(dòng)過程中,會經(jīng)歷不飽和、飽和及退飽和三個(gè)狀態(tài)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用不同限幅方式,電機(jī)在突加階躍給定空載起

11、動(dòng)時(shí)會得到不同的轉(zhuǎn)速和電流波形.由以上原理圖可得出僅在PI調(diào)節(jié)器的輸出端簡單加一限幅環(huán)節(jié)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)速波形和電流波形圖轉(zhuǎn)速波形圖電流波形從上圖可以看出,起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量較大,振蕩次數(shù)多,起動(dòng)時(shí)間較長.這是由于速度調(diào)節(jié)器輸出到達(dá)限幅值時(shí),轉(zhuǎn)速并未到達(dá)給定值,偏差均大于零,積分局部的輸出一直在增加,這就可能使積分局部的輸出到達(dá)很大的值.當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到期望值后,積分調(diào)節(jié)器的輸出不能立即變小,而是需要經(jīng)過一段時(shí)間使積分調(diào)節(jié)器的輸出恢復(fù)到開始限幅瞬間的數(shù)值.在這段時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)器暫時(shí)調(diào)節(jié)功能.此仿真并不能到達(dá)題設(shè)要求,為此必須對ASR和ACR進(jìn)行改正.2,積分輸由加限幅環(huán)節(jié)仿真下列圖給出在積分輸出和調(diào)節(jié)器輸出后均

12、加一限幅環(huán)節(jié)的Simulink仿真模型.在這一模型中,積分輸出后,再加限幅環(huán)節(jié),即積分環(huán)節(jié)和限幅環(huán)節(jié)分開圖中ASR限幅值為：上限10下限-130ASR積分限幅值為：上限10下限-10ACR限幅值為：上限100下限-100ACR積分限幅值為：上限10下限-10從以上的原理圖可得出轉(zhuǎn)速和電流波形如下:從以上圖可以看出,采用這種限幅方式時(shí),電機(jī)受到擾動(dòng)后,轉(zhuǎn)速回不到原來的轉(zhuǎn)速.這是由于電機(jī)起動(dòng)時(shí)積分調(diào)節(jié)器的輸出很快到達(dá)限幅值,由于輸出的PI調(diào)節(jié)器仍維超調(diào)很小,所以在整個(gè)起動(dòng)過程中,積分調(diào)節(jié)器也沒能退出飽和,使得PI的輸出一直保持在限幅值上.而當(dāng)增加負(fù)載,速度降低,偏差增加,持在限幅值上,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不

13、起作用.所以受到擾動(dòng)后,電機(jī)的轉(zhuǎn)速回落不到原來的值.如果增加限幅值,又會使仿真結(jié)果如之前一樣.為此須對積分環(huán)節(jié)再加以改變.3,使用積分帶限幅的PI調(diào)節(jié)器仿真下列圖給出了積分帶限幅的PI調(diào)節(jié)器Simulink仿真模型.圖中不僅把PI調(diào)節(jié)器的比例局部和積分局部分開,對PI調(diào)節(jié)器的輸出設(shè)置上、下限幅,還要對積分設(shè)置上、下限幅.而且這種積分是積分環(huán)節(jié)本身所帶的.在Simulink環(huán)境下,這種積分限幅的實(shí)現(xiàn)需要雙擊積分模塊,在對話框中選中Limitoutput項(xiàng),然后設(shè)置上、下限幅上圖中ASR限幅值為：上限10下限-130ASR積分限幅值為：上限10下限-10ACR限幅值為：上限100下限-100ACR

14、積分限幅值為：上限10下限-10由上圖可知,轉(zhuǎn)速超調(diào)量較少符合要求,但發(fā)現(xiàn)電流上升過快,且相應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間較長,而通過屢次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)ASR的限幅值可以改變調(diào)節(jié)時(shí)間,但這樣將會使到最后電流過大.如下列圖:上圖中ASR限幅值為：上限40下限-130ASR積分限幅值為：上限10下限-10ACR限幅值為：上限100下限-100ACR積分限幅值為：上限10下限-10參加負(fù)載后,轉(zhuǎn)速,電流波形如下:上圖中ASR限幅值為：上限10下限-130ASR積分限幅值為：上限10下限-10ACR限幅值為：上限100下限-100ACR積分限幅值為：上限10下限-10使用積分帶限幅的PI調(diào)節(jié)器Simulink仿真模型的工

15、作過程分三種情況：當(dāng)積分器未飽和和且比例加積分的和小于限幅值時(shí),調(diào)節(jié)器表現(xiàn)為線性的PI調(diào)節(jié)器；當(dāng)積分輸出未飽和而比例加積分的和大于限幅值時(shí),調(diào)節(jié)器的輸出等于限幅值,積分器繼續(xù)積分；當(dāng)積分的輸出到達(dá)本身的限幅值時(shí),其輸出便停止增長,調(diào)節(jié)器的輸出等于其限幅值.此時(shí),如果輸入信號改變極性,比例積分調(diào)節(jié)器是從積分本身的限幅值開始退去飽和的.綜上,使用積分帶限幅的PI調(diào)節(jié)器能夠獲得最好的轉(zhuǎn)速,電流波形.九、總結(jié)一開始接觸這個(gè)課程設(shè)計(jì)時(shí),覺得并不會很困難,無論是參數(shù)計(jì)算還是動(dòng)態(tài)仿真都能在教材中找到相關(guān)的資料,再加上以前師兄、師姐的報(bào)告,覺得完成課設(shè)并不會需要太多時(shí)間.但在真正的設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn),參數(shù)的計(jì)算并

16、不會太過復(fù)雜,只需要花一定時(shí)間,以認(rèn)真細(xì)致的態(tài)度對待就可以.而動(dòng)態(tài)仿真過程中卻出現(xiàn)了一系列問題.由于教材中是介紹使用原理圖進(jìn)行仿真,于是我也利用Matlab的Simulink功能將相關(guān)模塊一樣的畫下來,參數(shù)也一樣地設(shè)置,卻無法進(jìn)行仿真,這個(gè)問題一直無法解決,直到后面發(fā)現(xiàn)可以利用動(dòng)態(tài)函數(shù)進(jìn)行仿真.于是我放棄原本想法,改用動(dòng)態(tài)函數(shù)進(jìn)行仿真.相對于原理圖仿真,動(dòng)態(tài)函數(shù)比擬簡單些,只需要在Matlab中畫下相關(guān)傳遞函數(shù)模塊,并進(jìn)行連線即可.仿真也能夠?qū)崿F(xiàn),只是發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量到達(dá)60%.面對這個(gè)問題,初步覺得是ASR限幅值設(shè)置不對,于是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)卻沒有得到很好結(jié)果.之后再對參數(shù)重新計(jì)算,甚至將教材例題中的數(shù)據(jù)代入進(jìn)行仿真,但問題依然無法解決.直到在華工圖書館電子網(wǎng)頁上找到一篇關(guān)于雙閉環(huán)調(diào)整系統(tǒng)飽和限幅值設(shè)置的論文后問題才得以解決.即使用本設(shè)計(jì)最后提到的使用積分帶限幅的PI調(diào)節(jié)器.在調(diào)速系統(tǒng)中,雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有較廣泛的應(yīng)用.作為自動(dòng)限制專業(yè)的專業(yè)課,學(xué)好電機(jī)學(xué)及電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)等相關(guān)知識,并熟練掌握其限制規(guī)律及設(shè)計(jì)方法,將使我們受益匪淺.而本次課設(shè)在這方面起到極大作用.通過本次課設(shè),學(xué)會使用Matlab進(jìn)行動(dòng)態(tài)函數(shù)的分析使用,使用WORD中的Mathtype進(jìn)行公式編輯,學(xué)會對雙閉環(huán)調(diào)整系統(tǒng)限幅值采用三種不同方法得到不同結(jié)果,最重要的是學(xué)會遇到問題時(shí)尋找方法解決,從而