電力傳動系統(tǒng)論文

1、摘 要 衡量一個速度控制系統(tǒng)性能優(yōu)劣的指標，一般分為穩(wěn)態(tài)指標、動態(tài)指標和抗擾動性指標。轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是最典型的直流調(diào)速系統(tǒng),利用電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器控制,可以無限逼近理想啟動過程。本文分析了系統(tǒng)的控制原理，建立了系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型，并利用MATLAB中的Simulink進行了系統(tǒng)建模仿真給出仿真結(jié)果。通過對結(jié)果的分析進一步驗證了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 電流環(huán) 轉(zhuǎn)速環(huán) MATLAB/SimulinkABSTRACTMeasure a speed control system performance indicators, generally divided in

2、to static, dynamic and disturbance resistance index. Speed current double closed loop speed control system is the most typical dc speed control system, using current regulator and speed regulator to control, can be infinitely close to the ideal start-up process. This paper analyzes the control princ

3、iple, to establish the dynamic mathematical model of the system, and system modeling simulation is carried out using the Simulink of MATLAB, the simulation results are given. Through the analysis of the results further verify the superiority of the double closed loop speed regulation system.KEY WORD

4、S： Double closed loop control system Current control ring Speed control ring MATLAB/Simulink目錄一、電動拖動系統(tǒng)的運動學方程.二、直流電機的數(shù)學模型.（一）、開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的局限性.（二）、轉(zhuǎn)速單反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng).（三）、轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng).三、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng).（一）、組成.（二）、靜特性.（三）、動態(tài)性能分析.四、基于MATLAB/SIMULINK的調(diào)速系統(tǒng)的仿真.引言：在20世紀前半葉，約占電力拖動容量80%的不可調(diào)速拖動系統(tǒng)采用交流電動機，只有20%的高性能可調(diào)速拖動系統(tǒng)采

5、用直流電動機。然而直流拖動控制系統(tǒng)不僅僅在理論上和實踐上都比較成熟，而且從控制規(guī)律的角度來看，直流拖動控制系統(tǒng)又是交流拖動控制的基礎(chǔ)。電力拖動自動控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)、多電動機同步控制系統(tǒng)等多種類型。各種系統(tǒng)往往都是通過控制轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，因此調(diào)速系統(tǒng)是電力拖動控制系統(tǒng)中最基本的系統(tǒng)，而轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)又是靜、動態(tài)性能優(yōu)良、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。MATLAB/Simulink是在直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計中的基本應(yīng)用方法。本文首先從運動學方程的角度討論對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，唯一途徑就是控制電動機的電磁轉(zhuǎn)矩，接著從起動和抗擾兩個方面分析雙閉環(huán)系統(tǒng)的性能和轉(zhuǎn)速與電流兩個調(diào)節(jié)器的

6、控制作用，然后利用MATLAB/Simulink搭建雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，最后得出結(jié)論。一、電動拖動系統(tǒng)的運動學方程電力拖動系統(tǒng)的運動規(guī)律可以用運動方程來描述。在預先選定轉(zhuǎn)速n的正方向以后，電磁轉(zhuǎn)矩的正方向與n相同，負載轉(zhuǎn)矩的正方向與n相反。若忽略系統(tǒng)傳動機構(gòu)中的粘滯摩擦和扭轉(zhuǎn)彈性，則系統(tǒng)的運動方程是= J式中 電動機的電磁轉(zhuǎn)矩，單位Nm； 折算到電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩，單位為Nm J拖動對象的轉(zhuǎn)動慣量，單位為kg； 電動機機械角速度，單位為rad/s。工程上習慣采用飛輪矩，單位是Nm。J與的關(guān)系為J=m=式中 m旋轉(zhuǎn)體的質(zhì)量，單位為kg； 旋轉(zhuǎn)部分的慣量半徑，單位我m； G旋轉(zhuǎn)部分所受的

7、重力，單位為N； D旋轉(zhuǎn)部分慣性直徑，單位為m； g重力加速度，g=9.8m/。角速度（rad/s）與轉(zhuǎn)速n（r/min）的關(guān)系為=于是，電力拖動系統(tǒng)的運動方程可以改寫為 = （1-1）由式（1-1）可以看出當時，dn/dt0，系統(tǒng)加速；反之，系統(tǒng)減速。不管哪種情況，系統(tǒng)都處于變速運動中，稱為動態(tài)。當=時，dn/dt=0，即系統(tǒng)處于靜止或勻速運行，稱為穩(wěn)態(tài)。由此可知，要控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，唯一的途徑就是控制電動機的電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)速變化率按人們期望的規(guī)律變化。因此，轉(zhuǎn)矩控制是運動控制的根本問題。然而當達到穩(wěn)態(tài)時，由決定，=，其中是常數(shù)，對于他勵而言也是不變的，故對的控制可以引申為對的控制。二、直流電

8、機的數(shù)學模型 直流電動機調(diào)速系統(tǒng)最常用的控制方式是調(diào)節(jié)電樞直流電壓。一個最簡單的直流調(diào)速系統(tǒng)由“直流電動機”和“可控直流電源”組成，稱為開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。一個控制電壓用來控制“可控直流電源”的輸出直流電壓，經(jīng)平波電抗器L在直流電動機電樞中產(chǎn)生電流，在直流電動機定、轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而克服負載阻力矩使電動機轉(zhuǎn)動。故調(diào)節(jié)即可改變電動機轉(zhuǎn)速n。直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路中的轉(zhuǎn)速、電流、電壓測量方法有：對轉(zhuǎn)速：測速發(fā)電機，旋轉(zhuǎn)編碼器對電流：電流互感器，取樣電阻測電流，霍爾電流傳感器（一）、開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的局限性通過控制可調(diào)直流電源的輸入信號，可以連續(xù)調(diào)節(jié)直流電動機的電樞電壓，實現(xiàn)直流電動機的平滑無級調(diào)速，

9、如圖2-1所示，但是：（1）、在起動或大范圍階躍升速時，電樞電流可能遠遠超過電動機額定電流，如果超過電動機允許的過載倍數(shù)，可能會損壞電動機，也會使直流可調(diào)電源因過電流而燒毀。因此必須設(shè)法限制電樞動態(tài)電流的幅值。（2）、開環(huán)系統(tǒng)的額定速降一般都比較大，使得開環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍D都很小，對于大部分需要調(diào)速的生產(chǎn)機械都無法滿足要求。因此必須采用閉環(huán)反饋控制的方法減少額定速降，以增大調(diào)速范圍。（3）、開環(huán)系統(tǒng)對于負載擾動是有差的。（二）、轉(zhuǎn)速單反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)通過一個轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié)，例如測速發(fā)電機，或者脈沖編碼裝置，將轉(zhuǎn)速n實時轉(zhuǎn)換為一個與之成正比的電壓反饋信號，然后通過反饋調(diào)節(jié)器組成閉環(huán)系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速單

10、反饋閉環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)數(shù)學模型如圖2-2所示，與圖2-1所示的開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)模型相比，增加了一個轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)和一個比例放大環(huán)節(jié)。是將n線性換為的一個比例系數(shù)。=轉(zhuǎn)速反饋電壓和轉(zhuǎn)速給定電壓相比較求得誤差信號，經(jīng)放大后作為可調(diào)直流電源的控制電壓。容易理解，當比例調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)很大時，要維持期望轉(zhuǎn)速n所需的控制電壓，只需較小的轉(zhuǎn)速誤差信號，這就意味著實際轉(zhuǎn)速反饋電壓更接近轉(zhuǎn)速給定電壓，使得調(diào)速誤差更小。轉(zhuǎn)速單反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的局限性:（1）、響應(yīng)速度慢 盡管通過適當?shù)霓D(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（s)可以滿足單閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性并使之靜態(tài)無差，但是由于電氣時間常數(shù)一般比較大，使得（s）的調(diào)節(jié)作用要經(jīng)過的延時作

11、用才能產(chǎn)生相應(yīng)的電樞電流（電磁轉(zhuǎn)矩）的變化來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速偏差，使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的速度受到限制。在對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高時，例如要求快速起動、制動，或要求快速調(diào)節(jié)負載擾動時，單環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。（2）、抗擾性能差 主要是當可調(diào)直流電源參數(shù)發(fā)生擾動時，例如電網(wǎng)電壓變化會引起電源放大倍數(shù)的變化，或者相控整流電源電流斷續(xù)時使得電源放大倍數(shù)和電樞電阻R等效大幅變化，使得可調(diào)直流電源的開環(huán)傳遞函數(shù)發(fā)生變化。嚴重時會導致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。（3）、電樞電流動態(tài)過沖大 由于電樞的大慣性，在動態(tài)工程中很容易發(fā)生電樞電流大幅過沖，對電動機和直流電源的安全運行不利。盡管電流截止負反饋可以有效地克服第三個問題，但是在電樞電流

12、小于臨界電流，即電流截止負反饋沒有起作用時，響應(yīng)速度慢和抗擾性能差的缺點仍然無法克服。鑒于上述原因，轉(zhuǎn)速單反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，特別是在對性能指標要求較高的場合，在工程實踐中較少使用。(三)、轉(zhuǎn)速、電流反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)由式1-1 =調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速n的變化率與動態(tài)加速轉(zhuǎn)矩成正比。又由=，直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。因此調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速最直接和有效的途徑是通過控制其電樞電流。如圖2-3所示為增設(shè)電流反饋內(nèi)環(huán)后的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框架圖。圖2.3 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)電機TA電流互感器 UPE電力電子變換器轉(zhuǎn)速給定電壓 轉(zhuǎn)速

13、反饋電壓電流給定電壓 電流反饋電壓增設(shè)電流環(huán)后，帶來的好處：（1）、動態(tài)過程中電樞電流的變化不再受大的電氣時間常數(shù)的限制，因為通過電流調(diào)節(jié)器的動態(tài)設(shè)計，可以改變電樞電流跟隨轉(zhuǎn)矩指令的快速性，使其響應(yīng)速度更快。（2）、在電流內(nèi)環(huán)前向通道中的各種擾動量，例如電網(wǎng)電壓變化對電源增益或電樞電阻R的非線性影響等，都會被有效抑制。因此使得系統(tǒng)抗電網(wǎng)電壓擾動的能力更強，也使得電樞電流斷續(xù)引起的系統(tǒng)非線性不再會威脅閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（3）、利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）的輸出限幅特性，結(jié)合電流檢測系數(shù)的選取可自然實現(xiàn)“電流截止特性”。三、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)（一）、組成轉(zhuǎn)速一電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2-4所示

14、。圖中，M為直流電動機，TG為測發(fā)電機，ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，ACR為電流調(diào)節(jié)器，GT為觸發(fā)器，TA為電流互感器，VT整流裝置。Un*為轉(zhuǎn)速給定電壓，Un為轉(zhuǎn)速反饋電壓，Ui*為電流給定電壓，Ui為電流反饋電壓，Uc為控制電壓，Ud0為電樞端電壓。兩個調(diào)節(jié)器之間實行串級聯(lián)接，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出是電流調(diào)節(jié)器ACR的輸入，其輸出Uc控制電力電子變換器。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，轉(zhuǎn)速環(huán)在外環(huán)，電流環(huán)在內(nèi)環(huán)，這就構(gòu)成了轉(zhuǎn)速一電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。 電動機的轉(zhuǎn)速和電流分別由兩個獨立的調(diào)節(jié)器控制，系統(tǒng)中設(shè)置了電流調(diào)節(jié)器ACR和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR?？梢?，電流調(diào)節(jié)器ACR和電流檢測反饋回路構(gòu)成了電流環(huán)（內(nèi)環(huán)）；轉(zhuǎn)速調(diào)

15、節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)速檢測反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成了轉(zhuǎn)速環(huán)（外環(huán)）。ASR和ACR均為PI調(diào)節(jié)器，輸入輸出均設(shè)有限幅電路。 圖2-4 轉(zhuǎn)速一電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)（二）、靜特性分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握轉(zhuǎn)速比例積分調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，它有兩種狀態(tài)：飽和輸出達到限幅值，輸入量的變化不再影響輸出（除非輸入信號極性使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和），這時轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)；不飽和輸出未達到限幅值，通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，使輸入偏差電壓穩(wěn)定時為零。起動時，ASR飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)。此時電流負反饋環(huán)起恒流調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速線性上升，從而獲得極好的下垂特性，如圖2-5所示的AB段實線。當轉(zhuǎn)速達到給定值且略有超調(diào)時，ASR退飽和進行調(diào)

16、節(jié)。由于轉(zhuǎn)速環(huán)是外環(huán)，起主導作用，最終靠ASR的調(diào)節(jié)，可消除轉(zhuǎn)速偏差，使轉(zhuǎn)速保持恒定，如圖2-5所示的-A段實線。圖2-5 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性（三）、動態(tài)過程分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-6所示，圖中(s)和(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)。 圖2-6 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)起動性能在恒定負載條件下轉(zhuǎn)速變化的過程與電動機電磁轉(zhuǎn)矩（或電流）有關(guān)，對電動機起動過程n=f（t）的分析離不開對（t）的研究。圖2-6是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在帶有負載條件下起動過程的電流波形和轉(zhuǎn)速波形。從電流和轉(zhuǎn)速的變化過程所反映出的特點可以把起動過程分為電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個階段，轉(zhuǎn)

17、速調(diào)節(jié)器在此三個階段中經(jīng)歷了快速進入飽和、飽和及退飽和三種情況。第階段是電流上升階段：初始n=0，=0，突加后，ASR很快進入并保持飽和狀態(tài)迅速上升。第階段是恒流升速階段：ASR始終飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流給定下的電流調(diào)速系統(tǒng)，基本上保持電流恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長，是起動過程中的主要階段。當階躍擾動作用在ACR之后時，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差。在恒流升速階段，電流閉環(huán)調(diào)節(jié)的擾動是電動機的反電動勢，如圖2-6所示，它正是一個線性漸增的斜坡擾動量，所以做不到無靜差，而是略低于。 第階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段：當轉(zhuǎn)速上升到給定值時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動機仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負，使它開始退出飽和狀態(tài)，和很快下降。但是，只要仍大于負載電流，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到=時，轉(zhuǎn)矩=，則=0，轉(zhuǎn)速n到達峰值（t=）。此后，在時間內(nèi)，電動機開始在負載的阻力下減速，直到穩(wěn)態(tài)。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠