电力电子转速单闭环直流调速系统设计报告最终稿.doc

JIU JIANG UNIVERSITY 电力电子技术 课程设计 题 目 转速负反馈单闭环有差直流调速系统 院 系 电子工程学院 专 业 自动化 姓 名 王强 年 级 电A113201(13) 指导教师 张波 2014年 6 月 摘 要运动控制系统中应用最普遍是自动调速系统。自动调速系统主要包括直流调速系统和交流调速系统。在高性能拖动技术领域中，相当长时间内基本采用直流电力拖动系统。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机转速，已满足工作机械要求。从机械特性上看就是通过改变电动机参数或外加电压等方法来改变电动机机械特性，从而改变电动机机械特性和负载机械特性交点，使电动机稳定运转速度发生变化。本文以直流电动机为对象，对转速负反馈有差直流调速系统在单闭环控制下情形，进行了深入分析研究，并用计算机仿真工具MATLABSimulink工具箱对系统模型进行了仿真研究。关键词：直流电机调速；单闭环；MATLAB仿真目 录引 言11 设计任务及要求21.1 设计任务21.2 设计要求22 设计方案论证33 设计电路原理分析43.1 单闭环控制直流调速系统组成43.2 转速单闭环直流电机调速系统静态分析53.3 反馈控制单闭环直流调速系统动态分析73.4 转速负反馈单闭环有差直流调速系统原理84 转速负反馈单闭环有差直流调速系统仿真模型94.1 转速负反馈单闭环有差直流调速系统建模94.2 仿真模型使用模块提取路径及其参数设置95 转速负反馈单闭环有差直流调速系统仿真及分析115.1 转速负反馈单闭环有差直流调速系统仿真115.2 转速负反馈单闭环有差直流调速系统仿真结果分析11结论12参考文献13引 言三十多年来，直流电机调速控制经历了重大变革。首先实现了整流器更新换代，以三相整流桥等整流装置取代了习用已久直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大跃进。以上技术应用，使直流调速系统性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度电气传动领域中仍然难以替代。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机转速,以满足工作机械要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机参数或外加工电压等方法来改变电动机机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性交点,使电动机稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动领域中得到了广泛应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制角度来看，它又是交流拖动控制系统基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重作用。在单闭环调速系统中，电网电压扰动作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动性能要差一些。本次设计由于对电动机调速稳定性要求不高，所以使用单闭环调速系统。本课题以直流电动机为对象，第一部分为单闭环控制直流调速系统部分，研究单闭环(转速负反馈)有静差工作时系统组成和动静特性并进行相关分析。第二部分为软件仿真部分，用MATLAB软件对系统性能进行仿真研究，对仿真结果分析、研究，验证控制方案合理性。1 设计任务及要求1.1 设计任务本设计转速负反馈单闭环有差直流调速系统是由六脉冲发生器、三相桥式整流装置和直流电动机组成。通过调节六脉冲发生器，可以给三相桥式整流装置提供六脉冲信号，三相桥式整流装置给直流电动机提供电源，偏差信号给电动机提供转速1000r/min要求，可以对直流电动机转速进行控制，通过仿真可以观察到电机转速稳定于给定转速大小。1.2 设计要求任何一台需要控制调速设备，其生产工艺对调速性能都有一定要求。例如，最高转速及最低转速之间范围，是有级调速还是无级调速，再稳态运行时允许转速波动大小，从正转运行变到反转运行时间间隔，突加或突减负载时允许转速波动，运行停止时要求定位精度等等。归纳起来，对于调速系统转速控制要求有以下三个方面：（1）调速。在一定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。以一定精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大速度波动，以确保产品质量。（3）加、减速。频繁起、制动设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化机械则要求起、制动尽量平稳。为了进行定量分析，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稳态性能指标。（1）调速范围生产机械要求电动机提供最高转速n和最低转速n之比叫调速范围，用字母D表示，即D= (2.1)其中和一般都是指电动机额定负载时最高和最低转速，对于少数负载很轻机床，例如精密磨床，也可以用实际负载时最高和最低转速。（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对应转速降落n，及理想空载转速n之比，称作静差率s，即 s= (2.2)显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速稳定度。它和机械特性硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速稳定度就越高。许多需要调速生产机械常常对静差率有一定要求。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，为了保证工件加工精度和加工后表面光洁度，加工过程中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s5%。又如热连轧机，各机架轧辊分别由单独电动机拖动，钢材在几个机架内连续轧制，要求各机架出口线速度保持严格比例关系，使被轧金属每秒流量相等，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s0.2%0.5%。在这些情况下，开环调速系统往往不能满足要求。2 设计方案论证对于直流电动机调速方法有很多，各种调速方法可大致归纳如下：方案1 串联电阻调速系统采用串联电阻调速。这种方法最大优点就是实现原理简单，控制电路简单可靠，操作简便。这种调速属于基速以下调速方法，可以达到生产工艺对速度要求。但它外串电阻只能是分段调节，不能实现无级平滑调速，而且电阻在一定程度上消耗能量，功率损耗比较大，低速运行时转速稳定性差，容易产生张力不平稳，难以控制。方案2 弱磁调速系统采用弱磁调速。由于弱磁调速方法特点可以看出：功率损耗小，特别是用于调节励磁电阻器功率小，控制方便而其容易实现，更重要是可以实现无级平滑调速，为生产节约了生产成本。这是它优点，但同时要注意到弱磁调速方法难以实现低速运行，以及可逆运行。只能在基速以上运行，且电动机换向能力以及机械强度限制，速度不能调得太高，这就限制了它调速范围要求，针对我们要设计目标调速系统，速度要求在1000r/min，很明显这种调速方法难以做到，必须要配合其他控制方法才能实现，这样成本将会升高，而且控制将会变得复杂，失去了弱磁调速本身所具有优点。方案3 调节电枢电压调速系统采用调节电枢电压调速方法。这种可以获得及电动机固有机械特性相平行人为机械特性，调速方向是基速以下只要输出电压是连续可调，即可实现电动机无级平滑调速，而且低速运行时机械特性基本上保持不变所以得到调速范围可以达到很宽，而且可以实现电动机正反转。基于以上对各种调速可行性方案论述本，本系统设计将采用调压调速调速方法以满足生产工艺要求。3 设计电路原理分析3.1 单闭环控制直流调速系统组成开环调速系统不能满足较高性能指标要求。根据自动控制原理，为了克服开环系统缺点，提高系统控制质量，必须采用带有负反馈闭环系统。转速单闭环直流调速系统可以提高调速系统稳态性能。闭环系统是把反映输出转速电压信号反馈到系统输入端，及给定电压比较，形成一个闭环。由于反馈作用，系统可以自行调整转速，这种方式也称为反馈控制。对于调速系统来说，输出量是转速，通常引入转速负反馈构成闭环调速系统。在电动机轴上安装一台测速发电动TG，引出及输出量转速成正比负反馈电压Un，及转速给定电压Un*进行比较，得到偏差电压，经过放大器A，产生驱动或触发装置控制电压，去控制电动机转速，这就组成了反馈控制闭环调速系统。图3-1所示为采用晶闸管相控整流器供电闭环调速系统，因为只有一个转速反馈环，所以称为单闭环调速系统。由图可见，该系统由电压比较环节、放大器、晶闸管整流器及触发装置、直流电动机和测速发电机等部分组成。 图3-1 转速负反馈单闭环调速系统3.2 转速单闭环直流电机调速系统静态分析 （1）忽略各种非线性因素，各环节输入输出关系都是线性；工作在V-M系统开环机械特性连续段；忽略直流电源和电位器等效电阻。这样，图3-1所示单闭环调速系统中各环节静态关系为：电压比较环节： ，放大器： ，晶闸管整流器及触发装置： ，晶闸管整流器及触发装置：，V-M系统开环机械特性：，测速发电机：以上各关系式中： 放大器电压放大系数； Ks晶闸管整流器及触发装置等效电压放大倍数； 转速反馈系数，单位为Vmin/r； 电机反电势系数；根据上述各环节静态关系可以画出系统静态结构图如图3-2所示。 图3-2转速负反馈单闭环调速系统静态结构图 图中各方块中符号代表该环节放大系数，或称传递系数。运用结构图计算方法，可以推导出转速负反馈单闭环调速系统静特性方程式： n=- (3.1)式中,闭环系统开环放大系数。 闭环调速系统静特性：闭环系统电动机转速及负载电流(或转矩)稳态关系，它在形式上及开环机械特性相似，但本质上却有很大不同，因此称为“静特性”，以示区别。(2) 从前面对于闭环系统静特性分析中可以看出，闭环系统开环放大系数K值对系统稳态性能影响很大。K越大，稳态速降越小，静特性就越硬，在一定静差率要求下调速范围越宽。但是，当放大器只是比例放大器(Kp为常数)，稳态速降只能减少而不可能消除，因为 (3.2)只有当K=才能使，而这是不可能。因此，这样调速系统属于有静差调速系统。这种系统正是依靠偏差来保证实现控制作用。总结:具有比例调节器单闭环调速系统基本性质，强调指出：有静差系统概念。这种系统是以存在偏差为前提，反馈环节只是检测偏差，减小偏差，而不能消除偏差，因此它是有静差调速系统 。3.3 反馈控制单闭环直流调速系统动态分析单闭环调速系统动态结构：图3-3反馈控制闭环调速系统动态结构图由图3-3可知，反馈控制闭环直流调速系统开环传递函数是W(s)= （3.3）反馈控制闭环直流调速系统特征方程为：+1=0 （3.4）根据三阶系统劳斯-古尔维茨判据稳定条件就只有： ->0，整理后得K< (3.5）式（3.5）右边称作系统临界放大系数,当 K 时，系统将不稳定。对于自动控制系统来说，稳定性是它能否正常工作首要条件，是必须保证。3.4 转速负反馈单闭环有差直流调速系统原理当调速系统负载变化时，要求稳速精度不很高场合，就可以采用有静差系统。转速负反馈单闭环有差直流调速系统原理如图5所示。图5中将反映转速变化电压信号作为反馈信号，经过速度变换后接到电流调节器输入端，及给定电压Un相比较经放大后，得到移相控制电压信号Uc，用作控制整流桥触发电路，触发脉冲经功放后加到晶闸管门极和阴极之间，以改变整流桥输出电压，这就构成了转速负反馈单闭环系统。图3-4 转速负反馈单闭环有差直流调速系统原理图该系统在电机负载增加时，转速n将下降，转速反馈Un减小，导致转速偏差Un将增加（Un=Un-Un），Uc增加，并经移相触发器使整流器输出电压U1增加，电枢电流Id也就增加了，从而使电动机电磁转矩增加，转速n也随之升高，补偿了负载增加造成转速降。在MATLAB仿真中，通常省略AD采样中变换环节，直接用测量模块得到实际物理量。4 转速负反馈单闭环有差直流调速系统仿真模型4.1 转速负反馈单闭环有差直流调速系统建模转速负反馈单闭环有差直流调速系统仿真模型如图6所示。模型利用电力电子器件三相桥式整流装置作为直流电源电源，电机它励220v，拖动恒定负载（88N·m）。给定信号及转速负反馈信号比较后经处理作为6脉冲发生器控制信号，三相整流桥就是由六脉冲发生器触发。已经说明过，6脉冲发生器同步电压必须是三个线电压，使能端要输入“0”发生器才能输出信号。偏差信号经比例放大、限幅、偏置及反向等处理后去控制6脉冲发生器。电机检测端经选路器得到转速、电流及转矩信号，转速信号经变换作为反馈信号。电机电枢串有平波电感，并联有加快电机减速二极管（也可不要 ）。图4-1 转速负反馈单闭环有差直流调速系统仿真模型4.2 仿真模型使用模块提取路径及其参数设置设置仿真参数，仿真时间设为0.8s，仿真算法采用Ode23tb。滤波电感L设置为5mH,限幅Saturation模块上限设置为180，下限设置为0。直流电动机参数设置为“Armature resistance and inductance”一栏设为【0.6 0.012】，“Field-armature mutual inductance”一栏设为1.8，“ Field resistance and inductance”一栏设为【240 120】，“Total inertia J”一栏设为1。多功能桥参数设置为“Snubbar resistance Rs”一栏设为50000，其他参数默认。选路器参数设置为“Elements”设为【1 2 4】，“input Port width”一栏设为4，其它默认。如下图7.1,7.2和7.3所示。交流电源Ua、Ub、Uc 参数“Peak amplitude”，设置为220；参数“Frequency”，设置为50（Hz）, Ua、Ub、Uc 三相电压相角对称。图4-2 DC Machine参数设置对话框 图4-3 Universal Bridge参数设置对话框 图4-4 Selector参数设置对话框5 转速负反馈单闭环有差直流调速系统仿真及分析5.1 转速负反馈单闭环有差直流调速系统仿真对图4-1模型进行仿真，仿真波形如图5-1所示。图5-1 模型仿真波形图5.2 转速负反馈单闭环有差直流调速系统仿真结果分析图5-1中波形自上而下为六脉冲发生器输出（触发）信号Ug、电机转速n、电枢电流Ia及电磁转矩Te。由图5-1可见，Ug为一个周期内产生六个脉冲触发信号，其同步电压频率50Hz，脉冲宽度1。 ，很难用肉眼看出。在启动后，电机转速n匀加速上升，对应着恒定动态电流及恒定动态转矩。在启动结束后，转速n上升为给定速度，电流及转矩也下降为及负载相对应值。顺便指出，当改变转速给定大小（例如，当转速由1000r/min改为500r/min）时，仿真波形图5-1会改变；当改变负载大小时仿真波形图也会改变；当改变电机转速惯量（Kg·m2）设置时，仿真波形图5-1同样会改变。结论通过本次设计，我基本上掌握了转速负反馈单闭环有差直流调速系统设计及仿真分析。转速负反馈单闭环有差直流调速系统，由六脉冲发生器触发三相桥式整流装置作为直流电动机电源。偏差信号经比例放大、限幅、偏置及反向等处理后去控制6脉冲发生器。电机检测端经选路器得到转速、电流及转矩信号，转速信号经变换作为反馈信号。通过调节六脉冲发生器、偏差信号和三相桥式整流装置参数，可以对电动机转速进行控制，当调速系统负载变化时，由于该设计要求稳速精度不是很高，所以采用有静差系统，这样就可以实现转速负反馈单闭环有差直流调速。本文对转速负反馈有差直流调速系统在单闭环控制下情形，进行了深入分析研究，并用计算机仿真工具MATLABSimulink工具箱，建立了转速负反馈单闭环有差直流调速系统仿真模型。由仿真计算结果表明，利用MATLABSimulink对转速负反馈单闭环有差直流调速系统进行仿真设计,可以迅速直观地分析出系统跟随性能、抗扰性能及稳定性，使得对系统进行分析、设计及校正变得更简单方便，大大缩短了系统调试周期，提高了开发系统效率。对于调速系统研究，MATLABSimulink确实是个经济、简单、快速、高效工具。总之，在设计过程中，我和同组成员通过不懈努力，终于实现了设计方案仿真要求。我们不仅完善了课堂上学到理论知识，而且培养了独立去发现，面对，分析和解决新问题能力，不仅学到了知识，又锻炼了自己能力，使我受益终生。我非常感谢学校和老师安排了本次实训。参考文献1 王兆安，刘进军.电力电子技术.北京:机械工业出版社,2009.2 黄忠霖，黄京. 电力电子技术MATLAB实践.北京: 国防工业出版社,2009.3 林飞，杜欣.电力电子应用技术MATLAB仿真.北京: 中国电力出版社，2008.