直流调速器转速电流双闭环控制系统的设计与仿真.doc

1概述 1.1研究背景和意义 直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。随着交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。 采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，如要求快速起制动、突加负载动态速降时，单闭环系统就难以满足。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程中的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。实际工作中，在电机最大电流受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流转矩为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行[1]。 实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不要电流负反馈发挥主作用，因此需采用双闭环直流调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。 现代社会中，电力电子技术及计算机控制技术得到迅速发展，促进了电气传动的技术革命。直流调速系统结合计算机数字控制取代模拟控制己成为发展趋势。目前对全数字直流调速系统已有广泛探讨，选用合理的参数调节，研制全数字转速电流双闭环调速系统成为科技工作者的研究热点。 研究可靠的全数字转速电流双闭环直流调速控制系统，可实现直流电机得到比开环调速系统和单闭环调速系统更加快速的启动过程和更加稳定的电动机转速，使得直流电机得到更加广泛的应用。 1.2发展趋势和应用 转速电流双闭环直流调速系统结构简单，工作可靠，且设计较为方便，是应用非常广泛的一种调速系统。 直流调速系统中需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源主要有以下几种： (1) 旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，来获得可调的直流电压。 (2) 静止式可控整流器。用静止式的可控整流器获得可调的直流电压。 (3) 直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，产生可变的平均电压。 随着生产技术的发展，对电气传动在启制动、正反转以及调速精度、调速范围、静态特性、动态响应等方面，提出了更高的要求，这就要大量使用调速系统。由于直流电动机的调速和转矩控制性能好，从20世纪30年代起就开始使用，其中最典型的是转速电流双闭环控制的直流调速系统。 直流调速系统是自动控制领域一种重要的控制系统，随着科学技术的发展，直流调速系统在数控机床、造纸印刷、纺织印染、光缆线缆设备、包装机械、电工机械、食品加工机械、橡胶机械、生物设备、印制电路板设备、实验设备、焊接切割、轻工机械、物流输送设备、机车车辆、医设备、通讯设备、雷达设备、卫星地面接受系统等行业得到广泛应用。直流调速以其自身优良的特性，可以预见在将来会有更加广泛的应用。 1.3课题任务和研究内容 1.3.1课题任务 已知直流电动机额定参数为：Unom=220V，Inom=136A，nnom=1500r/min，4极，Ra=0.21Ω，GD2=22.5励磁电压Uf=220V，励磁电流If=1.5A，采用晶闸管整流电路，整流器内阻Rrec=1.3Ω，平波电抗器Lp=20mH。 采用转速电流双闭环控制策略，设计一个直流调速器作为该电机的驱动控制器。要求如下：电流超调量σi%5%，空载起动到额定转速时的转速超调量σn%10%。过载倍数λ=1.4，取电流反馈滤波时间常数为Toi =0.002S，转速反馈滤波时间常数为Ton =0.01S，取转速调节器与电流调节器的饱和值为12V，输出限幅为10V，额定转速时转速给定为U*n =10V。 然后，在Simulink中建立仿真模型，运行得出仿真模型波形图，通过对波形图的分析来说明转速电流双闭环直流调速控制系统具有良好的静态性能、动态性能和抗干扰性能。 1.3.2研究内容 本设计研究的是转速电流双闭环直流调速系统，这种直流调速系统的控制性能较好，适应数字技术发展的趋势。由于计算机控制、电力电子器件等的迅速发展，可预见直流调速系统能广泛应用于各种运动控制设备[2]。 主电路：采用三相可