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直流电动机双闭环调速系统的建模与仿真


孙静等:直流电动机双闭环调速系统的建模与仿真

?69?

直流电动机双闭环调速系统的建模与仿真
孙静,许军,
马 涛
710054)

(西安科技大学电气与控制学院,陕西西安 【摘 要】

本文采用工程设计方法对双闭环直流调速系统进行设计,进行了参数的计算和校验。基于双

闭环调速系统的数学模型建立了双闭环直流调速系统的Matlab仿真模型,并通过调试,分析系统的转速和电
流的仿真波形,使双闭环直流调速系统趋于合理与完善。

【关键词】

双闭环调速系统;PI调节器;Matlab仿真







产生偏差。调节器将此偏差信号进行调节,并输出统 一标准信号,去控制执行机构的动作。闭环系统框图 如2所示。

自20世纪70年代以来,国内外在电气传动领 域里,大量地采用了“晶闸管整流电动机调速”技术 (简称V—M调速系统)。尽管当今功率半导体变流 技术巳有了突飞猛进的发展,但在工业生产中V—M 调速系统的应用量还是占有相当比重的。一般情况 下V—M调速系统均设计成图l所示的转速、电流双 闭环形式。 2双闭环V—M调速系统的组成及目的 在双闭环系统中,把系统的输出量通过检测装 置(传感器)引向系统的输入端,与系统的输入量进 行比较,由于扰动作用使被控参数偏离给定值,从而

ASR一速度调节器

ACR一电流调节器

TA一交流变换器TG一潮速发电机
囤l

直漉电动机双闭环调速系统结构图

双闭环V—M调速系统中的调节器均采用PI调

用单层交叉连接方式。论文详细讨论了分数槽绕组 和交叉绕组的设计方法和具体实现,为无刷双馈电 机的绕组设计奠定了一定理论基础。 参考文献:

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Doubly?蜘h蛐)[J】’

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作者简介:邓先明(1970一),男,汉族。四川大英县人。副 教授,博士。现在中国矿业大学信息与电气工程学院任教,主 要从事电力传动和检测技术的教学和科研工作。

中国电机工程学报(Chin.Soc.forEl∞.Eng.),2003(11):

?70?

工矿自动化

节器。比例积分调节器能够快速响应控制作用并能 消除静差,静、动态特性较好,抗干扰能力强,对整个 系统能够起到安全保护作用,提高了系统的稳定性。

总电阻R=o.045Q,电枢回路电感L。_3.25,榴,励磁
电压1lOV。 设计要求: 稳态指标:无静差

出量

动态指标:电流超调量毋%s lO%;空载启动到 额定转速时的转速超调量以%s 5% 设计时,先从电流环人手,首先设计好电流调节 器,然后把整个电流环看作是转速调节器的一个环 节,再设计转速调节器。对于双闭环V.M调速系统,

图2

闭环系统方框图

电流环通常按照典型I型系统设计,而转速环按典 型n型系统设计,这是因为I型系统的跟随性能较 好一些,而Ⅱ型系统抗干扰性能略差。 3.1电流环的设计 电流环按典型I型系统设计,电流调节器选用 PI调节器,其传递函数为:

双闭环直流调速系统,着重解决了如下两个问题: 宰启动的快速性问题 借助予PI调节器的饱和非线性特性,使得系统 在电动机允许的过载能力下尽可能快速 启动。 ?提高系统抗干扰性能 通过调节器的适当设计可使系统转速对于电网 电压及负载转矩的波动或突变等扰动予 以迅速抑制,在恢复时间上达到最佳。 3双闭环直流调速系统的工程方法设计 直流电机双闭环调速系统的工程设计主要是设 计两个调节器。调节器的设计一般包括两个方面:第 一选择调节器的结构,以确保系统稳定,同时满足所 需的稳态精度;第二选择调节器的参数,以满足动态 性能指标。本文根据计算调节器的时间常数,选择调 节器的结构,再通过计算确定两个调节器的参数,最 后采用Matlab进行仿真。 调速系统的基本数据如下:直流电动机,额定功 率R=150∞形,额定电枢电压砜=800y,额定电枢电 流厶=2164A,允许电流过载倍数2.2倍,额定转速

形。衄(s)=掣其中,K;和r;分别为电流调
‘,

节器的比例放大系数和领先时间常数。 则电流调节器传递函数为形.偶(S)_3.55x (Q:Q2塾±!)
0.072s

经检验设计后电流环可以达到的动态指标为
盯i%=8.94%≤10%

3.2转速环设计 由于设计要求无静差,因此转速调节器必须含 有积分环节,又考虑到动态要求,转速调节器采用PI 调节器,按典型Ⅱ型系统设计转速环。

转速调节器的传递函数为B鞭(s);掣,
’一

其中,K。和r。分别为转速调节器的比例放大系数和 领先时间常数。 综合考虑动态抗扰性能和起动动态性能,取中

惭叫r/min,电枢转动惯量‘,=1530眦g?m2,电枢回路

频宽树,按旭岫准则选择参数,则电流调节器传递

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图3

直流双闭环调遮系统的仿真模型

孙静等:直流电动机双闭环调速系统的建模与仿真

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图4(a)输出转速n波形图
图4(b)输出电流i波形图

函数为形.船(JS)-24.26×等胖
经检验,盯f3.546%满足盯。%=5%的设计要求。 4双闭环直流调速系统的Matlab仿真 通过工程设计的方法建立的转速、电流双闭环 控制系统并确定了控制器的结构及其参数,也就是 说得到了双闭环的数学模型,因此可以实现基于数 学模型的双闭环直流调速控制系统仿真。系统模型 如图3所示,输出曲线如图4所示。 5双闭环V—M调速系统的动态分析
5.1

法”,考虑了理论分析与设计的简便性,所以仍与实 际系统有很大的差距。并且从仿真结果来看,系统还 未调整到最佳状态,且仍存在抗干扰能力欠佳问题。

启动特性分析f如图4所示1 +AsR从启动到稳速运行的过程中经历了两个

状态,饱和限幅输出与线性调节状态。 +ACR从启动到稳态运行的过程只工作在一种 状态,即线性调节状态。 +对于系统性能指标来说,启动过程中电流超 调量为3.125%,转速几乎没有超调量,电动机启动 特性已较接近理想特性。 5.2抗干扰性能分析(如图5所示) 双闭环调速系统的干扰主要为负载突变干扰。 在仿真系统中,10s时刻将负载上叠加一个阶跃信 号.实现电动机的负载变化,最终结果如图5所示。 可以看出由于负载的增加,使电动机的转速降低,而 在系统稳定之后转速并没有恢复到原系统输出值; 电动机输出电流则由空载电流变至负载电流,直至 到达稳态。由此说明,系统对负载的大幅度变化没有 很好的抵抗能力。
6结果分析 参考文献

图5

突加负载抗扰特性图

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防工业出版社.2004.1 【5】张晓华.控制系统数字仿真与CAD【M】.北京:机械工业出 版社.2005.3 197—202

作者简介:孙静(1985一),女,山东菏泽人.硕士,研究
方向为电力电子与电力传动。联系地址:西安市雁塔中路58

尽管仿真结果较接近电动机的理想特性且超调 较小,但由于采用了“典型系统的电子最佳设计方

号西安科技大学电气与控制工程学院。邮编:710054。E—nlan: meillian920上4sm@163.com


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