电拖课设 电流截止负反馈

武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书

目录

1设计任务及要求 ..................................................................................................................... 1

1.1技术数据 ...................................................................................................................... 1 1.2技术指标 ...................................................................................................................... 1 1.3技术要求 ...................................................................................................................... 1 1.4设计内容 ...................................................................................................................... 2 2转速反馈控制直流调速系统的数学模型 ............................................................................. 2

2.1系统的静特性 .............................................................................................................. 2 2.2系统的动态数学模型 .................................................................................................. 4 3带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统 ..................................................................... 5

3.1电流截止负反馈环节 .................................................................................................. 5 3.2静特性方程与特性曲线 .............................................................................................. 6 4主电路工作设备选择 ............................................................................................................. 7

4.1 闭环系统的开环放大系数的判断 ............................................................................. 7 4.2 调节器的选择与设计 ................................................................................................. 9 4.3 校正后系统的动态结构图 ....................................................................................... 13 5系统仿真 ............................................................................................................................... 14

5.1搭建仿真图 ................................................................................................................ 14 5.2仿真结果 .................................................................................................................... 15 6电气原理总图 ....................................................................................................................... 16 小结 .......................................................................................................................................... 17 参考文献 .................................................................................................................................. 18

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带电流截止负反馈转速单闭环直流

调速系统建模与仿真

1设计任务及要求

1.1技术数据

本次课程设计使用的是第四组数据：

直流电动机：PN=55KW , UN=220V , IN=287A , nN=1500r/min , Ra=0.1Ω 最大允许电流 Idbl=1.5IN , 三相全控整流装置：Ks=30 , 电枢回路总电阻 R=0.15Ω ， 系统主电路：Tm=0.12s ，Tl=0.012s 滤波时间常数：Toi=0.002s , Ton=0.012s, 其他参数：Unm*=8V , Uim*=8V , Ucm=8V

1.2技术指标

稳态指标：无静差（静差率s≤2, 调速范围 D≥10 ） 动态指标：系统稳定

1.3技术要求

(1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D≥10），系统在工作范围内能稳定工作 ；

(2) 根据指标要求进行动态校正，选择调节器的参数，并确定电流截止负反馈环节的相关参数；

(3) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续。

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1.4设计内容

(1) 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图 ；

(2) 根据带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统原理图, 分析转速调节器和电流截止负反馈的作用,；

(3) 通过对调节器参数设计, 得到转速和电流的仿真波形，并由仿真波形通过MATLAB来进行调节器的参数调节；

(4) 绘制带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图） ；

(5) 整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书。

2转速反馈控制直流调速系统的数学模型

根据自动控制原理，将系统的被调节量作为反馈量引入系统，与给定量进行比较，用比较后的偏差值对系统进行控制，可以有效地抑制甚至消除扰动造成的影响，而维持被调节量很少变化或不变，这就是反馈控制的基本作用。

2.1系统的静特性

在负反馈基础上的“检测误差，用以纠正误差”这一原理组成的系统，其输出量反馈的传递途径构成一个闭合的环路，因此被称作闭环控制系统。在直流调速系统中，被调节量是转速，所构成的是转速反馈控制的直流调速系统。图1是具有转速反馈控制的直流调速系统，n为被调节量，Un*电压给定，Un*和Un比较后，得到转速偏差电压ΔUn，经过比例放大器A，产生电力电子变换器UPE所需要的控制电压ΔUc。

2

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图1 系统原理框图

它们的稳态关系为： 电压比较环节 比例调节器 测速反馈环节 电力电子变换器 直流电动机

静态特性方程为：

其中 K ? 为闭环系统的开环放大系数。 闭环系统的静态特性表示闭环系统电动机转速和负载电流之间的稳态关系，根据各个环节的稳态关系可以画出系统的稳态结构框图，如图2所示:

CeKpKs??Un?Un?UnUc?Kp?Un*Un??nUd0?KsUcn?Ud0?IdRCen?KpKsUn?IdRCe(1?KpKs?/Ce)*?KpKsUn*Ce(1?K)?RIdCe(1?K)

图2 闭环系统的稳态结构框图

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2.2系统的动态数学模型

比例放大器的传递函数

电力电子变换器的传递函数

测度反馈的传递函数

Wfn(s)?Un(s)n(s)??Ws(s)?KsTss?1Wa(s)?Uc(s)?Un(s)?Kp

图3 系统的动态结构框图

时间常数Tm表示机电惯性，时间常数Tl表示电磁惯性。由图可得出，转速反馈控制的开环传递函数为： 其中

W(s)?Un(s)?Un(s)?K(Tss?1)(TmTls?Tms?1)2K?KpKs?/Ce转速反馈控制直流调速系统的闭环传递函数为：

Wcl（s）= n ( s ) Un(s)*KpKs?Ce(1?K)TmTlTs1?Ks?3Tm(Tl?Ts)1?K

s?2Tm?Ts1?Ks?1将电力电子变换器按一阶惯性环节处理后，带比例放大器的闭环直流调速系统可以看作是一个三阶线性系统。

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3带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统

转速反馈控制的直流调速系统在起、制动过程和堵转状态时，必须限制电枢电流。为了解决这个问题，系统中必须装有自动限制电枢电流的环节。引入电流负反馈，可以使它不超过允许值。但这种作用只应在启动和堵转时存在，在正常运行时又得取消，让电流随负载的增减而变化。这种当电流达到一定程度才出现的电流负反馈叫做电流截止负反馈。采用单闭环的速度反馈调节加上电流截止负反馈的方法，能实现比较方便，快捷，成本低，而且系统调试等简单。

3.1电流截止负反馈环节

图4 电流截止负反馈环节

a） 利用独立电流源做比较电压 b）利用稳压管产生比较电压

直流调速系统的电流截止负反馈环如图4所示，电流反馈信号取自窜入电动机电回路中的小阻值电阻RS，IdRs正比于电流。设Idcr为临界的截至电流，当电流大于Idcr时，将电流反馈信号加到放大器的输入端；当电流小于Idcr时，将电流反馈切断。为了实现这一作用，需要引入比较电压Ucom。图4（a）中用独立的直流电源作为比较电压Ucom，其大小可用电位器调节，在IdRc与Ucom之间串接一个二极管VD，当IdRc> Ucom时，二极管导通，电流负反馈信号Ui即可加到放大器上去；当IdRc≤ Ucom时，二极管截止， Ui消失。

图4(b)中利用稳压管VS的击穿电压Ubr作为比较电压Ucom 。电流反馈信号取自串入电动机电枢回路中的小阻值电阻Rs，IdRc正比于电流。截止电流 Idcr=Ucom/Rs。

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电流截止负反馈环节的输入-输出特性如图5所示，当输入信号IdRc-Ucom>0时，Ui=IdRc-Ucom；当IdRc-Ucom≤ 0时，输出Ui=0。这是一个两段线性环节，将它画在方框中，再和系统其他部分的框图连接起来，即得到带电流截至负反馈的闭环直流调速系统稳态结构框图，如图6所示，图中Ui表示电流反馈，

Un表示转速负反馈。 图5 输入输出特性

图6 带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统稳态结构框图

3.2静特性方程与特性曲线

当Id≤Idcr时，电流负反馈被截止，静特性与只有转速负反馈调速系统的静特性相同

n?KpKsUn*Ce(1?K)?RIdCe(1?K)当Id>Idcr后，引入了电流负反馈，静特性变成

n?KpKsUn*Ce(1?K)*?KpKsCe(1?K)?(RsId?Ucom)?RIdCe(1?K)?KpKs(Un?Ucom)Ce(1?K)(R?KpKsRs)IdCe(1?K)根据上述特性，可画出系统的静态特性图如下。图7中C～A段特性对应于电流负反馈被截止的情况，它是转速负反馈调速系统本身的静态特性，显然比较硬。图中A～

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B段特性对于电流负反馈起作用的情况，特性补角软，呈急剧下降状态。

图7 带电流截止负反馈转速单闭环直流调速系统的静特性

电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻Kp Ks Rs ，因而稳态速降极大，特性急剧下垂。比较电压Ucom与给定电压Un*的作用一致，好象把理想空载转速提高到

令n=0，得到堵转电流

n'0?KpKs(U*n?Ucom)Ce(1?K)Idbl?KpKs(Un?Ucom)R?KpKsRs* *一般KpKsRs>>R，因此

Idbl?Un?UcomRs Idbl应小于电动机允许的最大电流，一般为 Idbl =1.5IN=1.5×287=430.5A

截止电流应大于电动机的额定电流，取 Idcr= （ 1.1~1.2 ）IN取1.2IN=1.2×287=344.4A 可求得 Rs=0.037Ω

4主电路工作设备选择

4.1 闭环系统的开环放大系数的判断

电动机参数：PN=55KW, nN=1500rpm,UN=220V,IN=287A,Ra=0.1?。主回路总电阻R=0.15?，系统主电路：Tm=0.12s ，Tl=0.012s。三相桥式整流电路，Ks=40。其他参数：Unm*=8V , Uim*=8V , Ucm=8V，调速指标：静差率s≤2, 调速范围 D≥10。三相桥

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式电路的失控时间Ts=0.00167s。

按系统动态稳定性要求得

Tm(Tl?TS)?TSTlTS2K??0.12?(0.012?0.00167)?0.001670.012?0.001672?82.00

电动机的电动势系数为

UN?INRanN220?287?0.11500Ce???0.128V?minr

开环系统额定速降为

IdRCe287?0.150.128 ?nop??rmin?336.33rmin

为了满足调速要求，闭环系统额定速降为

nNs150?00.02rmin?1?0?(10.02) ?ncl??D(1?s)3.r06 inm因此要满足稳态性能指标，闭环系统的开环放大系数

?nop?ncl336.333.06K??1??1?108.91

显然系统不能再满足稳态性能要求下运行。

*由于在设计中所设定的系统给定电压Unm?8V，

所以 ??Unm*/nN?8/1500?0.005V?min/r 放大器的放大系数为

Kp?K?Ks/Ce?108.910.0053?30/0.128?92.907

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实取Kp=93。

4.2 调节器的选择与设计

在电力拖动自动控制系统中，最常用的是串联校正和反馈校正。串联校正比较简单，也容易实现。对于带电力电子变换器的直流闭环调速系统，由于其传递函数的阶次较低，使用PI调节器构成的滞后校正，可以保证稳定精度，却是以对快速性的限制来换取系统稳定的，如图8所示：

图8 比例积分（PI）调节器线路图

现在我们利用PI调节器来校正，原系统的传递函数如下：

W(s)?K(Tss?1)(TmTls?Tms?1)2

其中Ts?0.00167 s，Tm?0.12s Tl?0.012 s，由于Tm?4Tl

因此分母中的二次项可以分解成两个一次项之积，T1?0.1065s，T2?0.0135s 闭环系统的开环放大系数取为：

K?KpKs?Ce94?30?0.0050.1289

??110.16

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于是，原始闭环系统的开环传递函数为

108.98(0.1065s?1)(0.0135s?1)（0.00167s?1) W(s)?

三个转折频率：

1T11T21T310.1065?1???9.4s?1

?2??10.0135?74.1s?1

?3??10.00167?600s?1

编写MATLAB程序如下：

k=108.98/(0.00167*0.1065*0.0135);z=[ ]; p=[-1/0.0067 -1/0.0135 -1/0.1065]; [num,den]=zp2tf(z,p,k); bode(num,den); margin(num,den); grid

所得伯德图如下图所示

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图9 系统校正前伯德图

由图可知系统不稳定。使用PI调节器，在原始系统的基础上新添加的部分传递函数应为：

1KPWpi(s)?Kpi?s?1KP?s

由于原始系统不稳定，表现为放大系数K过大，截止频率过高，应该设法把他们压下来。因此，把校正环节的转折频率

Kpi??T11Kpi?设置在远低于原始系统截止频率Wcl处,令

,使校正装置的比例微分项Kpi?s?1与原始系统中时间常数最大惯性环节

1?T1s?1?对消,从而选

Kpi??T1。

其次，为了使校正后的系统具有足够的稳定裕度，它的对数幅频特性应以

?20dBdec的斜率穿越0dB线，将原始的对数幅频和相频特性压低，使校正以后系统的

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WC2?1T2对数幅频和相频特性的截止频率

。这样，在WC2处，应有L1??L2或L3?0dB

根据以上两点，校正环节添加部分的对数特性就可以确定下来了： 取

Kpi??T1=0.1065s,为了使Wc2?1T2?74.1s?1，取Wc2?50s?1，在原始系统的伯德

图查得相应得L1=36dB，因而L2=-36dB。

从校正环节添加部分的对数特性看出：

L2??20lg(KpKpi）=-36,Kp?93

因此Kpi?1.474，??T1/Kpi ?0.072s

于是PI调节器的传递函数为：Wpi(s)?0.1065s?10.072s

最后选择PI调节器的阻容参数，选取R0?40K?,则

R1?KpiR0?1.474?40K??58.96K?，取R1?59K? C1??/R0?(0.072/40)?10?F?1.8?F，取C1?1.8?F

3校正后系统的开环传递函数为：

W(s)?108.980.072s(0.0135s?1)（0.00167s?1)

编写Matlab程序如下： num=1513.6

den=[0.000022545,1.01517,1,0] bode(num,den); margin(num,den);

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grid

所得伯德图如下图所示：

图10 校正后系统伯德图

由上图可知，校正后系统的幅值裕度和稳定裕度都满足稳定的条件。 综上所述，转速调节器的类型和参数选择是正确的，即选为PI调节器，参数为

R0?40K?，R1?58K?，C1?2?F。

4.3 校正后系统的动态结构图

校正后系统的动态结构图如图11所示。

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IdL(s) 0.15(0.012s?1) Un(s)* ?Un(s) Uc(s) 300.00167s?1+ U(s)c_ 0.1065s?10.072s Ud0(s)7.810.00144s?0.12s?12 n(s) 0.005 图11 校正后系统的动态结构图

5系统仿真

5.1搭建仿真图

截止电流环的实现使用Switch开关，开关具有选择功能，设置门槛电压等于0，step2也为0，当输入大于0时，输出上开关，当输入小于0时，输出下开关，如下图所示，即能实现电流截止功能。

图12 系统仿真图

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5.2仿真结果

转速和电流的仿真结果如下：

图12 转速仿真结果

图13 电流仿真结果

有图可看出，转速的响应比较迅速，稳定后加入负载，转速先变小再迅速恢复稳定。电流受到截止作用，开始时维持较大数值使得转速迅速增长，转速快要达到稳定时电流急剧下降直到0，效果较为理想。

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6电气原理总图

使用protel软件绘制电气原理总图，如下：

图14 电气原理总图

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小结

课程设计的本质是培养学生的综合所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题的能力，重点是锻炼实践能力，是对我们实际工作的具体训练和考察。在这次电力拖动与控制系统的课程设计中，学到了很多无法在课堂上学到的知识。无论是理论的分析能力还设计能力都有所提高，还有掌握了跟多学习方法和查询资料的渠道。通过不断地修正和反复试验，我发觉自己的逻辑思维也渐渐变得缜密起来，还锻炼出来不骄不躁的耐性。尤其是系统仿真上，会因为各种小问题而得不到正确的结果，所以在设计时候，细心、耐心都是等同重要的。在这期间，曾遇到过许多困难，同学之间的互相帮助很重要，独立的思考当然是必要的，但不同的观点往往能使人更加全面地分析问题，发现自己思维的局限性，设计的时候更加合理。当然 ，由于能力有限，有些方面肯定是存在不足或者错误，今后应当努力改正，并且不断充实自己，要在这方面取得更大的进步。

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参考文献

【1】阮毅、陈伯时.电力拖动自动控制系统--运动控制系统.北京机械工业出版社，2009.8

第四版 【2】吴麒.自动控制原理.清华大学出版社，1994.5第一版

【3】洪乃刚.电力电子与电力拖动系统的Matlab仿真.机械工业出版社.2006.5第一版 【4】姚建红.基于Matlab/Simulink双闭环调速系统设计《.佳木斯大学学报：自然科学版》 【5】高志宏.基于参考模型法的双闭环调速系统参数优化.《计算机仿真》2008年第7

期

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/im77.html