αβ配合控制的直流可逆调速系统.docx
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αβ配合控制的直流可逆调速系统
摘要
电力拖动自动控制系统是把电能转换成机械能的装置,它被广泛地应用于一般生产机械需要动力的场合也被广泛应用于精密机械等需要高性能电气传动的设备中,用以控制位置、速度、加速度、压力、张力和转矩等。
直流电动机具有良好的起、制动性能宜于在大范围内平滑调速在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到应用。
而转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统
针对面向系统传递函数结构图仿真方法的不足，提出了一种基于MATLAB的Simulink和PowerSystem工具箱、面向系统电气原理结构图的仿真新方法，实现了转速与电流双闭环α=β配合控制的直流可逆调速系统的建模与仿真分别介绍了同步脉冲触发器、移相器控制器和PI调节器的建模，给出了直流可逆调速系统的仿真模型和仿真结果，仿真结果表明了仿真算法可信度较高。
关键词:
α=β配合控制;直流电机;MATLAB仿真;移项控制器
第1章.绪论
1.1配合有环流可逆控制直流调速系统简介
可逆轧机、龙门刨床等生产机械要求运动控制系统能够实现快速的正、反转，以提高产量与加工质量；开卷机、卷取机等虽然不需要正、反向运行，却需要快速制动。
将上述生产工艺要求归纳成运动控制系统的性能，就是电动机除电动转矩外还需产生制动转矩，实现生产机械快速的减速、停车与正、反向运行等功能。
在转速n和电磁转矩Tc的坐标系上，就是四象限运行的功能，如图1-1所示。
这样的调速系统需要正、反转，故称可逆调速系统。
+n
正转正转
制动状态电动状态
-Te+Te
反转反转
电动状态制动状态
-n
图1-1调速系统的四象限运行
配合控制消除直流平均环流的原则是正组整流装置处于整流状态，即
为正时，强迫使反组处于逆变状态，即
，且幅值相等，使逆变电压把整流电压顶住，则直流平均环流为零。
1.2控制对象及要求
交流电源：
160V（峰值），50HZ
电动机：
Un=220V，Ιn=136A，n=1460r/min，λ=2，Rrec=1.3,Ra=0.21，La=0.000543H
励磁电压：
Uf=220V，Rf=14.7，Lf=0，Lof=0.084H，J=2.29kg·㎡
电抗器：
L1~L4为0.002H，平波电抗器为0.015H，Toi=0.002s，Ton=0.014s，α=0.00685，β=0.037
设计要求为：
1设计转速调节器、电流调节器参数
2建立仿真模型并进行仿真
第2章：
系统总体设计
2.1．α=β配合控制的直流可逆调速系统的工作原理
α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统的电气原理图如图2-1所示。
图中，主电路由两组三相桥式.晶闸管全控型整流器反并联组成，并共用同一路三相电源。
由于采用α=β配合控制方式，在两组整流器之间没有直流环流，但还存在脉动环流，为了限制脉动环流的大小，在主电路中串入了四个均衡电抗器Lc1—Lc4，用于限制脉动环流。
平波电抗器Ld，用于减少电动机电枢电流的脉动，减少电枢电流的断续区，改善电动机的机械特性。
系统的控制部分采用了转速和电流的双闭环控制。
由于可逆调速电流的反馈信号小不仅要反映电枢电流的大小还需要反映电枢电流的方向，因此电流反馈一般用直流电流互感器或霍尔电流检测器，在电枢端取电流信号。
为了确保两组整流器的工作状态相反，流调节器的输出分两路，一路经止组桥触发器GTF控制正组桥整流器，另一路经倒相器AR、反组桥GTR控制反组桥整流器VR。
图2-1α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统的电气原理图
其中：
正组晶闸管VF，由GTF控制触发：
正转时，VF整流；
反转时，VF逆变。
反转晶闸管VR，由GTR控制触发：
反转时，VR整流；
正转时，VR逆变。
根据可逆系统正反向运行的需要，给定电压、转速反馈电压、电流反馈电压都应该能够反映正和负的极性。
这里
给定电压：
正转时，KF闭合，
=“+”；
反转时，KR闭合，
=“-”。
转速反馈：
正转时，Un=“-”;
反转时，Un=“+”。
控制电路采用典型的转速、电流双闭环系统，其中：
转速调节器ASR控制转速，设置双向输出限幅电路，以限制最大起制动电流。
电流调节器ACR控制电流，设置双向限幅电路，以控制最小控制角αmin与最小逆变角βmin。
在设计转速调节器及电流调节器过程中按照“先内环后外环”的设计原则，从内环开始，逐步向外扩展。
在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。
2.2．电流调节器设计
2.2.1电流调节器的作用
（1）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中,它的作用是使电流紧紧跟随其给定值
（即外环调节器的输出量）的变化；
（2）对电网电压波动起及时抗扰的作用。
（3）在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。
（4）当电机处于过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，起到快速的自动保护作用，一旦故障消失，系统能够自动恢复正常。
这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。
2.2.2电流环结构简图
则电流环结构图最终简化成图2-2
在设计电流调节器时，首先考虑应把电流环校正成哪一类典型系统。
从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由图可以看出，采用I型系统就够了。
再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要因素，为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型I型系统
图2-2.电流环结构简图
2.2.3设计电流调节器
（1）确定时间常数
1）整流装置滞后时间常数Ts。
从书上查表可知三相桥式电路的平均失控时间Ta=0.0017s。
2）电流滤波时间常数Toi。
三相桥式电路的每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（1-2）Toi=3.33ms，因此取Toi=2ms=0.002s。
3）电流环小时间常数之和T∑。
按小时间常数近似处理，取T∑=Ts+Toi=0.0037s。
4）直流电机参数
5）电枢回路电磁时间常数
6）电力拖动系统机电时间常数
（2）选择电流调节器结构
根据设计要求并保证稳态电流无差，可按照典型I型系统设计电流调节器。
电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数式为：
式中Ki—电流调节器的比例系数；
i—电流调节器的超前时间常数。
检查对电源电压的抗扰性能：
，参照典型Ⅰ型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表格，可以看出各项指标都是可以接受的。
（3）计算电流调节器参数
电流调节器超前时间常数：
i=Tl=0.0560s。
晶闸管放大系数：
电流环开环增益：
要求δi＜5%时，应取KIT∑i=0.5，因此
于是，ACR的比例系数为
（4）检验近似条件
电流环截止频率：
ci=KI=135.1s-1；
1）校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件：
满足近似条件
2）校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：
满足近似条件
3）校验电流环小时间常数近似处理条件
满足近似条件
（5）计算调节器电阻和电容
电流调节器原理图如图2-3所示.按所用运算放大器取R0=40k
，各电阻和电容值计算如下：
图2-3PI型电路调节器
2.3转速调节器设计
2.3.1转速调节器的作用
（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n跟随给定电压
变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现稳态无静差；
（2）对负载变化起抗扰作用；
（3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流
2.3.2转速环结构简图
最后转速环结构简图为图2-4
为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型Ⅱ型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。
图2-4转速环结构简图
2.3.3设计转速调节器
（1）确定时间常数
1）电流环等效时间常数1/KI。
由电流环参数可知KIT∑i=0.5，则
2）转速滤波时间常数Ton。
根据已知条件可知Ton=0.014s
3）转速环小时间常数T∑n。
按小时间常数近似处理，取
（2）选择转速调节器结构
按照设计要求采用PI调节器，其传递函数为
式中Kn—转速调节器的比例系数；
n—转速调节器的超前时间常数。
（3）计算调节器参数
按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为：
转速环开环增益为：
ASR的比例系数为：
（4）检验近似条件
转速环截止频率为
1）电流环传递函数简化条件为
满足近似条件
2）转速环小时间常数近似处理条件为
满足近似条件
（5）计算调节器电阻和电容
转速调节器原理图如图2-5所示
图2-5PI型转速调节器的组成
取R0=40k
，则
（5）校验转速超调量
当h=5时，查询典型Ⅱ型系统阶跃输入跟随性能指标的表格可以看出
，不能满足设计要求。
实际上，由于表是按照线性系统计算的，而突加阶跃给定时。
ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按照ASR退饱和的情况重新计算超调量。
需要添加微分负反馈：
第3章．Simulink仿真
3.1系统建模
3.1.1移相控制器的封装
α=β配合控制的直流可逆调速系统的主要子模块包括：
三相交流电源，正、反并联的晶闸管三相全控整流桥、同步电源与6脉冲触发器、速度和电流调节器ASR及ACR、倒相器、移相控制器，直流电动机。
除了PI调节器和移相控制器模块需要自己封装外，其余均可从有关模块库中直接复制。
触发器的控制角（alpha_deg端）通过了移相控制环节（shifter）,移相控制模块的输入是移相控制信号Uc，输出是控制角，移相控制信号Uc由常数模块设定。
移相特性如图3-1所示。
移相特性的数学表达式为：
图3-1移项特性及子函数模块、
3.1.2带限幅的PI调节器的封装
在本模型中取αmin=30°,Ucm=+lOV，所以α=90°-（6*Uc）.
仿真模型与系统动态构图的各个环节基本上是对应的。
需要指出的是。
双闭环系统的转速和电流两个调节器都是有饱和特性和带输山限幅的PI调节器，为了充分反映在饱和限幅非线性影响下调速系统的上作情况，需要构建考虑饱和输出限幅的PI调节器，过程如下:
线性PI调节器的传递函数为
式中,Kp为比例系数;Ki为积分系数;τ=KpKi。
上述PI调节器的传递函数可以直接调用SIMULINK中的传递函数或零极点模块。
而考虑饱和和输出限幅的PI调节器模型如图4所示。
模型中比例和积分调节分为两个通道，其中积分调节器integrate的限幅表示调节器的饱和限幅值，而
调节器的输出限幅值由饱和模块Saturation设定。
当该调节器用作转速调节器ASR时,在起动中由于开始转速偏差大，调节器输出很快达到输出限幅值，在转速超调后首先积分器退饱和，然后转速调节器输出才从限幅值开始下降。
为了使系统模型更简洁，利用了SIMULINK的打包功能（GreatSubsystem）将调节器模型缩小为一个分支模块，如图3-2所示。
图3-2带饱和和输出限幅的PI调节器及子系统模块
3.1.3α=β配合控制的直流可逆调速系统整体的建模
将封装后的反组整流器与正组整流器，给定环节、ASR、ACR、直流电动机等一起可构成α=β配合控制的直流可逆调速系统的仿真模型。
在电动机的负载转矩输入端TL接入了阶跃（Step）模块，用于设置负载转加载的时刻，和用于限制负载转矩的最大值，
有环流直流可逆调速系统仿真模型图如图3-3所示。
在仿真模型中，交流电源（
、
、
）两组反并联的整流器（VF、VR）和两组触发器（Synchronized6-PulseGenerator）、环流电抗器（Lc1~Lc4）、平波电抗器Ld和电动机组成可逆系统的主电路。
控制回路由转速给定、转速调节器ASR、电流调节器ACR、倒相器Gain和移相控制器Shifter等模块组成。
其中给定环节可以通过切换开关（ManualSwitch）选择电动机转向，在需要改变转向时，双击该开关即可正转到反转或反转到正传的给定切换。
转速和电流的反馈信号均取自电动机测量单元的输出。
转速调节器ASR和电流调节器ACR由带输出限幅的PI调节器分支电路来完成。
图3-3α=β配合控制的直流可逆调速系统整体的模型
3.2仿真波形及分析
可逆系统从正转启动到反转过程仿真了5s的变化过程，得到电枢转速和电流的仿真波形如图3-4所示。
图中电流和转速为相对值。
从仿真曲线知，当系统给定信号变极性时：
①输出转速能够很好地跟随转速给定信号，过渡过程性能较好；转速极性也随着给定信号改变极性；由于电机有机械惯性的滤波作用，速度输出响应曲线谐波成分较少。
②随着给定信号改变极性电枢电流也改变极性，说明实现了转矩可逆；电流波形上升和下降沿很陡，动态性能较好；③由于α=β配合控制的直流可逆调速系统可实现快速回馈制动，转速换向时减速很快，换向性能较优，速度仿真曲线很好地证明了这一点。
图3-2正转过程转速曲线和电枢电流曲线
图3-3反转过程转速曲线和电枢电流曲线
图3-4正转过程变换到反转过程转速曲线和电枢电流曲线
通过图形分析可得0~1.3s为系统的正转启动过程，1.3~2.4s为系统的加载过程，2.4~5s为系统的反转过程。
在启动过程中可以看到，系统经历了电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段，在转速超调后电流迅速下降并且出现负向电流，这与不可逆调速系统的启动过程不同，因为不可逆调速系统不能产生反向电流，而可逆系统反转整流器可以提供反向电流，并加快启动的调节过程。
因为是理想的空载启动，启动结束时电枢电流为零。
在其后电动机加上负载，转速发生波动，并且电流增加，经过1s左右时间的调整，系统达到新的平衡状态，转速恢复到1450r/min，电流上升到150A。
在启动后3.5s转速给定从“+”切换到“-”，系统进入反转的调节状态。
电枢电流迅速改变方向，并从正变到负的最大值，电动机的转速也由正变负，系统经历了本桥逆变和反接制动两个阶段。
在2.35s之后，电枢电流开始改变方向，并反向增加，反组桥进入整流，系统开始反接制动阶段，电动机转速下降。
在2.36s左右，系统开始反向超调，这是在系统电流环的调节下反组调节器变为逆变状态，转速和电动机反电动势进一步减小，电动机的惯性储能释放，并经反组整流器流回电网，这是系统的回馈制动阶段。
在3.45s转速下降为零是回馈制动阶段结束，系统又开始反向恒流启动过程，直到电动机进入反转稳定运行阶段。
结论
在本次实训中我设计的是α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统。
在这其中我用到电力拖动自动控制原理、电力电子技术和自动控制原理等课程的内容，这需要之前学习和实践中的来的知识。
而且要求能够熟练的运用MATLAB这一功能强大的专业软件。
在老师的指导、同学的帮助和自己的努力下，我成功的完成了α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统在MATLAB里面的建模与仿真。
从中发现系统仿真MATLAB这个软件十分有用，必须熟练掌握。
仿真结果分析说明在MATLAB仿真的基础上，对直流电动机的控制进行研究更加方便，准确。
能很快了解所控制电机的特性，有利于实现电动机的最优控制。
在这次实训中我遇到了很多问题。
由于非线性环节线性化处理、近似处理、调节器的饱和非线性等因素导致了工程设计与性能要求有差距。
从而，仿真出来的波形超调量，抗扰性能不是很理想。
所以在系统的仿真过程中，必须经过大量的调试，适当的调整参数，才能得出超调量较低、抗扰性能较好的α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统。
在多次试验的失败中总结经验，才能得出理想的结果。
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