α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统仿真

学 号 08750235 （运动控制课程设计） 设计说明书 α=β 配合控制的有环流直流可逆调速系统仿真 起止日期： 2011 年 12 月 26 日 至 2012 年 1 月 6 日 学生姓名 王晓旭 班级 08 电气 2 班 成绩 指 导 教 师 ( 签 字 ) 电子与信息工程系 2011 年 1 月 6 日 1 目录 1 引言 . 2 2 α = β配合控制的直流可逆调速系统的建模 . 2 2.1 α = β 配合控制的直流可逆调速系统的工作原理 . 2 2.2 电力系统(Power System)工具箱 . 3 2.3 α = β 配合控制的直流可逆调速系统的建模 . 3 2.3.1 移相控制器的封装 . 3 2.3.2 带限幅的 PI 调节器的封装 . 4 2.3.3 α = β配合控制的直流可逆调速系统整体的建模 . 4 3 α = β 配合控制的直流可逆调速系统仿真实例及分析 . 5 3.1 系统主要环节的仿真参数 5 3.2 仿真波形及分析 5 4 结论 . 8 参考文献 . 9 2 α= β配合控制的有环流直流可逆调速系统仿真 摘 要: 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 Power System 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 1 引言 品闸管反并联的电枢可逆线路是可逆调速系统的典型线路之一。 这种线路有能实现 叫逆运行、 回馈制动等优点， 同时止转制动和反转启动完全衔接起来， 没有间断或死区， 这是有环流调速系统的优点，特别是用于要求快速止反转的中小容量的系统。为保证系 统安全，必须增加环流电抗器以消除其中的环流。α = β 控制的有环流可逆调速方式， 在实际应用中由于难以准确保持α = β 的状态，一旦出现α ≠β 时，就有可能产生直流 环流，使整流器过载或损坏，故实际上并不采用，但研究α = β 控制的有环流可逆系统， 对理解直流电动机的可逆过程有很大帮助。本文采用 MATLAB 的 Simulink和 Power System工具箱，介绍如何实现 α = β 配合控制的直流可逆调速系统的建模与仿真。 2 α= β配合控制的直流可逆调速系统的建模 控制系统传统的计算机仿真是用传递函数方法来完成的，各环节的传递函数是将实 际模型经过一定的简化而得到的，很多重要细节会被忽略 Power System工具箱提供了 利用物理模型仿真的可能，其仿真建模方法与构建实际电路相似，仿真结果非常接近于 实际。 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 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，电流调节器的输出分两路，路经止组桥触发器 GTF控制正组桥整流器，另路 经倒相器 AR、反组桥 GTR控制反组桥整流器。 3 图 1 α= β配合控制的有环流直流可逆调速系统的电气原理图 2.2 电力系统(Power System)工具箱 电力系统工具箱以 Simulink 为运行环境，涵盖了电工学科中常用的基本元件库。它 由电源、基本元件、电力电子、电机、连接件、测量等 6 个模块库组成，根据需要可以 组合封装出常用的更为复杂的模块，添加到有关模块库中。 本实验采用 MATLAB 7.0.1 版本中模块库，其控制子模块库中有 6 脉冲触发器、三 相子模块库中有晶闸管三相全控桥模块、附加电机子模块库中有直流电机模块，如图 2 所示。 图 2 六脉冲触发器、三相晶闸管整流桥、直流电动机 2.3 α= β配合控制的直流可逆调速系统的建模 组成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。 2.3.1 移相控制器的封装 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 所示。移相特性的数学表达式为： c c U U min min 0 0 90 90     4 图 3 移项特性及子函数模块 在本模型中取 α min=30°,Ucm =+lOV ，所以 α =90°-(6*Uc) . 2.3.2 带限幅的 PI 调节器的封装 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 S S K SK KsW P i PPI    11 )( 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 (Great Subsystem) 将调节器模型缩小为一个分支模块，如图 4 所示。 图 4 带饱和和输出限幅的 PI 调节器及子系统模块 2.3.3 α= 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