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直流动机调速系统的应用 0 直流电动机传动液压系统研究 直流电机自动控制系统广泛应用于机械、钢铁、采矿、军事等行业。在工程实践中，运动控制系统中应用最广泛的是调速系统，有许多生产机械要求在一定范围内进行速度的平滑调节，并要求有良好的稳态和动态性能。尽管目前交流调速系统的迅速发展，交流电动机的经济性和易维护性，使得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系统也是研究交流调速系统的基础。对直流电机调速系统进行研究，对国民经济具有十分重要的现实意义。 1 晶闸管滑动控制 晶闸管—电动机调速系统，其原理图如图1所示。图中VT为晶闸管的可控整流器，它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型。通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压从而实现平滑调速。由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。元件对过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指标超过允许值都可能损坏原件。因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时还有足够的裕量。 2 直驱油速带的设计 2.1 动态性能的控制 转速电流双闭环直流调速系统的原理如图2所示。由于调整的主要参数是转速，故将转速调节作为外环，电流反馈作为内环，这样可以抑制电网电压对转速的影响。 为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，在启动时，加入给定电压Un*，速度调节器和电流调节器以饱和限幅值输出，使得电动机以限定的最大启动电流加速启动，直到电动机转速达到给定转速，并在出现超调后，ASR和ACR退出饱和，最后稳定在给定的转速下运行。 在调速系统工作时，要先给电动机加励磁，ASR的输出作为ACR的输入，利用ASR的输出限幅达到限制启动电流大小的目地。ACR的输出作为“触发电路”的控制电压Uc，利用ACR的输出限幅可以限制整流桥的最大导通角α。 2.2 pi型电流调节器 转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压Un*变化，稳态时可减小稳态误差，采用PI调节器则可实现无静差；对负载变化起扰抗作用；其输出幅值决定允许的最大电流。电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型的Ι型系统，采用PI型电流调节器，其传递函数可以写成（1）式。 (1）式中，Ki为电流调节器比例系数，τi为电流调节器的超前时间常数。 2.3 需要保护好电枢电流 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密的跟随其给定电压Un*的变化。在电机启动时保证获得最大电流，从而加快动态过程，使系统具有较好的动态特性；当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起到安全保护作用；故障消失后，系统能够恢复正常；对电网电压波动起到快速抑制作用。为了实现转速无静差,提高系统动态抗扰性能,把转速环设计成典型II型系统，其传递函数为： (2）式中，Ki为转速调节器比例系数，τi为转速调节器的超前时间常数。 3 动态特性仿真分析 Simulink是Matlab环境下对动态系统进行建模、仿真和分析的一个软件包。在该软件可实现可视化建模，并可以随时观察仿真结果和干预仿真过程。Simulink由于功能强大、适用简单方便，以成为应用最广泛的动态系统仿真软件。 仿真参数设置：直流电机：220V,136A,1750r/min，允许过载倍数λ=1.5，电机轴上总飞轮力矩10N·M2，低通滤波器的截止频率40Hz，转速调节器积分增益200，转速调节器比例增益80；电流调节器积分增益60，电流调节器比例增益1.5。为了校验系统的动态特性，给定转速5s时加冲击负载100NM。 图3为仿真输出波形。由图3(a)转速曲线知，在电流线性增加的时候，拖动系统也恒加速，转速呈线性增加。在3-4s之间速度出现了超调，略高于给定值800rad/s。超调之后在电流稳定的情况下进入线性调节，最终达到给定值并保持速度恒定不变。在5s时开始减小给定值直到400rad/s时，系统各环节变化过程与升速阶段相反。图3(b)触发角图形可知触发角的变化跟电枢电流保持一致，电流增大过程中触发角减小，反之亦反。图3(c)电枢电压变化与速度变化保持一致。图3(d)为电枢电流，从开始阶段突加电压，电枢电流迅速上升约100A，从电流上升到100A到3s左右，电流线性增加，7s时电枢电流基本稳定在100A附近。通过仿真结果，可以看出双闭环调速系统具有较好的动态特性。 4 双闭环系统稳定性以及抗干扰性分析 本文利用Matlab-Simulink工具箱分别双闭环系统进行了建模仿真，通过仿真结果可以直观的分析系统的稳定性和抗干扰性。在双闭环系统中，由于增加了电流内环，电压波动可以通