直流调速控制系统的分析及仿真

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1、第7章直流调速控制系统的分析及仿真内容提要：本章主要通过转速负反馈(单闭环)直流调速系统和转速、电流双闭环直流调速系统以及两个系统的MATLAB仿真，来介绍分析与设计仿真自动控制系统的一般方法(其中包括系统的组成、系统框图的建立、结构特点的分析、系统的自动调节过程、系统可能达到的技术性能和性能指标的计算)。晶闸管直流调速系统具有调速范围大、精度高、动态性能好、效率高、易控制等优点，且已比较成熟，所以在机械、冶金、纺织、印刷、造纸等许多部门仍有不少的应用。下面主要通过典型的直流调速系统来介绍分析的方法。7.1转速负反馈晶闸管直流调速系统7.1.1系统

2、的组成图7-1-1具有转速负反馈和电流截止负反馈环节的直流调速系统原理图。由图可见，该系统的控制对象是直流电动机M，被调量是电动机的转速n，晶闸管触发电路和整流电路为功率放大和执行环节，由运算放大器构成的比例调节器为电压放大和电压(综合)比较环节，电位器RP1为给定元件，测速发电机TG与电位器RP2为转速检测元件，此外还有由取样电阻RC、二极管VD和电位器RP3构成的电流截止负反馈环节。调速系统的组成框图可参见图7-1-2。1.直流电动机(DirectCurrentMotor)直流电动机的物理关系式、微分方程、系统框图以及自动调节过程，在第二章2.

3、2节中，均作了分析。这里暂不作详细分析。2.晶闸管整流电路(ThyristorRectifier)采用晶闸管整流电路需要注意的几个问题：①晶闸管元件的过载能力很小，因此选定元件的电流、电压规格时，至少加大一倍以上的容量，而且要加散热片，以防温升过高，损坏元件。②因交流侧电流中含有较多的谐波成分（HarmonicCon-tent）对电网（line）（ACSupply）产生不利影响。因此在大、中功率整流电路的交流侧，大多采用交流电抗器(串接电抗器SeriesReactor)或通过整流变压器(RectifierTransformer)供电，以抑制谐

4、波分量(HarmonicComponent)。③晶闸管元件的过载能力很小，因此不仅要限制过电流（Overcurrent）和反向过电压（ReverseOvervoltage）,而且还要限制电压上升率（RateofRiseofVoltage）(dv/dt)和电流上升率（di/dt）。所以晶闸管整流电路设有许多保护环节，如快速熔丝、过电流继电器、阻容吸收电路、硒堆、或压敏电阻等过电流与过电压保护装置。④晶闸管整流装置的输出特性如图7-1-3a所示。图中为整流平均电流，为整流输出平均电压。当输出电流较大、电流为连续时，其输出特性近似为直线（如曲线b段所

5、示）。而且线段比较平坦；这意味着整流装置的电压降较小，装置的等效内阻也较小。图7-1-4晶闸管整流装置调节特性当输出电流较小、电流为断续时，其输出特性变为很陡的曲线（如曲线a段所示）。此线段较陡意味着电压降落较大；等效内阻显著增加。⑤由于晶闸管整流装置的上述特性，使得晶闸管整流装置供电的直流电动机的机械特性为上图b所示。其中b段为电流连续时的特性，其特性较硬。a段为电流断续时的特性，其特性很软。这样从总体上看，机械特性很软，一般满足不了对调速系统的要求，因此需要增设反馈环节，以改善系统的机械特性。⑥晶闸管整流电路的调节特性为输出的平均电压与触发电路

6、的控制电压之间的关系，即图7-1-4为晶闸管整流装置的调节特性。由图可见，它既有死区，又会饱和。（当全导通以后，再增加，也不会再上升了），且低压段还有弯曲段。面对这非线性特性，常用的办法是讲它“看作”一条直线，即处理成。其比例系数K的取值有两种方法：①对动态特性，可取其动态工作区的线性段（Q段）的比例系数，即。②对稳定特性，则取额定范围内的平均值，即，，为（为的额定值，为的额定值）如图中的P直虚线所示。若再考虑到控制电压改变后，晶闸管要等到下一个周期开始后，导通角才会改变，因而会出现的延迟(三相桥式，单相全波)。这样晶闸管整流装置的传递函数为：若控

7、制电压＝10V时，对应输出的平均电压＝440V(采用440V直流电动机)，则K＝440V/10V＝44。3.放大电路(Amplitiet)此处采用的是由运放器组成的比例调节器。其放大倍数为，在其输入端有三个输入信号：给定电压（），测速反馈信号（）及电流截止反馈信号(）。所以，此系统中的比例调节器，既是电压放大环节，又兼作信号比较环节。4.转速检测环节(SpeedMeasurementElement)转速的检测方式很多，有测速发电机、电磁感应传感器、光电传感器等。读出量又分模拟量和数字量。此系统中，转速反馈量需要的是模拟量，一般采用测速发电机。　

8、　测速发电机分直流和交流两种。直流测速机又分永磁式（如CY型）和他激式（如ZCF型）。永磁式不需励磁电源，使用方便，但要注