雙閉環(huán)h橋直流可逆調(diào)速系統(tǒng)

雙閉環(huán)H橋可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 電源及操作系統(tǒng)設(shè)計(jì) 簡 2 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設(shè)計(jì) 3 仿真模型 4 參數(shù)計(jì)算與計(jì)算機(jī)仿真 5 TableofContents 設(shè)計(jì)步驟 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目概括 本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 詳細(xì)介紹了系統(tǒng)主電路 反饋電路 觸發(fā)電路及控制電路的具體實(shí)現(xiàn) 對系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試 表明所設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠 具有較好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能 達(dá)到了設(shè)計(jì)要求 采用MATLAB軟件中的控制工具箱對直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 以此驗(yàn)證設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)是否可行 01 PART 調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) a 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析 分析靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征 一般存在兩種狀況 飽和 輸出達(dá)到限幅值 不飽和 輸出未達(dá)到限幅值 當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí) 輸出為恒值 輸入量的變化不再影響輸出 除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和 換句話說 飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出的聯(lián)系相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán) 當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí) PI的作用使輸入偏差電壓 U在穩(wěn)態(tài)時(shí)總為零 一 控制系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)數(shù)學(xué)模型建立 圖一雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 圖二雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 b 制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能分析 由于在起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和 飽和 退飽和三種情況 整個(gè)動(dòng)態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的 三個(gè)階段 第一階段是電流上升階段 第二階段是恒流升速階段 第三階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段 圖三啟動(dòng)過程電流轉(zhuǎn)速波形 二 調(diào)速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作過程和原理 電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)階段 電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速 電壓 低于給定值 速度調(diào)節(jié)器的輸入端存在一個(gè)偏差信號 經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值 速度調(diào)節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài) 速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調(diào)節(jié)器 此時(shí)則以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號 直流電壓迅速上升 電流也隨即增大直到等于最大給定值 電動(dòng)機(jī)以最大電流恒流加速啟動(dòng) 電動(dòng)機(jī)的最大電流 堵轉(zhuǎn)電流 可以通過整定速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅值來改變 在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速后 速度調(diào)節(jié)器輸入端的偏差信號減小到近于零 速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài) 閉環(huán)調(diào)節(jié)開始起作用 對負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng) 速度調(diào)節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號將隨時(shí)通過速度調(diào)節(jié)器 電流調(diào)節(jié)器來修正觸發(fā)器的移相電壓 使整流橋輸出的直流電壓相應(yīng)變化 從而校正和補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差 另外電流調(diào)節(jié)器的小時(shí)間常數(shù) 還能夠?qū)σ螂娋W(wǎng)波引起的電動(dòng)機(jī)電樞電流的變化進(jìn)行快速調(diào)節(jié) 可以在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速還未來得及發(fā)生改變時(shí) 迅速使電流恢復(fù)到原來值 從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程有以下三個(gè)特點(diǎn) 1 飽和非線形控制 隨著ASR的飽和與不飽和 整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài) 在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線形系統(tǒng) 只能采用分段線形化的方法來分析 不能簡單的用線形控制理論來籠統(tǒng)的設(shè)計(jì)這樣的控制系統(tǒng) 2 轉(zhuǎn)速超調(diào) 當(dāng)ASR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí) 轉(zhuǎn)速一定會(huì)超調(diào) 一般是容許轉(zhuǎn)速略有超調(diào)的 對于完全不能有超調(diào)的 應(yīng)用其他控制方法控制 3 準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制 對于電力拖動(dòng)系統(tǒng) 在電動(dòng)機(jī)允許過載能力下的恒流起動(dòng) 即為時(shí)間最優(yōu)控制 雖然實(shí)際起動(dòng)過程與理想啟動(dòng)過程相比還有一些差距 但無傷大局 可稱作 準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制 抗擾性能分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一般具有還不錯(cuò)的動(dòng)態(tài)性能 其中抗擾性能對于調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能來說是最重要的 它主要包括抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)和抗負(fù)載擾動(dòng) 圖四雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的結(jié)構(gòu)圖 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 轉(zhuǎn)速環(huán) 三 調(diào)節(jié)器選擇 典型 型系統(tǒng)可以在跟隨性能上做到超調(diào)量小 但抗擾性能稍差 典型 系統(tǒng)的超調(diào)量相對較大 抗擾性能卻比較好 根據(jù)這一依據(jù) 實(shí)際控制系統(tǒng)對于各種動(dòng)態(tài)指標(biāo)的要求各不相同選用的系統(tǒng)類型也不同 如調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性以抗擾性能為主 則應(yīng)首先典型 系統(tǒng) 而隨系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)以跟隨性能為主 可按典型 型系統(tǒng)設(shè)計(jì) 02 PART 四 控制電源設(shè)計(jì) Clickheretoaddyourtitle H橋雙極式逆變器的工作原理脈寬調(diào)制器的作用是 用脈沖寬度調(diào)制的方法 把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定寬度可變的脈沖電壓序列 從而平均輸出電壓的大小 以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速 H形雙極式逆變器電路如圖所示 這時(shí)電動(dòng)機(jī)M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電壓的極性變化而變化 圖六H形雙極式逆變器電路 圖七H形雙極式逆變器的驅(qū)動(dòng)電壓波形 雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為如果定義占空比 電壓系數(shù)則在雙極式可逆變換器中 03 PART 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設(shè)計(jì) Clickheretoaddyourtitle 電流調(diào)節(jié)器 由于電流檢測中常常含有交流分量 為使其不影響調(diào)節(jié)器的輸入 需加低通濾波 此濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)表示 為了平衡反饋信號的延遲 在給定通道上加入同樣的給定濾波環(huán)節(jié) 使二者在時(shí)間上配合恰當(dāng) 圖九含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器 3 3 2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)速反饋電路如圖所示 由測速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波 因此也需要濾波 根據(jù)和電流環(huán)一樣的原理 在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入相同時(shí)間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié) 圖十含給定濾波與反饋濾波的PI型電轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 04 PART 參數(shù)計(jì)算與計(jì)算機(jī)仿真 Clickheretoaddyourtitle 設(shè)計(jì)要求 穩(wěn)態(tài)無靜差 電流超調(diào)量 i 5 到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 n 10 電動(dòng)機(jī)基本參數(shù) 直流電動(dòng)機(jī)額定電壓 UN 54V調(diào)速范圍 D 10額定電流 IN 3 24A靜差率 s 5 額定轉(zhuǎn)速 nN 1450r min電樞電阻 Ra 1 5 電樞回路總電阻 R 4 電樞電感 L 2mH轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J 0 76g 電樞電動(dòng)勢 E Un In 49 14理想空載轉(zhuǎn)速 n0 nN rIn Ce 1593 36Ce E Nn 0 0339GD 4gJ 0 029Cm 30Ce 0 324 l R 5 10 4 0 5msTm GD R 375CeCn 0 0289Ud0 Un 54v 2 1 0 75 2 1 0 5Us n0Ce 108 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 電流環(huán)節(jié)設(shè)計(jì) a 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求電流超調(diào)量 并保證穩(wěn)態(tài)電流無差 可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器 電流控制 電流環(huán)控制對象是雙慣性型的 所以把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成PI型的 其傳遞函數(shù)為式中電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù) b 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù) 電流環(huán)小時(shí)間之和按小時(shí)間常數(shù)近似處理 阻尼比 c 校驗(yàn)近似條件 c 校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率 晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件 即 滿足近似條件 忽略反電動(dòng)勢對電流環(huán)影響的條件 即滿足條件 電流環(huán)小慣性環(huán)近似處理 即滿足條件按照上述參數(shù) 電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨指標(biāo)為 滿足設(shè)計(jì)要求 b轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) a 選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按跟隨和抗擾性能都能較好的原則 在負(fù)載擾動(dòng)點(diǎn)后已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié) 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差還必須在擾動(dòng)作用點(diǎn)以前設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié) 因此需要 由設(shè)計(jì)要求 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié) 故按典型 型系統(tǒng) 選用設(shè)計(jì)PI調(diào)節(jié)器 其傳遞函數(shù)為 c 近似校驗(yàn) 按照ARS退飽和情況計(jì)算超調(diào)量 計(jì)算機(jī)仿真 仿真可采用面向傳遞函數(shù)的仿真方法或面向電氣系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖