V-M雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真

1、V-M雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真1.主電路選型和閉環(huán)系統(tǒng)1.1調(diào)速系統(tǒng)組成原理V-M雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，是由單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展起來的，調(diào)速系統(tǒng)使用比例積分調(diào)節(jié)器，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)速。采用電流截止負(fù)載環(huán)節(jié)，限制了起（制）動時的最大電流。這對一般的要求不太高的調(diào)速系統(tǒng)，基本上已能滿足要求，但電流環(huán)只是在超過臨界電流值以后，靠強烈的負(fù)反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。在實際工作中，縮短起、制動的時間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此，在起動、制動的過程中，希望能夠始終保持電流（電磁轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使調(diào)速系統(tǒng)以最大的加（減）速度運行。，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，最好讓電流立即

2、降下來，使電磁轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動（制動）過程波形如圖1-1所示，這時，起動電流成矩形，而轉(zhuǎn)速按線性增長。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動（制動）過程。圖1-1 調(diào)速系統(tǒng)時間最優(yōu)理想過渡過程實際上，由于主電路電感的作用，電流不可能突變，為了實現(xiàn)在允許條件下最快起動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律，采用某個物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變，那么，采用電流負(fù)反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)

3、速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主作用。為了達(dá)到以上目的系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行嵌套連接，如圖1-2所示。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速,電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得良好的靜，動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。圖1-2 轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR-電流調(diào)節(jié)器TG-測速發(fā)電機TA-電流互器UPE-電力電子變換器Un*-轉(zhuǎn)速給定電壓Un-轉(zhuǎn)速反饋電壓Ui*-電流給定電壓Ui-電流反饋電壓本設(shè)計采用三相全控橋整流電路，在直流

4、側(cè)串有平波電抗器，該電路能為電動機負(fù)載提供穩(wěn)定可靠的電源，利用控制角的大小可有效的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并在直流交流側(cè)安置了保護裝置，保證各元器件能安全的工作，同時由于使用了閉環(huán)控制，使得整個調(diào)速系統(tǒng)具有很好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。系統(tǒng)組成的原理框圖如圖1-3所示：圖1-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖1.2 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖1-4所示，兩個調(diào)節(jié)器均采用帶限幅作用的PI調(diào)節(jié)器。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓Uim*決定了電流給定的最大值，電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm，圖2-1中用帶限幅的輸出特性表示PI調(diào)節(jié)器的作用。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出

5、達(dá)到限幅值，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。此時，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(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，PI調(diào)節(jié)器工作在線性調(diào)節(jié)狀態(tài)，其作用是輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時為零。為了實現(xiàn)電流的實時控制和快速跟隨，希望電流調(diào)節(jié)器不要進入飽和狀態(tài)，因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器有飽和和不飽和兩種情況。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到Idm時對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為飽和輸出Uim*，這時，電流調(diào)節(jié)器起主要作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，起到過電流的自動保護作用。這就是采用兩個PI

6、調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。圖1-4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 電流反饋系數(shù)1.3 V-M系統(tǒng)分析圖1-5晶閘管整流器-電動機調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖1-5繪出了V-M系統(tǒng)的原理圖，圖中VT是晶閘管整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc來移動觸發(fā)脈沖的相位，改變可控整流器平均輸出直流電壓Ud，從而實現(xiàn)直流電動機的平滑調(diào)速。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在 104以上，門極電流可以直接用電子控制；響應(yīng)時間是毫秒級，具有快速的控制作用；運行損耗小，效率高；使V-M系統(tǒng)獲得了優(yōu)越的性能2.電流環(huán)設(shè)計2.1電流環(huán)的簡化雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計是從內(nèi)環(huán)到外環(huán)，即先設(shè)計好電流環(huán)后將其等

7、效成速度環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，再對速度環(huán)進行設(shè)計。在一般情況下，系統(tǒng)的電磁時間常數(shù)Tl遠(yuǎn)小于機電時間常數(shù)Tm，因此，轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢的多。對于電流環(huán)來說，反電勢是一個變化較慢的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認(rèn)為反電動勢基本不變，即E0。這樣，就可以暫時把反電動勢的作用去掉，得到忽略電動勢影響的電流環(huán)近似結(jié)構(gòu)圖，如圖2-1a 所示。簡化的近似條件是：如果把給定濾波和反饋濾波同時等效地移到環(huán)內(nèi)前向通道上，再把給定信號改成Ui*（s）/，則電流環(huán)等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)（見圖2-1b），從這里可以看出兩個濾波時間常數(shù)取值相同的方便之處。由于Ta和Toi一般都比Tl小的多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作

8、是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為：，則電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡化成圖2-1c ，簡化的近似條件是： ，a）b）c）圖2-1 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡a） 忽略反電動勢的動態(tài)影響 b）等效為單位負(fù)反饋系統(tǒng) c）小慣性環(huán)節(jié)近似處理 在設(shè)計電流調(diào)節(jié)器時，首先考慮應(yīng)把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng)。從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖2-1可以看出來，采用型系統(tǒng)就夠了。再從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用作用時有太大的超調(diào)，以保證電流動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即應(yīng)選用典型型系統(tǒng)。2.2 時間常數(shù)的計算

9、（1）三相橋式電路的平均失控時間Ts按課本中表2-2給出，如下所示， 可得Ts 0.0017s表2-1 晶閘管整流器的失控時間（2）電流濾波時間常數(shù)Toi任務(wù)書已給出： Toi 0.002s（3）電流環(huán)小時間常數(shù)Ti按小時間常數(shù)近似處理，取0.0017s+0.002s0.0037s（4）電磁時間常數(shù)Tl =電樞回路總電感/電樞回路總電阻(5)機電時間常數(shù)Tm（6）ACR超前時間常數(shù)Tl0.07s2.3選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)電流環(huán)的一項重要作用就是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過容許值，因而在突加控制作用時不希望有超調(diào)，或者超調(diào)量越小越好?？呻娏鳝h(huán)還有另一個對電網(wǎng)電壓波動及時調(diào)節(jié)的作用，因此還要提高其

10、抗擾性能。由于設(shè)計要求超調(diào)量i5并且保證系統(tǒng)在5%負(fù)載以上變化的運行范圍內(nèi)電流連續(xù)，有好的動態(tài)性能，我們采用典型I型來設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器選用PI型。令電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為檢查對電源電壓的抗擾性能： 但由于對電流超調(diào)量有較嚴(yán)格要求，而抗擾指標(biāo)卻沒有具體要求，因此電流環(huán)仍按典型I型系統(tǒng)設(shè)計。2.4 計算調(diào)機器參數(shù)ACR超前時間常數(shù)Tl0.07s由于超調(diào)量i5，查表課本表3-1得 =0.5因此，電流環(huán)的開環(huán)增益為 電流反饋系數(shù)，電流調(diào)節(jié)器限幅值為10V,則 于是ACR的比例系數(shù)為: 2.5 近似條件驗算電流環(huán)截止頻率，(1)檢驗晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：， 滿足近似條件；(2)檢驗忽略反

11、電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件：滿足近似條件；(3)檢驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：，滿足近似條件。由于 =0.5電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)指標(biāo)為：，也滿足設(shè)計要求。2.6 計算電流調(diào)節(jié)器電阻和電容含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖2-2所示。圖2-2 含給定濾波及反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器其中，UGi為電流調(diào)節(jié)器的給定電壓，Id為電流負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是觸發(fā)裝置的控制電壓UK。按所用運算放大器取R040K，各電阻和電容值計算如下 RiKi R02.3640K94.4K (取100 K) ( 取0.7F) ( 取0.2F )2.7電流調(diào)節(jié)器的作用結(jié)合以上所述，電流調(diào)節(jié)器AC

12、R的主要作用如下：(1) 對電網(wǎng)電壓波動起抗干擾作用 ；(2) 啟動時保證獲得容許的最大電流 Idm ；(3) 在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電樞電流跟隨給定電壓變化 ；(4) 當(dāng)電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，可以限制電樞電流的最大值，從而起到快速的過流安全保護，如故障消失，系統(tǒng)能自動恢復(fù)工作。3. 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計3.1轉(zhuǎn)速環(huán)的簡化圖3-1 典型 I 型系統(tǒng)的電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖在設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時，可把已設(shè)計好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的一個環(huán)節(jié)，為此必須求出它的等效傳遞函數(shù)。圖 3-1給出了校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)的結(jié)構(gòu)圖，其閉環(huán)傳遞函數(shù)為: 若按=0.5選擇參數(shù)，則 已知電流閉環(huán)傳遞函數(shù)為 因此電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)應(yīng)相

13、應(yīng)地改成 原來電流環(huán)的控制對象可以近似看成是個雙慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)是Tl和，閉環(huán)后，整個電流環(huán)等效近似為只有小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)。這就表明，電流閉環(huán)后，改造了控制對象，加快了電流跟隨作用。 用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替圖2-1的電流閉環(huán)后整個轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖就如圖3-2所示。圖3-2 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖與電流環(huán)相似，我們可以將轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖化簡為圖3-3圖3-3 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的化簡按跟隨和抗擾性能都能較好的原則,在負(fù)載擾動點后已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié),為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差,還必須在擾動作用點以前設(shè)置一個積分環(huán)節(jié),由設(shè)計要求，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PI調(diào)節(jié)器。其

14、傳遞函數(shù)為:3.2 時間常數(shù)的計算（1）電流環(huán)等效時間常數(shù): 已取=0.5，則： （2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù) 根據(jù)所用測速發(fā)電機波紋情況，任務(wù)書給出:TON=0.01s（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù) 按小時間常數(shù)近似處理，取s（4）轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 由于本系統(tǒng)的限幅值為10V，則3.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算（1） ASR超前時間常數(shù) 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，查表，取h5，則：50.0174s0.087s（2） 轉(zhuǎn)速環(huán)的比例系數(shù) 轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)增益為 電動機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)為 C9.55Ce=9.550.1321=1.262Vmin/r于是，ASR的比例系數(shù)為： 3.4檢驗近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率 =396.4

15、0.08734.49（1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件： 滿足簡化條件 ；（2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：,滿足近似條件。3.5 檢驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量電機容許過載倍數(shù)1.5，負(fù)載系數(shù)z0（理想空載起動）。當(dāng)h5時，；而377.55r/min,因此，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的退飽和超調(diào)量為 =8.83 10 符合任務(wù)書要求3.6計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電阻和電容含給定濾波和反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖4-10所示。圖3-4 含給定濾波及反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器其中，UGn為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定電壓，n為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓UGi。按所用運算放大器取R040K，各電阻和電容值計算如下RnKn

16、R010.9840 K439.2 取440K 取1F3.7 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用結(jié)合以上所述，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的主要作用如下：(1) 使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓UGn 變化，保證轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無靜差 ；(2) 對負(fù)載變化起抗干擾的作用 ；(3) 輸出限幅值決定電樞主回路的最大容許電流值Idm 。4系統(tǒng)仿真 4.1 電流環(huán)的仿真設(shè)計根據(jù)圖2-1a在Simulink中建立如圖4-1所示電流環(huán)仿真模型:圖4-1 電流環(huán)仿真模型4.2 電流環(huán)仿真參數(shù)設(shè)置Step模塊參數(shù)設(shè)置如下:圖4-2 Step模塊參數(shù)設(shè)置ACR參數(shù)設(shè)置如下圖4-3 ,4-4所示:圖4-3 電流環(huán)比例系數(shù)的設(shè)置圖4-4 電流環(huán)積分系數(shù)的設(shè)置其余模塊

17、的仿真參數(shù)皆在仿真圖中給出。4.3電流環(huán)仿真波形仿真啟動，雙擊示波器就可以發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果如下圖4-5：圖4-5 空載時電流仿真波形觀察上圖4-5可以發(fā)現(xiàn)電流環(huán)空載啟動時，大約在在0.04s處達(dá)到穩(wěn)定值，波形開始平穩(wěn)。如圖可以觀察到電流的調(diào)節(jié)時間較長，為了改善這個條件，可以適當(dāng)增加電流環(huán)的比例系數(shù)，但是這樣做的后果是導(dǎo)致超調(diào)量增加。4.4 雙閉環(huán)的仿真設(shè)計.在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，考慮如圖1-4的雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，將前面計算的雙閉環(huán)相關(guān)數(shù)據(jù)代入動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 中，得到本系統(tǒng)仿真模型如圖4-6所示:圖4-6 雙閉環(huán)的仿真模型4.5 轉(zhuǎn)速環(huán)仿真參數(shù)設(shè)置ASR參數(shù)設(shè)置如下圖4-7 ,4-8所示

18、:圖4-7 轉(zhuǎn)速環(huán)比例系數(shù)的設(shè)置圖4-8 轉(zhuǎn)速環(huán)積分系數(shù)的設(shè)置4.6 雙閉環(huán)仿真波形及分析仿真啟動，雙擊示波器就可以發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果如下圖4-9,4-10：圖4-9 雙閉環(huán)空載啟動波形圖圖4-10 雙閉環(huán)滿載高速啟動波形圖空載時波形如圖4-9所示，觀察波形可發(fā)現(xiàn)ASR調(diào)節(jié)器經(jīng)過了不飽和，飽和，退飽和三個階段，很快達(dá)到穩(wěn)定與給定轉(zhuǎn)速，電流最終穩(wěn)定在0A,而在滿載高速啟動時, 根據(jù)圖形發(fā)現(xiàn)啟動時間較空載時延長了，退飽和超調(diào)量減小了。起動過程的三個階段都能很清楚的看到,電流最后穩(wěn)定在額定值。為了驗證在穩(wěn)定運行時突加擾動時對雙閉環(huán)系統(tǒng)的影響，將step1模塊參數(shù)按下圖4-11進行設(shè)置再進行仿真。圖4-11 step