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文檔簡介
1、中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院課 程 設(shè) 計 說 明 書學(xué)生姓名: 學(xué) 號: 學(xué) 院: 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 專 業(yè): 自動化 題 目: 直流電機(jī)位置隨動系統(tǒng)設(shè)計 (第六組) 指導(dǎo)教師: 職稱: 副教授 2013 年 12 月 9 日 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院課程設(shè)計任務(wù)書 2013-2014 學(xué)年第 一 學(xué)期學(xué) 院: 中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 專 業(yè): 自動化 學(xué) 生 姓 名: 學(xué) 號: 課程設(shè)計題目: 直流電機(jī)位置隨動系統(tǒng)設(shè)計 (第六組) 起 迄 日 期: 12月 9 日 12月20日 課程設(shè)計地點: 德懷樓七層實驗室 指 導(dǎo) 教 師: 下達(dá)任務(wù)書日期: 2013年 12月 9日課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書1
2、設(shè)計目的:設(shè)計一個位置隨動系統(tǒng),使用工程設(shè)計方法,使其達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)要求。2設(shè)計內(nèi)容和要求(包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計要求等):一、設(shè)計參數(shù)第一組第二組第三組第四組第五組第六組靜阻力矩MH(Nm)3550658095100轉(zhuǎn)動慣量 JH(kgm2)6090100110120110最大跟蹤速度 m(1/s)1.41.61.51.41.51.6最大跟蹤加速度 m(1/s2)1.751.751.751.751.651.6靜態(tài)位置誤差 ec(deg)0.30.30.30.30.30.3靜態(tài)速度誤差 er(deg)0.50.50.50.50.50.5最大跟蹤誤差em (deg)0.81.01
3、.01.11.21.2電流環(huán)超調(diào) (%)555555速度環(huán)超調(diào)(%)101010101010位置環(huán)超調(diào)(%)303030303030位置環(huán)過渡過程時間 ts(s)0.60.60.60.80.81.0短期干擾力矩 MT(Nm)506570758085系統(tǒng)位置檢測元件采用變壓器式自整角機(jī)組合Kbs=50V/rad,相敏整流器采用二極管環(huán)形整流器,Kph由計算確定,Tph=0.002s,功率放大器采用橋式PWM變換器,Ks=20, Ts=0.0004s, 系統(tǒng)采用位置、速度、電流三環(huán)結(jié)構(gòu),電流反饋系數(shù)=2V/A ,Toi=0.001s速度反饋系數(shù)=0.064V.s/rad,Ton=0.001s。二、
4、供選擇的直流電動機(jī)參數(shù)Pnom(W)V nom(V)Inom(A)nnom(r/min)Jd(kgm2)Z2-214001105.5910000.023Z2-226001107.6910000.026Z2-3180011010.0210000.029Z2-32100011013.2310000.0323設(shè)計工作任務(wù)及工作量的要求包括課程設(shè)計計算說明書(論文)、圖紙、實物樣品等:三、設(shè)計要求 1、計算并選擇電動機(jī)型號及調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)參數(shù); 2、畫出系統(tǒng)的電氣原理圖(標(biāo)明各環(huán)節(jié)參數(shù),計算機(jī)制圖,推薦使用Protell軟件); 3、畫出系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖(標(biāo)明各環(huán)節(jié)參數(shù)); 4、利用MATLAB軟件對所
5、設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行驗證,給出仿真結(jié)果; 5、利用Bode圖近似畫法,繪制系統(tǒng)的對數(shù)頻域漸近特性; 6、對比(4)、(5)的圖形并說明其異同; 7、提交設(shè)計說明書。 課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書4主要參考文獻(xiàn):1 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng).第三版.北京.機(jī)械工業(yè)出版社.2003:11144 2 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng).第二版.北京.機(jī)械工業(yè)出版社.2000:151-1723 黃忠霖.控制系統(tǒng)MATLAB計算及防真.北京.國防工業(yè)出版社.2001:11-3274 胡壽松.自動控制原理.北京.科學(xué)出版社.2001:32-1325 徐以榮,冷增祥.電力電子技術(shù).南京.東南大學(xué)出版社.1999:15
6、3-1656 趙昌穎,宋世光.電力拖動基礎(chǔ).哈爾濱.哈爾濱人民出版社.1996:86-987 李正熙,白晶主.電力拖動自動控制系統(tǒng).北京.冶金工業(yè)出版社.1997:184-1968 陳伯時.自動控制系統(tǒng).北京.機(jī)械工業(yè)出版社.1981:55-1859 王兆安,黃俊主.電力電子技術(shù).第四版.北京.機(jī)械工業(yè)出版社.2000:64-86 5設(shè)計成果形式及要求:提交設(shè)計說明書,并給出計算過程以及各種電路圖,仿真圖結(jié)果。6工作計劃及進(jìn)度:2013 年 12 月 9 日 12 月 10 日 查閱與設(shè)計相關(guān)的資料 12 月 11 日 12 月 12 日 學(xué)習(xí)和理解找到的資料 12 月 13 日 12 月 1
7、5 日 根據(jù)設(shè)計要求開始設(shè)計 12 月 16 日 12 月 19 日 用計算機(jī)制圖和仿真,完成設(shè)計 12 月 20 日 12 月 20 日 答辯或成績考核基層教學(xué)組織審查意見: 簽字: 年 月 日 位置隨動系統(tǒng)的概述一位置隨動系統(tǒng)的概念 位置隨動控制系統(tǒng)又名伺服控制系統(tǒng)。其參考輸入是變化規(guī)律未知的任意時間函數(shù)。隨動控制系統(tǒng)的任務(wù)是使被控量按同樣規(guī)律變化并與輸入信號的誤差保持在規(guī)定范圍內(nèi)。這種系統(tǒng)在軍事上應(yīng)用最為普遍.如導(dǎo)彈發(fā)射架控制系統(tǒng),雷達(dá)天線控制系統(tǒng)等。其特點是輸入為未知。伺服驅(qū)動系統(tǒng)(Servo System)簡稱伺服系統(tǒng),是一種以機(jī)械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng),例如數(shù)控機(jī)床等
8、。使用在伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動電機(jī)要求具有響應(yīng)速度快、定位準(zhǔn)確、轉(zhuǎn)動慣量較大等特點,這類專用的電機(jī)稱為伺服電機(jī)。當(dāng)然,其基本工作原理和普通的交直流電機(jī)沒有什么不同。該類電機(jī)的專用驅(qū)動單元稱為伺服驅(qū)動單元,有時簡稱為伺服,一般其內(nèi)部包括電流、速度和/或位置閉環(huán)。二位置隨動系統(tǒng)的基本組成1.電位器式位置隨動系統(tǒng)的組成下面通過一個簡單的例子說明位置隨動系統(tǒng)的基本組成,其原理圖如圖1-1所示。這是一個電位器式的小功率位置隨動系統(tǒng),有以下五個部分組成:圖1-1 電位器式位置隨動系統(tǒng)原理圖(1)位置傳感器 由電位器和組成位置傳感器。是給定位置傳感器,其轉(zhuǎn)軸與操縱輪連接,發(fā)出轉(zhuǎn)角給定信號;是反饋位置傳感器,其轉(zhuǎn)軸
9、通過傳動機(jī)構(gòu)與負(fù)載的轉(zhuǎn)軸相連,得到轉(zhuǎn)角反饋信號。兩個電位器由同一個直流電源供電,使電位器輸出電壓和,直接將位置信號轉(zhuǎn)換成電壓量。誤差電壓反映了給定與反饋的轉(zhuǎn)角誤差,通過放大器等環(huán)節(jié)拖動負(fù)載,最終消滅誤差。(2)電壓比較放大器(A) 兩個電位器輸出的電壓信號和在放大器A中進(jìn)行比較與放大,發(fā)出控制信號。由于是可正可負(fù)的,放大器必須具有鑒別電壓極性的能力。輸出的控制電壓也是可逆的。(3)電力電子變換器(UPE) 它主要起功率放大的作用(同時也放大了電壓),而且必須是可逆的。在小功率直流隨動系統(tǒng)中多用P-MOSFET或IGBT橋式PWM變換器。對于大功率位置隨動系統(tǒng),會用到可逆的脈寬調(diào)制式PWM變換器
10、。(4)伺服電機(jī)(SM) 在小功率直流隨動系統(tǒng)中多用永磁式直流伺服電機(jī),在不同情況下也可采用其它直流或交流伺服電機(jī)。大功率隨動系統(tǒng)中也可采用永磁式直流伺服電機(jī),由伺服電機(jī)和電力電子變換器構(gòu)成可逆拖動系統(tǒng)是位置隨動系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。(5)減速器與負(fù)載 在一般情況下負(fù)載的轉(zhuǎn)速是很低的,在電機(jī)與負(fù)載之間必須設(shè)有傳動比為的減速器。在現(xiàn)代機(jī)器人、汽車電子機(jī)械等大功率設(shè)備中,為了減少機(jī)械裝置,傾向于采用低速電機(jī)直接傳動,可以取消減速器。以上五個部分是各種位置隨動系統(tǒng)都有的,在不同情況下,由于具體條件和性能要求的不同,所采用的具體元件、裝置和控制方案可能有較大的差異。2.位置隨動系統(tǒng)的分類隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展出
11、現(xiàn)了各類隨動系統(tǒng)由于位置隨動系統(tǒng)的特征體現(xiàn)在位置上,體現(xiàn)在位置給定信號和位置反饋信號及兩個信號綜合比較方面,因此可根據(jù)這個特征將它劃分為兩個類型,一類是模擬式隨動系統(tǒng),一類是數(shù)字式隨動系統(tǒng)。數(shù)字式隨動系統(tǒng)又可分為數(shù)字相位隨動系統(tǒng)和數(shù)字脈沖隨動系統(tǒng)。由于本次設(shè)計研究的是模擬隨動系統(tǒng),數(shù)字隨動系統(tǒng)就不做介紹。對于模擬隨動系統(tǒng)可按閉環(huán)系統(tǒng)分為三類。多環(huán)位置隨動系統(tǒng)這里只詳細(xì)介紹經(jīng)典的位置、轉(zhuǎn)速、電流三環(huán)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速,這類系統(tǒng)適用廣泛。多環(huán)系統(tǒng)還包括只有位置環(huán)、電流環(huán),沒有轉(zhuǎn)速環(huán);或是只有位置環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán),沒有電流環(huán),其實同三環(huán)系統(tǒng)大同小異,分析和設(shè)計方法相同。位置、轉(zhuǎn)速、電流三環(huán)系統(tǒng)在電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)雙
12、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,外邊再加一個位置控制環(huán),便形成一個三環(huán)控制系統(tǒng),如圖1-2所示。三環(huán)的調(diào)節(jié)器分別稱為位置調(diào)節(jié)器(APR)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)、電流調(diào)節(jié)器(ACR)。其中位置環(huán)屬外環(huán),是最主要的環(huán),轉(zhuǎn)速環(huán)即是位置環(huán)的內(nèi)環(huán),又是電流環(huán)的外環(huán),電流環(huán)是系統(tǒng)內(nèi)環(huán)。在設(shè)計調(diào)節(jié)器時,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器可按原雙閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計和整定方法來解決。其中位置調(diào)節(jié)器APR就是位置環(huán)校正裝置,它的類型和參數(shù)決定了位置隨動系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差和動態(tài)跟隨性能,其輸出限幅值決定了電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。位置、轉(zhuǎn)速、電流三個閉環(huán)都畫成單位反饋,反饋系數(shù)都已計入各調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)中去。和雙閉環(huán)控制系統(tǒng)一樣,多環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計
13、方法也是從內(nèi)環(huán)到外環(huán),逐個設(shè)計各環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)器。按此規(guī)律,對于如圖1-2所示的三環(huán)位置隨動系統(tǒng),應(yīng)首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器ACR,然后將電流環(huán)簡化成轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié),和其它環(huán)節(jié)一起構(gòu)成轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的控制對象,再設(shè)計ASR。最后,再把整個轉(zhuǎn)速環(huán)簡化為位置環(huán)中的一個環(huán)節(jié),從而設(shè)計位置調(diào)節(jié)器APR。逐環(huán)設(shè)計可以使每個控制環(huán)都是穩(wěn)定的,從而保證整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)的對象參數(shù)變化或擾動時,電流反饋和轉(zhuǎn)速反饋都能夠起到及時的抑制作用,使之對位置環(huán)的工作影響很小。同時每個環(huán)節(jié)都有自己的控制對象,分工明確,易于調(diào)整。但這樣的逐環(huán)設(shè)計的多環(huán)控制系統(tǒng)也有明顯的不足,即對外環(huán)的控制作用的響應(yīng)不會很
14、快。這是因為設(shè)計每個環(huán)節(jié)時,都要將內(nèi)環(huán)等效成其中的一個環(huán)節(jié),而這種等效環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)之所以能夠成立,是以外環(huán)的截止頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于內(nèi)環(huán)為前提的。在一般模擬控制的隨動系統(tǒng)中,電流環(huán)的截位置、轉(zhuǎn)速、電流三環(huán)位置隨動系統(tǒng)的原理圖BQ-光電位置傳感器 DSP-數(shù)字轉(zhuǎn)速信號形成環(huán)節(jié)止頻率約,轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率約在2030之間,最高不超過50,照此推算,位置環(huán)的截止頻率只有左右。位置環(huán)的截止頻率被限制的太低,會影響系統(tǒng)的快速性,因為這類三環(huán)控制的位置隨動系統(tǒng)只適用于對快速跟隨性能要求不高的場合,例如點位控制的機(jī)床隨動系統(tǒng)。在近代數(shù)字控制的隨動系統(tǒng)中,控制對象的快速響應(yīng)性能已經(jīng)大大提高,各控制環(huán)的采樣周期也可以大大
15、縮短,其轉(zhuǎn)速環(huán)的截止頻率達(dá),因而位置環(huán)的截止頻率也可以提高,在要求高動態(tài)性能的數(shù)控機(jī)床軌跡控制和機(jī)器人控制中都取得了很好的應(yīng)用效果。在位置、轉(zhuǎn)速 、電流三環(huán)系統(tǒng)中,位置調(diào)節(jié)器的輸出是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入,速度調(diào)節(jié)器是電流調(diào)節(jié)器的輸入,電流調(diào)節(jié)器的輸出直接控制功率變換單元,也就是脈寬調(diào)制系統(tǒng)。這三個環(huán)的反饋信號都是負(fù)反饋,三個環(huán)都是反相放大器。三環(huán)相制約,使控制達(dá)到極其完美的地步。三三環(huán)隨動系統(tǒng)的基本組成及其數(shù)學(xué)模型的建立 1.三環(huán)隨動系統(tǒng)的基本組成:系統(tǒng)可分為以下八個部分:1位置環(huán)我們只分析它的數(shù)學(xué)模型,不會把它作具體介紹。可以近似為一階慣性環(huán)節(jié),傳遞函數(shù)為 2位置傳感器 模擬隨動系統(tǒng)的位置傳感器
16、如前所述,大體可以分為兩種,電位器和基于電磁感應(yīng)原理的位置傳感器?;陔姶鸥袘?yīng)原理的位置傳感器有自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器等,是應(yīng)用比較廣泛的模擬式位置傳感器,可靠性和精度都比較高。本次設(shè)計采用的位置傳感器是自整角機(jī)。自整角機(jī)是角位移傳感器,在隨動系統(tǒng)中總是成對應(yīng)用的。與指令軸相聯(lián)的自整角機(jī)稱為發(fā)送機(jī),與執(zhí)行軸相聯(lián)的稱作接收機(jī)。按用途不同,自整角機(jī)可分為力矩式自整角機(jī)和控制式自整角機(jī)兩類。力矩式自整角機(jī)可以不經(jīng)中間放大環(huán)節(jié),直接傳遞轉(zhuǎn)角信息,一般用于微功率同步旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。對功率較大的負(fù)載,力矩式自整角機(jī)帶動不了,可采用控制式自整角機(jī),將自整角接收機(jī)接成變壓器狀態(tài),其輸出電壓通過中間放大環(huán)節(jié)
17、帶動負(fù)載,組成自整角機(jī)隨動系統(tǒng)。下面簡單分析本次設(shè)計使用的控制式自整角機(jī)的工作原理和使用。先看單相自整角機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理。它具有個單相勵磁繞組和一個三相整步繞組,單相勵磁繞組安置在轉(zhuǎn)子上,通過兩個滑環(huán)引入交流勵磁電流,勵磁磁極通常做成隱極式。這樣可使輸入阻抗不隨轉(zhuǎn)子位置而變化。整步繞組是三相繞組,一般為分布繞組,安置在定子上,它們被此在空間相隔,并接成Y形。BST為自整角發(fā)送機(jī),BSR為自整角接收機(jī)。本次模型中采用的自整角機(jī)的放大系數(shù)。自整角機(jī)本身的檢測誤差。傳遞函數(shù)為式(4-2),是簡單的線性函數(shù)在數(shù)學(xué)模型將不會出現(xiàn),但在計算穩(wěn)態(tài)誤差時將會用到自整角機(jī)的參數(shù)。自整角機(jī)還包括相敏整流器URP
18、,可以把它當(dāng)作自整角機(jī)的一部分,相當(dāng)于一個電壓放大器,并反映的極性,放大系數(shù)2,當(dāng)然它在數(shù)學(xué)模型中也不會出現(xiàn)。3電壓比較放大器(A)這是位置隨動系統(tǒng)所必須有的裝置。它的作用是發(fā)出控制信號,由于可正可負(fù)。放大器必須具有鑒別電壓極性的能力,輸出的控制的電壓也是可逆的。放大系數(shù),函數(shù)關(guān)系。這個簡單的函數(shù)關(guān)系也不會在數(shù)學(xué)模型中出現(xiàn)。4電力電子變換器(UPE) 起功率放大作用,而且是可逆的。PWM變換器有可逆和不可逆兩類,可逆變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等。在本次大功率隨動系統(tǒng)中選取雙極式控制的橋式可逆PWM變換器,因為是大功率系統(tǒng)變換器采用可關(guān)斷晶閘管。采用PWM的調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展越來越成熟,用途
19、也很廣,與單純的晶閘管調(diào)速系統(tǒng)相比有很多優(yōu)點1)主電路線路簡單,需用的功率器件少;2)開關(guān)頻率高,電流容易連續(xù),諧波少,電機(jī)損耗及發(fā)熱都較??;3)低速性能好,穩(wěn)速精度高,調(diào)速范圍寬,可達(dá)1:10000左右;4)若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合,則系統(tǒng)頻帶寬,動態(tài)響應(yīng)快,動態(tài)抗擾能力強(qiáng);5)功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài),導(dǎo)通損耗小,當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時,開關(guān)損耗也不大,因而裝置效率較高;6)直流電源采用不控整流時,電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。 橋式可逆PWM變換器的原理圖本次設(shè)計采用的PWM變換器的開關(guān)頻率=2500,即失控時間=0.4,失控時間已經(jīng)非常小,大大提高了系統(tǒng)的快速性,所以時間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可
20、以近似看成是一個一階慣性環(huán)節(jié)(其中=),傳遞函數(shù)為 5電流調(diào)節(jié)器(ACR)按工程設(shè)計法選擇典型I型系統(tǒng),PI調(diào)節(jié)器。傳遞函數(shù)為 6轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)按工程設(shè)計法選擇典型I型系統(tǒng),選用PI調(diào)節(jié)器。傳遞函數(shù)為 7位置調(diào)節(jié)器(AWR)按工程設(shè)計法和位置系統(tǒng)的校正,典型II型系統(tǒng),選用PID調(diào)節(jié)器。傳遞函數(shù)為 8伺服電機(jī)(SM)基于本次設(shè)計的大功率隨動系統(tǒng)選擇永磁式直流伺服電機(jī),即直流他勵電動機(jī),型號為Z2-32,銘牌參數(shù),。伺服電機(jī)可視為一個二階系統(tǒng),分為兩個傳遞函數(shù),,一部分為電機(jī)電樞近似成一階慣性環(huán)節(jié),傳遞函數(shù)為 一部分為傳動裝置近似為積分環(huán)節(jié),傳遞函數(shù)為 9負(fù)載負(fù)載就不做具體介紹,它也是系統(tǒng)
21、是整個系統(tǒng)的被控位置對象,我們主要研究它的數(shù)學(xué)模型。傳遞函數(shù)近似為積分環(huán)節(jié) 三環(huán)隨動系統(tǒng)功率大,采用低轉(zhuǎn)速的直流伺服電機(jī),所以本設(shè)計取消減速器。 2.三環(huán)隨動系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型三環(huán)隨動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.三環(huán)隨動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算已知直流他勵電動機(jī),型號為Z2-32,銘牌參數(shù),。電力電子變換器的增益,電壓放大器的增益,相敏整流器的放大系數(shù)由計算決定。自整角機(jī)的放大系數(shù)。計算過程如下:電動機(jī)的額定效率為 電動機(jī)的電樞電阻為 電動機(jī)的電動勢系數(shù)為 電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)為 位置隨動系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)框圖(未考慮校正裝置)四按工程設(shè)計方法設(shè)計三環(huán)隨動系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器5.電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計1電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化 在圖4
22、-4中,在一般情況下,系統(tǒng)的電磁時間常數(shù)遠(yuǎn)小于機(jī)電時間常數(shù),因此轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢的多,對電流環(huán)來說,反電動勢是一個變化較慢的的擾動,在電流的瞬變過程中,可以認(rèn)為反電動勢基本不變,即 。這樣在按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時,可以暫不考慮反電動勢變化的動態(tài)影響,也就是說,可以暫且把反電動勢的作用去掉,得到電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)框圖,可以證明,忽略反電動勢對電流作用的近似條件是 式中電流環(huán)開環(huán)頻率特性的截止頻率。 由于比小的多,可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié),其時間常數(shù)為 電流環(huán)簡化的近似條件為 2電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇 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,
23、以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性,可以看出,采用I型就夠了。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時有太大的超調(diào),以保證電流在動態(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因素。為此,電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主,即應(yīng)選擇典型I型系統(tǒng)。 如圖4-6所示,為電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖。圖4-6表明,電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的,要校正成典型I型系統(tǒng),顯然采用PI型的電流調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)可以寫成 為了讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消,選擇 電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成典型形式,其中 繪出了校正后的開環(huán)對數(shù)幅頻特性。上述結(jié)果是在假定條件下得到的,現(xiàn)將用過的假定條
24、件歸納如下,以便具體設(shè)計時校驗。電力電子變換器純滯后近似處理 忽略反電動勢變化的動態(tài)影響 電流環(huán)的小慣性群的近似處理 如果實際系統(tǒng)要求的跟隨性能指標(biāo)不同,參數(shù)當(dāng)然應(yīng)作相應(yīng)的改變。3電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算可以看出,電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)是和其中已選定,待定的只有比例系數(shù)可根據(jù)所要的動態(tài)性能指標(biāo)選取。在三環(huán)隨動系統(tǒng)中,已知有,,電流反饋系數(shù)。希望電流超調(diào)量,可以使動態(tài)響應(yīng)更快。 所以電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)為所以有 于是,ACR的比例系數(shù)為 4校驗的近似條件已知電流環(huán)的截止頻率電力電子變換器純滯后近似條件為 忽略反電動勢變化的動態(tài)影響的近似條件為 電流環(huán)的小慣性群的近似處理的條件為 所以計算出的電流調(diào)節(jié)器的傳遞函
25、數(shù)為 =但有兩個校驗條件不滿足,可知系統(tǒng)的參數(shù)需要整定。我們可以看出計算得到的電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)與給定的一致但時間常數(shù)不一致。我們要通過仿真分析出兩個電流環(huán)的不同。6.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計1電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)的一個環(huán)節(jié),我們可以求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù) 忽略高次項, 可降階近似為 近似條件為 式中轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)頻率特性的截止頻率。接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi),電流環(huán)等效的輸入量為,因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為 這樣,原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象,經(jīng)閉環(huán)控制后,可以近似地等效成只有較小時間常數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié),這就表明,電流的閉環(huán)控制對象,加快了電流的跟隨作用,這是局部閉環(huán)控制的一個重
26、要功能。 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的選擇 在第三章已經(jīng)提到,同直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器選擇不同,在電流和轉(zhuǎn)速兩個環(huán)之外還有位置環(huán),所以轉(zhuǎn)速環(huán)也應(yīng)設(shè)計成典型I型系統(tǒng),選擇PI調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為 3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)的計算此時的轉(zhuǎn)速環(huán)可以等效為所示的結(jié)構(gòu)圖。同樣選擇,可滿足系統(tǒng)的快速響應(yīng),。所以有轉(zhuǎn)速環(huán)的時間常數(shù)為 , 按設(shè)計要求,選用PI調(diào)節(jié)器按跟隨和抗擾性能都較好的原則,取h=5,則ASR的超前時間常數(shù)為 轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為 所以轉(zhuǎn)速環(huán)的比例系數(shù)為 131.7檢驗近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 所以經(jīng)工程計算法得到的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的模型為 =計算后得到的轉(zhuǎn)
27、速調(diào)節(jié)器與給定轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器相比比例系數(shù)一樣,但是時間常數(shù)不一樣,同時不滿足電流環(huán)簡化的近似條件,我們也會在仿真中兩套參數(shù)下的系統(tǒng)做出比較。五三環(huán)位置隨動系統(tǒng)的MATLAB仿真 給定參數(shù)的三環(huán)隨動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖 5-9 電流環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖與奈奎斯特圖轉(zhuǎn)速環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖與奈奎斯特圖三環(huán)隨動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖用MATLAB仿真結(jié)果如圖5-10所示。如圖5-10 所示三環(huán)隨動系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線??v坐標(biāo)表示位移,單位為米。橫坐標(biāo)表示時間,單位為秒。圖5-10 三環(huán)隨動系統(tǒng)的仿真圖 由圖5-10可知系統(tǒng)的跟隨性能指標(biāo)為:超調(diào)量13.95%,調(diào)節(jié)時間0.0335,峰值時間0.0423。如圖5-12所示三
28、環(huán)隨動系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線??v坐標(biāo)表示位移,單位為米。橫坐標(biāo)表示時間,單位為秒。 由圖5-12可知系統(tǒng)的跟隨性能指標(biāo): 超調(diào)量12.5%,調(diào)節(jié)時間0.042,峰值時間0.046。經(jīng)計算的電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器組成的三環(huán)隨動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖5-11所示。圖5-11 經(jīng)計算的電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器組成的三環(huán)隨動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖用MATLAB仿真結(jié)果如圖5-12所示。圖5-12 經(jīng)計算的電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器組成的三環(huán)隨動系統(tǒng)的仿真圖5.4 MATLAB仿真結(jié)果分析首先比較電流環(huán)的仿真圖,圖5-2的階躍響應(yīng)曲線的超調(diào)量要比圖5-4的要大,而前者的調(diào)節(jié)時間要比后者小,峰值時間相差不大??芍o定的電流環(huán)的動態(tài)響應(yīng)要比經(jīng)計算得到的電流環(huán)的要慢,而且后者有系統(tǒng)誤差,可見前者的穩(wěn)定性和動態(tài)響都要好于后者。驗證計算時不滿足校驗近似條件的正確性。再比較直流雙閉環(huán)的仿真圖,明顯看出經(jīng)計算得到的雙閉環(huán)系統(tǒng)的振蕩次數(shù)多,穩(wěn)定性不好,而且調(diào)節(jié)時間也比給定的雙閉環(huán)系統(tǒng)的要大,動態(tài)響應(yīng)也相對慢。也可以驗證經(jīng)計算得到的直流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器參數(shù)的不穩(wěn)定,調(diào)節(jié)時間需要調(diào)整。最后比較整個三環(huán)隨動系統(tǒng),經(jīng)PID校正后。兩個系統(tǒng)都是穩(wěn)定的,抗擾性能滿足要求,但給定參數(shù)的三環(huán)隨動系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)中的動態(tài)響應(yīng)要更快些,峰值時間短一些說明靈敏度和穩(wěn)定性也要好一
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