轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、在轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)對(duì)電樞電流加以保護(hù)，缺少對(duì)電樞電流的精確控制，也就無(wú)法充分發(fā)揮直流伺服電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，因而也就達(dá)不到調(diào)速系統(tǒng)的快速起動(dòng)和制動(dòng)的效果。通過(guò)在轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加電流閉環(huán)，即按照快速起動(dòng)和制動(dòng)的要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)電樞電流的精確控制，實(shí)質(zhì)上是在起動(dòng)或制動(dòng)過(guò)程的主要階段，實(shí)現(xiàn)一種以電動(dòng)機(jī)最大電磁力矩輸出能力進(jìn)行啟動(dòng)或制動(dòng)的過(guò)程。 一、設(shè)計(jì)要求設(shè)一個(gè)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，采用雙極式H橋PWM方式驅(qū)動(dòng)，已知電動(dòng)機(jī)參數(shù)為：二、 電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)仿真過(guò)程雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其他多環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則一樣：先設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)（即電流環(huán)），在將內(nèi)環(huán)看

2、成外環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié)，進(jìn)而設(shè)計(jì)外環(huán)（即轉(zhuǎn)速環(huán)）。1. 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算 *Uim10電流反饋系數(shù)：b=1.25V/A lInom2´4*Unm10轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：a=0.02Vmin/r lInom5002. 電流環(huán)設(shè)計(jì)1) 確定時(shí)間常數(shù)Ts=11=0.1msf10kHz由電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.0002s，按電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)環(huán)節(jié)的近似處理方法，取Ti=Ts+Toi=0.0001+0.0002=0.0003s å2) 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)電流環(huán)可按典型型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。電流調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為GACR(s)=Ki3) 選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)超前時(shí)間常數(shù): ti=Tl=0.008

3、s由于si£5%，故KlT故Kl=tis+1 tisåi=0.5 0.50.5=»1666.6667s-1 Ti0.0003å電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)為：Ki=Kl4) 檢驗(yàn)近似條件 tiR0.008´8=1666.7´»17.78 bKS1.25´4.8電流環(huán)的截止頻率：wci=Kl=1666.6667s-1i. 近似條件一：11=»3333.3333>wci（滿足近似條件） 3Ts3´0.0001ii. 近似條件二：iii. =3<wci（滿足近似條件） 近似條件三：1=ci（滿足近似

4、條件） 33. 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)1) 確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)：2T小時(shí)間常數(shù)近似處理：Tåi=0.0006s åi+Ton=0.0006+0.001=0.0016s2) 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由于轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中必須包含積分環(huán)節(jié)，又根據(jù)動(dòng)態(tài)要求，應(yīng)按典型型系統(tǒng)校正轉(zhuǎn)速環(huán)，因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器應(yīng)選擇PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：GASR(s)=Kntns+1 tns3) 選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨型和抗擾性能均比較好的原則，取h=5，則轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)為：tn=hT轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益： ån=5´0.0016=0.008sKN=h+15+1=»

5、46875s-2 22222hTn2´5´0.0016å于是，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器比例系數(shù)為：Kn=4) 校驗(yàn)近似條件 (h+1)bCeTm6´1.25´0.04´0.5=»58.59 2haRTn2´5´0.02´8´0.0016å轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)截止頻率：wcn=KNw1=KNtn=46875´0.008»375s-1i. 近似條件一：1>wcn 5Tiå11=»666.67>wcn（滿足近似條件） 5Ti5´0.0003&#

6、229;ii.>wcn=430.33>wcn（滿足近似條件） 三、 MATLAB仿真1. 電流環(huán)仿真1) 頻域分析在matlab/simulink中建立電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及校正成典型型系統(tǒng)的電流環(huán)開環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（如圖1-1、1-2、所示），建模結(jié)果如下：2) 圖1-1 經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流開環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3) 圖1-2 未經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似處理的電流開環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖命令窗口分別輸入以下命令分別得到Bode圖%MATLAB PRGRAM L584.Mn1=1.25*4.8;d1=0.0003 1;s1=tf(n1,d1);n2=0.008 1;d2=0.008/17.78 0

7、;s2=tf(n2,d2); n3=1/8;d3=0.008 1;s3=tf(n3,d3);sys=s1*s2*s3;margin(sys);grid on和%MATLAB PRGRAM L582.Mn1=1;d1=0.0002 1;s1=tf(n1,d1);n2=0.008 1;d2=0.008/17.78 0;s2=tf(n2,d2); n3=4.8;d3=0.0001 1;s3=tf(n3,d3);n4=1/8;d4=0.008 1;s4=tf(n4,d4);n5=1.25;d5=1;s5=tf(n5,d5);n6=1;d6=0.0002 1;s6=tf(n6,d6);sys=s1*s2

8、*s3*s4*s5*s6;margin(sys);grid on得到頻域分析曲線（如圖1-3、1-4所示）圖1-3 實(shí)際電流環(huán)開環(huán)bode圖圖1-4 小參數(shù)環(huán)節(jié)合并后電流環(huán)bode圖比較上述兩圖，兩條曲線基本吻合，對(duì)于一般機(jī)械系統(tǒng)，滿足要求2) 階躍響應(yīng)分析在matlab/simulink中建立電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及校正成典型型系統(tǒng)的電流環(huán)閉環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（如圖1-5、1-6、所示），建模結(jié)果如下：圖1-5 經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流閉環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖1-6 未經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似處理的電流閉環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖命令窗口輸入以下命令分別得到階躍響應(yīng)曲線%MATLAB PRGRAM L583.M/ L58

9、1.Ma1,b1,c1,d1=linmod('flex3'/'flex1'); s1=ss(a1,b1,c1,d1);step(s1)得到階躍響應(yīng)曲線（如圖1-7、1-8所示）圖1-7實(shí)際電流環(huán)階躍響應(yīng)仿真曲線圖1-8 小參數(shù)環(huán)節(jié)合并后電流環(huán)階躍響應(yīng)仿真曲線通過(guò)兩種增益條件下電流環(huán)階躍響應(yīng)曲線可以看出，小參數(shù)環(huán)節(jié)合并后的電流環(huán)階躍響應(yīng)仿真曲線與原曲線基本一致，且超調(diào)量略小，但達(dá)到平衡的時(shí)間較長(zhǎng)。盡管如此，不影響主要參數(shù)的條件（如超調(diào)量、上升時(shí)間等）。通過(guò)仿真可知通過(guò)減小電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，可以做到電流沒有超調(diào)量，但電流的上升速度和調(diào)節(jié)時(shí)間都要拖長(zhǎng)一些。考慮到雙

10、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的初衷，電流存在一些超調(diào)當(dāng)然是可取的。因?yàn)橛欣陔妱?dòng)機(jī)的加速，同時(shí)電動(dòng)機(jī)又不會(huì)出現(xiàn)不良影響。2. 轉(zhuǎn)速環(huán)仿真1) 頻域分析在matlab/simulink中建立轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)原動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)近似處理后動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（如圖2-1、2-2所示），建模結(jié)果如下：圖2-1 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)原simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖2-2 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)近似處理后simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖命令窗口輸入以下命令分別得到Bode圖%MATLAB PRGRAM L586.Mn1=1;d1=0.0001 1;s1=tf(n1,d1);n2=0.008 1;d2=0.008/58.59 0;s2=tf(n2,d2); n3

11、=1/1.25;d3=0.0006 1;s3=tf(n3,d3); n4=8;d4=0.02 0;s4=tf(n4,d4);n5=0.02;d5=0.001 1;s5=tf(n5,d5);sys=s1*s2*s3*s4*s5;margin(sys);grid on和%MATLAB PRGRAM L588.Mn1=0.008 1;d1=0.008/58.59 0;s1=tf(n1,d1); n2=0.02/1.25;d2=0.0016 1;s2=tf(n2,d2); n3=8;d3=0.02 0;s3=tf(n3,d3);sys=s1*s2*s3;margin(sys);grid on得到頻域分

12、析曲線（如圖2-3、2-4所示）圖2-3 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻域響應(yīng)仿真曲線（原）圖2-4 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻域響應(yīng)仿真曲線（近似處理后）比較兩圖，趨勢(shì)基本一致。曲線后一段的相位有較大的差異，可能是建模的不準(zhǔn)確的原因。2） 階躍響應(yīng)分析在matlab/simulink中建立轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)原動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)近似處理后動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（如圖2-5、2-6所示），建模結(jié)果如下：圖2-5 轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)原simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖2-6 轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)近似處理后simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖命令窗口輸入以下命令分別得到階躍響應(yīng)曲線 %MATLAB PRGRAM L585.M/ L587.Ma1,b1,c1,d1=linmod(&

13、#39;flex5'/'flex7'); s1=ss(a1,b1,c1,d1);step(s1)得到階躍響應(yīng)曲線（如圖2-7、2-8所示）2-7 轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)的單位階躍響應(yīng)曲線（原）2-8 轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)的單位階躍響應(yīng)曲線（近似處理后）未經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)近似處理的轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)單位階躍響應(yīng)的單位階躍曲線與經(jīng)過(guò)小參數(shù)環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)速換閉環(huán)單位階躍響應(yīng)的單位階躍曲線形狀相似，但是縱坐標(biāo)相差較大，可能原因是近似處理時(shí)某個(gè)放大環(huán)節(jié)被忽略，導(dǎo)致較大的差異。四、 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)（綜合）的設(shè)計(jì)仿真轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)，是各種交、直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)、具有調(diào)速范圍寬、平穩(wěn)性好、穩(wěn)速精度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于冶金、建材、印刷、電纜、機(jī)床和礦山等行業(yè)，在拖動(dòng)領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用。1. 建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖利用前面建立的電流和轉(zhuǎn)速的模塊動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，綜合設(shè)計(jì)，得到雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（如圖3-1所示）圖3-1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)s