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

1、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)1.設(shè)計(jì)意義電機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械,鋼鐵,礦山,冶金,化工,石油,紡織,等行業(yè)。這些行業(yè)中絕大部分生產(chǎn)機(jī)械都采用電動(dòng)機(jī)做原動(dòng)機(jī)。有效地控制電機(jī),提高其運(yùn)行性能,對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。20世紀(jì)90年代前地大約50年的時(shí)間里,直流電動(dòng)機(jī)幾乎是唯一的一種能實(shí)現(xiàn)高性能拖動(dòng)控制的電動(dòng)機(jī),直流電動(dòng)機(jī)的定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)互相獨(dú)立并且正交,為控制提供了便捷的方式,使得電動(dòng)機(jī)具有優(yōu)良的啟動(dòng),制動(dòng)和調(diào)速性能。盡管近年來(lái)直流電動(dòng)機(jī)不斷受到交流電動(dòng)機(jī)及其他電動(dòng)機(jī)的挑戰(zhàn),但至今直流電動(dòng)機(jī)仍然是大多數(shù)變速運(yùn)動(dòng)控制和閉環(huán)位置伺候控制首選。因?yàn)樗哂辛己玫木€性特征,優(yōu)異的控制性

2、能,高效率等優(yōu)點(diǎn)。直流調(diào)速仍然是目前最可靠,精度最高的調(diào)速方法。2.設(shè)計(jì)思想直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能,宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速,在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從控制的角度來(lái)看,直流調(diào)速還是交流拖動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)中設(shè)置了電流檢測(cè)環(huán)節(jié)、電流調(diào)節(jié)器以及轉(zhuǎn)速檢測(cè)環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器,構(gòu)成了電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán),前者通過(guò)電流元件的反饋?zhàn)饔梅€(wěn)定電流,后者通過(guò)轉(zhuǎn)速檢測(cè)元件的反饋?zhàn)饔帽３洲D(zhuǎn)速穩(wěn)定,最終消除轉(zhuǎn)速偏差,從而使系統(tǒng)達(dá)到調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)速的目的。該系統(tǒng)起動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)速外環(huán)飽和不起作用,電流內(nèi)環(huán)起主要作用,調(diào)節(jié)起動(dòng)電流保持最大值,使轉(zhuǎn)速線性變化,迅速達(dá)到給定值;穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)速負(fù)

3、反饋外環(huán)起主要作用,使轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速給定電壓的變化而變化,電流內(nèi)環(huán)跟隨轉(zhuǎn)速外環(huán)調(diào)節(jié)電機(jī)的電樞電流以平衡負(fù)載電流。并通過(guò)Simulink進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模和系統(tǒng)仿真,分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特性。 圖1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖3.設(shè)計(jì)方法及過(guò)程該方案主要由給定環(huán)節(jié)、ASR 、ACR 、觸發(fā)器和整流裝置環(huán)節(jié)、速度檢測(cè)環(huán)節(jié)以及電流檢測(cè)環(huán)節(jié)組成。為了使轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋分別起作用,系統(tǒng)設(shè)置了電流調(diào)節(jié)器ACR 和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR 。電流調(diào)節(jié)器ACR 和電流檢測(cè)反饋回路構(gòu)成了電流環(huán);轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR 和轉(zhuǎn)速檢測(cè)反饋回路構(gòu)成轉(zhuǎn)速環(huán),稱為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。因轉(zhuǎn)速環(huán)包圍電流環(huán),故稱電流環(huán)為內(nèi)環(huán),轉(zhuǎn)速

4、環(huán)為外環(huán)。在電路中,ASR 和ACR 串聯(lián),即把ASR 的輸出當(dāng)做ACR 的輸入,再由ACR 得輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)器。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能,轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用具有輸入輸出限幅功能的PI 調(diào)節(jié)器,且轉(zhuǎn)速和電流都采用負(fù)反饋閉環(huán)。該方案的原理框圖如下圖圖1(1 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理及數(shù)學(xué)模型 (2 雙閉環(huán)直流調(diào)速的工程設(shè)計(jì)(3 應(yīng)用MATLAB 軟件對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真和校正4.電流環(huán)的設(shè)計(jì) 一、電流環(huán)的簡(jiǎn)化:電壓 電流檢測(cè) ASAC整流觸發(fā)裝置電動(dòng)機(jī)負(fù)載速度檢測(cè) 圖2按典型I 型系統(tǒng)設(shè)計(jì),ACR 選PI 調(diào)節(jié)器。i=T l ,K i =(K i K s 

5、7;(i R動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖3 二、確定時(shí)間常數(shù)(1整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)s T 。三相橋式電路的平均失控時(shí)間s T s 017.0=; (2電流濾波時(shí)間常數(shù)oi T 。三相橋式電路每個(gè)波頭的時(shí)間是3.33ms ,為了基本濾平波頭,應(yīng)有(ms T oi 33.321=,因此取s ms T oi 002.02=;(3電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)i T 。按小時(shí)間常數(shù)近似處理,取s T T T oi s i 0037.0=+=。三、確定將電流環(huán)設(shè)計(jì)成何種典型系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求%5i ,而且1011.80037.003.0<=il T T ,因此,電流環(huán)可按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。四、電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇TK(1+S T

6、S iI d (s +- *(s i U電流調(diào)節(jié)器選用PI 型,其傳遞函數(shù)為:(ss K s W i i iACR 1+=五、選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù)ACR 超前時(shí)間常數(shù):s T l i 03.0=;電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益:因?yàn)橐?5i ,故應(yīng)取5.0=i I T K ,因此11.1350037=sT K iI于是,ACR 的比例系數(shù)為013.140=si Ii K R K K 。六、計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的電路參數(shù)+-+I dR 0/2R 0/2R 0/2R 0/2R iR balC iC oiC oiU ctU i *圖4 電流調(diào)節(jié)器原理圖電流調(diào)節(jié)器原理如圖9所示,按所用運(yùn)算放大器,取=K R 400,各電阻

7、和電容值計(jì)算如下:F R C ii i 75.01040003.03=,取F 75.0;F R T C oi oi 2.01040002.0443=,取F 2.0。電流環(huán)截止頻率11.135-=s K I i (1校驗(yàn)晶閘管裝置傳遞函數(shù)的近似條件是否滿足sci T 31。因?yàn)閏i ssT >=-11.1960017.03131,所以滿足近似條件。(2校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響是否滿足lm ci T T 13。現(xiàn)在ci lm sT T <=-182.4003.018.01313,滿足近似條件。(3校驗(yàn)小時(shí)間常數(shù)的近似處理是否滿足條件ois ci T T 131?，F(xiàn)在ci ois s

8、T T >=-18.180002.0017.0131131,滿足近似條件。5.轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)一、轉(zhuǎn)速環(huán)的簡(jiǎn)化:圖5簡(jiǎn)化后的轉(zhuǎn)速環(huán)二、確定時(shí)間常數(shù):(1電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為s T i 0074.02=;(2轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)on T 。根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)紋波情況,取s T on 01.0=; (3轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)n T 。按小時(shí)間常數(shù)近似處理,取s T T T on i n 0174.02=+=。 三、轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)系統(tǒng):由于設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)速無(wú)靜差,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié);有根據(jù)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)要求,應(yīng)按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。n+-ASRC e T m sR I d (s / T n s+1+-I dL

9、(s U *n (s 四、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選用PI 型,其傳遞函數(shù)為:(ss K s W n n nASR 1+=。五、選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗干擾性能都較好的原則取h=5,則ASR 超前時(shí)間常數(shù):轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益:4.3960174.0252621222=+=nN T T h h K ;于是ASR 的比例系數(shù)為:(7.110174+=nme n RT h T C h K 。六、計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的電路參數(shù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖6所示,按所用運(yùn)算放大器,取=K R 400,各 電阻和電容值計(jì)算如下:=K R K R n n 468407.110,取K 470;F R C nn n 18

10、5.010470087.03=,取F 2.0;F R T C oi on 1104001.0443=,取F 1。+-+U n*nR 0/2R 0/2R 0/2R 0/2R 0R balC nC onC onU i *圖6轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖七、校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率11sK K n N Ncn (1校驗(yàn)電流環(huán)傳遞函數(shù)的近似條件是否滿足ncn T 51?，F(xiàn)在cn nsT >=-11.540037.05151,滿足簡(jiǎn)化條件。(2校驗(yàn)小時(shí)間常數(shù)的近似處理是否滿足條件ion cn T T 2131?，F(xiàn)在cn ion sT T >=-175.380037.001.021312131,滿足近似

11、條件。(3校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量。 當(dāng)h=5時(shí),%2.81%max =kbC C ;而min /2.515132.05.0136r C R I n eN N =,因此,<=-=m n N bn T T n n Z C C 能滿足設(shè)計(jì)要求。6.直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真(1電流環(huán)的仿真模型 (2轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真模型 圖7 7.1直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真模型 圖7仿真原理圖 圖8 仿真結(jié)果圖9 8.仿真結(jié)果分析 仿真框圖繪制完畢后，輸入計(jì)算所得數(shù)據(jù)到相應(yīng)的元件，并在轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)置斷 線開(kāi)關(guān)。有 ACR 限幅時(shí)，仿真框圖如圖 8 所示。 仿真得出的起動(dòng)轉(zhuǎn)速，起動(dòng)電流波形如圖 9 所示。轉(zhuǎn)速環(huán)斷線前，電流波動(dòng) 后穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速波動(dòng)后穩(wěn)定。轉(zhuǎn)速環(huán)突然斷線后，電流突然增大后沿曲線減小，然 后穩(wěn)定，幅值稍有增大，而轉(zhuǎn)速則因?yàn)檗D(zhuǎn)速環(huán)斷線，沿曲線增大后穩(wěn)定。 9.設(shè)計(jì)小結(jié) 通過(guò)這次對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)以及對(duì)設(shè)計(jì)過(guò) 程中遇到的問(wèn)題的思考， 有效的提高了我對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和理