轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)試系統(tǒng)與改進(jìn)

1、王Q十閡石也入學(xué)華東)CHINA 1 XIV! RS1I Pl- f R( )1 I I XI轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真專(zhuān)業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)：電氣 1205成員：國(guó)志超、董凱、劉小飛日期：2015年5月10日一、預(yù)備知識(shí)1 .轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)介紹直流調(diào)速系統(tǒng)，傳統(tǒng)上采用速度和電流的雙閉環(huán)調(diào)速。 這是從單閉環(huán)自動(dòng)調(diào) 速系統(tǒng)發(fā)展起來(lái)的。采用PI控制器的單閉環(huán)系統(tǒng)，雖然實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的無(wú)靜差調(diào) 速，但因其結(jié)構(gòu)中含有電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)， 限制了起制動(dòng)的最大電流。加上電 機(jī)反電勢(shì)隨著轉(zhuǎn)速的上升而增加， 使電流達(dá)到最大值之后迅速降下來(lái)。 這樣，電 動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也減小下來(lái)

2、，使起動(dòng)過(guò)程變慢，起動(dòng)時(shí)間增長(zhǎng)。為了提高生產(chǎn)率和加 工質(zhì)量，要求盡量縮短過(guò)渡過(guò)程時(shí)間。我們希望使電流在起動(dòng)時(shí)始終保持在最大 允許值上，電動(dòng)機(jī)輸出最大轉(zhuǎn)矩，從而可使轉(zhuǎn)速直線(xiàn)上升過(guò)渡過(guò)程時(shí)間大大縮短。 另一方面，在一個(gè)調(diào)節(jié)器的情況下，輸入端綜合幾個(gè)信號(hào)，各參數(shù)互相影響，調(diào) 整也比較困難。為獲得近似理想的起動(dòng)過(guò)程，并克服幾個(gè)信號(hào)在一處的綜合的缺 點(diǎn)，經(jīng)研究與實(shí)踐，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。2 .理想啟動(dòng)過(guò)程對(duì)于經(jīng)常正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)， 盡量縮短起、制動(dòng)過(guò)程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此，在電機(jī)最大允許電流和轉(zhuǎn)矩受限制的條件下，應(yīng)該充分利用電機(jī)的過(guò)載能力，最好是在過(guò)渡過(guò)程中始終保持電流為

3、允許的最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)以最大的加速度起動(dòng)， 到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)，立即讓電流降下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣的理想起動(dòng)過(guò)程波形示于下圖時(shí)，起動(dòng)電流呈方形波，轉(zhuǎn)速按線(xiàn)性增長(zhǎng)。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時(shí)調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動(dòng)過(guò)程。理想起動(dòng)過(guò)程波形3 .轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。 二者之間實(shí)行嵌套（或稱(chēng)用級(jí)）聯(lián)接，如下圖所示。圖中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的 輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器 UPE從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電 流

4、環(huán)在里面，稱(chēng)作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱(chēng)作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉 環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖設(shè)計(jì)參數(shù)直流電動(dòng)機(jī)Un=220 vnN=1500 r/minIn=100 ACe=0.133 v*min/r允許過(guò)載倍數(shù)入=1.5品閘管裝置放大系數(shù)Ks=50電樞回路總電阻R=0.5 Q時(shí)間常數(shù)Tl=0.02sTs=0.0017s Tm=0.2s轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)a=0.01 V*min/r電流反饋系數(shù)3=0.05 V/A三、按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖1.電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)在電流環(huán)的設(shè)計(jì)中，從穩(wěn)態(tài)要求 上看，希望電流無(wú)靜差，以得

5、到理想 的堵轉(zhuǎn)特性，有右圖可以看出，采用I型系統(tǒng)就可。從動(dòng)態(tài)要求上看，實(shí)際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用是有太大的超調(diào)，以保證電流在動(dòng)電流環(huán)簡(jiǎn)化圖態(tài)過(guò)程中不超過(guò)允許值，而對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的及時(shí)抗擾性知識(shí)次要的因素。 為此，電流環(huán)以跟隨性能為主，即應(yīng)選用 典型I型系統(tǒng)上圖表明，電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用PI型電流調(diào)節(jié)器。參數(shù)計(jì)算1 .確定時(shí)間常數(shù) 整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts,三相橋式電路的平均失控時(shí)間：Ts=0.00167s 0.0017s 電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi : Toi 0.0023s 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和T-按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取T iTS Toi0.

6、0017s 0.0023s 0.004s2 .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 i 5% ,并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差，可按典型I型系 統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用 PI型電流調(diào)節(jié)器， 其傳遞函數(shù)見(jiàn)式Wacr(S)ki( iS 1)iS式中ki 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)。檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能3.計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)TlTiA02 50.004 電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：iTl0.02s電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求im 按表2-2 ,應(yīng)取Ki T i=0.5 ,因此Ki0.5t70.51125s0.004 s于是，ACR的比例系數(shù)為KiKi iRKs125

7、 0.02 0.550 0.050.54.校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：ci Ki 125s 1晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件111196.1s125s3Ts 3 0.0017滿(mǎn)足近似條件。 忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件31 3 J1 47.43s 1 125sTmTL0.2 0.02滿(mǎn)足近似條件 電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件 1168.5s125s11113TsT°i3 - 0.0017 0.0023滿(mǎn)足近似條件5.計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容取R。 40,各電阻和電容值為R KiR0 0.5 4020 ，取 Ri 20i 0.02Ri 20 1031 F ,取 Ci 1uFCo

8、i4ToiR04 0.00233- F 40 1030.23 F ,取 0.23 F按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為i 4.3% 5%,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。2.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替上圖中的電流環(huán)后，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改成Un(s)/ ,再把時(shí)間常數(shù)為1/ Ki和Ton的兩個(gè) 小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為 T n的慣性環(huán)節(jié)，其中Tn J Ton則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖可簡(jiǎn)化成下圖。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)， 它應(yīng)該 包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中（見(jiàn)上圖）?，F(xiàn)在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)ASR也應(yīng)

9、該采用節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)， 所以應(yīng)設(shè)計(jì)成典型n型系統(tǒng), 這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見(jiàn),PI調(diào)節(jié)器。參數(shù)計(jì)算1 .確定時(shí)間常數(shù)1 電流環(huán)等效時(shí)間吊數(shù)一KiKiT i 0.5轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)1Ki2Ti2 0.004s 0.008sTonTon0.01s轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)Tn1KiTon0.008 0.01 0.018s2 .轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選擇結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為WASRKn( nS 1)式中Kn 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；n轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。3 .計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù) 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取 h=5,則ASR的超前

10、時(shí)間常數(shù)為n hT n 5 0.0180.09s 由式(4-14)可求得轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益Kn = h2 122-62 370.37s 12h T n 2 50.018于是，由式可得ASR的比例系數(shù)為Kn (h 1) CeTm6 .5 338.8672h RTn 2 5 0.01 0.5 0.0184 .檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率KN n 370.37 0.09 33.33sKncn1校驗(yàn)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件是否滿(mǎn)足1 KI 1125 s13 1 T i 3 , 0.004158.926s 1 33.33s滿(mǎn)足簡(jiǎn)化條件校驗(yàn)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件是否滿(mǎn)足1 Ki3 ; Ton1 125 13

11、 . 0.01 $37.26s 1 33.33s滿(mǎn)足近似條件5 .計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的電路參數(shù)含給定濾波和反饋濾波的模擬式 PIRo40,各電阻和電容值計(jì)算如下RnKnR0 8.867 40 354.68，取 Rn型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖所示。取Cn-0.09 3 F 0.25Rn360 10F ,取 Cn 0.25 FCon區(qū)土里F 1 FR040 103，取 Con 1 F6 .校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，查表2-6得n 37.6%,不能滿(mǎn)足 n 10% 。實(shí)際上，表2-6是按線(xiàn)性系統(tǒng)計(jì)算的超調(diào)量，而突加階躍給定時(shí)，ASR飽和，不符合線(xiàn)性系統(tǒng)的前 提，具有飽和非線(xiàn)性特性。所以，應(yīng)按 ASR退飽和的

12、情況重新計(jì)算超調(diào)量。.按退飽和超調(diào)量的計(jì)算方法計(jì)算轉(zhuǎn)速超調(diào)量設(shè)理想空載起動(dòng)時(shí)0,當(dāng)h 5時(shí)，查表2-7得:nNRIdNC _jmax 81.2%Cb100 0.5 375.94 r .0.133minC7max。/n-C2(Cbz)nN*nTnTm375.94 0.01881.2% 2 1.5 7.83% 10%15000.2能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。四、仿真結(jié)構(gòu)框圖仿真波形圖1.空載啟動(dòng)由仿真波形可以看由，利用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)（PI調(diào)節(jié)器） 調(diào)速系統(tǒng)的性能還是十分優(yōu)越的，具體表現(xiàn)在：。波形穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速1500r/min ,無(wú)靜差；電 流穩(wěn)定在額定電流 100A,無(wú)靜差;2）超調(diào)量小，空載起動(dòng)

13、時(shí)理論算由超調(diào)量為7.83%,實(shí)際測(cè)得波形最大轉(zhuǎn)速約1620 r/min ,超調(diào)量為（1620-1500 ）/1500*100%=8%,基本與理論值相同，也滿(mǎn)足超調(diào)小于10%的要求。與調(diào)節(jié)時(shí)間短，由圖可看成調(diào)節(jié)時(shí)間約為0.8秒2.額定負(fù)載起動(dòng)當(dāng)電機(jī)加額定負(fù)載起動(dòng)時(shí)，可以看由系統(tǒng)的穩(wěn)定性依 山良好，波形穩(wěn)定與空載起動(dòng)相比超調(diào)量減小，調(diào)節(jié)時(shí)所長(zhǎng)"原因：超調(diào)量減小是由于：轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR進(jìn)入退飽和狀態(tài)，Id很快下降，但只要Id大于轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升，加入額定負(fù)載后，負(fù)載電流IdL增大，所以Id降至IdL的時(shí)間縮短，轉(zhuǎn)速上升減少，所以超調(diào)量降低加入額定負(fù)載，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間加長(zhǎng)，調(diào)節(jié)時(shí)間也會(huì)相應(yīng)加

14、長(zhǎng)，由圖可看由約為 1.8秒3過(guò)載啟動(dòng)當(dāng)加大IdL至130A時(shí)（額定電流100A,過(guò)載系數(shù)入=1.5） 時(shí)，系統(tǒng)過(guò)載起動(dòng)，可以看由轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1500r/min ,電流起動(dòng)時(shí)為130A,起動(dòng)完成后穩(wěn)定在100A,超調(diào)量較額 定負(fù)載時(shí)減小，調(diào)節(jié)時(shí)間增長(zhǎng)，原因同上。4、擾動(dòng)影響n(yōu)空載起動(dòng)，i秒時(shí)加額定負(fù)載可以看由i秒時(shí)存在調(diào)節(jié)過(guò)程，最終結(jié)果符合預(yù)期,轉(zhuǎn)速電流均穩(wěn)定，且與額定值無(wú)靜差當(dāng)空載起動(dòng)，2秒時(shí)加超極限負(fù)荷(IdL=170A )允許過(guò)載倍數(shù)為 1.5倍，也就是說(shuō)負(fù)荷電流最大為150A，超過(guò)這個(gè)值將超生電機(jī)的承受能力，電機(jī)帶不動(dòng)負(fù) 荷，會(huì)被負(fù)荷轉(zhuǎn)矩逐漸制動(dòng)直至反轉(zhuǎn)，這種狀態(tài)是不允許 由現(xiàn)的。由圖可

15、以看由當(dāng)負(fù)荷超過(guò)電機(jī)允許最大負(fù)荷電流時(shí)，電機(jī)電流最大只能達(dá)到150A,并穩(wěn)定，電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸下降至反轉(zhuǎn)，直到負(fù)載轉(zhuǎn)矩等于勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩與摩擦轉(zhuǎn)矩之和， 電機(jī)反向穩(wěn)定(理論上，實(shí)際中不允許由現(xiàn))。五、對(duì)系統(tǒng)的改進(jìn)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，他是一種性能很好，應(yīng)用最廣的調(diào)速系統(tǒng)。然而由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)采 用PI調(diào)節(jié)器，超調(diào)必然存在。在某些不允許超調(diào)或?qū)?dòng)態(tài)抗擾性能 要求很高的地方，就顯得無(wú)能為力。解決這一問(wèn)題的一個(gè)簡(jiǎn)單有效的方法就是在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器上增設(shè)轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋，這個(gè)環(huán)節(jié)可以抑制甚至消滅超調(diào)，同時(shí)大大降低動(dòng)態(tài)帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)框圖參數(shù)計(jì)算1+ T dnSd

16、nRdnCdn選定Todn Ton =0.01S 則只要求出dn,則微分電容和微分電阻就可求出。按電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的工程設(shè)計(jì)方法，當(dāng)0時(shí)，得4h 222 Tdn= T n 0.018 0.066h 16系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋環(huán)節(jié)仿真波形圖與原系統(tǒng)對(duì)面可以明顯發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的超調(diào)量得到明顯抑制，幾乎消滅了超調(diào)，但是調(diào)節(jié)時(shí)間略有加長(zhǎng)，由 0.8s增加至約為1s,這 是由于ASR退飽和過(guò)程增長(zhǎng)，但總體來(lái)說(shuō)電機(jī)性能得到提高同時(shí)，我們注意到電流調(diào)節(jié)過(guò)程中略有波動(dòng)，但穩(wěn)定后平穩(wěn)，考慮到加入了微分環(huán)節(jié)，出現(xiàn)震蕩是難免的，而且震蕩很小，對(duì)穩(wěn)定 性也沒(méi)有影響，可以忽略。額定負(fù)載起動(dòng)對(duì)比與空載起動(dòng)時(shí)的對(duì)比

17、結(jié)果一致，主要是大大抑制了超調(diào)，不再贅述抗擾性與原系統(tǒng)比較可以看出，加入轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)的抗擾性能較加入前也有一定提升，調(diào)節(jié)過(guò)程更為平緩，轉(zhuǎn)速下降變小,但同時(shí)可以看出，電流調(diào)節(jié)會(huì)出現(xiàn)震蕩，這是微分環(huán)節(jié)的特性，不過(guò) 震蕩較小，也不影響電流穩(wěn)定后的平穩(wěn)性。綜上，我們可以看出，加入微分環(huán)節(jié)后對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性幾乎沒(méi) 有影響，但對(duì)超調(diào)的抑制大大加強(qiáng)，提高了電機(jī)的性能，唯一不利的 是增大了調(diào)節(jié)時(shí)間，不過(guò)從仿真結(jié)果看增加并不十分明顯， 整體而言 還是對(duì)系統(tǒng)的一種良好改進(jìn)。六設(shè)計(jì)總結(jié)在本次設(shè)計(jì)中，我們對(duì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成、 數(shù)學(xué)模型、靜特性和動(dòng)態(tài)性能有了總體的認(rèn)識(shí)， 并對(duì)調(diào)節(jié)器的工程設(shè) 計(jì)方法有了深刻的理解，從而才具備了清晰的設(shè)計(jì)思路來(lái)完成本次設(shè) 計(jì)。對(duì)工程設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了解后，結(jié)合教材所學(xué)內(nèi)容，就可以對(duì)設(shè)計(jì) 方案進(jìn)行選擇。在對(duì)轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)作了相應(yīng)的簡(jiǎn)化后， 依據(jù)設(shè)計(jì)所 需要的靜特性與動(dòng)態(tài)性能確定系統(tǒng)的型別及選用的調(diào)節(jié)器類(lèi)型。通過(guò)對(duì)電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，我們了解到了單閉環(huán)系統(tǒng)在運(yùn)用中