雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)

1、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì) 2012年3月6日目錄1.背景前言- 3 -2.技術(shù)要求- 4 -3.設(shè)計(jì)步驟- 4 -3.1 靜態(tài)計(jì)算：- 4 -3.2動(dòng)態(tài)計(jì)算：- 5 -電流調(diào)節(jié)器（內(nèi)環(huán)）- 5 -轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（外環(huán)）- 5 -3.3選擇ASR- 5 -3.4確定時(shí)間常數(shù)- 5 -3.5選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)- 5 -3.6計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電路- 5 -4.仿真驗(yàn)證- 5 -5.問(wèn)題說(shuō)明- 5 -5.1要求說(shuō)明為什么設(shè)計(jì)為雙閉環(huán)，雙閉環(huán)有什么好處。- 5 -5.2圖2中各框分別表示什么環(huán)節(jié)。- 5 -5.3為什么兩個(gè)環(huán)分別為典和典型系統(tǒng)。- 5 -1.背景前言直流調(diào)速系統(tǒng)是傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)，自世

2、紀(jì)年代起至世紀(jì)末以前，工業(yè)上傳動(dòng)所用電動(dòng)機(jī)一直以直流電動(dòng)機(jī)為唯一方式。它具有穩(wěn)速精度高、調(diào)速比大、響應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn)，宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，故廣泛應(yīng)用于軋鋼、機(jī)床、輕工、計(jì)算機(jī)、飛機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等領(lǐng)域。近年來(lái)，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，被科學(xué)技術(shù)水平較高的西方國(guó)家所廣泛采用，與直流調(diào)速相比，交流調(diào)速有本身固有的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、經(jīng)濟(jì)可靠及小動(dòng)態(tài)相應(yīng)性能好等，還能實(shí)現(xiàn)高速拖動(dòng)，而且電源廣泛。但由于直流拖動(dòng)系統(tǒng)在理論上和時(shí)間上都比較成熟，具有良好的起、制動(dòng)性能，從反饋閉環(huán)控制的角度來(lái)看，直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以我們應(yīng)該很好的掌握直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)。但是直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一

3、個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，。對(duì)于一個(gè)經(jīng)過(guò)大量分析、計(jì)算、設(shè)計(jì)、安裝等一系列工作的系統(tǒng)究竟能否一次性調(diào)試成功，這關(guān)系到已經(jīng)投入的大量人力、財(cái)力、物力是否會(huì)浪費(fèi)的問(wèn)題。因此，一個(gè)直流調(diào)速系統(tǒng)在正式投入運(yùn)行前，往往要進(jìn)行仿真調(diào)試。2.技術(shù)要求本設(shè)計(jì)給出一個(gè)小型直流調(diào)速系統(tǒng)，其指標(biāo)及參數(shù)為2.1靜態(tài)精度(轉(zhuǎn)差率), 在電網(wǎng)電壓波動(dòng)10%，負(fù)載變化20%，靜態(tài)精度 S5%，電流和轉(zhuǎn)速超調(diào)量,振蕩次數(shù)N(23)，調(diào)速范圍D1015；2.2電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)額定電流136A，額定電壓230V，功率30KW， 額定轉(zhuǎn)速1460轉(zhuǎn)/分，電勢(shì)轉(zhuǎn)速比 電樞電阻R=0.5,過(guò)載系數(shù)=1.5,可控硅整流裝置KS=40. ，。2.3測(cè)速

4、發(fā)電機(jī)，永磁式，額定數(shù)據(jù)為電壓110V，電流0.045A，轉(zhuǎn)速1900r/min，3.設(shè)計(jì)步驟轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)計(jì)，因?yàn)橐箪o態(tài)精度很小，故兩個(gè)調(diào)節(jié)器均選為PI調(diào)節(jié)器，按照參數(shù)設(shè)計(jì)如下：3.1 靜態(tài)計(jì)算：根據(jù)調(diào)速范圍和靜差率的要求得到;取測(cè)速反饋輸出電壓為10V, 則轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：ASR飽和輸出取12V，系統(tǒng)輸出最大電流為，則電流反饋系數(shù)： ，取0.053.2動(dòng)態(tài)計(jì)算：3.2.1電流調(diào)節(jié)器（內(nèi)環(huán)）三相橋式整流電路平均失控時(shí)間：，電流濾波時(shí)間常數(shù)：。此環(huán)設(shè)計(jì)為典系統(tǒng)，因此系統(tǒng)滿足電流環(huán)要求超調(diào)量小的要求，其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如下：+-ACR 圖3 電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖其中電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)：由其動(dòng)態(tài)

5、結(jié)構(gòu)圖知，電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性的，要求校正成典型系統(tǒng)，采用PI調(diào)節(jié)器。PI調(diào)節(jié)器傳函：，則電流環(huán)校正成圖4+-圖4 校正后的電流環(huán)ACR時(shí)間常數(shù)：又因，取ACR的比例系數(shù)為：因此根據(jù)以上數(shù)據(jù)選取參數(shù)，取：R0=40K, 取40K 取 取則實(shí)際電路圖如圖4-8所示。其中：D1,D2,W1,W2構(gòu)成限幅電路。圖5 電路環(huán)原理圖3.2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（外環(huán)）在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時(shí)，可以把已設(shè)計(jì)好的電流環(huán)當(dāng)作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，求出其等效傳遞函數(shù)，再用設(shè)計(jì)電流環(huán)相同的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。簡(jiǎn)化后的轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如下圖6 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.3選擇ASR由于要求抗干擾能力強(qiáng)，應(yīng)按照典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，又由于設(shè)

6、計(jì)要求無(wú)靜差，ASR需含積分環(huán)節(jié)。ASR也采用PI調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速校正成典系統(tǒng)后動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖7：+-圖7 校正后的轉(zhuǎn)速環(huán)3.4確定時(shí)間常數(shù)（1） 電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為0.0074s（2） 轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)為取為0.01s（3） 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)s3.5選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)根據(jù)性能指標(biāo)選取h=5ASR的超前時(shí)間常數(shù)轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益ASR的比例系數(shù)為：轉(zhuǎn)速截止頻率 3.6計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電路取R0=20K =KnR0=11.740=468, 取70K, =n/=0.087/470=0.185F, 取0.2F,Con=4Ton/R0=40.01/40=1F. 取1F實(shí)際原理圖如圖8所示：圖8 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖

7、通過(guò)計(jì)算，最后得出圖9所示動(dòng)態(tài)框圖。圖9直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖以上要求說(shuō)明：為什么兩個(gè)環(huán)分別為典和典型系統(tǒng)。4.仿真驗(yàn)證打開(kāi)matlab軟件，在軟件中構(gòu)建仿真框圖，如下圖所示：圖10仿真框圖調(diào)試完成后，打開(kāi)SCOPE,可以輸出轉(zhuǎn)速曲線圖，如下圖所示：圖11轉(zhuǎn)速曲線圖分析上圖可以知道：轉(zhuǎn)速穩(wěn)定值在1470R/MIN附近區(qū)域。當(dāng)電壓波動(dòng)在10%，負(fù)載變化20%時(shí)，轉(zhuǎn)速有相應(yīng)的變化，變化的差在25R/MIN左右，超調(diào)量小于10%，設(shè)計(jì)成功。5.問(wèn)題說(shuō)明5.1要求說(shuō)明為什么設(shè)計(jì)為雙閉環(huán)，雙閉環(huán)有什么好處。因?yàn)閱伍]環(huán)系統(tǒng)不能動(dòng)態(tài)地控制電流。所以使用雙閉環(huán)。而雙閉環(huán)能夠較好抵抗電流的沖擊，保持較好的轉(zhuǎn)速。串聯(lián)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器可以較好獲得所需轉(zhuǎn)速。5.2圖2中各框分別表示什么環(huán)節(jié)。ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器環(huán)節(jié)；ACR為電流調(diào)節(jié)器環(huán)節(jié)；為電力電子變換裝置所表示的慣性環(huán)節(jié)；，為直流電機(jī)環(huán)