基于穩(wěn)態(tài)模型的轉(zhuǎn)差頻率控制的交流調(diào)速系統(tǒng)的仿真與設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上運動控制課程設(shè)計基于穩(wěn)態(tài)模型的轉(zhuǎn)差頻率控制的交流調(diào)速系統(tǒng)的仿真與設(shè)計專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：三班學(xué)號： 姓名: 指導(dǎo)老師: 2011年12月運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計一、設(shè)計目的應(yīng)用所學(xué)的交、直流調(diào)速系統(tǒng)的基本知識與工程設(shè)計方法，結(jié)合生產(chǎn)實際，確定系統(tǒng)的性能指標(biāo)與實現(xiàn)方案，進行運動控制系統(tǒng)的初步設(shè)計。應(yīng)用計算機仿真技術(shù)，通過在MATLAB軟件上建立運動控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對控制系統(tǒng)進行性能仿真研究，掌握系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。在原理設(shè)計與仿真研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用PROTEL進行控制系統(tǒng)的印制板的設(shè)計，為畢業(yè)設(shè)計的綜合運用奠定堅實的基礎(chǔ)二、設(shè)計課題基于穩(wěn)態(tài)模型的轉(zhuǎn)差頻率

2、控制的交流調(diào)速系統(tǒng)的仿真與設(shè)計三、設(shè)計參數(shù)Ø交流電動機(1)額定輸出功率7.5KW； 定子繞組額定線電壓380V；定子繞組額定相電流12A; 定子繞組每相電阻0.5歐姆；定子繞組接線形式Y(jié)； 轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速980rpm;轉(zhuǎn)子形式:鼠籠式； 轉(zhuǎn)子每相折算電阻:3歐姆；轉(zhuǎn)子折算后額定電流30A； 額定功率因數(shù)：0.75；電機機電時間常數(shù)2S; 電樞允許過載系數(shù)1.5；Ø環(huán)境條件:電網(wǎng)額定電壓:380/220V; 電網(wǎng)電壓波動10%;環(huán)境溫度:-40+40攝氏度; 環(huán)境相對濕度:1090%.Ø控制系統(tǒng)性能指標(biāo):轉(zhuǎn)差率：3%；調(diào)速范圍：D20；電流超調(diào)量小于等于5%; 空載

3、起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于等于30%;穩(wěn)速精度：0.03.四 、設(shè)計內(nèi)容直流電機的主磁通和電樞電流分布的空間位置是確定的，而且可以獨立進行控制，交流異步電機的磁通則由定子與轉(zhuǎn)子電流合成產(chǎn)生，它的空間位置相對于定子和轉(zhuǎn)子都是運動的，除此以外，在籠型轉(zhuǎn)子異步電機中，轉(zhuǎn)子電流還是不可測和不可控的。因此，異步電機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型要比直流電機模型復(fù)雜得多，在相當(dāng)長的時間里，人們對它的精確表述不得要領(lǐng)。好在不少機械負載，例如風(fēng)機和水泵，并不需要很高的動態(tài)性能，只要在一定范圍內(nèi)能實現(xiàn)高效率的調(diào)速就行，因此可以只用電機的穩(wěn)態(tài)模型來設(shè)計其控制系統(tǒng)?；诋惒诫妱訖C的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型,為了實現(xiàn)電壓-頻率協(xié)調(diào)控制取得

4、更高一些的調(diào)速范圍和起制動性能，可以采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的方案。1 轉(zhuǎn)差頻率控制的基本概念本文主要介紹異步電動機的轉(zhuǎn)差頻率控制方式，在該基礎(chǔ)上進一步介紹轉(zhuǎn)差頻率間接矢量控制方式。由電力拖動的基本方程式: （1-1） 根據(jù)基本運動方程式，控制電磁轉(zhuǎn)矩就能控制。因此，歸根結(jié)底，控制調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能就是控制轉(zhuǎn)矩的能力。圖1.1異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路和感應(yīng)電動勢電磁轉(zhuǎn)矩關(guān)系式： （1-2） 由圖1.1異步電動機穩(wěn)態(tài)等效電路圖可知： （1-3） 將（1-3）代入（1-2）中得： （1-4） 直流電機的轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比，控制電流就能控制轉(zhuǎn)矩，因此，把直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出信號當(dāng)作電流

5、給定信號，也就是轉(zhuǎn)矩給定信號。在交流異步電機中，影響轉(zhuǎn)矩的因素較多，控制異步電機轉(zhuǎn)矩的問題也比較復(fù)雜。按照恒 Eg/1 控制（即恒m 控制）時的電磁轉(zhuǎn)矩公式重寫為 （1-5）將電機氣隙電動勢代入式（1-5）得 （1-6） 令并定義為轉(zhuǎn)差頻率，其中為電機的結(jié)構(gòu)常數(shù)，則式（1-6）可化為 （1-7） 當(dāng)電機穩(wěn)定運行時，值很小，可以認為，則轉(zhuǎn)矩可近似表示為（1-8） 上式表明，在很小的穩(wěn)定運行范圍內(nèi)，如果能夠保持氣隙磁通不變，則有，從而控制了轉(zhuǎn)差頻率就相當(dāng)于控制了轉(zhuǎn)矩。 2 基于異步電動機穩(wěn)態(tài)模型控制的轉(zhuǎn)差頻率控制規(guī)律當(dāng)較大時，采用式（1-5）的精確轉(zhuǎn)矩公式，其轉(zhuǎn)矩特性如圖1.2所示，當(dāng)較小時處于穩(wěn)

6、定運行段，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率成正比，當(dāng)達到最大值時，達到。圖1.2按恒值控制的特性對于式（1-5），取，可得， （1-9）（1-10）1在轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)中，只要給定限幅，使其限幅值為 （1-11）則可保持與的正比關(guān)系，從而可以用轉(zhuǎn)差頻率控制來代替轉(zhuǎn)矩控制。2保持恒定的條件：由異步電機等效電路圖1.1，可知（1-12） 可見該控制需要在實現(xiàn)恒控制的基礎(chǔ)上再提高電壓以補償定子電壓降。如果忽略電流相量相位變化的影響，不同定子電流時恒控制所需的電壓-頻率特性如圖1.3所示。圖1.3 不同定子電流時恒壓頻比控制所需的電壓-頻率特性上述關(guān)系表明，只要和及的關(guān)系符合上圖所示特性，就能保持恒定，也就是保持恒定。

7、這是轉(zhuǎn)差頻率控制的基本規(guī)律之二?？偨Y(jié)起來，轉(zhuǎn)差頻率控制的規(guī)律是：（1）在的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩基本上與成正比，條件是氣隙磁通不變。（2）在不同的定子電流值時，按上圖的函數(shù)關(guān)系控制定子電壓和頻率，就能保持氣隙磁通恒定。由以上工作情況可以看出，轉(zhuǎn)差頻率控制系統(tǒng)的突出優(yōu)點在于頻率控制環(huán)節(jié)的輸入是轉(zhuǎn)差信號，而頻率信號是由轉(zhuǎn)差信號與實際轉(zhuǎn)速信號相加得到的。這樣，在轉(zhuǎn)速變化過程中，定子頻率隨著實際轉(zhuǎn)速同步上升或下降。與轉(zhuǎn)速開環(huán)系統(tǒng)中按電壓成正比地直接產(chǎn)生頻率給定信號相比，加、減速更為平滑，且容易使系統(tǒng)穩(wěn)定。穩(wěn)態(tài)工作時可以實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，在急劇的動態(tài)過程中，可維持電機轉(zhuǎn)矩接近于最大值。在一定程度上類似于直流雙閉環(huán)系統(tǒng)

8、，因此屬于高性能的控制系統(tǒng)。（3）系統(tǒng)原理圖如下:圖1.4系統(tǒng)原理圖（4）動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下：圖1.5動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖五、設(shè)計數(shù)據(jù)確定(一) 、逆變器傳遞函數(shù)其中，（、為電機定子每相電阻、折算到定子側(cè)的電機轉(zhuǎn)子每相電阻；為電機定子每相漏感、折算到定子側(cè)的電機轉(zhuǎn)子每相漏感）參數(shù)相關(guān)計算如下：（1） 電機額定轉(zhuǎn)矩N.m（2） 定子電抗=2.88L 即= =9.2 mh（3） 平波電抗器電感mh（對于三相全控電路=0.693 =5%）（4）已知=0.5=3綜合以上數(shù)據(jù)求得=0.14=0.053從而逆變器傳遞函數(shù)=（二）、整流器傳遞函數(shù)三相橋式電路的平均失控時間=0.00167 S=觸發(fā)電壓范圍：010V整

9、流電路輸出最大電壓=514.8 V整流電壓變化=515 V故=51.5 取=52則整流器傳遞函數(shù)=（三）、電流反饋環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)由于三相橋式電路每個波頭的時間是3.3 ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（12）=3.33 ms，因此取=2 ms=0.02s . 設(shè)定電流調(diào)節(jié)器ACR的飽和輸出=8V ,則電流反饋系數(shù).從而電流反饋傳遞函數(shù)=（四）、轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)根據(jù)所用測速發(fā)電機的紋波情況，取=0.01s設(shè)定額定轉(zhuǎn)速時給定電壓v，則從而轉(zhuǎn)速傳遞函數(shù)=（五）、電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計算 1確定時間常數(shù)（1）整流裝置之后時間常數(shù)=0.00167s（2）電流濾波時間常數(shù)=0.002s（3）電流環(huán)小時間常數(shù)之和=

10、+=0.00167+0.002=0.00367s 2.選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此采用PI型調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為。檢查對電源電壓的抗干擾性能：=14.32，參照典型I型系統(tǒng)抗干擾性能表，各項指標(biāo)都符合要求。 3計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：=0.053s電流環(huán)開環(huán)增益：要求5%，取=0.5，因此于是，ACR的比例系數(shù)為=4.校驗近似條件電流環(huán)截止頻率:=(1) 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件>滿足近似條件（2）忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件9.2<滿足近似條件（3）電流

11、環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件=180.8>滿足近似條件5計算調(diào)節(jié)器的電阻和電容按所用運算放大器取=40 ,各電阻和電容值為=2.24*40=89.6 ,取90=0.59 ,取0.6=0.2,取0.2根據(jù)上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為=4.3%<5%滿足設(shè)計要求六、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計算 1.確定時間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時間常數(shù)1/: 有已知=0.5，則=2=0.0074s（2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)=0.01s（3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)：按小時間常數(shù)近似處理，取=+=0.0074+0.01=0.0174s2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)依據(jù)設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為 3計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參

12、數(shù)根據(jù)設(shè)計要求轉(zhuǎn)速超調(diào)量要小于30%,故取h=8，則ASR的超前時間常數(shù)為=8*0.0174=0.14s轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益=232.24 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的比例系數(shù)為=2813.34.檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為=234.24*0.14=32.8（1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為>滿足簡化條件（2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為>滿足近似條件5計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的電容和電阻取=40 ,各電阻和電容值為=2814*40= ,取90=0.0012 ,取0.0012=1,取1六、MATLAB系統(tǒng)仿真1、 系統(tǒng)仿真模型圖1.6系統(tǒng)仿真模型2、 matlab仿真波形圖圖1.7 matlab仿真波形圖七、

13、設(shè)計總結(jié)   在分析轉(zhuǎn)差頻率系統(tǒng)方法原理的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了轉(zhuǎn)差頻率的異步電機調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，并對這種模型進行了仿真研究與分析。在仿真實驗過程中，為了獲得較好的仿真波形，作者進行了大量的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。實驗中發(fā)現(xiàn)；系統(tǒng)中PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)K1、積分系數(shù)K2與坐標(biāo)變換模塊輸出信號的放大系數(shù)需要配合調(diào)節(jié)，當(dāng)偏差較大時，調(diào)節(jié)K1，以快速減少偏差；當(dāng)偏差達到要求后，調(diào)節(jié)K2，以消除穩(wěn)態(tài)誤差。同時要配合調(diào)節(jié)坐標(biāo)變換模塊輸出信號的放大系數(shù)，這樣才能保證PWM發(fā)生器輸出正確的三相調(diào)制信號波形。仿真與實驗結(jié)果驗證了轉(zhuǎn)差頻率矢量控制的異步電機調(diào)速系統(tǒng)具有良好的動、靜態(tài)控制性能。就個人

14、而言，本次課程設(shè)計難度很大，這也是大學(xué)四年來真正意義上的設(shè)計。這次的設(shè)計對專業(yè)知識的要求非常高，以現(xiàn)在我們學(xué)習(xí)的狀態(tài)很難按要求完成。這次深刻的認識到“書到用時方恨少”，平常沒有好好的上課，沒有好好的聽老師講授，關(guān)鍵時連資料都難得找到。很遺憾在大學(xué)最后時刻才意識到平常專業(yè)知識學(xué)習(xí)的重要。通過這次課程設(shè)計，我認識到自身的不足。對專業(yè)知識的不熟悉是我們的弊端。通過這次教訓(xùn)，我會好好了解專業(yè)知識，然后積極面對即將到來的畢業(yè)設(shè)計。認真、努力、高質(zhì)量的完成最后的畢業(yè)設(shè)計，做一名合格的畢業(yè)生。最后，還要感謝實驗室值班的各位老師。臨時從老師那里學(xué)習(xí)了很多知識，以及做人的道理，對我今后走上社會有很大的幫助。總之，通過這次課設(shè)，我