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

1、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)的設計與仿真專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：電氣 1205 成員：國志超、董凱、劉小飛日期：2015年5月10日一、 預備知識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)自動調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展起來的。采用PI控制器的單閉環(huán)系統(tǒng)，雖然實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)速，但因其結(jié)構中含有電流截止負反饋環(huán)節(jié)，限制了起制動的最大電流。加上電機反電勢隨著轉(zhuǎn)速的上升而增加，使電流達到最大值之后迅速降下來。這樣，電動機的轉(zhuǎn)速也減小下來，使起動過程變慢，起動時間增長。為了提高生產(chǎn)率和加工質(zhì)量，要求盡量縮短過渡過程時間。我們希望使電流在起動時始終保

2、持在最大允許值上，電動機輸出最大轉(zhuǎn)矩，從而可使轉(zhuǎn)速直線上升過渡過程時間大大縮短。另一方面，在一個調(diào)節(jié)器的情況下，輸入端綜合幾個信號，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過程，并克服幾個信號在一處的綜合的缺點，經(jīng)研究與實踐，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。2.理想啟動過程對于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運行的調(diào)速系統(tǒng)，盡量縮短起、制動過程的時間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此，在電機最大允許電流和轉(zhuǎn)矩受限制的條件下，應該充分利用電機的過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng)以最大的加速度起動，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時，立即讓電流降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這樣

3、的理想起動過程波形示于下圖。這時，起動電流呈方形波，轉(zhuǎn)速按線性增長。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制時調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動過程。0nnt理想起動過程波形3. 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級）聯(lián)接,如下圖所示。圖中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(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)構上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(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

4、路原理圖二、 設計參數(shù)直流電動機UN=220 v nN=1500 r/minIN=100 A Ce=0.133 v*min/r允許過載倍數(shù)=1.5晶閘管裝置放大系數(shù)KS=50電樞回路總電阻R=0.5時間常數(shù)TL=0.02s Ts=0.0017s Tm=0.2s轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=0.01 V*min/r電流反饋系數(shù)=0.05 V/A三、 按工程設計方法設計雙閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構框圖1. 電流調(diào)節(jié)器的設計在電流環(huán)的設計中，從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，有右圖可以看出，采用I型系統(tǒng)就可。從動態(tài)要求上看，實際系統(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

5、電流在動 電流環(huán)簡化圖態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾性知識次要的因素。為此，電流環(huán)以跟隨性能為主，即應選用典型I型系統(tǒng)。上圖表明，電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然應采用PI型電流調(diào)節(jié)器。參數(shù)計算1確定時間常數(shù) 整流裝置滯后時間常數(shù)Ts，三相橋式電路的平均失控時間：Ts=0.00167s0.0017s 電流濾波時間常數(shù)： 電流環(huán)小時間常數(shù)之和,按小時間常數(shù)近似處理，取2選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構根據(jù)設計要求電流超調(diào)量，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設計電流調(diào)節(jié)器，電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)見式式中 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)

6、；電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。檢查對電源電壓的抗擾性能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): 電流環(huán)開環(huán)增益：要求si 5%，按表2-2，應取=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： 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件滿足近似條件。 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件滿足近似條件。 電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件滿足近似條件。5計算調(diào)節(jié)器電阻和電容取，各電阻和電容值為，取， 取，取按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為，滿足設計要求。2. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計用電流環(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)，同時將給定信號改成

7、/，再把時間常數(shù)為/和的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，其中 則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構框圖可簡化成下圖。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中（見上圖）?，F(xiàn)在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應設計成典型型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見，ASR也應該采用PI調(diào)節(jié)器。參數(shù)計算1. 確定時間常數(shù) 電流環(huán)等效時間常數(shù)由 知 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器選擇結(jié)構按照設計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為式中 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超

8、前時間常數(shù)。3計算轉(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的超前時間常數(shù)為 由式(4-14)可求得轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益K=于是，由式可得ASR的比例系數(shù)為4檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率 校驗電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件是否滿足 滿足簡化條件。 校驗轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件是否滿足 滿足近似條件。5計算轉(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PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖所示。取，各電阻和電容值計算如下，取，取，取6校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當h=5時，查表2-6得,不能滿足。實際上，表2-6是按線性系統(tǒng)計算的超調(diào)量，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，具有飽和非線性特性。

9、所以，應按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。三. 按退飽和超調(diào)量的計算方法計算轉(zhuǎn)速超調(diào)量設理想空載起動時，當時，查表2-7得：則能滿足設計要求。四、 仿真結(jié)構框圖仿真波形圖1. 空載啟動由仿真波形可以看出，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，無靜差；電流穩(wěn)定在額定電流100A，無靜差；超調(diào)量小，空載起動時理論算出超調(diào)量為7.83%，實際測得波形最大轉(zhuǎn)速約1620 r/min，超調(diào)量為（1620-1500）/1500*100%=8%，基本與理論值相同，也滿足超調(diào)小于10%的要求。調(diào)節(jié)時間短，由圖可看成調(diào)節(jié)時間約

10、為0.8秒。2. 額定負載起動當電機加額定負載起動時，可以看出系統(tǒng)的穩(wěn)定性依舊良好，波形穩(wěn)定，與空載起動相比超調(diào)量減小，調(diào)節(jié)時間加長。原因：超調(diào)量減小是由于：轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR進入退飽和狀態(tài)，Id很快下降，但只要Id大于IdL，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升，加入額定負載后，負載電流IdL增大，所以Id降至IdL的時間縮短，轉(zhuǎn)速上升減少，所以超調(diào)量降低加入額定負載，電機啟動時間加長，調(diào)節(jié)時間也會相應加長，由圖可看出約為1.8秒3過載啟動當加大IdL至130A時（額定電流100A，過載系數(shù)=1.5）時，系統(tǒng)過載起動，可以看出轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1500r/min，電流起動時為130A，起動完成后穩(wěn)定在100A，超調(diào)量較額

11、定負載時減小，調(diào)節(jié)時間增長，原因同上。4、擾動影響空載起動，1秒時加額定負載可以看出1秒時存在調(diào)節(jié)過程，最終結(jié)果符合預期，轉(zhuǎn)速電流均穩(wěn)定，且與額定值無靜差?？蛰d起動，2秒時加超極限負荷（IdL=170A）允許過載倍數(shù)為1.5倍，也就是說負荷電流最大為150A ,超過這個值將超出電機的承受能力，電機帶不動負荷，會被負荷轉(zhuǎn)矩逐漸制動直至反轉(zhuǎn)，這種狀態(tài)是不允許出現(xiàn)的。由圖可以看出當負荷超過電機允許最大負荷電流時，電機電流最大只能達到150A，并穩(wěn)定，電機轉(zhuǎn)速逐漸下降至反轉(zhuǎn)，直到負載轉(zhuǎn)矩等于勵磁轉(zhuǎn)矩與摩擦轉(zhuǎn)矩之和，電機反向穩(wěn)定（理論上，實際中不允許出現(xiàn)）。五、 對系統(tǒng)的改進雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)

12、和動態(tài)性能，結(jié)構簡單，工作可靠，他是一種性能很好，應用最廣的調(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)討B(tài)抗擾性能要求很高的地方，就顯得無能為力。解決這一問題的一個簡單有效的方法就是在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器上增設轉(zhuǎn)速微分負反饋，這個環(huán)節(jié)可以抑制甚至消滅超調(diào)，同時大大降低動態(tài)速降。帶轉(zhuǎn)速微分負反饋的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器1+dns簡化后的結(jié)構框圖參數(shù)計算 選定 =0.01s 則只要求出，則微分電容和微分電阻就可求出。按電力拖動自動控制系統(tǒng)中的工程設計方法，當時，得dn=系統(tǒng)仿真結(jié)構圖轉(zhuǎn)速微分負反饋環(huán)節(jié)仿真波形圖與原系統(tǒng)對面可以明顯發(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)

13、時間略有加長，由0.8s增加至約為1s，這是由于ASR退飽和過程增長，但總體來說電機性能得到提高。同時，我們注意到電流調(diào)節(jié)過程中略有波動，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，對穩(wěn)定性也沒有影響，可以忽略。額定負載起動對比與空載起動時的對比結(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)過程更為平緩，轉(zhuǎn)速下降變小，但同時可以看出，電流調(diào)節(jié)會出現(xiàn)震蕩，這是微分環(huán)節(jié)的特性，不過震蕩較小，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)后對系統(tǒng)的穩(wěn)定性幾乎沒有影響，但對超

14、調(diào)的抑制大大加強，提高了電機的性能，唯一不利的是增大了調(diào)節(jié)時間，不過從仿真結(jié)果看增加并不十分明顯，整體而言還是對系統(tǒng)的一種良好改進。六 設計總結(jié)在本次設計中，我們對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成、數(shù)學模型、靜特性和動態(tài)性能有了總體的認識，并對調(diào)節(jié)器的工程設計方法有了深刻的理解，從而才具備了清晰的設計思路來完成本次設計。對工程設計方法進行了解后，結(jié)合教材所學內(nèi)容，就可以對設計方案進行選擇。在對轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)作了相應的簡化后，依據(jù)設計所需要的靜特性與動態(tài)性能確定系統(tǒng)的型別及選用的調(diào)節(jié)器類型。通過對電力拖動自動控制系統(tǒng)的學習，我們了解到了單閉環(huán)系統(tǒng)在運用中存在一些缺點和不足，為了彌補這個不足，我們引入了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，它是通過轉(zhuǎn)速負反饋和電流