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

1、word在轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，只有電流截止負(fù)反應(yīng)環(huán)節(jié)對(duì)電樞電流加以保護(hù)，缺少對(duì)電樞電流的精確控制，也就無(wú)法充分發(fā)揮直流伺服電動(dòng)機(jī)的過載能力，因而也就達(dá)不到調(diào)速系統(tǒng)的快速起動(dòng)和制動(dòng)的效果。通過在轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的根底上增加電流閉環(huán)，即按照快速起動(dòng)和制動(dòng)的要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)電樞電流的精確控制，實(shí)質(zhì)上是在起動(dòng)或制動(dòng)過程的主要階段，實(shí)現(xiàn)一種以電動(dòng)機(jī)最大電磁力矩輸出能力進(jìn)行啟動(dòng)或制動(dòng)的過程。一、 設(shè)計(jì)要求設(shè)一個(gè)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，采用雙極式H橋PWM方式驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)參數(shù)為：額定功率200W額定轉(zhuǎn)速48V額定電流4A額定轉(zhuǎn)速500r/min電樞回路總電阻W允許電流過載倍數(shù)l=2電勢(shì)系數(shù)0.04

2、Vmin/r電磁時(shí)間常數(shù)0.008s機(jī)電時(shí)間常數(shù)0.5s電流反應(yīng)濾波時(shí)間常數(shù)0.2ms轉(zhuǎn)速反應(yīng)濾波時(shí)間常數(shù)1ms轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的最大輸入電壓10V兩調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓為10VPWM功率變換器的開關(guān)頻率10kHz放大倍數(shù)4.8電流超調(diào)量5%空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量s 25%過渡過程時(shí)間0.5 s二、 電流環(huán)、轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)仿真過程雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其他多環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原那么一樣：先設(shè)計(jì)內(nèi)環(huán)即電流環(huán)，在將內(nèi)環(huán)看成外環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié)，進(jìn)而設(shè)計(jì)外環(huán)即轉(zhuǎn)速環(huán)。1. 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算電流反應(yīng)系數(shù)：轉(zhuǎn)速反應(yīng)系數(shù)：2. 電流環(huán)設(shè)計(jì)1) 確定時(shí)間常數(shù)由電流濾波時(shí)間常數(shù)，按電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)環(huán)節(jié)的近

3、似處理方法，取2) 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)電流環(huán)可按典型型系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。電流調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為3) 選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)超前時(shí)間常數(shù): 由于，故故電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)為：4) 檢驗(yàn)近似條件電流環(huán)的截止頻率：i. 近似條件一：滿足近似條件ii. 近似條件二：滿足近似條件iii. 近似條件三：滿足近似條件3. 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)1) 確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)：小時(shí)間常數(shù)近似處理：2) 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)由于轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中必須包含積分環(huán)節(jié)，又根據(jù)動(dòng)態(tài)要求，應(yīng)按典型型系統(tǒng)校正轉(zhuǎn)速環(huán)，因此轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器應(yīng)選擇PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：3) 選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨型和抗擾性能均比擬好的原那么

4、，取h=5，那么轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)為：轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益：于是，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器比例系數(shù)為：4) 校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)截止頻率：i. 近似條件一：滿足近似條件ii. 近似條件二：滿足近似條件三、 MATLAB仿真1. 電流環(huán)仿真1) 頻域分析在matlab/simulink中建立電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及校正成典型型系統(tǒng)的電流環(huán)開環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1-1、1-2、所示，建模結(jié)果如下：2) 圖1-1 經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流開環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3) 圖1-2 未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似處理的電流開環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖命令窗口分別輸入以下命令分別得到Bode圖%MATLAB PRGRAM L584.Mn1=1.25*4

5、.8;d1=0.0003 1;s1=tf(n1,d1);n2=0.008 1;d2=0.008/17.78 0;s2=tf(n2,d2);n3=1/8;d3=0.008 1;s3=tf(n3,d3);sys=s1*s2*s3;margin(sys);grid on和%MATLAB PRGRAM L582.Mn1=1;d1=0.0002 1;s1=tf(n1,d1);n2=0.008 1;d2=0.008/17.78 0;s2=tf(n2,d2);n3=4.8;d3=0.0001 1;s3=tf(n3,d3);n4=1/8;d4=0.008 1;s4=tf(n4,d4);n5=1.25;d5=1

6、;s5=tf(n5,d5);n6=1;d6=0.0002 1;s6=tf(n6,d6);sys=s1*s2*s3*s4*s5*s6;margin(sys);grid on得到頻域分析曲線如圖1-3、1-4所示圖1-3 實(shí)際電流環(huán)開環(huán)bode圖圖1-4小參數(shù)環(huán)節(jié)合并后電流環(huán)bode圖比擬上述兩圖，兩條曲線根本吻合，對(duì)于一般機(jī)械系統(tǒng)，滿足要求2) 階躍響應(yīng)分析在matlab/simulink中建立電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及校正成典型型系統(tǒng)的電流環(huán)閉環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1-5、1-6、所示，建模結(jié)果如下：圖1-5 經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似后的電流閉環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖1-6 未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)合并近似處理的電流閉環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)

7、構(gòu)圖命令窗口輸入以下命令分別得到階躍響應(yīng)曲線%MATLAB PRGRAM L583.M/ L581.Ma1,b1,c1,d1=linmod(flex3/flex1);s1=ss(a1,b1,c1,d1);step(s1) 得到階躍響應(yīng)曲線如圖1-7、1-8所示 圖1-7實(shí)際電流環(huán)階躍響應(yīng)仿真曲線圖1-8 小參數(shù)環(huán)節(jié)合并后電流環(huán)階躍響應(yīng)仿真曲線通過兩種增益條件下電流環(huán)階躍響應(yīng)曲線可以看出，小參數(shù)環(huán)節(jié)合并后的電流環(huán)階躍響應(yīng)仿真曲線與原曲線根本一致，且超調(diào)量略小，但到達(dá)平衡的時(shí)間較長(zhǎng)。盡管如此，不影響主要參數(shù)的條件如超調(diào)量、上升時(shí)間等。通過仿真可知通過減小電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，可以做到電流沒有超調(diào)量

8、，但電流的上升速度和調(diào)節(jié)時(shí)間都要拖長(zhǎng)一些?？紤]到雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的初衷，電流存在一些超調(diào)當(dāng)然是可取的。因?yàn)橛欣陔妱?dòng)機(jī)的加速，同時(shí)電動(dòng)機(jī)又不會(huì)出現(xiàn)不良影響。2. 轉(zhuǎn)速環(huán)仿真1) 頻域分析在matlab/simulink中建立轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)原動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)近似處理后動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-1、2-2所示，建模結(jié)果如下：圖2-1 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)原simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖2-2 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)近似處理后simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖命令窗口輸入以下命令分別得到Bode圖%MATLAB PRGRAM L586.Mn1=1;d1=0.0001 1;s1=tf(n1,d1);n2=0.008 1;d2=0.008/5

9、8.59 0;s2=tf(n2,d2);n3=1/1.25;d3=0.0006 1;s3=tf(n3,d3);n4=8;d4=0.02 0;s4=tf(n4,d4);n5=0.02;d5=0.001 1;s5=tf(n5,d5);sys=s1*s2*s3*s4*s5;margin(sys);grid on和%MATLAB PRGRAM L588.Mn1=0.008 1;d1=0.008/58.59 0;s1=tf(n1,d1);n2=0.02/1.25;d2=0.0016 1;s2=tf(n2,d2);n3=8;d3=0.02 0;s3=tf(n3,d3);sys=s1*s2*s3;margi

10、n(sys);grid on得到頻域分析曲線如圖2-3、2-4所示圖2-3 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻域響應(yīng)仿真曲線原圖2-4 轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)頻域響應(yīng)仿真曲線近似處理后比擬兩圖，趨勢(shì)根本一致。曲線后一段的相位有較大的差異，可能是建模的不準(zhǔn)確的原因。2階躍響應(yīng)分析在matlab/simulink中建立轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)原動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)近似處理后動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-5、2-6所示，建模結(jié)果如下：圖2-5 轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)原simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖2-6 轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)近似處理后simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖命令窗口輸入以下命令分別得到階躍響應(yīng)曲線%MATLAB PRGRAM L585.M/ L587.Ma1,b1,c1,d1=

11、linmod(flex5/flex7);s1=ss(a1,b1,c1,d1);step(s1)得到階躍響應(yīng)曲線如圖2-7、2-8所示2-7 轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)的單位階躍響應(yīng)曲線原2-8 轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)的單位階躍響應(yīng)曲線近似處理后未經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)近似處理的轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)單位階躍響應(yīng)的單位階躍曲線與經(jīng)過小參數(shù)環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)速換閉環(huán)單位階躍響應(yīng)的單位階躍曲線形狀相似，但是縱坐標(biāo)相差較大，可能原因是近似處理時(shí)某個(gè)放大環(huán)節(jié)被忽略，導(dǎo)致較大的差異。四、 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)綜合的設(shè)計(jì)仿真轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)，是各種交、直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要根底、具有調(diào)速范圍寬、平穩(wěn)性好、穩(wěn)速精度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于冶金、建材、印刷、電纜、機(jī)床和礦山等行業(yè)，在拖動(dòng)領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用。1. 建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖利用前面建立的電流和轉(zhuǎn)速的模塊動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，綜合設(shè)計(jì)，得到雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示圖3-1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)simulink動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2. 在建模窗口中進(jìn)行仿真，得到階躍信