pwm雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的研究

pwm雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的研究

在不同的電機(jī)調(diào)幅系統(tǒng)中，直流電機(jī)在動(dòng)、動(dòng)、速、大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)幅的性能，因此直流電機(jī)在工業(yè)和信息化領(lǐng)域的各個(gè)方面都得到了廣泛應(yīng)用。脈寬調(diào)節(jié)系統(tǒng)（pm）的控制技術(shù)以其簡(jiǎn)單的控制、靈活的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力為優(yōu)點(diǎn)，已成為最廣泛應(yīng)用于能源電子技術(shù)的控制形式。最常用的直流電氣壓縮法技術(shù)具有調(diào)理能力強(qiáng)、動(dòng)作速度快、速度范圍寬、破壞少等特點(diǎn)，特別是在中、小型互聯(lián)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。1明速電流雙環(huán)流裝置設(shè)計(jì)1.1無(wú)靜差轉(zhuǎn)速隨動(dòng)系統(tǒng)r起動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)速和電流波形見(jiàn)圖1.圖中Id為整流器整流電流,IdL為負(fù)載電流.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程有以下三個(gè)特點(diǎn):1)飽和非線性控制.在第Ⅰ階段的電流上升過(guò)程,當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)不飽和時(shí),轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán),整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng),而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng).當(dāng)ASR飽和時(shí),轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán),系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng).2)轉(zhuǎn)速超調(diào).在第Ⅲ階段的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過(guò)程,由于ASR采用了飽和非線性控制,起動(dòng)過(guò)程結(jié)束進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后,必須使轉(zhuǎn)速超調(diào),ASR的輸入偏差電壓△Un為負(fù)值,才能使ASR退出飽和.這樣,采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)必然有超調(diào).3)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制.起動(dòng)過(guò)程中的主要階段是第II階段的恒流升速,它的特征是電流保持恒定.一般選擇為電動(dòng)機(jī)允許的最大電流,以便充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力,使起動(dòng)過(guò)程盡可能最快.這階段屬于有限制條件的最短時(shí)間控制.因此,整個(gè)起動(dòng)過(guò)程可看作為是一個(gè)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制.1.2電流反饋環(huán)路為了實(shí)現(xiàn)直流調(diào)速系統(tǒng)快速起制動(dòng),突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小,在系統(tǒng)中能夠隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過(guò)程,設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖2,系統(tǒng)中有電流調(diào)節(jié)器(ACR)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)兩個(gè)調(diào)節(jié)器,為了濾除電流檢測(cè)信號(hào)中的交流分量,電流檢測(cè)通路中加入一階慣性環(huán)節(jié)起低通濾波作用;由于轉(zhuǎn)速反饋電壓中含有換向紋波和交流分量(噪聲),轉(zhuǎn)速反饋通路中也加入濾波環(huán)節(jié),為了平衡反饋通路中的濾波環(huán)節(jié)帶來(lái)的延遲作用,電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入都加入了同等時(shí)間常數(shù)的濾波環(huán)節(jié).電流調(diào)節(jié)器處于內(nèi)環(huán),轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)處于外環(huán),設(shè)計(jì)過(guò)程先進(jìn)行內(nèi)環(huán)后進(jìn)行外環(huán).設(shè)計(jì)的基本數(shù)據(jù)為:采用三相橋式整流裝置,直流電動(dòng)機(jī):額定電壓220V,額定電流13.6A,額定轉(zhuǎn)速1480r/min,電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ce=0.131V/(r·min-1),允許過(guò)載倍數(shù)λ=1.5;晶閘管裝置放大系數(shù)Ks=76;電樞回路總電阻R=6.58Ω;電磁和機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tl=0.018s,Tm=0.25s;轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)α=0.00337V/(r·min-1),β=0.4V/A;反饋濾波時(shí)間常數(shù)Toi=0.005s,Ton=0.005s.1.3電流環(huán)等效閉環(huán)傳遞函數(shù)的確定為使在突加控制作用時(shí)電流沒(méi)有太大的超調(diào),電流環(huán)以跟隨性能為主,穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差,將電流內(nèi)環(huán)校正成典型Ⅰ型系統(tǒng),電流調(diào)節(jié)器ACR采用PI調(diào)節(jié)器,傳遞函數(shù)為:式中τi為電流調(diào)節(jié)器時(shí)間常數(shù),Ki為電流調(diào)節(jié)器放大系數(shù).要求電流超調(diào)量σi≤5%,選擇電力電子變換器滯后時(shí)間參數(shù)TS:使處理后電流環(huán)等效閉環(huán)傳遞函數(shù)為:1.4轉(zhuǎn)速控制器開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差,設(shè)計(jì)系統(tǒng)成典型Ⅱ型系統(tǒng),轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR采用PI調(diào)節(jié)器,傳遞函數(shù)為:式中τn為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時(shí)間常數(shù),Kn為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器放大系數(shù).經(jīng)推算化簡(jiǎn)得調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)(輸入等效為Ui*/α)為:其中:(以空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量σn≤10%,取開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性中頻寬h=5)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:1.5穩(wěn)定分析與pmd-kg閉合線系統(tǒng)的雙重觸發(fā)分析系統(tǒng)的特征方程為:可見(jiàn):a3,a2,a1,a0均大于0,及a0×a3<a1×a2.由勞斯判據(jù)可知系統(tǒng)是穩(wěn)定的.2simulin仿真獲得了二維環(huán)形旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的模擬波形2.1電機(jī)撞擊特性分析轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR輸出仿真波形、電流調(diào)節(jié)器ACR輸出仿真波形和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性仿真波形分別見(jiàn)圖3~圖5.通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可見(jiàn):1)圖3所示的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性十分接近理想特性,如圖1示,起動(dòng)過(guò)程已達(dá)到預(yù)期目的.但對(duì)于系統(tǒng)性能指標(biāo)來(lái)說(shuō),起動(dòng)過(guò)程中電流的超調(diào)量為5.3%,轉(zhuǎn)速的超調(diào)量達(dá)21.3%,顯然這一指標(biāo)與理論最佳設(shè)計(jì)尚有一定的差距,尤其是轉(zhuǎn)速的超調(diào)量略高一些.2)由圖5示的電流調(diào)節(jié)器ACR從起動(dòng)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行只經(jīng)歷線性調(diào)節(jié)一種狀態(tài).而由圖4示的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR從起動(dòng)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行經(jīng)歷了飽和限幅輸出與線性調(diào)節(jié)兩種狀態(tài).2.2系統(tǒng)抗擾能力驗(yàn)算一般情況下,雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的外部干擾主要是“負(fù)載突變與電網(wǎng)電壓波動(dòng)”兩種情況,其仿真波形見(jiàn)圖6、圖7,通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)可見(jiàn):1)系統(tǒng)對(duì)負(fù)載的大幅度突變具有良好的抗擾能力,在ΔI=12A的情況下系統(tǒng)速降為Δn=44r/min,恢復(fù)時(shí)間為tf=1.5s.2)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電壓的大幅波動(dòng)也同樣具有良好的抗擾能力.在ΔU=100V的情況下,系統(tǒng)速降僅為9r/min,恢復(fù)時(shí)間為tf=1.5s.3)與理想的電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性相比較,該系統(tǒng)的起動(dòng)和恢復(fù)時(shí)間顯得略長(zhǎng)一些(輕載狀態(tài)下接近4s).3轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)仿真分析1)仿真結(jié)果與理論設(shè)計(jì)有一定的差距,由圖3可見(jiàn),電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量為δ=5.3%(理論值為小于5%,取4.3%),轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)響應(yīng)超調(diào)量為δ=21.3%(理論值為小于10%,取8.3%).另外,A