雙閉環(huán)h橋直流可逆調速系統(tǒng)

1、調速控制系統(tǒng)設計1電源及操作系統(tǒng)設計（簡）2雙閉環(huán)調節(jié)器電路設計3仿真模型4參數(shù)計算與計算機仿真5Table of Contents設計步驟實驗項目概括實驗項目概括本實驗設計了一套實驗用雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，詳細介紹本實驗設計了一套實驗用雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)主電路、反饋電路、觸發(fā)電路及控制電路的具體實了系統(tǒng)主電路、反饋電路、觸發(fā)電路及控制電路的具體實現(xiàn)。對系統(tǒng)的性能指標進行了實驗測試，表明所設計的雙現(xiàn)。對系統(tǒng)的性能指標進行了實驗測試，表明所設計的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，具有較好的靜態(tài)和動態(tài)性能，閉環(huán)調速系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，具有較好的靜態(tài)和動態(tài)性能，達到了設計要求。采用達到了設計要

2、求。采用MATLABMATLAB軟件中的控制工具箱對直流軟件中的控制工具箱對直流電動機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)進行計算機輔助設計，以此驗證設電動機雙閉環(huán)調速系統(tǒng)進行計算機輔助設計，以此驗證設計的調速系統(tǒng)是否可行計的調速系統(tǒng)是否可行. .01PART調速控制系統(tǒng)設計a a雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性分析雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性分析: :分析靜特性的關鍵是掌握分析靜特性的關鍵是掌握PIPI調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：飽和兩種狀況：飽和輸出達到限幅值，不飽和輸出達到限幅值，不飽和輸出未輸出未達到限幅值。當調節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變達到限幅值。當調節(jié)器飽和時，輸出為恒

3、值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調節(jié)器退出飽化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調節(jié)器退出飽和，換句話說，飽和的調節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出的聯(lián)和，換句話說，飽和的調節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出的聯(lián)系相當于使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。當調節(jié)器不飽和時，系相當于使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。當調節(jié)器不飽和時，PIPI的作用的作用使輸入偏差電壓使輸入偏差電壓UU在穩(wěn)態(tài)時總為零。在穩(wěn)態(tài)時總為零。一：控制系統(tǒng)動靜態(tài)數(shù)學模型一：控制系統(tǒng)動靜態(tài)數(shù)學模型建立：建立：圖一圖一 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構框圖圖二圖二 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性b b制系統(tǒng)動態(tài)性

4、能分析：制系統(tǒng)動態(tài)性能分析： 由于在起動過程中轉速調節(jié)器由于在起動過程中轉速調節(jié)器ASRASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標明的中標明的、三個階段三個階段 ：第一階段是電流上升階段，第二階第一階段是電流上升階段，第二階段是恒流升速階段，第三階段是轉段是恒流升速階段，第三階段是轉速調節(jié)階段。速調節(jié)階段。圖三 啟動過程電流轉速波形二：調速系統(tǒng)總體結構設計：二：調速系統(tǒng)總體結構設計：雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的工作過程和原理：電動機在啟動階段，電動機的實雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的工作過程和原理：電動機在啟動階段，電動機的實際轉速際轉速(

5、 (電壓電壓) )低于給定值低于給定值, ,速度調節(jié)器的輸入端存在一個偏差信號，速度調節(jié)器的輸入端存在一個偏差信號，經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值, ,速度調節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài)速度調節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài), ,速度速度調節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調節(jié)器調節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調節(jié)器, , 此時則以最大電此時則以最大電流給定值使電流調節(jié)器輸出移相信號流給定值使電流調節(jié)器輸出移相信號, ,直流電壓迅速上升直流電壓迅速上升, ,電流也隨即電流也隨即增大直到等于最大給定值增大直到等于最大給定值, , 電動機以最大電流恒流加速啟動。電動機電動機以最大電流

6、恒流加速啟動。電動機的最大電流的最大電流( (堵轉電流堵轉電流) )可以通過整定速度調節(jié)器的輸出限幅值來改變。可以通過整定速度調節(jié)器的輸出限幅值來改變。在電動機轉速上升到給定轉速后，速度調節(jié)器輸入端的偏差信號減小在電動機轉速上升到給定轉速后，速度調節(jié)器輸入端的偏差信號減小到近于零到近于零, ,速度調節(jié)器和電流調節(jié)器退出飽和狀態(tài)速度調節(jié)器和電流調節(jié)器退出飽和狀態(tài), ,閉環(huán)調節(jié)開始起作閉環(huán)調節(jié)開始起作用。對負載引起的轉速波動用。對負載引起的轉速波動, ,速度調節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號將隨速度調節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號將隨時通過速度調節(jié)器、電流調節(jié)器來修正觸發(fā)器的移相電壓，使整流橋時通過速度調節(jié)器、

7、電流調節(jié)器來修正觸發(fā)器的移相電壓，使整流橋輸出的直流電壓相應變化輸出的直流電壓相應變化, ,從而校正和補償電動機的轉速偏差。另外從而校正和補償電動機的轉速偏差。另外電流調節(jié)器的小時間常數(shù)電流調節(jié)器的小時間常數(shù), , 還能夠對因電網(wǎng)波引起的電動機電樞電流還能夠對因電網(wǎng)波引起的電動機電樞電流的變化進行快速調節(jié)的變化進行快速調節(jié), ,可以在電動機轉速還未來得及發(fā)生改變時可以在電動機轉速還未來得及發(fā)生改變時, ,迅速迅速使電流恢復到原來值使電流恢復到原來值, ,從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉速下運行。從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉速下運行。 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的起動過程有以下三個特點雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的起動過程有

8、以下三個特點：（1 1）飽和非線形控制：隨著）飽和非線形控制：隨著ASRASR的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處的飽和與不飽和，整個系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)，在不同情況下表現(xiàn)為不同結構的線形系統(tǒng)，于完全不同的兩種狀態(tài)，在不同情況下表現(xiàn)為不同結構的線形系統(tǒng)，只能采用分段線形化的方法來分析，不能簡單的用線形控制理論來籠只能采用分段線形化的方法來分析，不能簡單的用線形控制理論來籠統(tǒng)的設計這樣的控制系統(tǒng)。統(tǒng)的設計這樣的控制系統(tǒng)。（2 2）轉速超調：當）轉速超調：當ASRASR采用采用PIPI調節(jié)器時，轉速一定會超調。一調節(jié)器時，轉速一定會超調。一般是容許轉速略有超調的，對于完全不能有超調的，應用其他控制方般

9、是容許轉速略有超調的，對于完全不能有超調的，應用其他控制方法控制。法控制。（3 3）準時間最優(yōu)控制：對于電力拖動系統(tǒng)，在電動機允許過）準時間最優(yōu)控制：對于電力拖動系統(tǒng)，在電動機允許過載能力下的恒流起動，即為時間最優(yōu)控制。雖然實際起動過程與理想載能力下的恒流起動，即為時間最優(yōu)控制。雖然實際起動過程與理想啟動過程相比還有一些差距，但無傷大局，可稱作啟動過程相比還有一些差距，但無傷大局，可稱作“準時間最優(yōu)控準時間最優(yōu)控制制” ” 。 抗擾性能分析抗擾性能分析雙閉環(huán)調速系統(tǒng)一般具有還不錯的動態(tài)性能。其中抗擾性能對雙閉環(huán)調速系統(tǒng)一般具有還不錯的動態(tài)性能。其中抗擾性能對于調速系統(tǒng)動態(tài)性能來說是最重要的，它

10、主要包括抗電網(wǎng)電壓擾動和于調速系統(tǒng)動態(tài)性能來說是最重要的，它主要包括抗電網(wǎng)電壓擾動和抗負載擾動?？关撦d擾動。 圖四圖四 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的結構圖雙閉環(huán)調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的結構圖 動態(tài)結構圖動態(tài)結構圖轉速環(huán)三：調節(jié)器選擇三：調節(jié)器選擇典型型系統(tǒng)可以在跟隨性能上做到超調量小，但抗擾性能稍差；典型系統(tǒng)的超調量相對較大，抗擾性能卻比較好。根據(jù)這一依據(jù)，實際控制系統(tǒng)對于各種動態(tài)指標的要求各不相同選用的系統(tǒng)類型也不同。如調速系統(tǒng)的動態(tài)特性以抗擾性能為主，則應首先典型系統(tǒng)；而隨系統(tǒng)的動態(tài)性能指標以跟隨性能為主，可按典型型系統(tǒng)設計。02PART四：控制電源設計Click here to add your titl

11、eH H橋雙極式逆變器的工作原理橋雙極式逆變器的工作原理脈寬調制器的作用是：用脈沖寬度調制的方法，把恒定的脈寬調制器的作用是：用脈沖寬度調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定寬度可變的脈沖電壓序列，直流電源電壓調制成頻率一定寬度可變的脈沖電壓序列，從而平均輸出電壓的大小，以調節(jié)電機轉速。從而平均輸出電壓的大小，以調節(jié)電機轉速。H H形雙極式逆變器電路如圖所示。這時電動機形雙極式逆變器電路如圖所示。這時電動機M M兩端電壓的兩端電壓的極性隨開關器件驅動電壓的極性變化而變化。極性隨開關器件驅動電壓的極性變化而變化。 圖六圖六 H H形雙極式逆變器電路形雙極式逆變器電路 圖七圖七 H H形雙

12、極式逆變器的驅動電壓波形形雙極式逆變器的驅動電壓波形OOOOUg1Ug4Ug2Ug3UABUs-Usidid1id2tttttonTtonT雙極式控制可逆雙極式控制可逆PWMPWM變換器的輸變換器的輸出平均電壓為出平均電壓為如果定義占空比如果定義占空比 ，電壓，電壓系數(shù)系數(shù) 則在雙極式可逆變換器中則在雙極式可逆變換器中21ononondsstTttUUUTTTontTdsUU2103PART雙閉環(huán)調節(jié)器電路設計Click here to add your title電流調節(jié)器電流調節(jié)器由于電流檢測中常常含有交流由于電流檢測中常常含有交流分量，為使其不影響調節(jié)器的分量，為使其不影響調節(jié)器的輸入，

13、需加低通濾波。此濾波輸入，需加低通濾波。此濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)表示。為了平衡反饋信號的節(jié)表示。為了平衡反饋信號的延遲，在給定通道上加入同樣延遲，在給定通道上加入同樣的給定濾波環(huán)節(jié)，使二者在時的給定濾波環(huán)節(jié)，使二者在時間上配合恰當。間上配合恰當。圖九 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調節(jié)器3.3.2 3.3.2 轉速調節(jié)器轉速調節(jié)器轉速反饋電路如圖所示，轉速反饋電路如圖所示，由測速發(fā)電機得到的轉速由測速發(fā)電機得到的轉速反饋電壓含有換向紋波，反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，根據(jù)和因此也需要濾波，根據(jù)和電流環(huán)一樣的原理，在轉電流環(huán)一樣的原理，在轉速給定通道

14、上也加入相同速給定通道上也加入相同時間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。時間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。圖十 含給定濾波與反饋濾波的PI型電轉速調節(jié)器04PART參數(shù)計算與計算機仿真Click here to add your title設計要求設計要求 穩(wěn)態(tài)無靜差，穩(wěn)態(tài)無靜差， 電流超調量電流超調量ii5%5%， 到額定轉速時的轉速超調量到額定轉速時的轉速超調量nn1010。電動機基本參數(shù)電動機基本參數(shù)直流電動機額定電壓：直流電動機額定電壓： U UN N=54V =54V 調速范圍：調速范圍：D=1D=10 0額定電流：額定電流： IN=3.24A IN=3.24A 靜差率：靜差率： s s=5 5% % 額定

15、轉速：額定轉速： n nN N=1450r/min=1450r/min 電樞電阻：電樞電阻： Ra=1.5 Ra=1.5電樞回路總電阻：電樞回路總電阻： R=4 R=4電樞電感：電樞電感： L = 2mH L = 2mH轉動慣量：轉動慣量： J=0.76g. J=0.76g.電樞電動勢：電樞電動勢：E=Un-In=49.14 E=Un-In=49.14 理想空載轉速：理想空載轉速：n n0 0=n=nN N+rIn/Ce=1593.36+rIn/Ce=1593.36Ce=E/Nn=0.0339Ce=E/Nn=0.0339GDGD=4gJ=0.029=4gJ=0.029Cm=30Ce/=0.32

16、4Cm=30Ce/=0.324 =l/R=5 =l/R=51010-4-4=0.5ms=0.5msTm=GDTm=GDR/375CeCn=0.0289R/375CeCn=0.0289U Ud0d0=Un=54v=Un=54v=2-1=0.75=2-1=0.752-1=0.52-1=0.5Us=nUs=n0 0Ce/Ce/=108=108lT 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算08.3I3.891.2II電流反饋系數(shù)：0083.0n轉速反饋系數(shù)： 12vdm*iNdm145012*ii*UUUN 0.165ms=20.085= T 則0.085ms=Ts=Toi：流濾波常數(shù)電取0.085ms=T/4=Ts

17、：常數(shù)間整流裝置滯后時0.33ms=T 3khz=f：頻率開關i調節(jié)器設計調節(jié)器設計電流環(huán)節(jié)設計電流環(huán)節(jié)設計a選擇電流調節(jié)器結構根據(jù)設計要求電流超調量，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設計電流調節(jié)器。電流控制。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的,所以把電流調節(jié)器設計成PI型的，其傳遞函數(shù)為 式中 電流調節(jié)器的比例系數(shù)； 電流調節(jié)器的超前時間常數(shù)1( )iACRiisWsKsiKib b計算電流調節(jié)器參數(shù)計算電流調節(jié)器參數(shù)電流環(huán)小時間之和按小時間常數(shù)近似處理： 阻尼比： 0.165ms=20.085ToiTTsi0.5msTi數(shù)：電流調節(jié)器超前時間常l0.70730.3030T5.0 電流放大系數(shù)：

18、iIKc c校驗近似條件校驗近似條件c c校驗近似條件校驗近似條件電流環(huán)截止頻率電流環(huán)截止頻率 : :晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：即即: :滿足近似條件；滿足近似條件；30.3030kIcisT31icci3-40.4040100825. 03131sT忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件：忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件： 即即 滿足條件；滿足條件；電流環(huán)小慣性環(huán)近似處理：電流環(huán)小慣性環(huán)近似處理：即即滿足條滿足條 件件按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨指標為：按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨指標為：, ,滿足設計要求。滿足設計要求。ic3m199.7890289

19、. 0105 . 01313lTTlTTmic13oiics131TTi c23-oi21.12121100825. 0131s131）（TT%5i b b轉速環(huán)節(jié)設計轉速環(huán)節(jié)設計74.20T2TC6kn比例系數(shù)：ASR17348.8T21K開環(huán)增益：s1013.15hT：超前時間常數(shù)為ASR則5h取2.3msT2.3ms60.0138T0.0138sT72.5hzn/20f 20fn測速電機102.63102.3100.33Tk1T：轉速環(huán)小時間常數(shù)nnnme22N3-nons3-3-3-onInRhhh轉速調節(jié)器設計轉速調節(jié)器設計a.a.選擇調節(jié)器結構選擇調節(jié)器結構按跟隨和抗擾性能都能較好的原則按跟隨和抗擾性能都能較好的原則, ,在負載擾動點后在負載擾動點后已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié),