直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

1、直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計姓 名：吳永康課程名稱：直流拖動自動控制系統(tǒng)指導(dǎo)教師：車海軍老師2018年6月V-M雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真吳永康（燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院）摘 要： 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。具有調(diào)速范圍廣、精度高、動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，所以在電氣傳動系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。常用的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)和電流閉環(huán)控制系統(tǒng)，二者都可以在一定程度上克服開環(huán)系統(tǒng)造成的電動機(jī)靜差率，但是不夠理想。實際設(shè)計中常采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，一般使電流環(huán)(ACR)作為控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)(ASR)作為控制系統(tǒng)的外環(huán)，以此來提高系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能。本

2、文是按照工程設(shè)計的方法來設(shè)計轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的。使電動機(jī)滿足所要求的靜態(tài)和動態(tài)性能指標(biāo)。電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即應(yīng)選用典型型系統(tǒng)，而轉(zhuǎn)速環(huán)以抗擾性能為主，即應(yīng)選用典型型系統(tǒng)為主。關(guān)鍵詞：直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 電流調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器1 設(shè)計任務(wù)及要求1.1設(shè)計任務(wù)設(shè)計V-M雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)1.1.1技術(shù)數(shù)據(jù)： 直流電動機(jī)：額定電樞電壓=400V，額定功率1.9kW，額定電樞電流=6.9A，額定轉(zhuǎn)速=855r/min，電動機(jī)電動勢系數(shù)Ce=0.1925Vmin/r，允許過載倍數(shù)=1.5； 晶閘管裝置放大系數(shù)：Ks=40；整流裝置平均滯后時間常數(shù)=0.00167s， 電樞回

3、路總電阻：R=11.67； 電樞回路電感110mH，電力拖動系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù)Tm=0.075s； 電樞電流反饋系數(shù)：=0.121V/A（10V/1.5），電流濾波時間常數(shù)=0.002s； 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=0.01 V.min/r（10V/）；轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)=0.01s；1.2設(shè)計要求：(1) 根據(jù)試湊法設(shè)計電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行仿真，電流超調(diào)量5%；實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量5%；(2) 試?yán)肕atlab仿真軟件中的Simulink或Simulink中的Power system模塊進(jìn)行仿真，在Matlab仿真軟件中構(gòu)建仿真模型；(3) 用Plot函數(shù)繪制理想空載

4、啟動到設(shè)定轉(zhuǎn)速500r/min下電機(jī)啟動過程，轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值后經(jīng)過20s給定反向信號=-10V時正反轉(zhuǎn)啟動過程中轉(zhuǎn)速、電樞電流波形。(4) 對仿真波形及結(jié)果進(jìn)行分析。2  V-M雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計改變電樞兩端的電壓能使電動機(jī)改變轉(zhuǎn)向。盡管電樞反接需要較大容量的晶閘管裝置，但是它反向過程快，由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，需要可逆運(yùn)行時經(jīng)常采用兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)的可逆線路，電動機(jī)正轉(zhuǎn)時，由正組晶閘管裝置VF供電；反轉(zhuǎn)時，由反組晶閘管裝置VR供電。如圖1所示兩組晶閘管分別由兩套觸發(fā)裝置控制，可以做到互不干擾，都能靈活地控制電動機(jī)的可逆運(yùn)行，所以本設(shè)計采用兩組晶閘管反并聯(lián)的方式。并且采

5、用三相橋式整流。 雖然兩組晶閘管反并聯(lián)的可逆V-M系統(tǒng)解決了電動機(jī)的正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行的問題，但是兩組裝置的整流電壓同時出現(xiàn)，便會產(chǎn)生不流過負(fù)載而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流，稱作環(huán)流，一般地說，這樣的環(huán)流對負(fù)載無益，只會加重晶閘管和變壓器的負(fù)擔(dān)，消耗功率。環(huán)流太大時會導(dǎo)致晶閘管損壞，因此應(yīng)該予以抑制或消除。為了防止產(chǎn)生直流平均環(huán)流，應(yīng)該在正組處于整流狀態(tài)、Udof 為正時，強(qiáng)迫讓反組處于逆變狀態(tài)、使Udor為負(fù)，且幅值與Udof相等，使逆變電壓Udor把整流電壓Udof頂住，則直流平均環(huán)流為零。于是有： =又由于： 其中，r和f分別為VF和VR的控制角。由于兩組

6、晶閘管裝置相同，兩組的最大輸出電壓Umaxdo是一樣的，因此，當(dāng)直流平均環(huán)流為零時，應(yīng)有,。如果反組的控制角用逆變角r表示，則r=r按照這樣控制就可以消除環(huán)流。圖1 兩組晶閘管可控整流裝置反并聯(lián)可逆線路系統(tǒng)設(shè)計的一般原則為：先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。即從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴(kuò)展。在這里，首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。圖2為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖，圖3為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖中兩個調(diào)節(jié)器ASR和ACR分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，二者串級連接，即把電流調(diào)節(jié)器的輸出作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入，再用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。

7、0;兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定了電流給定電壓的最大值；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。 為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。其中主電路中串入平波電抗器，以抑制電流脈動，消除因脈動電流引起的電 機(jī)發(fā)熱以及產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩對生產(chǎn)機(jī)械的不利影響。圖2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖圖3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖3電流調(diào)節(jié)器設(shè)計3.1電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡 電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖的簡化分為忽略反電動勢的動態(tài)影響、等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)、小慣性環(huán)節(jié)的近似處理等環(huán)節(jié)。

8、+-ACRUc (s)bKs /R (Tls+1)(TSis+1)Id (s)U*i(s)b+-ACRUc (s)bKs /R vv(Tls+1)(TSis+1)Id (s)圖4 電流環(huán)的簡化結(jié)構(gòu)圖3.2電流環(huán)參數(shù)的計算 3.2.1確定時間常數(shù) (1)整流裝置滯后時間常數(shù)Ts。按表1，三相橋式電路的平均失控時間Ts=0.00167s。 (2)電流濾波時間常數(shù)本設(shè)計初始條件已給出，即Toi=0.002s。(3)電流環(huán)小時間常數(shù)之和T=Ts+Toi=0.00367s(4)電磁回路時間常數(shù)Tl=L/R=0.01s表1 各種整流裝置的失控時間3.2.2電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇

9、 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，采用 I 型系統(tǒng)就夠了。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時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。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(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成 式中 Ki 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； ti 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：參照典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表格，可以看出各項指標(biāo)都是可以接受的。3.2.3計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超

10、前時間常數(shù)：ti=Tl=0.07s。電流環(huán)開環(huán)增益：要求i5%時，應(yīng)取KITi=0.5，因此于是，ACR的比例系數(shù)為：3.2.4校驗近似條件電流環(huán)截止頻率：ci=KI=135.14s-1。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3.2.5計算調(diào)節(jié)器電阻和電容運(yùn)算放大器取R0=40k，各電阻和電容值為 按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為i=4.3%<5%,滿足設(shè)計要求。4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計4.1轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖電流環(huán)經(jīng)簡化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的

11、輸入量應(yīng)為Ui*(s),用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后,再把時間常數(shù)為1 / KI 和 T0n 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),最后轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡圖為圖4所示。圖5 等效轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖4.2轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)的計算4.2.1確定時間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時間常數(shù)1/KI。由電流環(huán)參數(shù)可知KITi=0.5，則 （2)轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton。根據(jù)已知條件可知Ton=0.01s（3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)Tn。按小時間常數(shù)近似處理，取4.2.2選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動作用點(diǎn)前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 中，在擾動作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)

12、節(jié)，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)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。ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： 式中 Kn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。4.2.3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)為轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為： ASR的比例系數(shù)為：4.2.4檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 （1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為 滿足近似條件（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4.2.5計算調(diào)節(jié)器電阻和電容取R0=40k，則 4.2.6校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時，查詢典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指

13、標(biāo)的表格可以看出，不能滿足設(shè)計要求。實際上，上述表格是按照線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量(空載Z=0)。此時超調(diào)量為： 取h=3，則ASR的超前時間常數(shù)為轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為： ASR的比例系數(shù)為：轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 （1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為 滿足近似條件（2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為 滿足近似條件此時超調(diào)量為：5試湊法調(diào)節(jié)電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)PI控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：（1）比例環(huán)節(jié)：成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。（2）積分環(huán)節(jié)：主要用于消除穩(wěn)態(tài)誤差

14、，提高系統(tǒng)的型別。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。調(diào)整前參數(shù)經(jīng)過反復(fù)調(diào)整得到如下參數(shù)：電流環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)整前Ki3.260.01Kn0.520.087調(diào)整后Ki250.0625Kn0.651.766仿真結(jié)果及分析6.1參數(shù)調(diào)整前的仿真框圖及結(jié)果從圖中可以明顯的的看出系統(tǒng)的超調(diào)量較大不符合要求，但最后的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在給定處，符合要求。6.2參數(shù)調(diào)整后的仿真框圖及結(jié)果從圖中可以明顯的的看出系統(tǒng)的超調(diào)量很小符合要求，最后的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在給定處，符合要求。理想空載啟動到設(shè)定轉(zhuǎn)速500r/min下電機(jī)啟動過程，轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值后經(jīng)過20s給定反向信號=-8.55V時正反轉(zhuǎn)啟動過程中轉(zhuǎn)

15、速、電樞電流波形。從圖中可以明顯的的看出系統(tǒng)的超調(diào)量很小符合要求，最后的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在給定處，符合要求。6.3 Plot函數(shù)繪制仿真結(jié)果用Plot函數(shù)繪制理想空載啟動到設(shè)定轉(zhuǎn)速500r/min下電機(jī)啟動過程，轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值后經(jīng)過20s給定反向信號=-8.55V時正反轉(zhuǎn)啟動過程中轉(zhuǎn)速、電樞電流波形。將Simulink的仿真結(jié)果存到工作區(qū)，并命名為B。則Plot函數(shù)程序如下：plot(B(:,1),B(:,2),B(:,1),B(:,3);運(yùn)行結(jié)果如下：從圖中可以明顯的的看出系統(tǒng)的超調(diào)量很小符合要求，最后的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在給定處，符合要求。并且與Simulink的仿真結(jié)果一致。7設(shè)計心得通過這次課程設(shè)計，我

16、進(jìn)一步了解了晶閘管-直流電動機(jī)系統(tǒng)的組成與工作原理、控制單元的工程設(shè)計方法等。本設(shè)計包含了運(yùn)動控制課程直流調(diào)速系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)外，同時還涉及到電力電子技術(shù)、自動控制原理、電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬、數(shù)字）等相關(guān)課程，為了完成本次課程設(shè)計，我又對相關(guān)知識進(jìn)行了一次復(fù)習(xí)。設(shè)計過程中，我仔細(xì)查閱了相關(guān)資料，經(jīng)過努力后終于拿出了設(shè)計方案。但在仿真過程中遇到了很多問題！首先是空載轉(zhuǎn)速不能達(dá)到855轉(zhuǎn)的要求，在我仔細(xì)檢查與驗算后發(fā)現(xiàn)是參數(shù)使用錯誤，修改后即滿足條件。但當(dāng)加入負(fù)載擾動后，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后只有不到700轉(zhuǎn)。這讓我很疑惑！我一再檢查，仿真模型沒有問題，數(shù)據(jù)沒有問題，但仿真圖就是不對。仔細(xì)檢查后，我發(fā)現(xiàn)是系統(tǒng)設(shè)置問題，改正后，即能正常運(yùn)行。還有就是超調(diào)過大，后發(fā)現(xiàn)是反饋參數(shù)與給定以及限幅關(guān)系錯誤，經(jīng)改正并調(diào)整PI參數(shù)后，滿足要