雙閉環(huán)控制系統(tǒng)在電動機(jī)上的應(yīng)用

雙閉環(huán)控制系統(tǒng)在電動機(jī)上的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代能源電子技術(shù)的發(fā)展，能源電子廣泛應(yīng)用的范圍也越來越廣泛。在許多電氣傳動裝置啟動的過程中,最大電流會因轉(zhuǎn)速上升出現(xiàn)回落的現(xiàn)象,嚴(yán)重影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度,也使生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量得不到保證。為了彌補(bǔ)這一缺點,工程上普遍采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng),其核心就是通過對轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的調(diào)節(jié)實現(xiàn)對輸出最大電流和輸出電壓的穩(wěn)定控制?？刂频姆椒ㄓ修D(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的平行切換方式,即保證系統(tǒng)運行的任何時刻有且僅有一個環(huán)投入工作,實現(xiàn)恒流控制下的啟動過程。另外,還可以通過對遺傳算法、模糊控制和帶飽和限幅的PI調(diào)節(jié)器的控制改善雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。本文提出了一種改進(jìn)的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制方法,利用在傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器中并聯(lián)一個微分負(fù)反饋來實現(xiàn)快速平衡,并用Matlab/Simulink仿真進(jìn)行了可行性分析。該系統(tǒng)主電路采用晶閘管三相全控制橋變流器供電,控制回路中的雙閉環(huán)包括了由電流調(diào)節(jié)器ACR和電流檢測反饋電路構(gòu)成的電流內(nèi)環(huán)及由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和轉(zhuǎn)速檢測反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成的轉(zhuǎn)速外環(huán)。1動、靜態(tài)性能閉環(huán)控制的目的是把受控的輸出端信號反饋回輸入端,并且參與控制新一輪的輸出。雙閉環(huán)是在單閉環(huán)的基礎(chǔ)上引入了可以抑制電網(wǎng)電壓擾動對轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響的電流反饋,因此有良好的動、靜態(tài)性能。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖由圖1所示,主電路包括了測速發(fā)電機(jī)(TG)、觸發(fā)裝置(GT)和電流互感器(TA)?？刂齐娐分饕呻娏髡{(diào)節(jié)器(ACR)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)兩部分組成,被轉(zhuǎn)速外環(huán)包圍的電流內(nèi)環(huán)等效為一個小慣性環(huán)節(jié),作為外環(huán)的一部分,下方的轉(zhuǎn)速環(huán)則充當(dāng)了整個系統(tǒng)的輸出回饋的角色,將輸出信號重新加載到輸入端,對輸入端施加控制影響。2雙速帶勵磁矩陣的控制策略2.1反電勢變化的影響系統(tǒng)參數(shù)和指標(biāo)為:σi≤5%,即需要電流超調(diào)量越小越好,故按照典型Ⅰ型設(shè)計?？紤]到電流的調(diào)節(jié)過程比轉(zhuǎn)速的變化過程快得多,反電勢相對于電流變化來說基本不變,所以忽略反電勢的變化對電流環(huán)的影響。圖2所示為電流內(nèi)環(huán)的參數(shù)設(shè)計圖。當(dāng)左邊的給定電壓經(jīng)過濾波器之后輸入到電流調(diào)節(jié)器上的時候,整流裝置的輸出電流會因為電機(jī)的啟動迅速上升。經(jīng)開環(huán)輸出的電壓作為負(fù)反饋控制信號加載到輸入端,起到降低調(diào)節(jié)器和晶閘管的輸出電壓的作用,從而使整流裝置輸出電流回落,保持穩(wěn)定的電流輸出。2.2電流環(huán)等效的一般過程轉(zhuǎn)速環(huán)PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特性是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器的電路主要包括給定濾波環(huán)節(jié)和反饋濾波環(huán)節(jié)。本文提出的改進(jìn)方案是以普通的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ)在反饋濾波支路上增加了電容Cd和電阻Rd,相當(dāng)于在原來轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的濾波環(huán)節(jié)的兩端疊加了一個轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋信號。改進(jìn)后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖3所示。設(shè)所有電流方向均流向節(jié)點A,I1(s)為給定濾波支路的電流。由于Ra相對于R可以忽略不計,所以A處的電流可以根據(jù)下式得到I1(s)=I×1CsR+1Cs=?Vi(s)R+R×1CsR+1Cs×1CsR+1Cs=Vi(s)2R(RCs2+1)(1)I2(s)=?αn(s)2R(RCs2+1)+?αn(s)1Cds+Rd(2)Ι1(s)=Ι×1CsR+1Cs=?Vi(s)R+R×1CsR+1Cs×1CsR+1Cs=Vi(s)2R(RCs2+1)(1)Ι2(s)=-αn(s)2R(RCs2+1)+-αn(s)1Cds+Rd(2)由于給定濾波和反饋濾波的電路具有相似性,根據(jù)節(jié)點電流平衡方程可得Vi(s)2R(RCs2+1)+?αn(s)2R(RCs2+1)+?αn(s)1Cds+Rd=?Vo(s)Ri+1Cis(3)Vi(s)2R(RCs2+1)+-αn(s)2R(RCs2+1)+-αn(s)1Cds+Rd=-Vo(s)Ri+1Cis(3)即Vi(s)Ts+1?[αn(s)Ts+1+αn(s)K(1+τdsτds)]=?Vo(s)Ki(1+τisτis)(4)Vi(s)Τs+1-[αn(s)Τs+1+αn(s)Κ(1+τdsτds)]=-Vo(s)Κi(1+τisτis)(4)式中,濾波時間常數(shù)T=RC2Τ=RC2;負(fù)反饋環(huán)節(jié)系數(shù)K=12RΚ=12R,時間常數(shù)τd=RdCd;調(diào)節(jié)器開環(huán)放大系數(shù)Ki=Ri2RΚi=Ri2R,時間參數(shù)τi=RiCi。電流環(huán)包含在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi),所以設(shè)計轉(zhuǎn)速環(huán)的時候需要將電流環(huán)等效為一個整體。根據(jù)式(4)設(shè)計的轉(zhuǎn)速外環(huán)動態(tài)圖如圖4所示。3電流控制器傳遞函數(shù)為了驗證改進(jìn)方案的正確性,采用Matlab中的Simulink進(jìn)行了仿真驗證。主電路參數(shù)為:輸入電壓220V,頻率50Hz,轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)π/3,速度調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)WASR(s)=1.3510.04s+10.04sWASR(s)=1.3510.04s+10.04s,電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)WACR(s)=13.60.112s+10.112sWACR(s)=13.60.112s+10.112s,仿真結(jié)果如圖5所示。從圖5(a)中可以看出,直流電機(jī)的電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩值在電機(jī)啟動的瞬間急速上升,并從0.3s開始減小,說明0.3s是轉(zhuǎn)速達(dá)到平衡值的時間,之后電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定運行狀態(tài)。圖5(b)分別示出了原系統(tǒng)和改進(jìn)后的系統(tǒng)的速度輸出曲線。通過超調(diào)量的計算公式比較得出原系統(tǒng)的超調(diào)量為39.9%,而改進(jìn)后的系統(tǒng)的超調(diào)量僅為13.2%?？梢姾笳哌M(jìn)入平衡的時間相對較短,即通過在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的濾波環(huán)節(jié)中加入轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋信號能夠使啟動速度達(dá)到優(yōu)于原系統(tǒng)的目的。實驗證明該系統(tǒng)能夠減小電機(jī)啟動過程中產(chǎn)生的最大電流,有效地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,縮短電流回落的時間,實現(xiàn)了快速啟動的要求。4仿真模型的建立與分析雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計要綜合考慮多方面的因素,本文按照電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的一般動態(tài)結(jié)構(gòu),從給定濾波