直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

1發(fā)電機(jī)電樞回路總電阻確定設(shè)計一個封閉的v-m自動駕駛系統(tǒng)，采用一個三相橋式完全控制橋式維修電路。已知他勵直流電動機(jī)參數(shù),電動機(jī)電樞回路總電阻(即電樞電阻,此時忽略整流裝置內(nèi)阻,平波電抗器電阻)按工程設(shè)計方法設(shè)計,滿足包括穩(wěn)態(tài)誤差、超調(diào)量、動態(tài)過渡時間在內(nèi)的所有要求的性能指標(biāo)。2動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的建立根據(jù)總體結(jié)構(gòu)要求設(shè)計各基本環(huán)節(jié),需設(shè)計的環(huán)節(jié)主要有:電流、轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié),比較環(huán)節(jié),晶閘管及其觸發(fā)電路,電流、轉(zhuǎn)速兩個調(diào)節(jié)器等。觸發(fā)電路的結(jié)構(gòu)可不考慮。最后根據(jù)已確定的各環(huán)節(jié)選擇部件及計算參數(shù)。最終結(jié)果應(yīng)滿足生產(chǎn)機(jī)械工藝要求提出的靜態(tài)與動態(tài)性能指標(biāo)。在實際應(yīng)用中雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是應(yīng)用得比較廣泛的,而且也是比較典型的一種,也是構(gòu)成各種可逆調(diào)速系統(tǒng)的核心。雙閉環(huán)控制由轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋組成,屬于多環(huán)控制系統(tǒng),其動態(tài)結(jié)構(gòu)如下圖1所示。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入,而電流調(diào)節(jié)器的輸出則去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看,電流環(huán)在里面,稱為內(nèi)環(huán);轉(zhuǎn)速環(huán)在外面,稱外環(huán)。為了使轉(zhuǎn)速,電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜、動態(tài)性能。電流、轉(zhuǎn)速兩個調(diào)節(jié)器一般采用輸出帶限幅的PI調(diào)節(jié)器。Ui(s)—對應(yīng)于控制電流的電壓信號;Uct(s)—對應(yīng)于脈寬調(diào)制器的輸入控制電壓信號;Ud0(s)—PWM驅(qū)動電路輸出的空載電壓;Idl(s)—對應(yīng)于電動機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的負(fù)載電流;n(s)—電動機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速;KPWM,TPWM—脈寬調(diào)制器和PWM變換器放大倍數(shù)與其近似慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù);R—電動機(jī)電樞回路總電阻;Tl—電動機(jī)電磁回路時間常數(shù);Tm—包括電動機(jī)在內(nèi)的系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù);Ce—電動機(jī)在額定磁通下的電動勢轉(zhuǎn)速比;—電流反饋系數(shù)。設(shè)計此動態(tài)結(jié)構(gòu)圖時,應(yīng)先設(shè)計各模塊的傳遞函數(shù)并求出各模塊的參數(shù)和時間常數(shù),再根據(jù)“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)”的原則分別設(shè)計ACR和ASR.ACR和ASR的設(shè)計是動態(tài)結(jié)構(gòu)圖設(shè)計的重點。其設(shè)計方法一般為先確定調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu),然后確定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的設(shè)計可根據(jù)所設(shè)計閉環(huán)的控制(輸出)量的要求及校正成哪一種典型系統(tǒng)的需要,在P,PI,PD,PID等類調(diào)節(jié)器中選一種。而調(diào)節(jié)器參數(shù)的設(shè)計則主要根據(jù)該閉環(huán)的輸人、輸出、各環(huán)節(jié)的參數(shù)及校正的目標(biāo)系統(tǒng)的需要,通過計算而取得。另外也要考慮兩個調(diào)節(jié)器限幅等非線性作用。數(shù)學(xué)模型建立過程中,主要有兩項工作:一是要確定傳遞函數(shù)的結(jié)構(gòu);二是要計算各環(huán)節(jié)的時間常數(shù)和放大系數(shù)(比例系數(shù))。3設(shè)計框架圖4工程最佳開環(huán)參數(shù)分析系統(tǒng)的開環(huán)才傳遞函數(shù)為:由上式的結(jié)構(gòu)可以看出典型Ⅰ型系統(tǒng)由一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)相乘得來,其方框圖如下:由圖2可以看出來系統(tǒng)是一個由積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)組成的閉環(huán)反饋系統(tǒng)。由控制理論誤差分析可知,系統(tǒng)對階躍給定信號的穩(wěn)態(tài)誤差為零;對單位斜坡輸入信號的穩(wěn)態(tài)誤差不為零,即有跟蹤誤差。由上式可知,當(dāng)開環(huán)增益K增大時,跟蹤誤差將減少。在對系統(tǒng)進(jìn)行工程設(shè)計時,通常選用K=1/(2T)或為典型函數(shù),稱為“工程最佳參數(shù)”。當(dāng)取這兩個參數(shù)時,其性能指標(biāo)為:實踐表明,上述典型參數(shù)對應(yīng)的性能指標(biāo)適合于響應(yīng)快而又不允許過大超調(diào)量的系統(tǒng),一般情況下都能滿足工程設(shè)計要求。系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)頻率特性如圖3所示。當(dāng)cw(27)1/T時,對數(shù)幅頻特性以—20dB/dec的斜率通過零分貝線,其截止頻率cw=K,其相角裕量uf067為從上述分析可知,與系統(tǒng)快速性相關(guān)的截止頻率cw取決于開環(huán)增益K,增益K值可提高系統(tǒng)的快速性,但另一方面又會使相角裕量uf067減少,超調(diào)量增大,所以cw不能隨意增大。如果既要提高快速性,又要保持相角裕量不變,就應(yīng)在增加cw的同時減少時間參數(shù)T,保持他們之間的比值不變。但時間常數(shù)T往往是系統(tǒng)的固有參數(shù),較難改變,故在確定K值時,要兼顧快速性和超調(diào)量兩項指標(biāo)。5電流調(diào)節(jié)器的原理最常用的電流調(diào)節(jié)器是PI。由于電流反饋濾波環(huán)節(jié)(慣性環(huán)節(jié))折算到前向通道上表現(xiàn)為微分環(huán)節(jié),電流超調(diào)將會增大,為此,在給定通道上也加一濾波環(huán)節(jié)(給定濾波器),以抵消電流反饋環(huán)節(jié)的影響。具有給定和反饋濾波器的電流調(diào)節(jié)器如圖4所示。對PI調(diào)節(jié)器,其輸出表達(dá)式為:6轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計與ACR相同,含有給定濾波和反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖5所示。用電流環(huán)的等效傳遞函數(shù)代替圖8-1中的電流閉環(huán)后,整個轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖變成圖6所示?；诜€(wěn)態(tài)無靜差和系統(tǒng)應(yīng)具有良好的抗擾性能的要求。7轉(zhuǎn)速控制電壓信號通過一段時間的努力,對雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的電路的設(shè)計有了較為深入的研究,進(jìn)一步熟悉了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、工作原理及各個器件的作用。圖中—對應(yīng)于給定轉(zhuǎn)速的控制電壓信號;Un(s)—對應(yīng)于實際轉(zhuǎn)速的反饋電壓信號;ΔUn(s)—對應(yīng)于轉(zhuǎn)速