转速电流双闭环的数字式可逆直流调速系统的仿真与设计.docx

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转速电流双闭环的数字式可逆直流调速系统的仿真与设计

转速电流双闭环的数字式可逆直流调速系统的仿真与设计

一、设计目的

应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。

应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。

在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。

二、设计参数

1、直流电动机

（1）：

输出功率为:

7.5Kw电枢额定电压220V

电枢额定电流36A额定励磁电流2A

额定励磁电压110V功率因数0.85

电枢电阻0.2欧姆电枢回路电感100mH

电机机电时间常数2S电枢允许过载系数1.5

额定转速1430rpm

2、环境条件：

电网额定电压:

380/220V，电网电压波动:

10%

环境温度:

-40~+40摄氏度，环境湿度:

10~90%

3、控制系统性能指标：

电流超调量小于等于5%

空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%

调速范围D＝20，静差率小于等于0.03.

三系统方案选择

（1）可控电源选择

直流电动机具有良好的起制动性能在广泛范围内可实现平滑调速，在需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。

从生产机械要求控制的物理量来看，各种系统往往都通过控制转速来实现的。

因而直流调速系统是最基本的拖动控制系统。

直流变电压调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：

转电流机组

适用于调速要求不高、要求可逆运行的系统但其设备多、体积大、费用高、效率低。

②静止可控整流器

可通过调节触发装置的控制电压来移动触发脉冲的相位从而实现平滑调速且控制作用快速性能好提高系统动态性能。

③PWM（脉宽调制变换器）或称直流斩波器

利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变平均电压，与V—M系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性：

主电路线路简单，需要的功率器件少，开关频率高；电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；功率开关器件工作在开关状态，道通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率高；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流高。

因此，本设计应选择脉宽调速，即采用直流PWM调速。

（2）主控制器选择

1、双闭环直流调速系统

双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。

它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。

我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。

采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。

但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。

这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。

在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。

但它只是在超过临界电流

值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。

带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图5-a所示。

当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。

在实际工作中,我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。

这样的理想起动过程波形如图5-b所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。

这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。

（a）带电流截止负反馈的单闭环调速系统的启动过程

（b）理想快速启动过程

图5调速系统启动过程的电流和转速波形

实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值

的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变[1]，那么采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程。

问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。

这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图2-2所示，即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。

从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。

这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI[1]调节器。

因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。

一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。

2.桥式可逆PWM变换器的工作原理

脉宽调制变换器的作用是：

用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。

最常用的是桥式（亦称H形）可逆PWM电路,

H形主电路结构

这时，电动机M两端电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆PWM变换器。

双极式控制方式：

（1）正向运行：

第1阶段，在0≤t≤ton期间，Ug1、Ug4为正，VT1、VT4导通，Ug2、Ug3为负，VT2、VT3截止，电流id沿回路1流通，电动机M两端电压UAB=+Us；

第2阶段，在ton≤t≤T期间，Ug1、Ug4为负，VT1、VT4截止，VD2、VD3续流，并钳位使VT2、VT3保持截止，电流id沿回路2流通，电动机M两端电压UAB=–Us；

（2）反向运行：

第1阶段，在0≤t≤ton期间，Ug2、Ug3为负，VT2、VT3截止，VD1、VD4续流，并钳位使VT1、VT4截止，电流–id沿回路4流通，电动机M两端电压UAB=+Us；

第2阶段，在ton≤t≤T期间，Ug2、Ug3为正，VT2、VT3导通，Ug1、Ug4为负，使VT1、VT4保持截止，电流–id沿回路3流通，电动机M两端电压UAB=–Us；

输出波形

双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点：

（1）电流一定连续；

（2）可使电机在四象限运行；

（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；

（4）低速平稳性好，系统的调速范围可达1:

20000左右；

（5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。

三、设计过程

1、主电路和控制系统确定

主电路选用V-M系统，采用三相桥式全控整流电路，并增加抑制电流脉动的措施，为此设置平波电抗器，总电感量的计算公式为

L=0.693U2/Idmin,一般取Idmin为电动机额定电压的5%-10%。

触发电路采用三相集成触发器。

系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。

该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流原理图如图所示。

1电流调节器的设计

1）确定时间常数

（1）整流装置滞后时间常数

，PWM电源滞后时间常数

=0.0017s。

（2）机电时间常数

，电磁时间常数

。

（3）电流滤波时间常数

=0.01s

（4）电流环小时间常数之和

。

按小时间常数近似处理，取

=

+

=0.002s。

电流超前时间常数

=

=

=0.67S

2）选择电流调节器结构

根据设计要求电流超调量

，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。

电流环控制对象是双惯性型的，因此可以用PI型电流调节器，其传递函数为

1）计算电流调节器参数

电压放大系数

。

电流调节器超前时间常数:

。

电流环开环增益：

要求

时，应取

，因此

。

于是，ACR的比例系数为

电流反馈系数

）

4）校验近似条件

电流环截止频率：

。

A、晶闸管整流装置传递函数的近似条件

满足近似条件。

B、忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

满足近似条件。

C、电流环小时间常数近似处理条件

满足近似条件。

2转速调节器的设计

1）确定时间常数

A、电流环等效时间常数1/

由上已取

，则

B、转速滤波时间常数

，根据所用测速发电机纹波情况，取

=0.01s。

C、转速环小时间常数

，按小时间常数近似处理，取

。

2）选择转速调节器结构

按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为

3）计算转速调节器参数

按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前

时间常数为

转速开环增益

于是，ASR的比例系数为

4）检验近似条件

转速环截止频率为

A、电流环传递函数简化条件为

，满足近似条件。

B、转速环小时间常数近似处理条件为

，满足近似条件。

5）校核转速超调量

当h=5时，

，不能满足设计要求。

实际上，

由于表中是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。

由已知有

，

Ce=0.219Vmin/r，

，当h=5时，查表可得

，代入式

可得

能满足设计要求。

四、系统的MATLAB仿真

6）系统仿真模型