转速、电流双闭环直流调速系统设计与实践

1、转速、电流双闭环直流调速系统1.设计意义电机自动控制系统广泛应用于机械,钢铁,矿山,冶金,化工,石油,纺织,等行业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机做原动机。有效地控制电机,提高其运行性能,对国民经济具有十分重要的现实意义。20世纪90年代前地大约50年的时间里,直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机,直流电动机的定子磁场和转子磁场互相独立并且正交,为控制提供了便捷的方式,使得电动机具有优良的启动,制动和调速性能。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其他电动机的挑战,但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺候控制首选。因为它具有良好的线性特征,优异的控制性

2、能,高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠,精度最高的调速方法。2.设计思想直流电动机具有良好的起动、制动性能,宜于在大范围内平滑调速,在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看,直流调速还是交流拖动系统的基础。该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

3、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。并通过Simulink进行系统的数学建模和系统仿真,分析双闭环直流调速系统的特性。 图1 转速、电流双闭环直流调速系统原理框图3.设计方法及过程该方案主要由给定环节、ASR 、ACR 、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用,系统设置了电流调节器ACR 和转速调节器ASR 。电流调节器ACR 和电流检测反馈回路构成了电流环;转速调节器ASR 和转速检测反馈回路构成转速环,称为双闭环调速系统。因转速环包围电流环,故称电流环为内环,转速

4、环为外环。在电路中,ASR 和ACR 串联,即把ASR 的输出当做ACR 的输入,再由ACR 得输出去控制晶闸管整流器的触发器。为了获得良好的静、动态性能,转速和电流两个调节器一般都采用具有输入输出限幅功能的PI 调节器,且转速和电流都采用负反馈闭环。该方案的原理框图如下图图1(1 直流双闭环调速系统的工作原理及数学模型 (2 双闭环直流调速的工程设计(3 应用MATLAB 软件对设计的系统进行仿真和校正4.电流环的设计 一、电流环的简化:电压 电流检测 ASAC整流触发装置电动机负载速度检测 图2按典型I 型系统设计,ACR 选PI 调节器。i=T l ,K i =(K i K s 

5、7;(i R动态结构图图3 二、确定时间常数(1整流装置滞后时间常数s T 。三相桥式电路的平均失控时间s T s 017.0=; (2电流滤波时间常数oi T 。三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms ,为了基本滤平波头,应有(ms T oi 33.321=,因此取s ms T oi 002.02=;(3电流环小时间常数i T 。按小时间常数近似处理,取s T T T oi s i 0037.0=+=。三、确定将电流环设计成何种典型系统根据设计要求%5i ,而且1011.80037.003.0<=il T T ,因此,电流环可按典型型系统设计。四、电流调节器的结构选择TK(1+S T

6、S iI d (s +- *(s i U电流调节器选用PI 型,其传递函数为:(ss K s W i i iACR 1+=五、选择电流调节器参数ACR 超前时间常数:s T l i 03.0=;电流环开环增益:因为要求%5i ,故应取5.0=i I T K ,因此11.1350037=sT K iI于是,ACR 的比例系数为013.140=si Ii K R K K 。六、计算电流调节器的电路参数+-+I dR 0/2R 0/2R 0/2R 0/2R iR balC iC oiC oiU ctU i *图4 电流调节器原理图电流调节器原理如图9所示,按所用运算放大器,取=K R 400,各电阻

7、和电容值计算如下:F R C ii i 75.01040003.03=,取F 75.0;F R T C oi oi 2.01040002.0443=,取F 2.0。电流环截止频率11.135-=s K I i (1校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足sci T 31。因为ci ssT >=-11.1960017.03131,所以满足近似条件。(2校验忽略反电动势对电流环影响是否满足lm ci T T 13。现在ci lm sT T <=-182.4003.018.01313,满足近似条件。(3校验小时间常数的近似处理是否满足条件ois ci T T 131。现在ci ois s

8、T T >=-18.180002.0017.0131131,满足近似条件。5.转速环的设计一、转速环的简化:图5简化后的转速环二、确定时间常数:(1电流环等效时间常数为s T i 0074.02=;(2转速滤波时间常数on T 。根据所用测速发电机纹波情况,取s T on 01.0=; (3转速环小时间常数n T 。按小时间常数近似处理,取s T T T on i n 0174.02=+=。 三、转速环设计系统:由于设计要求转速无静差,转速调节器必须含有积分环节;有根据动态设计要求,应按典型型系统设计转速环。n+-ASRC e T m sR I d (s / T n s+1+-I dL

9、(s U *n (s 四、转速调节器的结构选择转速调节器选用PI 型,其传递函数为:(ss K s W n n nASR 1+=。五、选择转速调节器参数按跟随和抗干扰性能都较好的原则取h=5,则ASR 超前时间常数:转速开环增益:4.3960174.0252621222=+=nN T T h h K ;于是ASR 的比例系数为:(7.110174+=nme n RT h T C h K 。六、计算转速调节器的电路参数转速调节器原理图如图6所示,按所用运算放大器,取=K R 400,各 电阻和电容值计算如下:=K R K R n n 468407.110,取K 470;F R C nn n 18

10、5.010470087.03=,取F 2.0;F R T C oi on 1104001.0443=,取F 1。+-+U n*nR 0/2R 0/2R 0/2R 0/2R 0R balC nC onC onU i *图6转速调节器原理图七、校验近似条件转速环截止频率11sK K n N Ncn (1校验电流环传递函数的近似条件是否满足ncn T 51。现在cn nsT >=-11.540037.05151,满足简化条件。(2校验小时间常数的近似处理是否满足条件ion cn T T 2131。现在cn ion sT T >=-175.380037.001.021312131,满足近似

11、条件。(3校核转速超调量。 当h=5时,%2.81%max =kbC C ;而min /2.515132.05.0136r C R I n eN N =,因此,<=-=m n N bn T T n n Z C C 能满足设计要求。6.直流调速系统的仿真(1电流环的仿真模型 (2转速环的仿真模型 图7 7.1直流调速系统的动态仿真模型 图7仿真原理图 图8 仿真结果图9 8.仿真结果分析 仿真框图绘制完毕后，输入计算所得数据到相应的元件，并在转速环设置断 线开关。有 ACR 限幅时，仿真框图如图 8 所示。 仿真得出的起动转速，起动电流波形如图 9 所示。转速环断线前，电流波动 后稳定，转速波动后稳定。转速环突然断线后，电流突然增大后沿曲线减小，然 后稳定，幅值稍有增大，而转速则因为转速环断线，沿曲线增大后稳定。 9.设计小结 通过这次对双闭环调速系统电流调节器和速度调节器的设计以及对设计过 程中遇到的问题的思考， 有效的提高了我对双闭环调速系统的认识和理