直流电机转速可调技术的研究

直流电机转速可调技术的研究

由于其性能，永速机在广泛范围内具有平滑的速度，这是工业控制的重要地位。直流调速控制系统中最典型一种调速系统就是转速、电流双闭环调速系统。在当今社会，仿真技术已经成为分析、研究各种系统尤其是复杂系统的重要工具，为了简便工程设计和解决设计中可能出现的问题，利用Maflab中Simulink实用工具对直流电动机的双闭环调速系统进行仿真和系统分析就成为我们今天急需探讨的课题。本文通过实例对直流电动机的双闭环调速系统进行仿真和系统分析，做出了整个设计的过程及仿真图形，让人们能更深刻地认识双闭环直流电机调速系统，为以后的学习及应用提供了很好的材料。1电流环仿真模型(1）电流调节器的设计双闭环直流调速系统的动态结构图如图1，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即∆E≈0。把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成则电流环便等效成单位负反馈系统。Ts和Toi一般都比Tl小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为TΣi=Ts+Toi。电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统，应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成其中，Ki—电流调节器的比例系数；τi—电流调节器的超前时间常数。为了使校正后的系统动态响应快一些，将调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择τi=Tl，则电流环的动态结构图便成为图2所示的典型形式，其中希望电流超调量σi%≤5%，可选ξ=0.707,KITΣi=0.5,即根据上述要求，可设计出如下电流环仿真模型，其输出波形如图3所示，在0到0.016s时间段，电流处于上升时间，这个时间很短；之后电流一直保持为最大值，导致电机以最大的加速度启动。(2）转速调节器的设计电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，它的闭环传递函数Wcli(s)原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数1/KI的一阶惯性环节。这就表明，电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中，在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型Ⅱ型系统。开环增益2项目示例根据上述的试验数据，可得到如图4所示的结构框图，也就是双闭环直流调速系统的仿真模型，其输出波形如图5所示。3转速调节器的仿真结果从图5仿真结果可以看到，电流Id从0增长到Idm=339A，然后在一段时间内维持其值等于Idm不变，以后又下降到稳态值IdL，转速波形表现为先是缓慢地升速，最后经调节达到n*=1000r/min。启动过程的第1阶段是电流上升阶段。突加给定电压，ASR的输入很大，其输出很快达到限幅值，电流上升也很快，接近其峰值。第二阶段，ASR饱和，转速环相当于开环系统，电流基本保持不变，拖动系统恒加速，转速线性增长。第3阶段，当转速达到给定值后，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为0，但由于积分的作用，其输出还是很大，所以出现超调。转速超调之后，ASR输入端出现负偏差电压，使它退出了饱和状态，进入了线性阶段，使速度保持恒定，仿真结果基本上很好的反映出了这一点。忽略高次项,Wcli(s)可降阶近似为近似条件电流环在转速环中应等效为把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内,同时将给定信号改成U*n(s)/α,再把时间常数为1/KI和Ton的两个小惯性环节合并起来,近似成一个时间常数为TΣn的惯性环节,ASR也应该采用PI调节器其中,Kn—转速调节器的比例系数;τn—转速调节器的超前时间常数。调速系统的开环传递函数为按照典型Ⅱ型系统参数关系,因此选择h=5。已知电动机的额定数据为:PN=60kW,UN=220V,IN=308A,nN=1000r/min,电动机系数Ce=0.196V.min/r,主回路总电阻R=0.18,触发整流环节的放大系数倍数ks=35,电磁时间常数T1=0.012s,机电时间常数Tm=0.12s,电流反馈滤波时间常数