双闭环直流调速系统的设计

双闭环直流调速系统的设计

30多年来，直流电气的速度控制经历了重大变化。首先实现了整流器的更新换代,以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时,控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用,使直流调速系统的性能指标大幅提高,应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展,走向成熟化、完善化、系列化、标准化,在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性、机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。在单闭环调速系统中,电网电压扰动的作用点离被调量较远,调节作用受到多个环节的延滞,因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。双闭环系统中,由于增设了电流内环,电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节,不必等它影响到转速以后才能反馈回来,抗扰性能大有改善。因此,在双闭环系统中,由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。1带转速负反馈的闭环直流传动根据自动控制原理,反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统,只要被调量出现偏差,它就会自动产生纠正偏差的作用。调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差,显然,引入转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转速降落。图1为带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图。在反馈控制的闭环直流调速系统中,与电动机同轴安装1台测速发电机TG,从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Un,与给定电压Un*相比较后,得到转速偏差电压ΔUn,经过放大器A,产生电力电子变换器UPE所需的控制电压Uc,用以控制电动机转速n。图1中,UPE是由电力电子器件组成的变换器,其输入接三相(或单相)交流电源,输出为可控的直流电压Ud。对于中、小容量系统,多采用由IGBT或P-MOSFET组成的PWM变换器;对于较大容量的系统,可采用其他电力电子开关器件,如GTO、IGCT等;对于特大容量的系统,则常用晶闸管触发与整流装置。2双闭环系统的静特性为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,可在系统中设置两个调节器,分别调节转速和电流,即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套(或称串级)联接,如图2所示。图2中,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电力电子变换器UPE。从闭环结构上看,电流环在里面,称作内环;转在外边,称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。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PI调节器,这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如图3所示。图3中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性,它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的,并考虑到运算放大器的倒相作用。图3中还标出了两个调节器的输出都是带限幅作用的,转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值,电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。为了分析双闭环调速系统的静特性,必须先绘出它的稳态结构框图,如图4所示。分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征,一般存在两种状况:饱和-输出达到限幅值,不饱和-输出未达到限幅值。当调节器饱和时,输出为恒值,输入量的变化不再影响输出,除非有反向的输入信号使调节器退出饱和;换句话说,饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系,相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时,PI的作用使输入偏差电压ΔU在稳态时总为零。实际上,在正常运行时,电流调节器是不会达到饱和状态的。因此,对于静特性来说,只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。3转速反馈滤波转速、电流双闭环直流调速系统的动态结构框图,如图5所示。这就是我们最终要设计成的图形。此图有滤波环节,包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。其中:Toi为电流反馈滤波时间常数;Ton为转速反馈滤波时间常数。由于电流检测信号中常含有交流分量,为了不使它影响到调节器的输入,需加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示,以滤平电流检测信号。然而,在抑制交流分量的同时,滤波环节也延迟了反馈信号的作用,为了平衡这个迟延作用,在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节,称作给定滤波环节。其意义是,让给定信号和反馈信号经过相同的延时,使二者在时间上得到恰当的配合,从而带来设计上的方便。由测速发电机得到的转速反馈电压含换向纹波,因此也需要滤波,根据和电流环一样的道理,在转速给定通道上也加入滤波环节。以下就是我们设计的过程。4u3000电枢回路总电阻直流电机的主要参数如下。额定电压:Ue=220V;额定电流:Ie=8.7A;额定转速:ne=1500r∕min电势系数:Ce=0.132Vmin/r;允许过载倍数λ=1.6;晶闸管放大倍数Ks=60电流反馈系数:β=0.5747V/A;转速反馈系数:α=0.00333V电磁时间常数:TL=0.021s;机电时间常数:Tm=0.16s;电枢回路总电阻:R=5.26Ω转速滤波时间常数:Ton=0.005s;电流滤波时间常数:Toi=0.005s中频宽:h=5;超调量:σi≤5%4.1pi控制算法的参数调整4.1.1转速调节器的设计及校核(1)确定时间常数。(1)电流环等效时间常数1/KI:知(2)转速滤波时间常数Ton:(3)转速环小时间常数Tue10dn:(2)转速调节器选择结构。按照设计要求,选用PI调节器,生产工艺一般要求转速调节系统稳态时为无静差,动态性能具有良好的抗扰性能。典型Ⅱ型系统能满足这些要求,所以转速环按典型Ⅱ型系统进行设计。其传递函数为式中:Kn为转速调节器的比例系数;τn为转速调节器的超前时间常数。(3)计算转速调节器参数。(1)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(2)由式(2)可求得转速环开环增益:于是,由式(3)可得ASR的比例系数为(3)代入式(4)的数据得到转速调节器的传递函数为(4)检验近似条件。(1)校验电流环传递函数简化条件是否满足:满足简化条件。(2)校验转速环小时间常数近似处理条件是否满足:满足近似条件。(5)计算转速调节器的电路参数。含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型转速调节器原理图如图6所示。取R0=40kΩ,各电阻和电容值计算如下。(6)校核转速超调量。当h=5时,查相关表2(略)得σn=37.6%,不能满足σn≤10%。实际上,表2是按线性系统计算的超调量,而突加阶跃给定时,ASR饱和,不符合线性系统的前提,具有饱和非线性特性。所以,应按ASR退饱和的情况重新计算超调量。4.1.2根据离散饱和压力计算方法计算旋转压力，并计算参数调整设理想空载起动时z=0,当h=5时,查相关表3(略)得:则能满足设计要求。4.2工程应用的仿真实验和优化双闭环调速系统结构如图6,双闭环直流调速控制系统仿真模型见图7,双闭环直流电机转速电流输出仿真见图8。从图7、图8中可以看出,系统满足。另外从图7、图8也可以看到,系统是无静差运行的,符合设计的要求。从仿真的结果可以得到如下结论。(1)工程设计方法在推导过程中为了简化计算做了许多近似的处理,而这些简化处理必须在一定的条件下才能成立。例如:将可控硅触发和整流环节近似地看作一阶惯性环节,设计电流环时不考虑反电势变化的影响;将小时间常数当作小参数近似地合并处理;设计转速环时将电流闭环从二阶振荡环节近似地等效为一阶惯性环节等。(2)仿真实验得到的结果也并不是和系统实