双闭环直流调速系统的建模与仿真

双闭环直流调速系统的建模与仿真

0直流风速控制目前，电气传动的电机调幅也有很多，可分为两类：直接式和交流式。随着电力电子技术的不断发展,交流调速系统得到了较快的发展,其调速性能可以与直流调速相媲美。直流调速相比于交流调速还是具有明显的特点,例如,具有较大的启动转矩,良好的启动、制动性能,以及易于在宽范围内实现平滑调速,所以直流调速系统至今仍然是自动调速系统的一种主要形式,其中无刷直流电机调速范围广,寿命长,维护方便噪声小,不存在因电刷换向而引起的一系列问题,所以无刷直流电机在控制系统中仍有很大的应用潜力。目前在直流调速系统中经常采用正弦脉宽调制技术,在无刷直流电机调速系统中采用此项技术,可以获得较为理想的效果。1电机无静差特性双闭环直流调速系统主要由电流和转速两个控制器组成负反馈,如图1所示。控制器分别调节转速和电流,二者之间实行串联连接。转速控制器的主要作用:(1)使转速n随给定电压变化而变化,稳态实现无静差;(2)抑制负载变化对电机影响,防止转速上下波动;(3)输出限幅值决定了允许的最大电流,电机起动时给定最大电流信号。电流控制器的主要作用:(1)使电流随转速调节后的值变化;(2)抑制电网电压波动;(3)保证启动时获得允许的最大电流;(4)电动机过载甚至堵转时,限制电枢电流的值,起到快速的安全保护作用。电流控制器的输出经转化后将适当的PWM(脉冲宽度调制)信号施加到电机功率变换模块上,通过控制IGBT的开通关断顺序和时间,改变电动机定子绕组中电流的大小和绕组的导通顺序,从而实现对无刷直流电动机转速和输出转矩的控制。2双环流处理器的特性分析2.1加重负载id+idm双闭环调速系统的结构如图2所示,其理想稳态机械特性如图3所示。正常负载运行时,双闭环调速系统的速度控制器ASR不饱和,依靠转速控制器ASR的调节作用,系统具体表现为转速无静差,保证系统具有较硬的机械特性。这时由于Ui<,Id<Idm,电流控制器ACR只起辅助作用,系统的静太特性从负载电流Id=0(理想空载状态)一直延续到A点(稳定运行点),Id=Idm,即稳态特性的运行段n0~A段。当加重负载(Id>Idm)时,导致直流电机转速下降,速度控制器ASR迅速饱和,其输出限幅值。此时,由于转速控制器ASR失去了调节作用,转速的变化对系统不会产生影响。从控制系统数学模型上看,转速外环呈现开环状态,系统在最大固定给定电流(ASR的限幅值)作用下,依靠电流闭环对电流继续进行调节,使调速系统变为恒电流调节,从而成为一个电流无静差的单闭环控制系统,获得了极好的下垂特性,如图3的AB段所示。由于运算放大器的开环放大系数最能趋近于无穷大,静太特性的两段实际上仍存在很小的静差。因此实际的特性如图3的虚线所示。从图2稳态结构图可以看出,当转速调节器ASR不饱和时,电流负反馈作用可以使静特性可能产生的速降完全被ASR积分作用消除。一旦ASR饱和,转速外环失去反馈作用,仅电流环在起作用,这时控制系统表现为恒流调节系统。2.2动态响应特性双闭环调速系统的电流调节器和转速调节器都是PI(积分、微分)调节器,因此它们的传递函数就是PI调节器的传递函数。ASR的传递函数为:ACR的传递函数为:式中Kn,Ki分别是ASR和ACR的稳态放大系数;τi分别是ASR和ACR的超前时间常数。依据双闭环稳态结构图的表现形式,代入ASR和ACR传递函数,可得到双闭环系统的动态结构图,如图4所示。为了减缓突加给定时的对电机造成的冲击,图中在给定环节中增加一个具有相同时间常数的给定积分器。从动态响应过程上看,双闭环调速系统在启动时,转速环处于开环状态,系统仅在电流环的恒值调节作用下,保证直流电机最大恒电流(转矩)下启动,直到转速超过额定值时转速环才开始真正发挥作用。通过以上理论分析得出,该调速系统既发挥了转速和电流两个调节器各自的作用,又避免了在单环系统中两种反馈牵制的缺陷,从而获得了良好的静、动态品质。3双环流处理器的建模和模拟3.1模型配置该仿真系统主要由电流变换模块、PWM脉冲控制模块、无刷直流电动机模块、电机参数观测模块组成,其模型如图4所示。3.2电机的转子电流随转速的变化特性在Matlab软件中运行系统,进行正弦脉宽调制下的无刷直流电机调速系统的仿真。在系统的电机参数观测模块中,观测到直流电机的转子转速,转矩,电流以及三相电压。具体图像如图5、6、7、8所示。由以上图像可知,当系统处于理想状态下运行时,经过启动阶段的调整,各参数性能指标处于稳定状态,直流电机转速趋近于32rad/s。在0.25秒时加入扰动的阶跃信号,阶跃信号值为320,电机各项的性能指标在0.25秒出发生较大的变化。电机的定子电流,转速与转子角速度通过反馈与给定值进行比较,出现偏差。比较器输出一系列PWM脉冲,并通过其脉冲宽度与偏差成线性关系,用此脉冲去触发电力电子开关,开关又触发执行元件,执行元件按脉冲宽度的时间动作。此时,PWM控制调节模块对电机转速进行调节,直到设定值与实测值相等,转子速度趋近于320rad/s,电机定子三相电流、转矩、直流电机B,C端电压、直流电机转速与转子角速度均达到稳定的状态。5系统仿真及分析