【正文】 動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說明書 5 一、直流調(diào)速介紹 調(diào)速定義 調(diào)速是指在某一具體負(fù)載情況下，通過改變電動(dòng)據(jù)或電源參數(shù)的方法，使機(jī)械特性曲線得以改變，從而使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化或保持不變。 采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和 PI 調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。電動(dòng)機(jī)的調(diào) 速性能如何對提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。其優(yōu)點(diǎn)還是日益突現(xiàn)，而帶有雙閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)更是受到廣泛歡迎。生產(chǎn)機(jī)械的調(diào)速方法可以采用機(jī)械的方法取得，但是機(jī)械設(shè)備的變速機(jī)構(gòu)較復(fù)雜，所以在現(xiàn)代電力拖動(dòng)中，大多數(shù)采用電氣調(diào)速方法。因此，調(diào)速技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)。但是，如果對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要在。 調(diào)速方法 調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U 改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動(dòng)機(jī)額定 轉(zhuǎn)速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。 fI 變化時(shí)間遇到的時(shí)間常數(shù)同 ?I 變化遇到的相比要大得多，響應(yīng)速度較慢，但所需電源容量小。指標(biāo)越寬，調(diào)速范圍越大，系統(tǒng)性能越好。 武漢理工大學(xué)《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說明書 7 二、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)介紹 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成 圖 21 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu) 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 21 所示，兩個(gè)調(diào)節(jié)器均采用帶限幅作用的 PI 調(diào)節(jié)器。 )( sU i? )( sE )( sI dL?? 11 ?sTon )( sU n? ASR 11?sT oi )( sU c )( sI dACR 1?sTKss)(0 sU d 1/1?sTRl sTRm eC1?1?sT oi??? ? )( sn??1?sT on?電 流 環(huán) 圖 22 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖 22。其意義是讓給定信號和反饋信號經(jīng)過相同的延時(shí)，使得二者在時(shí)間上恰好的配合。 如果對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求快速起、制動(dòng)、突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)難以滿足要求。當(dāng)電流從最大值降下來以后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。 圖 24 理想快速啟動(dòng)過程 實(shí)際上，由于主電路電感的作用，電流不能突變，圖 24所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全實(shí)現(xiàn)。 實(shí)際啟動(dòng)過程分析 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓，由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的過渡過程示于圖 25。當(dāng) d dlII? 時(shí)， i imUU? ，電流調(diào)節(jié)器的作用使 dI 不再迅猛增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢正也按線性增長。 （ 3） 第 Ⅲ 階段 轉(zhuǎn) 速調(diào)節(jié)階段 在這階段開始時(shí)，轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓相平衡，輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電動(dòng)機(jī)仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速超調(diào)。此后，電動(dòng)機(jī)才開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，電流 dI 也出現(xiàn)一段小于 dlI 的過程，直到穩(wěn)定 (設(shè)調(diào)節(jié)器參數(shù)已調(diào)整好 )。當(dāng) ASR 飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單閉環(huán)系統(tǒng)；當(dāng) ASR 不飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)則表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。如果初始狀態(tài)不同，即使控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)都不變，過渡過程還是不一樣的。不過這兩段的時(shí)間只占全部起動(dòng)時(shí)間中很小的成份，已無傷大局，所以雙閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過程可以稱為“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”過程。按照 PI調(diào)節(jié)器的特性，只有使轉(zhuǎn)速超調(diào)， ASR的輸人偏差電壓為負(fù)值，才能使 ASR 退出飽和。 最后，應(yīng)該指出，晶閘管整流器的輸出電流是單方向的，不可能在制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生負(fù)的回饋制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。類似的問題還可能在空載起動(dòng)時(shí)出現(xiàn)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)， PI 作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零。因此 *nnU U n??? *i i dU U I??? 由第一關(guān)系式可得： 0inUnn??? 與此同時(shí)，由于 ASR 不飽和， **i imUU? ，從上述第二個(gè)關(guān)系式可知： d dmII? 。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。當(dāng)負(fù)載電流達(dá) dmI 后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動(dòng)保護(hù)。 無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定 反饋值計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)： 武漢理工大學(xué)《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說明書 15 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)和 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各變量之間有下列關(guān)系 * 0nnU U n n??? ? ? *i i d dlU U I I??? ? ? *d o e d e n d lct s s SU C n I R C U I RU k K K??? ? ? 上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速 n是由給定電壓 *nU 決定的， ASR 的輸出量 *iU 是由負(fù)載電流 dlI 決定的，而控制電壓 ctU 的大小則同時(shí)取決于 n 和 dlI ，或者說，同時(shí)取決于 *nU 和 dlI 。 鑒于這一點(diǎn)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全不同，而是和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)： 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) * max/nmUn? ? 電流反饋系數(shù) * /im dmUI?? 兩個(gè)給定電壓的最大值 *imU 和 *nmU 是受運(yùn)算放大器的允許輸入電壓限制的。在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè) 調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級連接，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出作為 PWM 的控制電壓。主電路部分采用了以GTR 為可控開關(guān)元件、 H 橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié) 構(gòu)。對于較大容量的系統(tǒng)，可采用其他電力電子開關(guān)器件，如 GTO、 IGCT 等 。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng) on0 tt?? 時(shí)， AB s=UU，電樞電流 di 沿回路 1 流通；當(dāng) ont t T?? 時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓反號， di 沿回路 2 經(jīng)二極管續(xù)流， AB s=UU? 。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。如果正、負(fù)脈沖相等，on 2Tt ?，平均輸出電壓為零，則電動(dòng)機(jī)停止。 d1i 相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)負(fù)載較重的情況，這時(shí)負(fù)載電流大，在續(xù)流階段電流仍維持正方向，電動(dòng)機(jī)始終工作在第 Ⅰ 象限的電動(dòng)狀態(tài)。 雙極式控制可逆 PWM 變換器的輸出平均電壓為 o n o n o nd s s s2= = ( 1 )t T t tU U U UT T T??? 若占空比 ? 和電壓系數(shù) ? 的定義與不可逆變換器中相同，則在雙極式控制的可逆變換器中 21???? 就和不可逆變換器中的關(guān)系不一樣了。實(shí)際上，反電動(dòng)勢與轉(zhuǎn)速成正比，它代表轉(zhuǎn)速對電流環(huán)的影響。設(shè)計(jì)要求電流超調(diào)量%5?i? ，查表可選 ?? ， ??iITK ， 已知 三相橋式電路的平均失控時(shí)間 sTs ? oisi TTT ??? = s0 0 3 0 1 ?? 電流環(huán)開環(huán)增益： 3 50 0 3 ?? ??? sTK iI 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)。 3） 忽略反電動(dòng)勢變化對電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件， 已知 ?eC 機(jī)電時(shí)間 ： sTm ? cilm sTT ?????? ? 1313 滿足近似條件。 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)的化簡和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖47所示。 由此可見 ASR 也應(yīng)該采用 PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： ssKsW nnnASR ?? )1()( ?? 式中 nK 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) n? 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù) 調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán) 傳遞函數(shù)為： )1( )1()1( /)1()( 2 ?????? ?? sTsTC sRKsTsTC RssKsW nmen nnnmennnn ?? ?????? 令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益 NK 為： mennN TCRKK ?? ?? )1( )1()( 2 ??? ? sTs sKsW nnNn ? 在典型 Ⅱ系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)中，時(shí)間常數(shù) T 是控制對象固定的，待定的參數(shù)有 K 和 ? 。這一準(zhǔn)則表明，對于一定的 h 值，只有一個(gè)確定的 c? 可以得到最小的閉環(huán)幅頻特性峰值 minrM ，這時(shí) c? 和 1? ， 2? 之間的關(guān)系是 122 ??hhc?? 211 ??hc?? 以上兩式稱 作 minrM 準(zhǔn)則的“最佳頻比”，因而有 ccc hhh ????? 2121221 ?????? )11(21)(21 21 Tc ???? ???? 確定 h 之后根據(jù)上式即可分別求得 ? 和 c? 。 Simulink 可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散