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pwm-m可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書-文庫(kù)吧資料

2025-03-12 07:15本頁(yè)面
  

【正文】 圖 43 雙極式控制可逆 PWM 變換器波形 直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓 ABU 的正、負(fù)變化,使電流波形隨之波動(dòng)。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。電動(dòng)機(jī)電樞電壓的平均值則體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電壓正、負(fù)脈沖的寬窄上。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用,在 系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器,分別是轉(zhuǎn)速和電流,二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接 ,把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入,再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制 PWM 調(diào)制器。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(hào), di 沿回路 2 經(jīng)二極管續(xù)流, AB s=UU? 。根據(jù)自動(dòng)控制原理,反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制武漢理工大學(xué)《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 18 的系統(tǒng),只要被調(diào)量出現(xiàn)偏 差,它就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用。對(duì)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 。 圖 41雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如上圖所示,其中 UPE 是電力電子器件組成的變換器,其輸入接三相 (或單相 )交流電源,輸出為可控的直流電壓鑄。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)。 為了獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì),調(diào)節(jié)器均采用 PI 調(diào)節(jié)器并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了校正。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(jí)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。 電機(jī)參數(shù): uN=220V, IN=136A, Nn=1460r/min; 電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù) m in/eC V r? 晶閘管放大系數(shù) 40sK? 電樞回路總電阻 R=; 電磁時(shí)間常數(shù) TL=; 電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù) Tm= 額定轉(zhuǎn)速時(shí)給定 電壓為 10V; 穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差,電流超調(diào)量σ i≤ 5%; 空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的過(guò)度過(guò)程時(shí)間 ts≤ 要求完成的主要任務(wù) ( 1) PWMM 可逆調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計(jì); ( 2) 系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì); ( 3) 過(guò)程分析 ,參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算與校驗(yàn) 。 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(wú)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。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量,而 PI 調(diào)節(jié)器則不然,其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無(wú)關(guān),而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。 無(wú)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(shuō)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(shuō),同時(shí)取決于 *nU 和 dlI 。這樣的靜特性顯然比帶電流至負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。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(wú)靜差,得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)。這樣的下垂特性只適合于 n0n的情況。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無(wú)靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。而 dmI 一般都是大于額定電流 dnomI 的,這就是靜特性的運(yùn)行段。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? 。只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。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。 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征 一般存在兩種狀況:飽和 —— 輸出達(dá)到限幅值;不飽和 —— 輸出未達(dá)到限幅值。類似的問(wèn)題還可能在空載起動(dòng)時(shí)出現(xiàn)。如果必須加快制動(dòng),只能采用電阻能耗制動(dòng)或電磁抱閘。 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。在 一般情況下,轉(zhuǎn)速略有超調(diào)對(duì)實(shí)際運(yùn)行影響不大。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。 采用飽和非線性控制方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制是一種很有實(shí)用價(jià)值的控制策略,在各種多環(huán)控制系統(tǒng)中普遍地得到應(yīng)用。不過(guò)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(wú)傷大局,所以雙閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程可以稱為“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制”過(guò)程。這個(gè)階段屬于電流受限制條件下的最短時(shí)間控制,或稱“時(shí)間最優(yōu)控制”。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(guò)渡過(guò)程還是不一樣的。決不能簡(jiǎn)單地應(yīng)用線性控制理論來(lái)分析和設(shè)計(jì)這樣的系統(tǒng),可以采用分段線性化的方法來(lái)處理。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(wú)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)。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在外環(huán), ASR處于主導(dǎo)地位,而 ACR的作用則是力圖使 dI 盡快地跟隨 ASR 的輸出 量,或者說(shuō),電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。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(guò)程,直到穩(wěn)定 (設(shè)調(diào)節(jié)器參數(shù)已調(diào)整好 )。但是,由于 dI 仍大于負(fù)載電流 dlI ,在一段時(shí)間內(nèi),轉(zhuǎn) 速仍繼續(xù)上升。 ( 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)。由于電流調(diào)節(jié)器 ACR 是 PI 調(diào)節(jié)器,要使它的輸出量按線性增長(zhǎng),其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值,也就是說(shuō), dI 應(yīng)略低于 dmI 。與此同時(shí),電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)正也按線性增長(zhǎng)。 武漢理工大學(xué)《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 11 ( 2) 第 Ⅱ 階段 恒流升速階段 從電流升到最大值 dmI 開始,到轉(zhuǎn)速升到給定值為止,屬于恒流升速階段,是起動(dòng)過(guò)程中的主要階段。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(zhǎng),標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。 ( 1) 第 Ⅰ 階段 電流上升的階段 突加給定電壓后,通過(guò)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的控制作用,電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。 實(shí)際啟動(dòng)過(guò)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(guò)渡過(guò)程示于圖 25。問(wèn)題是希望在起動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋,而不能讓它和轉(zhuǎn)矩負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端,到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后,又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋,不再靠武漢理工大學(xué)《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 10 電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用。 圖 24 理想快速啟動(dòng)過(guò)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)。這樣的理想起動(dòng)過(guò)程波形見圖 24,這時(shí),起動(dòng)電流呈方形波,而轉(zhuǎn)速是呈線性增長(zhǎng)的。當(dāng)電流從最大值降下來(lái)以后,電機(jī)轉(zhuǎn)矩也隨之減小,因而加速過(guò)程必然拖長(zhǎng)。 在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中,只有電流截至負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來(lái)控制電流的,但它只是在超過(guò)臨界電流 Idcr 值以后,靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊,并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。 如果對(duì)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。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理,在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入時(shí)間常數(shù) onT 的給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是讓給定信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)相同的延時(shí),使得二者在時(shí)間上恰好的配合。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳武漢理工大學(xué)《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書 8 遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)來(lái)表示,其濾波時(shí)間常數(shù) oiT 按需要選定,以濾平電流檢測(cè)信號(hào)為準(zhǔn)。 )( 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。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí),輸出達(dá)到限幅值,輸出量的變化不再影響輸出,除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和。 武漢理工大學(xué)《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)
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