雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) ASR和ACR 結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計論文

1、目錄1 .基本思想1.2 .雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 13 .電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計2.3.1 電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡2.3.2 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇 33.3 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算 4.3.4 校驗5.3.5 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容 5.4 .轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計6.4.1 電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù) .6.4.2 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 74.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)的計算 .9.4.4 校驗1.q4.5 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容 1q4.6 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 115 .轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退飽和時轉(zhuǎn)速超調(diào)量的計算 1 2六總結(jié)14雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)asr和acr結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計一.基本思想本文應(yīng)用工程設(shè)計

2、方法來設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器。按照設(shè)計 多環(huán)控制系統(tǒng)先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的一般原則， 從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴展。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中, 應(yīng)該首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn) 速調(diào)節(jié)器。首先考慮應(yīng)把電流環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng)。從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差， 以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，所以采用i型系統(tǒng)就夠了。再從動態(tài)上看，實際系統(tǒng)不允許電 樞電流在突加控制作用下時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程不超過允許值，而對 電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要的因素。因而電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即應(yīng)選 擇典型i型系統(tǒng)。對于轉(zhuǎn)速環(huán)，由于要求滿足系統(tǒng)抗干擾性能好、轉(zhuǎn)速無

3、靜差，并且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)決定將 轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型n系統(tǒng)。二.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖uns)11 .tons 書rie(s)idl (s)rud0(s)1/rs) uc(s)+.asracrtss -1ts-1tois -1|電流環(huán)tmskscen(s)a圖2-1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-10由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入，需要加低通濾波。這樣的濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用 一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其濾波時間常數(shù)toi按需要選定，以濾平電流檢測信號為準。然而, 在抑制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作用，為了平衡這個延遲

4、作用， 在給定信號通道上加入一個同等時間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是讓 給定信號和反饋信號經(jīng)過相同的延時，使得二者在時間上恰好的配合。由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，濾波時間常數(shù) 用ton表示。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間常數(shù)ton的給定濾波環(huán)節(jié)。三.電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計3.1 電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的化簡在圖2-1點劃線框的電流環(huán)中，反電動勢與電流反饋的作用相互交叉，這將給設(shè)計工 作帶來麻煩。實際上，反電動勢與轉(zhuǎn)速成正比，它代表轉(zhuǎn)速對電流環(huán)的影響。在一般情 況下，系統(tǒng)的電磁時間常數(shù)t遠小于機電時間常數(shù)tm,因此，轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變 化慢

5、得多，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化較慢的擾動，在電流的瞬變過程中，可 以認為反電動勢基本不變，即eeq,這樣，在按動態(tài)性能設(shè)計電流環(huán)時，可以暫不考 慮反電動勢變化的動態(tài)影響，得到的電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1。u(s)1tois+1id(s)-i.14tois1圖3-1忽略反電動勢的動態(tài)影響如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時把給定信號改成 u(s)/p,則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)，如圖 3-2。圖3-2等效成單位負反饋系統(tǒng)按表3-1,可知三相橋式電路的平均失控時間 ts = 0.0017s,由題意可知toi = 0.001s, t =0.015s。ts和toi比t

6、i小得多，可以當作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其 時間常數(shù)為：t=ts+toi(3-1)則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終簡化成圖3-3。表3-1各種整流電路白失控時間 （f = 50hz）整流電路形式最大失控時間tsmax/ms平均失控時間ts/ms單相半波2010單相橋式（全波）105三相半波6.673.33三相橋式、六相半波3.331.67圖3-3小慣性環(huán)節(jié)近似處理3.2 電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇圖3-3表明，電流環(huán)的控制對象是雙慣性的，要校正成典型i型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用pi型的調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成(3-2)式中ki電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)為了讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間

7、常數(shù)極點對消，選擇則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖便成為圖i = tl3-4所以的典型形式，其中k kiks-ki 二ir(3-3)(3-4)ui (s)kis(t7s 1)id(s)圖3-4校正成典型i型系統(tǒng)電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖3-5繪出了校正后電流環(huán)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性.圖3-5校正成典型i型系統(tǒng)電流環(huán)開環(huán)對數(shù)幅頻特性3.3 電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計算表3-2典型i型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標和頻域指標與參數(shù)的關(guān)系參數(shù)關(guān)系kt0.250.390.500.691.0阻尼比士1.00.80.7070. 60. 5超調(diào)里。0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時間trq06.6t4.7t3.3t2.4t峰值時間tp

8、q08.3t6.2t4.7t3.6t相角穩(wěn)定裕度y76.3 二69.9 ：65.5 ：59.2 ：51.8 ：截止頻率c0.243/t0.367/t0.455 /t0.596/t0.786/t由式3-2可以看出，電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)是ki和,其中卻已選定，待定的只有比例系數(shù)k可根據(jù)所需的動態(tài)性能指標選取。設(shè)計要求電流超調(diào)量 5w5%,由表3-2,可 選）=0.707, ki年= 0.5 ,且已知 tf = ts+% =0.0017+0.001 =0.0027s ,因止匕電流環(huán)開環(huán)增益：ki=05 =-05- = 185.2st 三 0.0027雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時。各

9、變量之間的關(guān)系：un=un =二1=:一ui =ui = id = tdm已知兩個調(diào)節(jié)器的輸入和輸出最大值都是10v ,額定轉(zhuǎn)速nn =200/min,額定電流 in =3.7a,過載倍數(shù)九=2,則轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：:=-= 0.05v m i nr/nn 200電流反饋系數(shù)：一：=u-=工=1.351v/ain 2 3.7由式（3-3）和（3-4）,且已知 i = 0.015s, r = 6.50 ,9=4.8 , wj電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)：ki = tlr =0.015 6.5 =2.7842ks t72 4.8 1.351 0.00273.4 校驗1）檢查對電源電壓的抗擾性能：=， =5.5

10、56 ,參照表3-3的典型i型系統(tǒng)動態(tài)抗tq0.0027擾性能都是可以接受的。113ts - 3 0.00171=196.1s3表3-3典型i型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關(guān)系tit1111m = 一 = 一t2t25102030叫駕x100%cb55.5%33.2%18.5%12.9%tm/t2.83.43.84.0tv/t14.721.728.730.4電流截止頻率：七二ki=185.2s2）晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件滿足近似條件。3）忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件，已知tm=0.2s3 1 =31= 54.77s,二氣:tmti. 0.2 0.015滿足近似條件4)電流環(huán)小

11、時間常數(shù)近似處理條件113 tstoi113 . 0.0017 0.0011=255.7s ci滿足近似條件3.5 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容含給定濾波和反饋濾波的模擬式pi型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖3-6,圖中u：為電流給定 電壓，-id為電流反饋電壓，調(diào)節(jié)器的輸出就是電力電子變換器的控制電壓uco根據(jù)運算放大器的電路原理，且已知 ro =40k可以容易地導(dǎo)出：r一ki=ri =kir0 =2.784父40 = 111.360，取 111kcro* =rci = ci =三=1=0.0? =1.351m10，f =0.1351f ,取 0.1350nfriri 111 103toi =1 rocoi

12、二 coi =4toi =4 0.0013 =1m10,f =0.1葉，取 0.1nf4r040 103c圖3-6含給定濾波與反饋濾波的pi型電流調(diào)節(jié)器按照上述參數(shù)：r=111kq,ci=0.1350坪，coi=0.1坪，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為 5=4.3% 5% (見表3-2),滿足以上要求。四.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計4.1電流環(huán)的等效閉環(huán)傳遞函數(shù)電流環(huán)經(jīng)化簡后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，為此需要求出它的閉環(huán)傳遞函數(shù)wcii(s),由圖3-4可知：ki(4-1)(4-2)w g id(s)s(t* 1)1wcli (s) - 7 、/: - k - t 1ui(s)/ -1 一k-ls2

13、s1s(tzs 1) ki ki忽略高此項，w, (s)可降階近似為：1wcli (s) : 1s 1ki接入轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)，電流環(huán)等效環(huán)節(jié)的輸入量應(yīng)為u：(s),因此電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效 為:1(4-3)id(s)wcli(s), 一：ui (s) -工s 1ki這樣，原來是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較 小時間常數(shù)1 ki的一階慣性環(huán)節(jié)。這表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對象，加快了電 流的跟隨作用。4.2 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)代替圖2-1中的電流環(huán)后，整個轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如 圖4-1所示。-idl(s)id gat

14、ons1n(s)圖4-1用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改成u：(s)/ ,再把時間常數(shù)1/ki和ton的兩個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為tx的慣性環(huán)節(jié)，其中t拓=1 +ton,則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖可化簡成圖4-2。一一ki*un(s) 十idl(s)* asr： / :tns1id(s)cetm sn(s).圖4-2等效成單位負反饋和小慣性的近似處理為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負載擾動作用點前必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn) 速調(diào)節(jié)器中。現(xiàn)在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng) 共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計

15、成典型r系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性 能好的要求。至于其階躍響應(yīng)超調(diào)量較大，那么線性系統(tǒng)的計算數(shù)據(jù)，實際系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)器的飽和非線性性質(zhì)會使超調(diào)量大大降低。由此可見asr也應(yīng)該采用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：wasr_ kn( ns t)(4-4)-ns式中kn轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)un(s)+kn3s + 1) n(s)2 _s (tns 1)圖4-3校正后成為典型n系統(tǒng)這樣，調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為:wn(s)=kn( ns 1); r/ 一：kn： r( ns 1)- nscetms(tns 1)n(etms2(tns 1)令轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益kn為:kkn：

16、rn n ( 1 dm- 1dl )(5-1)這個加速過程一直延續(xù)到t2時刻n = n沖時為止。取式(5-1)的積分，得(5-2)cetmn(idm-idl)r考慮到kn(h 1)&tm和 u：=an = um=pldm,則t2 ：(2hknunh ik，i-tn dl(5-3)asr退飽和后，轉(zhuǎn)速環(huán)恢復(fù)到線性范圍內(nèi)運行，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見圖4-1。描述系統(tǒng)的微分方程和前面分析線性系統(tǒng)的跟隨性能時相同，只是初始條件不同了。分析線性系 統(tǒng)跟隨性時，初始條件為n(0)=0, id(0)=0討論退飽和超調(diào)時，飽和階段的終了狀態(tài)就是退飽和階段的初始狀態(tài)，只是把時間坐標 零點從t=0移到t=t2時刻即可。

17、因此，退飽和的初始條件是n(0) = n id(0) = idm由于初始條件發(fā)生了變化，盡管兩種情況的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和微分方程完全一樣，過 渡過程還是不同的。因此，退飽和超調(diào)量并不等于典型r系統(tǒng)跟隨性能指標中的超調(diào)量。當asr選用pi調(diào)節(jié)器時，圖4-1所示的調(diào)速系統(tǒng)結(jié)才框圖可以繪成圖5-1。由于感興趣 的是在穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速n*以上的超調(diào)部分，即只考慮an = n-n附，可以把初始條件轉(zhuǎn)化為n(0)=n*, id(0) = idm。由于圖5-2的給定信號為零，可以不畫，而把 an的反饋作用反饋到主通道第一個環(huán) 節(jié)的輸出量上，得到圖5-3。為了保持圖5-3和圖5-2各量間的加減關(guān)系不變，圖5-3中 的id

18、和idl的+、-號相應(yīng)的變化。*un(s)aidl(s)二 kn( ns 1)- ns(ts 1)id(s)n(s)cetm s圖5-1調(diào)速系統(tǒng)的等效動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖以轉(zhuǎn)速n為輸出量一 idl(s)+an(s)ctkn(ms + 1)id(s) k &d(s)_r_an(s)士 一瓦扃宰司j .cetms圖5-2調(diào)速系統(tǒng)的等效動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖以轉(zhuǎn)速超調(diào)值an為輸出量一 i dl( s)圖5-3調(diào)速系統(tǒng)的等效動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖5-2的等效變化可以把退飽和超調(diào)看作是在id=idm的負載下以n = n*穩(wěn)定運行，在t=t2時刻負載由 idm減小到idl ,轉(zhuǎn)速產(chǎn)生一個動態(tài)速升與恢復(fù)的過程。可利用表 5-1給出的

19、典型r系統(tǒng) 抗擾性能指標來計算退飽和超調(diào)量，只要注意 an的基準值即可。表5-1典型n系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關(guān)系h345678910acmax/cb72.2%77. 5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%tm/t2.452.702.853.003.153.253.303.40tv/t13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85在典型n系統(tǒng)抗擾性能指標中，ac的基準值的為cb = 2fk2t(5-4)一，r可知 k2=t ， t=tn, f=idmtdl cetm所以an的基準應(yīng)是2rtn(idm - idl)hqfb(5-5)cetm令九表示電機允許的過載倍數(shù)，即idm=dn, z表示負載系數(shù)，idl=zldn, arn為調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械的額定穩(wěn)態(tài)速降，aon =0r ,代入（5-5）,可得ce(5-6)anb =2(九-z)ann t-tm作為轉(zhuǎn)速的超調(diào)量an,其基準值應(yīng)該是n*,因此退飽和超調(diào)量可以由表 5-1列出的cmax/cb數(shù)據(jù)經(jīng)基準值換算后求得，即(5-7)idn=3.7a,由表5-1查得: c max : n