帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速直流調(diào)速matlab仿真(共19頁)

1、帶電流(dinli)截止負(fù)反饋轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真 2015年4月目錄(ml)設(shè)計(jì)(shj)參數(shù)1設(shè)計(jì)(shj)背景12.1問題的提出 12.2解決辦法 1帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)23.1總原理圖 23.2電流截止反饋環(huán)節(jié) 23.3帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性 3參數(shù)設(shè)計(jì)54.1基本參數(shù)的計(jì)算 54.2判別系統(tǒng)穩(wěn)定性 64.3PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì) 74.4取樣電阻的選擇10Matlab建模與仿真 105.1帶P I調(diào)節(jié)器的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)105.2加入電流截止負(fù)反饋11波形分析及結(jié)論166.1沒有電流截止負(fù)反饋166.2加上電流截止負(fù)反饋166.3結(jié)論16帶

2、電流截止負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真 一、設(shè)計(jì)(shj)參數(shù)電動(dòng)機(jī)：額定( dng)數(shù)據(jù)為，電樞(din sh)電阻，；晶閘管觸發(fā)整流裝置：三相橋式可控整流電路，整流變壓器Y/Y聯(lián)結(jié)，二次線電壓，二次線電壓電壓放大系數(shù)；V-M系統(tǒng)電樞回路總電阻2.8；要求：生產(chǎn)機(jī)械要求調(diào)速范圍，靜差率，,二、設(shè)計(jì)背景2.1問題的提出眾所周知，直流電動(dòng)機(jī)全電壓起動(dòng)時(shí)，如果沒有限流措施，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，這不僅對電機(jī)換向不利，對過載能力低的電力電子器件來說，更是不能允許的。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓時(shí)，由于慣性，轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來，反饋電壓仍為零，相當(dāng)于偏差電壓，差不多是其穩(wěn)態(tài)工

3、作值的 1+K 倍。這時(shí)，由于放大器和變換器的慣性都很小，電樞電壓一下子就達(dá)到它的最高值，對電動(dòng)機(jī)來說，相當(dāng)于全壓起動(dòng)，當(dāng)然是不允許的。另外，有些生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)可能會(huì)遇到堵轉(zhuǎn)的情況。例如，由于故障，機(jī)械軸被卡住，或挖土機(jī)運(yùn)行時(shí)碰到堅(jiān)硬的石塊等等。由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬，若無限流環(huán)節(jié)，硬干下去，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護(hù)，一過載就跳閘，也會(huì)給正常工作帶來不便。2.2解決辦法為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動(dòng)限制電樞電流的環(huán)節(jié)。根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個(gè)物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個(gè)物理量的負(fù)反饋。那么，引入電流負(fù)反饋，應(yīng)該能

4、夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。但是，這種作用只應(yīng)在啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)存在，再正常(zhngchng)運(yùn)行時(shí)又得取消，讓電流自由的隨負(fù)載增減。這種當(dāng)電流大到一定程度時(shí)才出現(xiàn)的電流負(fù)反饋，叫做電流截止負(fù)反饋虧，簡稱截流反饋。帶電流截止(jizh)負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)3.1總原理圖圖1 帶電流(dinli)截止負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖本系統(tǒng)采用帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋主電路結(jié)構(gòu)，其原理圖如圖1所示。圖中的電動(dòng)機(jī)的電樞回路由晶閘管組成的三相橋式整流電路供電，通過與電動(dòng)機(jī)同軸剛性連接的測速發(fā)電機(jī)TG檢測電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并經(jīng)轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)分壓后取出合適的轉(zhuǎn)速反饋信號，此電壓與轉(zhuǎn)速給定信號經(jīng)速度調(diào)節(jié)

5、器ASR綜合調(diào)節(jié)，ASR的輸出作為移相觸發(fā)器的控制電壓，由此組成轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。改變即可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。在本系統(tǒng)中ASR采用比例積分調(diào)節(jié)器，屬于無靜差調(diào)速系統(tǒng)。為了防止在起動(dòng)和運(yùn)行過程中出現(xiàn)過大的電流沖擊，系統(tǒng)引入了電流截止負(fù)反饋以限止電流不超過其允許的最大值。3.2電流(dinli)截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)直流調(diào)速系統(tǒng)中的電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)如圖2所示，電流反饋信號取自串入電動(dòng)機(jī)電樞回路(hul)中的小阻值電阻，正比(zhngb)于電流。設(shè)為臨界的截止電流，當(dāng)電流大于時(shí)將電流負(fù)反饋信號加到放大器的輸入端，當(dāng)電流小于時(shí)將電流反饋切斷。為了實(shí)現(xiàn)這一作用，須引入比較電壓。圖3中利用獨(dú)立的直流電

6、源作比較電壓，其大小可用電位器調(diào)節(jié)，相當(dāng)于調(diào)節(jié)截止電流。在與之間串接一個(gè)二極管，當(dāng)時(shí)，二極管導(dǎo)通，電流負(fù)反饋信號即可加到放大器上去；當(dāng)時(shí)，二極管截止，即消失。顯然，在這一線路中，截止電流。 圖2 利用獨(dú)立直流電源作比較電壓 圖3 利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓3.3帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的輸入輸出特性如圖4所示，它表明：當(dāng)輸入信號為正值時(shí)，輸出和輸入相等；當(dāng)為負(fù)值時(shí)，輸出為零。這是一個(gè)非線性環(huán)節(jié)（兩段線性環(huán)節(jié)），將它畫在方框中，再和系統(tǒng)的其它部分聯(lián)接起來，即得帶電流截截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖5所示，圖中表示電流負(fù)反饋信號電壓，表示轉(zhuǎn)速負(fù)反饋信號

7、電壓。圖4 電流(dinli)截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的輸入-輸出特性圖5 帶電流截止(jizh)負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖由圖5可寫出該系統(tǒng)(xtng)兩段靜特性的方程式。當(dāng)時(shí)，電流負(fù)反饋被截止，靜特性和只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性相同，即后，引入了電流負(fù)反饋，靜特性變成 對應(yīng)上式的靜特性如圖6圖6 帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)(xtng)的靜特性電流負(fù)反饋被截止時(shí)相當(dāng)于圖中的CA段，它就是閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)本身的靜特性，顯然(xinrn)是比較硬的。電流負(fù)反饋起作用后，相當(dāng)于圖中的的AB段。我們可以看出，AB段和CA段相比有兩個(gè)特點(diǎn)：電流(dinli)負(fù)反饋的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個(gè)大電阻

8、，因而穩(wěn)態(tài)速降極大，特性急劇下垂。比較電壓與給定電壓的作用一致，好像把理想空載轉(zhuǎn)速提高到即把提高到圖中的D點(diǎn)。當(dāng)然，圖中用虛線畫出的DA段實(shí)際上是不起作用的。這樣的兩段式靜特性常稱作下垂特性或挖土機(jī)特性。當(dāng)挖土機(jī)遇到堅(jiān)硬的石塊而過載時(shí)，電動(dòng)機(jī)停下，電流也不過是堵轉(zhuǎn)電流，令n=0，得一般，因此應(yīng)小于電動(dòng)機(jī)允許(ynx)的最大電流，一般為（1.52）.另一方面，從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上看，希望CA段的運(yùn)行乏味足夠大，截至(jizh)電流應(yīng)大于點(diǎn)擊(din j)的額定電流。例如（1.11.2）。這些就是設(shè)計(jì)電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)參數(shù)的依據(jù)。參數(shù)設(shè)計(jì)4.1基本參數(shù)的計(jì)算電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢系數(shù)當(dāng)滿足調(diào)速范圍，靜差

9、率時(shí)，系統(tǒng)額定負(fù)載的穩(wěn)態(tài)速降開環(huán)系統(tǒng)的額定速降為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)運(yùn)算放大器系數(shù)4.2判別系統(tǒng)穩(wěn)定性首先應(yīng)確定主電路的電感值，用以計(jì)算電磁時(shí)間常數(shù)。為了保證最小電流（5%10%）時(shí)仍能連續(xù)，即現(xiàn)在(xinzi)取，則取計(jì)算系統(tǒng)(xtng)中各環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)：電磁(dinc)時(shí)間常數(shù)機(jī)電時(shí)間常數(shù)對于三相橋式整流電路，晶閘管裝置的滯后時(shí)間常數(shù)為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，K應(yīng)滿足：按穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)要求，因此，此閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。4.3PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，常常會(huì)遇到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)發(fā)生矛盾的情況，這時(shí)，必須設(shè)計(jì)一個(gè)合適的動(dòng)態(tài)校正裝置，用它來改造系統(tǒng)，使它同時(shí)滿足動(dòng)態(tài)穩(wěn)

10、定性和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)兩方面要求。動(dòng)態(tài)校正的方法很多，而且對于一個(gè)系統(tǒng)來說，能夠符合要求的校正方案也不是唯一的。在電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，最常用的是串聯(lián)校正和反饋校正。串聯(lián)校正比較簡單，也容易實(shí)現(xiàn)。對于帶電力電子變換器的直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，由于其傳遞函數(shù)的階次較低，一般(ybn)采用PID調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就能完成動(dòng)態(tài)校正的任務(wù)。PID調(diào)節(jié)器中有PD、PI和PID三種類型。由于PD調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并獲得足夠(zgu)的快速性，但穩(wěn)定精度可能受到影響；由PI調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)定精度，卻是以對快速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定的。一般調(diào)速系統(tǒng)的要求以動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精

11、度為主，對快速性要求差一些，所以采用PI調(diào)節(jié)器?，F(xiàn)在我們(w men)利用PI調(diào)節(jié)器來校正，原始系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)已知，在這里，因此分母中的二次項(xiàng)可以分成兩個(gè)一次項(xiàng)之積，即 于是，原始閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是相應(yīng)的閉環(huán)對數(shù)幅頻及相頻特性如圖7，其中三個(gè)轉(zhuǎn)折頻率分別為而由圖7可見(kjin)，相角裕度和增益(zngy)裕度都是負(fù)值，所以原始閉環(huán)系統(tǒng)(xtng)不穩(wěn)定。這與以上的判斷一致。考慮原始系統(tǒng)中已包含放大系數(shù)為的比例調(diào)節(jié)器，現(xiàn)在換成PI調(diào)節(jié)器，它在原始系統(tǒng)的基礎(chǔ)上先添加的傳遞函數(shù)為由于原始系統(tǒng)不穩(wěn)定，表現(xiàn)為放大系數(shù)K過大，截止頻率過高，應(yīng)該設(shè)法把它們壓下來。因此，把校正環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)折頻率，設(shè)置

12、在遠(yuǎn)低于原始系統(tǒng)截止頻率處。可令，使校正裝置的比例微分項(xiàng)與原始系統(tǒng)中時(shí)間常數(shù)最大的慣性環(huán)節(jié)對消，從而選定。圖7 原始閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的伯德圖其次，為了使校正后的系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定裕度，它的對數(shù)幅頻特性應(yīng)以-20dB/dec的頻率穿過0dB先，即使。取，為了(wi le)使 ，取，在圖7中查得，因而(yn r) 。則所以(suy)，得而且于是，PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為校正后的伯德圖為圖8。圖8 校正后閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的伯德圖從圖8可以看出(kn ch)，校正后的系統(tǒng)穩(wěn)定指標(biāo)和GM都已變成較大(jio d)的的正值，有足夠的穩(wěn)定裕度，但快速性被壓低了很多，顯然這是一個(gè)偏于穩(wěn)定的方案。4.4取樣(qy

13、ng)電阻的選擇根據(jù)公式：(1.11.2)，即：19.2521A一般為（1.52），即：26.2535A，則取值不能小于：且R如果過小，會(huì)導(dǎo)致不符合要求但是，考慮到實(shí)際采樣電阻功耗不可以過大，所以采用取樣電阻：Rs=1m，之后采樣電壓經(jīng)過運(yùn)放放大1000倍（等效電阻為1）五、Matlab建模與仿真5.1帶PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)圖：空載轉(zhuǎn)速波形圖：空載(kn zi)電流波形圖：空載(kn zi)時(shí)、波形圖：額定負(fù)載轉(zhuǎn)速(zhun s)波形圖：額定負(fù)載電流(dinli)波形圖：5.2加入電流(dinli)截止負(fù)反饋總結(jié)(zngji)構(gòu)圖：空載轉(zhuǎn)速波形圖：空載(kn zi)電流波形

14、圖：額定負(fù)載轉(zhuǎn)速(zhun s)波形圖：額定負(fù)載轉(zhuǎn)速(zhun s)電流波形圖：2s時(shí)加擾動(dòng)但總電樞(din sh)電流不超過臨界轉(zhuǎn)速波形圖：2s時(shí)加擾動(dòng)但總電樞電流不超過(chogu)臨界電流波形圖：2s時(shí)加擾動(dòng)(rodng)總電樞電流超過臨界轉(zhuǎn)速波形圖：2s時(shí)加擾動(dòng)總電樞電流(dinli)超過臨界電流波形圖：波形分析(fnx)及結(jié)論6.1沒有電流截止負(fù)反饋由上面的波形可以看出，在沒有電流截止負(fù)反饋的時(shí)候，無論是空載還是額定負(fù)載下，轉(zhuǎn)速的超調(diào)量均在20%以上，電流達(dá)到250A，調(diào)節(jié)時(shí)間在0.3s左右，我們可以看出空載電流的最大值很大，這是由于PI調(diào)節(jié)器的作用，起始電壓，E=0，全部加在了電機(jī)系統(tǒng)電阻R=2.8上，,由于電磁時(shí)間常數(shù)中電感的平波作用，起始值為250A左右，起始電流非常大，但是只是瞬時(shí)值，電機(jī)允許。6.2加上電流(dinli)截止負(fù)反饋由上面的波形可以看出，在加上電流截止負(fù)反饋后，在空載的時(shí)候，超調(diào)量降到2