雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設計及仿真驗證設計

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設計及仿真驗

證設計2012年3月6日目錄.背景前言-2-.技術要求-3-.設計步驟-4-靜態(tài)計算：-4-動態(tài)計算：-4-電流調(diào)節(jié)器（環(huán)）-4-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（外環(huán)）-6-選擇ASR-7-確定時間常數(shù)-7-選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)-7-計算調(diào)節(jié)器電阻和電路-8-word.可修編可修編..仿真驗證-9-.問題說明-10-要求說明為什么設計為雙閉環(huán)，雙閉環(huán)有什么好處。-10-圖2中各框分別表示什么環(huán)節(jié)。-10-為什么兩個環(huán)分別為典1和典11型系統(tǒng)。-11-.背景前言直流調(diào)速系統(tǒng)是傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)，自19世紀80年代起至19世紀末以前，工業(yè)上傳動所用電動機一直以直流電動機為唯一方式。它具有穩(wěn)速精度高、調(diào)速比大、響應時間短等特點，宜于在廣泛圍平滑調(diào)速，故廣泛應用于軋鋼、機床、輕工、計算機、飛機傳動機構等領域。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，被科學技術水平較高的西方國家所廣泛采用，與直流調(diào)速相比，交流調(diào)速有本身固有的優(yōu)點：結構簡單、堅固耐用、經(jīng)濟可靠及小動態(tài)相應性能好等，還能實現(xiàn)高速拖動，而且電源廣泛。但由于直流拖動系統(tǒng)在理論上和時間上都比較成熟，具有良好的起、制動性能，從反饋閉環(huán)控制的角度來看，直流拖動控制系統(tǒng)又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎，所以我們應該很好的掌握直流拖動控制系統(tǒng)。但是直流調(diào)速系統(tǒng)的設計是一個龐大的系統(tǒng)工程，。對于一個經(jīng)過大量分析、計算、設計、安裝等一系列工作的系統(tǒng)究竟能否一次性調(diào)試成功，這關系到已經(jīng)投入的大量人力、財力、物力是否會浪費的問題。因此，一個直流調(diào)速系統(tǒng)在正式投入運行前，往往要進行仿真調(diào)試。.技術要求本設計給出一個小型直流調(diào)速系統(tǒng)，其指標及參數(shù)為：靜態(tài)精度(轉(zhuǎn)差率S),在電網(wǎng)電壓波動土10%,負載變化±20%,靜態(tài)精度S〈5%,電流和轉(zhuǎn)速超調(diào)量o〈io0「振蕩次數(shù)0N<(2?3),調(diào)速圍D〉10?15；電動機數(shù)據(jù)：額定電流136A,額定電壓230V,功率30KW,額定轉(zhuǎn)速1460轉(zhuǎn)/分，電勢轉(zhuǎn)速比0=0.132，電樞電阻Rq=0.5Q，過e載系數(shù)入=1.5,可控硅整流裝置K=40萬=0.03s,t=0.18s。SL m

測速發(fā)電機，永磁式，額定數(shù)據(jù)為：電壓110V,電流0.045A,轉(zhuǎn)速1900r/min,P=23.1W,I=0.21A,n=1900r/ming gg.設計步驟轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)設計，因為要求靜態(tài)精度很小，故兩個調(diào)節(jié)器均選為PI調(diào)節(jié)器，按照參數(shù)設計如下：靜態(tài)計算：根據(jù)調(diào)速圍和靜差率的要求得到;nsAnnsAn= 0—1460乂0.05二7.33r/mnD(1-s)10(1-0.05)_2°_=_2°_=0.0071460取測速反饋輸出電壓為10V,則轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)出=unASR飽和輸出取12丫，系統(tǒng)輸出最大電流為1dm=2id,則電流反饋系數(shù)：p=U*=100.037,取0.05I2*136dm3.2動態(tài)計算：3.2.1電流調(diào)節(jié)器（環(huán)）三相橋式整流電路平均失控時間：7=0,0017s，電流濾波時間常數(shù)：sT=0.002s。oi此環(huán)設計為典1系統(tǒng)，因此系統(tǒng)滿足電流環(huán)要求超調(diào)量小的要求，其動態(tài)結構如下：圖3圖3電流環(huán)動態(tài)結構圖其中電流環(huán)小時間常數(shù)：T=T+T=0.0037￡is￡isoi由其動態(tài)結構圖知，電流環(huán)控制對象是雙慣性的，要求校正成典|型系統(tǒng)，采用PI調(diào)節(jié)器。PI調(diào)節(jié)器傳函：W（PI調(diào)節(jié)器傳函：W（s）=KTZ±1則電流環(huán)校正成圖4ACRP圖4校正后的電流環(huán)ACR時間常數(shù)：T二T=0.03sil又因o%<又因o%<5%，取KI0.5 0.5=135.1T0.0037￡iACR的比例系數(shù)為:TTTR 0.03ACR的比例系數(shù)為:TTTR 0.03*0.5K=K=135.1義 =1.013i/PK 0.05義40s3=K=135.1ciI因此根據(jù)以上數(shù)據(jù)選取參數(shù)，?。篟o=40K，R=KR=1.213義20=24.26K 取40Kii0C=jaiR40000=0.75從C=jaiR40000=0.75從FCoi4T4*0.00240000取0.75日F取0.2所則實際電路圖如圖4-8所示。其中DRW1網(wǎng)構成限幅電路。T5V。T5V。圖5電路環(huán)原理圖3.2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（外環(huán)）在設計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時，可以把已設計好的電流環(huán)當作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，求出其等效傳遞函數(shù)，再用設計電流環(huán)相同的方法進行設計。簡化后的轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結構圖如下圖6圖6轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結構圖3.3選擇ASR由于要求抗干擾能力強，應按照典11型系統(tǒng)設計，又由于設計要求無靜差，45口需含積分環(huán)節(jié)。一 W(s)=KT廠+1ASR也采用PI調(diào)節(jié)器，,n工sn轉(zhuǎn)速校正成典11系統(tǒng)后動態(tài)結構圖如圖7：圖7校正后的轉(zhuǎn)速環(huán)3.4確定時間常數(shù)(1)電流環(huán)等效時間常數(shù)為2T=0.0074s￡i(2)轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)為取為T二0.01son(3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)T=2T+T=0.0174S￡n ￡i on3.5選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)根據(jù)性能指標選Wh=5人$口的超前時間常料二hT二5X0.0174二0.087sn ￡n轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益k二士L二 5+1二396.4N 2h2T2 2X25X0.0174￡n45口的比例系數(shù)為：左—(h+1)叫工—6X竺X0132X018—117n 2haRT 2X5x0.007x0.5x0.0174￡n轉(zhuǎn)速截止頻率3—KN—Kt-396.4X0,087—34.5cn3 Nn13.6計算調(diào)節(jié)器電阻和電路取R0=20KQ=KnR0=11.7x40=468,取70KQ,=Tn/k0.087/470=0.185"取02",Con=4Ton/R0=4x0.01/40=1pF,取1uF實際原理圖如圖8所示：圖8轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖通過計算，最后得出圖9所示動態(tài)框圖。

圖9直流電動機雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖以上要求說明：為什么兩個環(huán)分別為典|和典||型系統(tǒng)。.仿真驗證打開口洲26軟件，在軟件中構建仿真框圖，如下圖所示：圖10仿真框圖調(diào)試完成后，打開SCOPE,可以輸出轉(zhuǎn)速曲線圖，如下圖所示：圖11轉(zhuǎn)速曲線圖分析上圖可以知道：轉(zhuǎn)速穩(wěn)定值在1470卬乂川附近區(qū)域。當電壓波動在±10%，負載變化±20%時，轉(zhuǎn)速有相應的變化，變化的差在25口/乂用左右，超調(diào)量小于10%,設計成功。.問題說明要求說明為什么設計為雙閉環(huán)，雙閉環(huán)有什么好處。因為單閉環(huán)系統(tǒng)不能動態(tài)地控制電流。所以使用雙閉環(huán)。而雙閉環(huán)能夠較好抵抗電流的沖擊，保持較好的轉(zhuǎn)速。串聯(lián)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器可以較好獲得所需轉(zhuǎn)速。圖2中各框分別表示什么環(huán)節(jié)。ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器環(huán)節(jié)；ACR為電流調(diào)節(jié)器環(huán)節(jié);一為電力電子變換裝置所表示的慣性環(huán)節(jié)；Ts