雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)建模與仿真

雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)建模與仿真

在雙重開關流暢性監(jiān)控系統(tǒng)中，基于設計方法配置了輸出參數(shù)。由于直流電機有很多類型,在實際仿真中,采用Matlab中直流電機通用模塊并設置互感參數(shù)來代替各種類型的直流電機,并驗證系統(tǒng)設計參數(shù)的正確性。本文在調速系統(tǒng)數(shù)學模型建立以及設置調節(jié)器參數(shù)的基礎上,通過Matlab的工具箱中PI調節(jié)器和直流電機模塊,對此系統(tǒng)進行仿真,從仿真的結果可以驗證模型及參數(shù)設置的正確性。1動態(tài)結構框圖雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理框圖如圖1所示,其主電路是采用三相橋式晶閘管裝置電路?？刂齐娐凡捎玫湫偷霓D速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng),轉速調節(jié)器ASR設置輸出限幅,以限制最大起動電流。根據(jù)系統(tǒng)運行的需要,當給定電壓U*n后,ASR輸出飽和,電機以最大的允許電流起動,使得電機轉速很快上升,達到給定的速度后轉速超調,ASR退飽和,電機電樞電流下降,經(jīng)過兩個調節(jié)器的調節(jié)作用,使系統(tǒng)很快得到穩(wěn)態(tài)。雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的實際動態(tài)結構框圖如圖2所示,它包括轉速調節(jié)器、電流調節(jié)器、電機的數(shù)學模型外,還有濾波環(huán)節(jié),包括電流濾波、轉速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)節(jié),其目的是讓給定信號和反饋信號經(jīng)過相同的延時,使二者在時間上得到恰當?shù)呐浜?從而帶來設計上的方便。當按工程設計方法來設計轉速、電流調節(jié)器時,應按照先內環(huán)后外環(huán)的一般原則,首先設計電流調節(jié)器,然后把整個電流環(huán)看作是轉速調節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié),再設計轉速調節(jié)器。2雙環(huán)流處理器的建模步驟2.1電流控制器acr輸出電壓的轉換從雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖可知,電流調節(jié)器ACR輸出最大限幅時,整流橋輸出最大電壓值Ud0(max),也即電流調節(jié)器輸出信號與整流橋輸出電壓成正比,但在Matlab中同步觸發(fā)器的輸入信號為導通角α,整流橋Ud0輸出電壓與導通角α的關系為:Ud0=Ud0(max)cosα(1)Ud0=Ud0(max)cosα(1)從上式可知,在仿真中電流調節(jié)器的ACR輸出信號不能直接同步觸發(fā)器的輸入端,必須經(jīng)過適當轉換,使得ACR的輸出信號同整流橋的輸出電壓對應。即ACR輸出信號為0時,整流橋的輸出電壓為0,ACR輸出達到限幅U*i(10V)時,整流橋輸出電壓為最大值Ud0(max),轉換模塊見圖3。從轉換模塊可知,當電流調節(jié)器ACR輸出為0電壓時,同步6脈沖觸發(fā)器的輸入信號α為90°,整流橋輸出電壓0;當電流調節(jié)器ACR輸出為最大限幅(10V)時,同步6脈沖觸發(fā)器的輸入信號為0°,整流橋輸出電壓為Ud0(max)。2.2同步合成電壓條件。在同步合成電壓同步觸發(fā)器包括同步電源和6脈沖觸發(fā)器兩部分。6脈沖觸發(fā)器可從模塊中獲得,在其參數(shù)的設置上,把同步合成電壓改為50Hz。6脈沖觸發(fā)器需用三相線電壓同步,所以同步電源的任務是將三相交流電源的相電壓轉化成線電壓,同步電源與6脈沖觸發(fā)器及封裝后的子系統(tǒng)如圖4所示。2.3電機勵磁等數(shù)公式實際的電動機互感的參數(shù)與直流電動機的類型有關,也與勵磁繞組和電樞繞組的繞組數(shù)有關,從Matlab中的直流電動機模塊可以看出其類型為他勵直流電動機,其互感參數(shù)公式為:Laf=30CeπIf(2)Ce=UN?INRanN(3)If=UfRf(4)Laf=30CeπΙf(2)Ce=UΝ-ΙΝRanΝ(3)Ιf=UfRf(4)Ce為電動機常數(shù),Uf、Rf分別為勵磁電壓和勵磁電阻。UN、Ra、IN、nN、If分別為電動機額定電壓、電樞電阻、額定電流、額定轉速和勵磁電流。在具體仿真時,首先根據(jù)電動機的基本數(shù)據(jù),寫入電動機本體模塊中對應參數(shù),至于電動機本體模塊的互感參數(shù),則由電動機常數(shù)和勵磁電流,改為由公式(2)得到即可。3電流控制器acr和r直流電動機:220V,55A,1000r/min,Ce=0.1925V·min/r,允許過載倍數(shù)λ=1.5;晶閘管裝置放大系數(shù)Ks=44;電樞回路總電阻R=1.0Ω;時間常數(shù)Tl=0.017s,Tm=0.075s;電流反饋系數(shù)β=0.121V/A(≈10V/1.5IN)。轉速反饋系數(shù)α=0.01V·min/r(≈10V/nN),Toi=2ms=0.002s。轉速濾波時間常數(shù)Ton=0.01s。試按工程設計方法設計電流、轉速調節(jié)器,并校驗轉速超調量的要求能否得到滿足。設計要求:設計電流調節(jié)器,要求電流超調量σi≤5%。要求轉速無靜差,轉速超調量σn≤20%。電流調節(jié)器ACR參數(shù)計算如下:根據(jù)電流超調量σi≤5%要求,電流環(huán)按典型Ⅰ型系統(tǒng)設計。三相橋式電路的平均失控時間Ts=0.0017s,電流環(huán)小時間常數(shù)為T∑i=Ts+Toi=0.0037s;電流調節(jié)器超前時間常數(shù):τi=1Ki=Tl=0.03sτi=1Κi=Τl=0.03s;電流環(huán)開環(huán)增益KI:取KIT∑i=135.1s-1,因此,于是ACR的比例系數(shù):Kp=KIτiRKsβ=1.013Κp=ΚΙτiRΚsβ=1.013轉速調節(jié)器ASR參數(shù)計算如下:為了加快轉速的調節(jié),轉速環(huán)按典型Ⅱ型系統(tǒng)設計,選中頻段寬度h=5。轉速環(huán)小時間常數(shù)T∑n=2T∑i+Ton,則ASR的超前時間常數(shù)為τn=1Ki=hT∑n=0.087τn=1Κi=hΤ∑n=0.087,轉速環(huán)的開環(huán)增益KN=h+12h2T2∑n=396.4s?2ΚΝ=h+12h2Τ∑n2=396.4s-2,于是可得ASR的比例系數(shù)為Kp=(h+1)βCeTm2hαRT∑n=11.7Κp=(h+1)βCeΤm2hαRΤ∑n=11.7雙閉環(huán)調速系統(tǒng)仿真模型如圖5所示。ASR、ACR采用PI模塊,其參數(shù)設置就根據(jù)以上所求得數(shù)值,輸出限幅均為[10,-10]。其它環(huán)節(jié)參數(shù)設置:電源A、B、C設置峰值電壓為220V,頻率為50Hz,相位分別為0°、240°和120°。整流橋為系統(tǒng)默認值。由于電動機輸出信號是角速度ω,故把其轉化成轉速(n=60ω/2π)。電動機參數(shù)如圖6所示。4電流調節(jié)作用下電機轉速超調仿真結果如圖7所示。從仿真結果可以看出,當給定信號為10V時,在電機起動過程中,電流調節(jié)器作用下電機電樞電流接近最大值,使得電機以最優(yōu)時間準則開始上升,在0.25s