直流動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用

直流動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用

0直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)液壓系統(tǒng)研究直流電機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、鋼鐵、采礦、軍事等行業(yè)。在工程實(shí)踐中，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的是調(diào)速系統(tǒng)，有許多生產(chǎn)機(jī)械要求在一定范圍內(nèi)進(jìn)行速度的平滑調(diào)節(jié)，并要求有良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。盡管目前交流調(diào)速系統(tǒng)的迅速發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和易維護(hù)性，使得交流調(diào)速廣泛受到用戶的歡迎，但是直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)良的調(diào)速性能仍有廣闊的市場(chǎng)，并且建立在反饋控制理論基礎(chǔ)上的直流調(diào)速系統(tǒng)也是研究交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。對(duì)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。1晶閘管滑動(dòng)控制晶閘管—電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，其原理圖如圖1所示。圖中VT為晶閘管的可控整流器，它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。元件對(duì)過電壓、過電流以及過高的du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指標(biāo)超過允許值都可能損壞原件。因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時(shí)還有足夠的裕量。2直驅(qū)油速帶的設(shè)計(jì)2.1動(dòng)態(tài)性能的控制轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理如圖2所示。由于調(diào)整的主要參數(shù)是轉(zhuǎn)速，故將轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作為外環(huán)，電流反饋?zhàn)鳛閮?nèi)環(huán)，這樣可以抑制電網(wǎng)電壓對(duì)轉(zhuǎn)速的影響。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器，在啟動(dòng)時(shí)，加入給定電壓Un*，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器以飽和限幅值輸出，使得電動(dòng)機(jī)以限定的最大啟動(dòng)電流加速啟動(dòng)，直到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定轉(zhuǎn)速，并在出現(xiàn)超調(diào)后，ASR和ACR退出飽和，最后穩(wěn)定在給定的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。在調(diào)速系統(tǒng)工作時(shí)，要先給電動(dòng)機(jī)加勵(lì)磁，ASR的輸出作為ACR的輸入，利用ASR的輸出限幅達(dá)到限制啟動(dòng)電流大小的目地。ACR的輸出作為“觸發(fā)電路”的控制電壓Uc，利用ACR的輸出限幅可以限制整流橋的最大導(dǎo)通角α。2.2pi型電流調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓Un*變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小穩(wěn)態(tài)誤差，采用PI調(diào)節(jié)器則可實(shí)現(xiàn)無靜差；對(duì)負(fù)載變化起擾抗作用；其輸出幅值決定允許的最大電流。電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，要校正成典型的Ι型系統(tǒng)，采用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成（1）式。(1）式中，Ki為電流調(diào)節(jié)器比例系數(shù)，τi為電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。2.3需要保護(hù)好電樞電流作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊密的跟隨其給定電壓Un*的變化。在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)保證獲得最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過程，使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)特性；當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起到安全保護(hù)作用；故障消失后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)正常；對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起到快速抑制作用。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差,提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能,把轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)成典型II型系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為：(2）式中，Ki為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器比例系數(shù)，τi為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。3動(dòng)態(tài)特性仿真分析Simulink是Matlab環(huán)境下對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包。在該軟件可實(shí)現(xiàn)可視化建模，并可以隨時(shí)觀察仿真結(jié)果和干預(yù)仿真過程。Simulink由于功能強(qiáng)大、適用簡單方便，以成為應(yīng)用最廣泛的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真軟件。仿真參數(shù)設(shè)置：直流電機(jī)：220V,136A,1750r/min，允許過載倍數(shù)λ=1.5，電機(jī)軸上總飛輪力矩10N·M2，低通濾波器的截止頻率40Hz，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器積分增益200，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器比例增益80；電流調(diào)節(jié)器積分增益60，電流調(diào)節(jié)器比例增益1.5。為了校驗(yàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，給定轉(zhuǎn)速5s時(shí)加沖擊負(fù)載100NM。圖3為仿真輸出波形。由圖3(a)轉(zhuǎn)速曲線知，在電流線性增加的時(shí)候，拖動(dòng)系統(tǒng)也恒加速，轉(zhuǎn)速呈線性增加。在3-4s之間速度出現(xiàn)了超調(diào)，略高于給定值800rad/s。超調(diào)之后在電流穩(wěn)定的情況下進(jìn)入線性調(diào)節(jié)，最終達(dá)到給定值并保持速度恒定不變。在5s時(shí)開始減小給定值直到400rad/s時(shí)，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)變化過程與升速階段相反。圖3(b)觸發(fā)角圖形可知觸發(fā)角的變化跟電樞電流保持一致，電流增大過程中觸發(fā)角減小，反之亦反。圖3(c)電樞電壓變化與速度變化保持一致。圖3(d)為電樞電流，從開始階段突加電壓，電樞電流迅速上升約100A，從電流上升到100A到3s左右，電流線性增加，7s時(shí)電樞電流基本穩(wěn)定在100A附近。通過仿真結(jié)果，可以看出雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)特性。4雙閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性以及抗干擾性分析本文利用Matlab-Simulink工具箱分別雙閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真，通過仿真結(jié)果可以直觀的分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性。在雙閉