转速电流双闭环的数字式可逆直流调速系统的仿真与设计.docx
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转速电流双闭环的数字式可逆直流调速系统的仿真与设计
转速电流双闭环的数字式可逆直流调速系统的仿真与设计
一、设计目的
应用所学的交、直流调速系统的大体知识与工程设计方式,结合生产实际,确信系统的性能指标与实现方案,进行运动操纵系统的初步设计。
应用运算机仿真技术,通过在MATLAB软件上成立运动操纵系统的数学模型,对操纵系统进行性能仿真研究,把握系统参数对系统性能的阻碍。
在原理设计与仿真研究的基础上,应用PROTEL进行操纵系统的印制板的设计,为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。
二、设计参数
一、直流电动机
(1):
输出功率为:
电枢额定电压220V
电枢额定电流36A额定励磁电流2A
额定励磁电压110V功率因数
电枢电阻欧姆电枢回路电感100mH
电机机电时刻常数2S电枢许诺过载系数
额定转速1430rpm
二、环境条件:
电网额定电压:
380/220V,电网电压波动:
10%
环境温度:
-40~+40摄氏度,环境湿度:
10~90%
3、操纵系统性能指标:
电流超调量小于等于5%
空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%
调速范围D=20,静差率小于等于.
三系统方案选择
(1)可控电源选择
直流电动机具有良好的起制动性能在普遍范围内可实现滑腻调速,在需要高性能可控电力拖动的领域中取得了普遍的应用。
从生产机械要求操纵的物理量来看,各类系统往往都通过操纵转速来实现的。
因此直流调速系统是最大体的拖动操纵系统。
直流变电压调速是直流调速系统用的要紧方式,调剂电枢供电电压所需的可操纵电源通常有3种:
转电流机组
适用于调速要求不高、要求可逆运行的系统但其设备多、体积大、费用高、效率低。
②静止可控整流器
可通过调剂触发装置的操纵电压来移动触发脉冲的相位从而实现滑腻调速且操纵作用快速性能好提高系统动态性能。
③PWM(脉宽调制变换器)或称直流斩波器
利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变平均电压,与V—M系统相较,PWM系统在很多方面有较大的优越性:
主电线路路简单,需要的功率器件少,开关频率高;电流容易持续,谐波少,电机损耗及发烧都较小;低速性能好,稳速精度高,调速范围宽;假设与快速响应的电动机配合,那么系统频带宽,动态响应快,动态抗扰能力强;功率开关器件工作在开关状态,道通损耗小,当开关频率适那时,开关损耗也不大,因此装置效率高;直流电源采纳不控整流时,电网功率因数比相控整流高。
因此,本设计应选择脉宽调速,即采纳直流PWM调速。
(2)主操纵器选择
1、双闭环直流调速系统
双闭环(转速环、电流环)直流调速系统是一种当前应用普遍,经济,适用的电力传动系统。
它具有动态响应快、抗干扰能力强的优势。
咱们明白反馈闭环操纵系统具有良好的抗扰性能,它关于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。
采纳转速负反馈和PI调剂器的单闭环调速系统能够在保证系统稳固的条件下实现转速无静差。
但如果是对系统的动态性能要求较高,例如要求起制动、突加负载动态速降小等等,单闭环系统就难以知足要求。
这主若是因为在单闭环系统中不能完全依照需要来操纵动态进程的电流或转矩。
在单闭环系统中,只有电流截止负反馈环节是专门用来操纵电流的。
但它只是在超过临界电流
值以后,靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击,并非能很理想的操纵电流的动态波形。
带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图5-a所示。
当电流从最大值降低下来以后,电机转矩也随之减小,因此加速进程必然拖长。
在实际工作中,咱们希望在电机最大电流(转矩)受限的条件下,充分利用电机的许诺过载能力,最好是在过渡进程中始终维持电流(转矩)为许诺最大值,使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动,抵达稳固转速后,又让电流当即降下来,使转矩马上与负载相平稳,从而转入稳态运行。
如此的理想起动进程波形如图5-b所示,这时,启动电流成方波形,而转速是线性增加的。
这是在最大电流(转矩)受限的条件下调速系统所能取得的最快的起动进程。
(a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统的启动进程
(b)理想快速启动进程
图5调速系统启动进程的电流和转速波形
事实上,由于主电路电感的作用,电流不能突跳,为了实此刻许诺条件下最快启动,关键是要取得一段使电流维持为最大值
的恒流进程,依照反馈操纵规律,采纳某个物理量的负反馈就能够够维持该量大体不变[1],那么采纳电流负反馈就能够取得近似的恒流进程。
问题是希望在启动进程中只有电流负反馈,而不能让它和转速负反馈同时加到一个调剂器的输入端,抵达稳态转速后,又希望只要转速负反馈,再也不靠电流负反馈发挥主作用,因此咱们采纳双闭环调速系统。
如此就能够做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的时期。
为了实现转速和电流两种负反馈别离起作用,在系统中设置了两个调剂器,别离调剂转速和电流,二者之间实行串级连接,如图2-2所示,即把转速调剂器的输出看成电流调剂器的输入,再用电流调剂器的输出去操纵晶闸管整流器的触发装置。
从闭环结构上看,电流调剂环在里面,叫做内环;转速环在外面,叫做外环。
如此就形成了转速、电流双闭环调速系统。
该双闭环调速系统的两个调剂器ASR和ACR一样都采纳PI[1]调剂器。
因为PI调剂器作为校正装置既能够保证系统的稳态精度,使系统在稳态运行时取得无静差调速,又能提高系统的稳固性;作为操纵器时又能兼顾快速响应和排除静差两方面的要求。
一样的调速系统要求以稳和准为主,采纳PI调剂器便能保证系统取得良好的静态和动态性能。
2.桥式可逆PWM变换器的工作原理
脉宽调制变换器的作用是:
用脉冲宽度调制的方式,把恒定的直流电源电压调制成频率必然、宽度可变的脉冲电压序列,从而能够改变平均输出电压的大小,以调剂电机转速。
最经常使用的是桥式(亦称H形)可逆PWM电路,
H形主电路结构
这时,电动机M两头电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的转变而改变,其操纵方式有双极式、单极式、受限单极式等多种,那个地址只着重分析最经常使用的双极式操纵的可逆PWM变换器。
双极式操纵方式:
(1)正向运行:
第1时期,在0≤t≤ton期间,Ug1、Ug4为正,VT1、VT4导通,Ug2、Ug3为负,VT2、VT3截止,电流id沿回路1流通,电动机M两头电压UAB=+Us;
第2时期,在ton≤t≤T期间,Ug1、Ug4为负,VT1、VT4截止,VD2、VD3续流,并钳位使VT2、VT3维持截止,电流id沿回路2流通,电动机M两头电压UAB=–Us;
(2)反向运行:
第1时期,在0≤t≤ton期间,Ug2、Ug3为负,VT2、VT3截止,VD1、VD4续流,并钳位使VT1、VT4截止,电流–id沿回路4流通,电动机M两头电压UAB=+Us;
第2时期,在ton≤t≤T期间,Ug2、Ug3为正,VT2、VT3导通,Ug1、Ug4为负,使VT1、VT4维持截止,电流–id沿回路3流通,电动机M两头电压UAB=–Us;
输出波形
双极式操纵的桥式可逆PWM变换器有以下优势:
(1)电流必然持续;
(2)可使电机在四象限运行;
(3)电机停止时有微振电流,能排除静摩擦死区;
(4)低速平稳性好,系统的调速范围可达1:
20000左右;
(5)低速时,每一个开关器件的驱动脉冲仍较宽,有利于保证器件的靠得住导通。
三、设计进程
1、主电路和操纵系统确信
主电路选用V-M系统,采纳三相桥式全控整流电路,并增加抑制电流脉动的方法,为此设置平波电抗器,总电感量的计算公式为
L=Idmin,一样取Idmin为电动机额定电压的5%-10%。
触发电路采纳三相集成触发器。
系统中设置了电流检测环节、电流调剂器和转速检测环节、转速调剂器,组成了电流环和转速环,前者通过电流元件的反馈作用稳固电流,后者通过转速检测元件的反馈作用维持转速稳固,最终排除转速误差,从而使系统达到调剂电流和转速的目的。
该系统起动时,转速外环饱和不起作用,电流内环起要紧作用,调剂起动电流维持最大值,使转速线性转变,迅速达到给定值;稳态运行时,转速负反馈外环起要紧作用,使转速随转速给定电压的转变而转变,电流内环跟从转速外环调剂电机的电枢电流以平稳负载电流原理图如下图。
1电流调剂器的设计
1)肯按时刻常数
(1)整流装置滞后时刻常数
,PWM电源滞后时刻常数
=。
(2)机电时刻常数
,电磁时刻常数
。
(3)电流滤波时刻常数
=
(4)电流环小时刻常数之和
。
按小时刻常数近似处置,取
=
+
=。
电流超前时刻常数
=
=
=
2)选择电流调剂器结构
依照设计要求电流超调量
,并保证稳态电流无差,可按典型I型系统设计电流调剂器。
电流环操纵对象是双惯性型的,因此能够用PI型电流调剂器,其传递函数为
1)计算电流调剂器参数
电压放大系数
。
电流调剂器超前时刻常数:
。
电流环开环增益:
要求
时,应取
,因此
。
于是,ACR的比例系数为
电流反馈系数
)
4)校验近似条件
电流环截止频率:
。
A、晶闸管整流装置传递函数的近似条件
知足近似条件。
B、忽略反电动势转变对电流环动态阻碍的条件
知足近似条件。
C、电流环小时刻常数近似处置条件
知足近似条件。
2转速调剂器的设计
1)肯按时刻常数
A、电流环等效时刻常数1/
由上已取
,那么
B、转速滤波时刻常数
,依照所用测速发电机纹波情形,取
=。
C、转速环小时刻常数
,按小时刻常数近似处置,取
。
2)选择转速调剂器结构
依照设计要求,选用PI调剂器,其传递函数为
3)计算转速调剂器参数
按跟从和抗扰性能都较好的原那么,取h=5,那么ASR的超前
时刻常数为
转速开环增益
于是,ASR的比例系数为
4)查验近似条件
转速环截止频率为
A、电流环传递函数简化条件为
,知足近似条件。
B、转速环小时刻常数近似处置条件为
,知足近似条件。
5)校核转速超调量
当h=5时,
,不能知足设计要求。
事实上,
由于表中是按线性系统计算的,而突加阶跃给按时,ASR饱和,不符合线性系统的前提,应该按ASR退饱和的情形从头计算超调量。
由已知有
,
Ce=r,
,当h=5时,查表可得
,代入式
可得
能知足设计要求。
四、系统的MATLAB仿真
1、系统仿真模型
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- 转速 电流 闭环 数字式 可逆 直流 调速 系统 仿真 设计