運動控制系統(tǒng)雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)仿真

1、本科生課程論文課程名稱 運動控制系統(tǒng)學 院 機自學院專 業(yè) 電氣工程及其自動化學 號 1212XXXX學生姓名 翟自協指導教師 楊影分 數 18題目：雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)仿真對例題3.8設計的雙閉環(huán)系統(tǒng)進行設計和仿真分析，仿真時間10s。具體要求如下： 在一個由三相零式晶閘管供電的轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中，已知電動機的額定數據為： PN=60kW， UN =220V， IN=308 A， nN=1000 r/min ， 電動勢系數 Ce=0.196 V·min/r ，主回路總電阻 R=0.18，變換器的放大倍數 Ks=35。電磁時間常數 Tl=0.012s，機電時間常數 Tm=0.1

2、2s，電流反饋濾波時間常數 Toi=0.0025s，轉速反饋濾波時間常數 Ton=0.015s。額定轉速時的給定電壓(Un*)N=10V，調節(jié)器ASR，ACR飽和輸出電壓Uim*= 8V ， Ucm =7.98V。系統(tǒng)的靜、動態(tài)指標為：穩(wěn)態(tài)無靜差，調速范圍D=10，電流超調量 5% ，空載起動到額定轉速時的轉速超調量 10%。試求：（1）確定電流反饋系數(假設起動電流限制在 以內)和轉速反饋系數。（2）試設計電流調節(jié)器ACR.和轉速調節(jié)器ASR。（3）在matlab/simulink仿真平臺下搭建系統(tǒng)仿真模型。給出空載起動到額定轉速過程中轉速調節(jié)器積分部分不限幅與限幅時的仿真波形（包括轉速、電

3、流、轉速調節(jié)器輸出、轉速調節(jié)器積分部分輸出），指出空載起動時轉速波形的區(qū)別，并分析原因。（4）計算電動機帶40%額定負載起動到最低轉速時的轉速超調量n。并與仿真結果進行對比分析。（5）估算空載起動到額定轉速的時間，并與仿真結果進行對比分析。（6）在5s突加40%額定負載，給出轉速調節(jié)器限幅后的仿真波形（包括轉速、電流、轉速調節(jié)器輸出、轉速調節(jié)器積分部分輸出），并對波形變化加以分析。解：（1）=Uim*Idm=8V1.1*IN=8V339A=0.0236 VA =101000=0.01V minr（2）電流調節(jié)器設計確定時間常數：a) Ts=0.00333sb) Toi=0.0025s c) T

4、i=Toi+Ts=0.0025+0.00333=0.00583s電流調節(jié)器結構確定：因為i5%，可按典型I型系統(tǒng)設計，選用PI調節(jié)器，WACRS=Ki(iS+1)iS電流調節(jié)器參數確定：i=Tl=0.012s，選KITi=0.5 ，KI=0.5Ti=85.76 s-1，Ki=KIiRKs=85.76×0.012×0.1835×0.0236=0.224校驗等效條件：ci=KI=85.76 s-1電力電子裝置傳遞函數的近似條件：13Ts=13×0.00333=101.01>ci忽略反電勢的影響的近似條件：31TmTl=310.12×0.012

5、=79.06 s-1<ci電流環(huán)小時間常數的近似條件：131TsToi=1310.00333×0.0025=115.52 s-1>ci可見滿足近似等效條件。速度調節(jié)器設計確定時間常數：a）電流環(huán)等效時間常數1KI:因為KITi=0.5則1KI=2Ti=2×0.00583=0.01166 sb）Ton=0.015 sc）Tn=1KI+Ton=0.01166+0.015=0.02666 s速度調節(jié)器結構確定：按照無靜差的要求，應選用PI調節(jié)器，WASRs=Kn(ns+1)ns速度調節(jié)器參數確定：n=hTn，取h=5，n=hTn=0.1333 sKN=h+12h2Tn

6、2=62×52×0.026662=168.82 s-2Kn=(h+1)CeTm2hRTn=6×0.0236×0.196×0.122×5×0.01×0.18×0.02666=6.94校驗等效條件：cn=KN1=KNn=168.82×0.1333=22.5s-1a）電流環(huán)近似條件：13KITi=1385.760.00583=40.43s-1>cnb）轉速環(huán)小時間常數近似：13KITon=1385.760.015=25.2s-1>cn可見滿足近似等效條件。轉速超調量的校驗（空載Z=0）n%

7、=2*CmaxCb-znNn*TnTm=2×81.2%×1.1×308×0.180.196×1000×0.026660.12=11.23%>10%轉速超調量的校驗結果表明，上述設計不符合要求。因此需要重新設計。查表，應取小一些的h，選h=3進行設計。按h=3，速度調節(jié)器參數確定如下：n=hTn=0.07998 sKN=h+12h2Tn2=42×9×0.026662=312.656 s-2Kn=(h+1)CeTm2hRTn=4×0.0236×0.196×0.122×3&#

8、215;0.01×0.18×0.02666=7.7校驗等效條件：cn=KN1=KNn=312.656×0.07998=25s-1a）電流環(huán)近似條件：13KITi=1385.760.00583=40.43s-1>cnb）轉速環(huán)小時間常數近似：13KITon=1385.760.015=25.2s-1>cn可見滿足近似等效條件。轉速超調量的校驗：n%=2*CmaxCb-znNn*TnTm=2×72.2%×1.1×308×0.180.196×1000×0.026660.12=9.97%<10%轉

9、速超調量的校驗結果表明，上述設計符合要求。（3）在matlab仿真平臺下搭建系統(tǒng)仿真模型：限幅時的仿真波形：a)轉速：b)電流：c)轉速調節(jié)器輸出：d)轉速調節(jié)器積分部分輸出：不限幅時的仿真波形：a)轉速：b)電流：c)轉速調節(jié)器輸出：d)轉速調節(jié)器積分部分輸出：由上圖可知，空載啟動時轉速的波形在限幅和不限幅上的區(qū)別還是很大的。空載起動時轉速波形的區(qū)別：當轉速調節(jié)器的積分部分不限幅時：振蕩次數較于限幅時更多，超調比較大，起動時間更長，調節(jié)時間更加長。當轉速調節(jié)器的積分部分限幅時：振蕩次數少于不限幅時，超調較小，起動時間較短，調節(jié)時間較短。引起區(qū)別的原因： 當ASR轉速調節(jié)器積分部分不限幅時，速

10、度調節(jié)器達到限幅值時，轉速還未達到額定轉速 ，偏差均大于零，積分部分的輸出一直在增大，這就導致使積分部分輸出的值變得很大。當轉速達到額定轉速時，積分調節(jié)器的輸出不能立即變小，而是需要經過一段時間使積分調節(jié)器的輸出恢復到開始限幅瞬間的數值。在這段時間內調節(jié)器暫時失去調節(jié)功能，導致ASR在很長時間內都是限幅輸出，電機轉速一直在增加，所以ASR積分部分不限幅時，轉速超調較大，起動時間較長，調節(jié)時間較長。（4）40%額定負載起動到最低轉速時：因為由題目要求帶40%額定負載，所以IdL=zIdN=0.4×308=123.2An%=2×72.2%×1.1-0.4×3

11、08×0.180.196×1000×0.026660.12=6.35%仿真結果：n%=1049-10001000=4.9%與估算結果相近。（5）根據電機運動方程：GD2375dndt=Te-TLdndt=Cm(Idm-IdL)GD2375=R(Idm-IdL)CeGD2R375CmCe=(Idm-IdL)RCeTm所以，t=CeTmn*(Idm-IdL)R=0.196×0.12×1000(1.1×308-0)×0.18=0.385s（6）在5s突加40%額定負載，轉速仿真波形：電流仿真波形：轉速調節(jié)器輸出仿真波形：轉速調節(jié)器

12、積分部分輸出仿真波形：分析：突加給定電壓后，轉速調節(jié)器很快進入飽和狀態(tài)，輸出恒定的限幅電壓Uim*，使電機在恒流條件下啟動，啟動電流IdIdm=Uim*，而轉速則按線性規(guī)律增長。轉速調節(jié)器一旦飽和，只有當轉速上升到給定電壓所對應的給定值n*時，反饋電壓才與給定電壓平衡，此后轉速偏差電壓Un變?yōu)樨撝担笰SR退飽和。ASR開始退飽和時，由于電動機電流Id仍大于負載電流IdL，電動機仍然加速，直到IdIdL時，轉速才降低下來，因此啟動過程中轉速一定超調。在5s時突加40%額定負載擾動，即IdL=123.2A，則轉速受擾動，會有所下降，使電動機電流Id升高。直到Id>IdL時電機轉速才回升，同時電機電流下降，最后穩(wěn)定在123.2A。心得體會：由于之前課程對matl