α=β配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)

1、摘要電力拖動自動控制系統(tǒng)是把電能轉(zhuǎn)換成機械能的裝置,它被廣泛地應(yīng)用于一般生產(chǎn)機械需要動力的場合也被廣泛應(yīng)用于精密機械等需要高性能電氣傳動的設(shè)備中,用以控制位置、速度、加速度、壓力、張力和轉(zhuǎn)矩等。直流電動機具有良好的起、制動性能宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域中得到應(yīng)用。而轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好、應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)針對面向系統(tǒng)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)圖仿真方法的不足，提出了一種基于MATLAB的Simulink和Power System工具箱、面向系統(tǒng)電氣原理結(jié)構(gòu)圖的仿真新方法，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速與電流雙閉環(huán)=配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真分別介紹了同步

2、脈沖觸發(fā)器、移相器控制器和PI調(diào)節(jié)器的建模，給出了直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型和仿真結(jié)果，仿真結(jié)果表明了仿真算法可信度較高。關(guān)鍵詞:= 配合控制;直流電機;MATLAB仿真;移項控制器 目錄摘要1第1章.緒論31.1配合有環(huán)流可逆控制直流調(diào)速系統(tǒng)簡介31.2 控制對象及要求4第2章：系統(tǒng)總體設(shè)計52.1=配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的工作原理52.2電流調(diào)節(jié)器設(shè)計62.2.1電流調(diào)節(jié)器的作用62.2.2電流環(huán)結(jié)構(gòu)簡圖72.2.3設(shè)計電流調(diào)節(jié)器72.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計102.3.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用102.3.2轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡圖102.3.3設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器11第3章Simulink仿真143.1 系統(tǒng)建模

3、143.1.1 移相控制器的封裝143.1.2 帶限幅的PI調(diào)節(jié)器的封裝153.1.3 =配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)整體的建模163.2仿真波形及分析17結(jié)論20參考文獻21第1章.緒論1.1配合有環(huán)流可逆控制直流調(diào)速系統(tǒng)簡介可逆軋機、龍門刨床等生產(chǎn)機械要求運動控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速的正、反轉(zhuǎn)，以提高產(chǎn)量與加工質(zhì)量；開卷機、卷取機等雖然不需要正、反向運行，卻需要快速制動。將上述生產(chǎn)工藝要求歸納成運動控制系統(tǒng)的性能，就是電動機除電動轉(zhuǎn)矩外還需產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)生產(chǎn)機械快速的減速、停車與正、反向運行等功能。在轉(zhuǎn)速n和電磁轉(zhuǎn)矩Tc的坐標(biāo)系上，就是四象限運行的功能，如圖1-1所示。這樣的調(diào)速系統(tǒng)需要正、

4、反轉(zhuǎn)，故稱可逆調(diào)速系統(tǒng)。 +n 正轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 制動狀態(tài) 電動狀態(tài) -Te +Te 反轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 電動狀態(tài) 制動狀態(tài) -n圖1-1 調(diào)速系統(tǒng)的四象限運行 = 配合控制消除直流平均環(huán)流的原則是正組整流裝置處于整流狀態(tài)，即 Ud0f 為正時，強迫使反組處于逆變狀態(tài)，即Ud0r ，且幅值相等，使逆變電壓把整流電壓頂住，則直流平均環(huán)流為零。1.2 控制對象及要求交流電源：160V（峰值），50HZ電動機：Un=220V，n=136A，n=1460r/min，=2，Rrec=1.3,Ra=0.21，La=0.000543H勵磁電壓：Uf=220V，Rf=14.7，Lf=0，Lof=0.084H，J=2.29

5、kg·電抗器：L1L4為0.002H，平波電抗器為0.015H，Toi=0.002s，Ton=0.014s，=0.00685，=0.037設(shè)計要求為：1設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器參數(shù)2建立仿真模型并進行仿真第2章：系統(tǒng)總體設(shè)計2.1=配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的工作原理=配合控制的有環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理圖如圖2-1所示。圖中，主電路由兩組三相橋式.晶閘管全控型整流器反并聯(lián)組成，并共用同一路三相電源。由于采用=配合控制方式，在兩組整流器之間沒有直流環(huán)流，但還存在脈動環(huán)流，為了限制脈動環(huán)流的大小，在主電路中串入了四個均衡電抗器Lc1Lc4，用于限制脈動環(huán)流。平波電抗器Ld，用于

6、減少電動機電樞電流的脈動，減少電樞電流的斷續(xù)區(qū)，改善電動機的機械特性。系統(tǒng)的控制部分采用了轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)控制。由于可逆調(diào)速電流的反饋信號小不僅要反映電樞電流的大小還需要反映電樞電流的方向，因此電流反饋一般用直流電流互感器或霍爾電流檢測器，在電樞端取電流信號。為了確保兩組整流器的工作狀態(tài)相反，流調(diào)節(jié)器的輸出分兩路，一路經(jīng)止組橋觸發(fā)器GTF控制正組橋整流器，另一路經(jīng)倒相器AR、反組橋GTR控制反組橋整流器VR。圖2-1 =配合控制的有環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理圖其中：正組晶閘管VF，由GTF控制觸發(fā)： 正轉(zhuǎn)時，VF整流； 反轉(zhuǎn)時，VF逆變。 反轉(zhuǎn)晶閘管VR，由GTR控制觸發(fā)： 反轉(zhuǎn)時，VR

7、整流； 正轉(zhuǎn)時，VR逆變。根據(jù)可逆系統(tǒng)正反向運行的需要，給定電壓、轉(zhuǎn)速反饋電壓、電流反饋電壓都應(yīng)該能夠反映正和負的極性。這里給定電壓：正轉(zhuǎn)時，KF閉合， Un* =“+”； 反轉(zhuǎn)時，KR閉合， Un* =“-”。轉(zhuǎn)速反饋：正轉(zhuǎn)時，Un=“-”; 反轉(zhuǎn)時，Un=“+”?？刂齐娐凡捎玫湫偷霓D(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，其中：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR控制轉(zhuǎn)速，設(shè)置雙向輸出限幅電路，以限制最大起制動電流。電流調(diào)節(jié)器ACR控制電流，設(shè)置雙向限幅電路，以控制最小控制角min與最小逆變角min。在設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器及電流調(diào)節(jié)器過程中按照“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)” 的設(shè)計原則，從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴展。在這里，首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整

8、個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 。2.2電流調(diào)節(jié)器設(shè)計2.2.1電流調(diào)節(jié)器的作用(1) 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緊跟隨其給定值 Ui* （即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）的變化；(2) 對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾的作用。(3) 在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得電動機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。 (4) 當(dāng)電機處于過載甚至于堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起到快速的自動保護作用，一旦故障消失，系統(tǒng)能夠自動恢復(fù)正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運行來說是十分重要的。2.2.2電流環(huán)結(jié)構(gòu)簡圖則電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡化成圖2-2在設(shè)計電流調(diào)節(jié)器時，首先考慮應(yīng)把電流

9、環(huán)校正成哪一類典型系統(tǒng)。從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，由圖可以看出，采用I型系統(tǒng)就夠了。再從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中不超過允許值，而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾作用只是次要因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，即應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)圖2-2.電流環(huán)結(jié)構(gòu)簡圖2.2.3設(shè)計電流調(diào)節(jié)器(1)確定時間常數(shù)1）整流裝置滯后時間常數(shù)Ts。從書上查表可知三相橋式電路的平均失控時間Ta=0.0017s。2)電流濾波時間常數(shù)Toi。 三相橋式電路的每個波頭的時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有（1-2）Toi=3.33ms，因此

10、取Toi=2ms=0.002s。3）電流環(huán)小時間常數(shù)之和T。按小時間常數(shù)近似處理，取T= Ts+Toi=0.0037s。4)直流電機參數(shù) Ce=UN-INRanN=0.1311 min/r5）電樞回路電磁時間常數(shù)6）電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)（2）選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按照典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)式為： 式中 Ki 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；ti 電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。檢查對電源電壓的抗擾性能：，參照典型型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表格，可以看出各項指標(biāo)都是可以接受的。（3）計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)

11、電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：ti=Tl=0.0560s。 晶閘管放大系數(shù)： 電流環(huán)開環(huán)增益：要求i5%時，應(yīng)取KITi=0.5，因此 于是，ACR的比例系數(shù)為 （4)檢驗近似條件電流環(huán)截止頻率：ci=KI=135.1s-1；1) 校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件： 滿足近似條件2）校驗忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件： 滿足近似條件3)校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件 滿足近似條件（5）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖2-3所示.按所用運算放大器取R0=40k，各電阻和電容值計算如下： 圖2-3 PI型電路調(diào)節(jié)器2.3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計2.3.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用(1)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速

12、系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓 Un* 變化，穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差；(2) 對負載變化起抗擾作用；(3) 其輸出限幅值決定電動機允許的最大電流2.3.2轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡圖最后轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡圖為圖2-4為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 中，現(xiàn)在在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典型型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。 圖2-4轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)簡圖 2.3.3設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（1）確定時間常數(shù)1）電流環(huán)等效時間常數(shù)1/KI。由電流

13、環(huán)參數(shù)可知KITi=0.5，則2）轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton。根據(jù)已知條件可知Ton=0.014s3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)Tn。按小時間常數(shù)近似處理，取（2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計要求采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為式中Kn 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；tn 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。（3）計算調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為：轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為：ASR的比例系數(shù)為：（4）檢驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 1) 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為 滿足近似條件2) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為 滿足近似條件（5）計算調(diào)節(jié)器電阻和電容轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖2-5所示圖2-5 PI型轉(zhuǎn)

14、速調(diào)節(jié)器的組成取R0=40k，則（5）校驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時，查詢典型型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)的表格可以看出，不能滿足設(shè)計要求。實際上，由于表是按照線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時。ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按照ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。需要添加微分負反饋：第3章Simulink仿真3.1 系統(tǒng)建模 3.1.1 移相控制器的封裝 =配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的主要子模塊包括：三相交流電源，正、反并聯(lián)的晶閘管三相全控整流橋、同步電源與6脈沖觸發(fā)器、速度和電流調(diào)節(jié)器ASR 及ACR、倒相器、移相控制器，直流電動機。除了PI調(diào)節(jié)器和移相控制器模塊需要自己封裝外，其余均可從有關(guān)

15、模塊庫中直接復(fù)制。觸發(fā)器的控制角(alpha_deg端)通過了移相控制環(huán)節(jié)(shifter),移相控制模塊的輸入是移相控制信號Uc，輸出是控制角，移相控制信號Uc由常數(shù)模塊設(shè)定。移相特性如圖3-1所示。移相特性的數(shù)學(xué)表達式為： 圖3-1 移項特性及子函數(shù)模塊、3.1.2 帶限幅的PI調(diào)節(jié)器的封裝 在本模型中取 min=30°,Ucm =+lOV ，所以 =90°-(6*Uc) .仿真模型與系統(tǒng)動態(tài)構(gòu)圖的各個環(huán)節(jié)基本上是對應(yīng)的。需要指出的是。雙閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器都是有飽和特性和帶輸山限幅的PI調(diào)節(jié)器，為了充分反映在飽和限幅非線性影響下調(diào)速系統(tǒng)的上作情況，需要構(gòu)建考

16、慮飽和輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器，過程如下:線性PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為式中,Kp為比例系數(shù);Ki為積分系數(shù); = KpKi。上述PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)可以直接調(diào)用SIMULINK中的傳遞函數(shù)或零極點模塊。而考慮飽和和輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器模型如圖4所示。模型中比例和積分調(diào)節(jié)分為兩個通道，其中積分調(diào)節(jié)器 integrate 的限幅表示調(diào)節(jié)器的飽和限幅值，而調(diào)節(jié)器的輸出限幅值由飽和模塊 Saturation 設(shè)定。當(dāng)該調(diào)節(jié)器用作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR時,在起動中由于開始轉(zhuǎn)速偏差大，調(diào)節(jié)器輸出很快達到輸出限幅值，在轉(zhuǎn)速超調(diào)后首先積分器退飽和，然后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出才從限幅值開始下降。為了使系統(tǒng)模型更簡潔，利用了SIM

17、ULINK 的打包功能 (Great Subsystem) 將調(diào)節(jié)器模型縮小為一個分支模塊，如圖3-2所示。圖3-2 帶飽和和輸出限幅的PI 調(diào)節(jié)器及子系統(tǒng)模塊3.1.3 =配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)整體的建模 將封裝后的反組整流器與正組整流器，給定環(huán)節(jié)、ASR、ACR、直流電動機等一起可構(gòu)成=配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。在電動機的負載轉(zhuǎn)矩輸入端TL接入了階躍 (Step)模塊，用于設(shè)置負載轉(zhuǎn)加載的時刻，和用于限制負載轉(zhuǎn)矩的最大值， = 有環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖如圖3-3所示。在仿真模型中，交流電源(Ua 、Ub、Uc)兩組反并聯(lián)的整流器(VF、VR)和兩組觸發(fā)器(Synch

18、ronized 6-Pulse Generator)、 環(huán)流電抗器(Lc1Lc4)、平波電抗器Ld和電動機組成可逆系統(tǒng)的主電路。控制回路由轉(zhuǎn)速給定、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR、電流調(diào)節(jié)器ACR、倒相器Gain和移相控制器Shifter等模塊組成。其中給定環(huán)節(jié)可以通過切換開關(guān)(Manual Switch)選擇電動機轉(zhuǎn)向，在需要改變轉(zhuǎn)向時，雙擊該開關(guān)即可正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)到正傳的給定切換。轉(zhuǎn)速和電流的反饋信號均取自電動機測量單元的輸出。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR由帶輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器分支電路來完成。圖3-3 =配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)整體的模型3.2仿真波形及分析 可逆系統(tǒng)從正轉(zhuǎn)啟動到反轉(zhuǎn)過程仿真

19、了5s的變化過程，得到電樞轉(zhuǎn)速和電流的仿真波形如圖3-4所示。圖中電流和轉(zhuǎn)速為相對值。從仿真曲線知，當(dāng)系統(tǒng)給定信號變極性時：輸出轉(zhuǎn)速能夠很好地跟隨轉(zhuǎn)速給定信號，過渡過程性能較好；轉(zhuǎn)速極性也隨著給定信號改變極性；由于電機有機械慣性的濾波作用， 速度輸出響應(yīng)曲線諧波成分較少。 隨著給定信號改變極性電樞電流也改變極性，說明實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩可逆；電流波形上升和下降沿很陡，動態(tài)性能較好；由于=配合控制的直流可逆調(diào)速系統(tǒng)可實現(xiàn)快速回饋制動，轉(zhuǎn)速換向時減速很快，換向性能較優(yōu)，速度仿真曲線很好地證明了這一點。圖3-2 正轉(zhuǎn)過程轉(zhuǎn)速曲線和電樞電流曲線圖3-3 反轉(zhuǎn)過程轉(zhuǎn)速曲線和電樞電流曲線圖3-4 正轉(zhuǎn)過程變換到反轉(zhuǎn)

20、過程轉(zhuǎn)速曲線和電樞電流曲線通過圖形分析可得01.3s為系統(tǒng)的正轉(zhuǎn)啟動過程，1.32.4s為系統(tǒng)的加載過程，2.45s為系統(tǒng)的反轉(zhuǎn)過程。在啟動過程中可以看到，系統(tǒng)經(jīng)歷了電流上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)三個階段，在轉(zhuǎn)速超調(diào)后電流迅速下降并且出現(xiàn)負向電流，這與不可逆調(diào)速系統(tǒng)的啟動過程不同，因為不可逆調(diào)速系統(tǒng)不能產(chǎn)生反向電流，而可逆系統(tǒng)反轉(zhuǎn)整流器可以提供反向電流，并加快啟動的調(diào)節(jié)過程。因為是理想的空載啟動，啟動結(jié)束時電樞電流為零。在其后電動機加上負載，轉(zhuǎn)速發(fā)生波動，并且電流增加，經(jīng)過1s左右時間的調(diào)整，系統(tǒng)達到新的平衡狀態(tài)，轉(zhuǎn)速恢復(fù)到1450r/min，電流上升到150A。在啟動后3.5s轉(zhuǎn)速給定從“+”

21、切換到“-”，系統(tǒng)進入反轉(zhuǎn)的調(diào)節(jié)狀態(tài)。電樞電流迅速改變方向，并從正變到負的最大值，電動機的轉(zhuǎn)速也由正變負，系統(tǒng)經(jīng)歷了本橋逆變和反接制動兩個階段。在2.35s之后，電樞電流開始改變方向，并反向增加，反組橋進入整流，系統(tǒng)開始反接制動階段，電動機轉(zhuǎn)速下降。在2.36s左右，系統(tǒng)開始反向超調(diào)，這是在系統(tǒng)電流環(huán)的調(diào)節(jié)下反組調(diào)節(jié)器變?yōu)槟孀儬顟B(tài)，轉(zhuǎn)速和電動機反電動勢進一步減小，電動機的慣性儲能釋放，并經(jīng)反組整流器流回電網(wǎng)，這是系統(tǒng)的回饋制動階段。在3.45s轉(zhuǎn)速下降為零是回饋制動階段結(jié)束，系統(tǒng)又開始反向恒流啟動過程，直到電動機進入反轉(zhuǎn)穩(wěn)定運行階段。 結(jié)論在本次實訓(xùn)中我設(shè)計的是=配合控制的有環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)。