雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真

在雙重開(kāi)關(guān)流暢性監(jiān)控系統(tǒng)中，基于設(shè)計(jì)方法配置了輸出參數(shù)。由于直流電機(jī)有很多類(lèi)型,在實(shí)際仿真中,采用Matlab中直流電機(jī)通用模塊并設(shè)置互感參數(shù)來(lái)代替各種類(lèi)型的直流電機(jī),并驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的正確性。本文在調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立以及設(shè)置調(diào)節(jié)器參數(shù)的基礎(chǔ)上,通過(guò)Matlab的工具箱中PI調(diào)節(jié)器和直流電機(jī)模塊,對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行仿真,從仿真的結(jié)果可以驗(yàn)證模型及參數(shù)設(shè)置的正確性。1動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖雙閉環(huán)直流調(diào)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(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng),轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR設(shè)置輸出限幅,以限制最大起動(dòng)電流。根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的需要,當(dāng)給定電壓U*n后,ASR輸出飽和,電機(jī)以最大的允許電流起動(dòng),使得電機(jī)轉(zhuǎn)速很快上升,達(dá)到給定的速度后轉(zhuǎn)速超調(diào),ASR退飽和,電機(jī)電樞電流下降,經(jīng)過(guò)兩個(gè)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用,使系統(tǒng)很快得到穩(wěn)態(tài)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,它包括轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、電機(jī)的數(shù)學(xué)模型外,還有濾波環(huán)節(jié),包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個(gè)給定信號(hào)的濾波環(huán)節(jié),其目的是讓給定信號(hào)和反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)相同的延時(shí),使二者在時(shí)間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜?從而帶來(lái)設(shè)計(jì)上的方便。當(dāng)按工程設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器時(shí),應(yīng)按照先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的一般原則,首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器,然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié),再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)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(zhuǎn)換從雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖可知,電流調(diào)節(jié)器ACR輸出最大限幅時(shí),整流橋輸出最大電壓值Ud0(max),也即電流調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)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(hào)為導(dǎo)通角α,整流橋Ud0輸出電壓與導(dǎo)通角α的關(guān)系為:Ud0=Ud0(max)cosα(1)Ud0=Ud0(max)cosα(1)從上式可知,在仿真中電流調(diào)節(jié)器的ACR輸出信號(hào)不能直接同步觸發(fā)器的輸入端,必須經(jīng)過(guò)適當(dāng)轉(zhuǎn)換,使得ACR的輸出信號(hào)同整流橋的輸出電壓對(duì)應(yīng)。即ACR輸出信號(hào)為0時(shí),整流橋的輸出電壓為0,ACR輸出達(dá)到限幅U*i(10V)時(shí),整流橋輸出電壓為最大值Ud0(max),轉(zhuǎn)換模塊見(jiàn)圖3。從轉(zhuǎn)換模塊可知,當(dāng)電流調(diào)節(jié)器ACR輸出為0電壓時(shí),同步6脈沖觸發(fā)器的輸入信號(hào)α為90°,整流橋輸出電壓0;當(dāng)電流調(diào)節(jié)器ACR輸出為最大限幅(10V)時(shí),同步6脈沖觸發(fā)器的輸入信號(hào)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(shè)置上,把同步合成電壓改為50Hz。6脈沖觸發(fā)器需用三相線(xiàn)電壓同步,所以同步電源的任務(wù)是將三相交流電源的相電壓轉(zhuǎn)化成線(xiàn)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(jī)勵(lì)磁等數(shù)公式實(shí)際的電動(dòng)機(jī)互感的參數(shù)與直流電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型有關(guān),也與勵(lì)磁繞組和電樞繞組的繞組數(shù)有關(guān),從Matlab中的直流電動(dòng)機(jī)模塊可以看出其類(lèi)型為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī),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(dòng)機(jī)常數(shù),Uf、Rf分別為勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電阻。UN、Ra、IN、nN、If分別為電動(dòng)機(jī)額定電壓、電樞電阻、額定電流、額定轉(zhuǎn)速和勵(lì)磁電流。在具體仿真時(shí),首先根據(jù)電動(dòng)機(jī)的基本數(shù)據(jù),寫(xiě)入電動(dòng)機(jī)本體模塊中對(duì)應(yīng)參數(shù),至于電動(dòng)機(jī)本體模塊的互感參數(shù),則由電動(dòng)機(jī)常數(shù)和勵(lì)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(dòng)機(jī):220V,55A,1000r/min,Ce=0.1925V·min/r,允許過(guò)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(shí)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(zhuǎn)速反饋系數(shù)α=0.01V·min/r(≈10V/nN),Toi=2ms=0.002s。轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton=0.01s。試按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)電流、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器,并校驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量的要求能否得到滿(mǎn)足。設(shè)計(jì)要求:設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器,要求電流超調(diào)量σi≤5%。要求轉(zhuǎn)速無(wú)靜差,轉(zhuǎn)速超調(diào)量σn≤20%。電流調(diào)節(jié)器ACR參數(shù)計(jì)算如下:根據(jù)電流超調(diào)量σi≤5%要求,電流環(huán)按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。三相橋式電路的平均失控時(shí)間Ts=0.0017s,電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)為T(mén)∑i=Ts+Toi=0.0037s;電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù):τi=1Ki=Tl=0.03sτi=1Κi=Τl=0.03s;電流環(huán)開(kāi)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(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR參數(shù)計(jì)算如下:為了加快轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié),轉(zhuǎn)速環(huán)按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì),選中頻段寬度h=5。轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)T∑n=2T∑i+Ton,則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為τn=1Ki=hT∑n=0.087τn=1Κi=hΤ∑n=0.087,轉(zhuǎn)速環(huán)的開(kāi)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(diào)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(shè)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(shè)置:電源A、B、C設(shè)置峰值電壓為220V,頻率為50Hz,相位分別為0°、240°和120°。整流橋?yàn)橄到y(tǒng)默認(rèn)值。由于電動(dòng)機(jī)輸出信號(hào)是角速度ω,故把其轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)速(n=60ω/2π)。電動(dòng)機(jī)參數(shù)如圖6所示。4電流調(diào)節(jié)作用下電機(jī)轉(zhuǎn)速超調(diào)仿真結(jié)果如圖7所示。從仿真結(jié)果可以看出,當(dāng)給定信號(hào)為10V時(shí),在電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中,電流調(diào)節(jié)器作用下電機(jī)電樞電流接近最大值,使得電機(jī)以最優(yōu)時(shí)間準(zhǔn)則開(kāi)始上升,在0.25s