直流電機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)技術(shù)的研究

直流電機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)技術(shù)的研究

由于其性能，永速機(jī)在廣泛范圍內(nèi)具有平滑的速度，這是工業(yè)控制的重要地位。直流調(diào)速控制系統(tǒng)中最典型一種調(diào)速系統(tǒng)就是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。在當(dāng)今社會(huì)，仿真技術(shù)已經(jīng)成為分析、研究各種系統(tǒng)尤其是復(fù)雜系統(tǒng)的重要工具，為了簡(jiǎn)便工程設(shè)計(jì)和解決設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，利用Maflab中Simulink實(shí)用工具對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真和系統(tǒng)分析就成為我們今天急需探討的課題。本文通過(guò)實(shí)例對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真和系統(tǒng)分析，做出了整個(gè)設(shè)計(jì)的過(guò)程及仿真圖形，讓人們能更深刻地認(rèn)識(shí)雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，為以后的學(xué)習(xí)及應(yīng)用提供了很好的材料。1電流環(huán)仿真模型(1）電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1，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)。轉(zhuǎn)速的變化往往比電流變化慢得多，對(duì)電流環(huán)來(lái)說(shuō)，反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)變化較慢的擾動(dòng)，在電流的瞬變過(guò)程中，可以認(rèn)為反電動(dòng)勢(shì)基本不變，即?E≈0。把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改成則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)。Ts和Toi一般都比Tl小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為T(mén)Σi=Ts+Toi。電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)，應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫(xiě)成其中，Ki—電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；τi—電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。為了使校正后的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快一些，將調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇τi=Tl，則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖2所示的典型形式，其中希望電流超調(diào)量σi%≤5%，可選ξ=0.707,KITΣi=0.5,即根據(jù)上述要求，可設(shè)計(jì)出如下電流環(huán)仿真模型，其輸出波形如圖3所示，在0到0.016s時(shí)間段，電流處于上升時(shí)間，這個(gè)時(shí)間很短；之后電流一直保持為最大值，導(dǎo)致電機(jī)以最大的加速度啟動(dòng)。(2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)電流環(huán)經(jīng)簡(jiǎn)化后可視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，它的閉環(huán)傳遞函數(shù)Wcli(s)原來(lái)是雙慣性環(huán)節(jié)的電流環(huán)控制對(duì)象，經(jīng)閉環(huán)控制后，可以近似地等效成只有較小時(shí)間常數(shù)1/KI的一階慣性環(huán)節(jié)。這就表明，電流的閉環(huán)控制改造了控制對(duì)象，加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環(huán)（內(nèi)環(huán)）控制的一個(gè)重要功能。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中，在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型Ⅱ型系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)增益2項(xiàng)目示例根據(jù)上述的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得到如圖4所示的結(jié)構(gòu)框圖，也就是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，其輸出波形如圖5所示。3轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的仿真結(jié)果從圖5仿真結(jié)果可以看到，電流Id從0增長(zhǎng)到Idm=339A，然后在一段時(shí)間內(nèi)維持其值等于Idm不變，以后又下降到穩(wěn)態(tài)值IdL，轉(zhuǎn)速波形表現(xiàn)為先是緩慢地升速，最后經(jīng)調(diào)節(jié)達(dá)到n*=1000r/min。啟動(dòng)過(guò)程的第1階段是電流上升階段。突加給定電壓，ASR的輸入很大，其輸出很快達(dá)到限幅值，電流上升也很快，接近其峰值。第二階段，ASR飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，電流基本保持不變，拖動(dòng)系統(tǒng)恒加速，轉(zhuǎn)速線性增長(zhǎng)。第3階段，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差為0，但由于積分的作用，其輸出還是很大，所以出現(xiàn)超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)之后，ASR輸入端出現(xiàn)負(fù)偏差電壓，使它退出了飽和狀態(tài)，進(jìn)入了線性階段，使速度保持恒定，仿真結(jié)果基本上很好的反映出了這一點(diǎn)。忽略高次項(xiàng),Wcli(s)可降階近似為近似條件電流環(huán)在轉(zhuǎn)速環(huán)中應(yīng)等效為把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi),同時(shí)將給定信號(hào)改成U*n(s)/α,再把時(shí)間常數(shù)為1/KI和Ton的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái),近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為T(mén)Σn的慣性環(huán)節(jié),ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器其中,Kn—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);τn—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為按照典型Ⅱ型系統(tǒng)參數(shù)關(guān)系,因此選擇h=5。已知電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)為:PN=60kW,UN=220V,IN=308A,nN=1000r/min,電動(dòng)機(jī)系數(shù)Ce=0.196V.min/r,主回路總電阻R=0.18,觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大系數(shù)倍數(shù)ks=35,電磁時(shí)間常數(shù)T1=0.012s,機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.12s,電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)