双闭环直流调速系统.doc

摘要：在现代科学的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。所谓自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控量）自动地按照预定的规律运行。例如，数控机床按照预定程序自动地切削工件；化学反应炉的温度或压力自动地维持恒定；雷达和计算机组成的导弹发射和制导系统，自动地将导弹引导到敌方目标；无人驾驶飞机按照预定航迹自动升降和飞行；人造卫星准确地进入预定轨道运行并回收等。这一切都是以应用高水平的自动控制技术为前提的。近几十年来，随着电子计算机技术的发展和应用，在宇宙航行、机器人控制、导弹制导以及核动力等高新技术领域中，自动控制技术更具有特别重要的作用。不仅如此，自动控制技术的应用范围现已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域中，自动控制已成为现代社会生活中不可缺少的重要组成部分。许多生产机械，由于加工和运行的要求，使电动机经常处于起动、制动、反转的过渡过程中，因此起动和制动过程的时间在很大程度上决定了生产机械的生产效率。为缩短这一部分时间，仅采用PI调节器的转速负反馈单闭环调速系统，其性能还不很令人满意。双闭环直流调速系统是由电流和转速两个调节器进行综合调节，可获得良好的静、动态性能（两个调节器均采用PI调节器），由于调整系统的主要参量为转速，故将转速环作为主环放在外面，电流环作为副环放在里面，这样可以抑制电网电压扰动对转速的影响。在双闭环调速系统中，电动机、晶闸管整流装置、触发装置都可按负载的工艺要求来选择和设计。根据生产机械和工艺的要求提出系统的稳态和动态性能指标，而系统的固有部分往往不能满足性能指标要求，所以需要设计合适的校正环节来达到。自动控制原理中，为了区分系统的稳态精度，按照系统中所含积分环节的个数，把系统分为0型、I型、II型系统 。系统型别越高，系统的准确度越高，但相对稳定性变差。0型系统的稳态精度最低，而III型及III型以上的系统则不易稳定，实际上极少应用。因此，为了保证一定的稳态精度和相对稳定性，通常在I型和II型系统中各选一种作为典型，称为典型I型和II型系统，作为工程设计方法的基础。一.设计控制系统的思想概述任何一个理论都是为现实生活服务的，任何一条理论都是用来知道实践的。一个控制系统提出，是一个理论与实践相结合的过程，要通过实践来指导理论，理论才趋于。控制系统的初步实际是指通过调查、研究、分析设计任务，根据对系统提出的工业工程性能指标要求初步设计方案。在初步思路确定之后根据系统的原理选择系统的主要参数。晶闸管直流传动70年代前后在我国得到大力的推广和应用，经过30多年的发展历史，还停留在分立器件的基础上，体积大，接线复杂，使用极不方便而且价格昂贵。而双闭环直流调速模块，本着集成和使用方便的原则将直流调速系统模块化。先进的工艺流程和高性能的电路设计大大提高了模块的使用寿命和可靠性，而且性价比很高，为直流调速领域增添了新的活力。 控制电路晶由闸管、移相控制电路、转速电流双闭环调速电路、积分电路、电流反馈电路、以及缺相和过流保护电路，其方框图见图1-1。1功率晶闸管完成变流及功率调整。2积分环节可实现直流电机软起动，并且起动时间可调，设计时给用户预留两个端口，其连接如图1-6，调节两个电位器，可改变积分时间长短，从而达到改变电机起动时间的目的。积分环节适用于起动过渡过程平稳的场合，如高炉卷扬机、矿井提升机、冷热连轧机等。当输入为阶跃信号时，通过给定积分器变换成有一定斜率的线性渐变输出信号，作为速度调节器的给定输入，给定积分器的稳定输出即为电机的速度给定，给定积分器输出的变化斜率即为电机的加速度，其启动电流波形图见图1-2。如果用户要求在负载一定的条件下，电机以最大的等加速度起动，可把积分环节去掉，模块留出两个端口作为电流环和速度环的输出限幅(如图1-6)，调节电流环的输出限幅，改变电机的最大起动电流，获得理想的过渡过程。其起动电流波形图见图1-33 转速电流双闭环电路 速度调节及抗负载和电网扰动，采用双PI调节器，可获得良好的动静态效果。设计过程采用“二阶最佳”参数设计法设计，结合系统动静态效果选择最佳参数。从抑制超调的观点出发，电流环校正成典型I型系统。为使系统在阶跃扰动时无稳态误差，并具有较好的抗扰性能，速度环设计成典型II型系统。内外环对数幅频特性的比较，图1-4画出了电流环和转速环的开环对数幅频特性。从上图可以看出，图中转折频率和截止频率点一个比一个小，这是一个必然的规律。这样设计的双环系统，外环总比内环慢。一般来说，调整过程一般是先外环后内环，电流环要想提高系统的动态效果，可增大电流环阻容端的电阻，但要减小电容，其关系是C1*0.03/R1。速度环要想提高动态效果，从典型II型系统的各项指标中得出，它的动态效果是一个中间的参数，需要反复调试，增大电阻R2可提高系统的稳态精度，相应的减小电阻可获得良好的动态效果，具体情况可根据用户的系统参数要求调节，其关系是C2 0.87/R2(电流超调量5)，模块设计过程留出四个端口(其联接如图1-6)，作为速度环和电流环的阻容端，用户可根据实际情况调节。4电流反馈 主要完成电流信号的取样，具有极高的线性度，简化了系统的外围器件。5保护电路 设置过流和缺相保护电路，保证了电机的安全运行，而且留出一个端口作为过流保护给定信号输入，用户可以根据自己设备的过载能力调节，更加突出了灵活性。图 1-1图 1-2二.双闭环直流调速系统（一）原理启动时，加入给定电压Ug，“速度调节器”和“电流调节器”即以饱和限幅值输出，使电动机以限定的最大启动电流加速启动，直到电机转速达到给定转速(即Ug =Ufn)，并在出现超调后，“速度调节器”和“电流调节器”退出饱和，最后稳定在略低于给定转速值下运行。系统工作时，要先给电动机加励磁，改变给定电压Ug的大小即可方便地改变电动机的转速。“电流调节器”、“速度调节器”均设有限幅环节，“速度调节器”的输出作为“电流调节器”的给定，利用“速度调节器”的输出限幅可达到限制启动电流的目的。“电流调节器”的输出作为“触发电路”的控制电压Uct，利用“电流调节器”的输出限幅可达到限制max的目的。图2-1 双闭环直流调速系统原理框图（二）双闭环调速系统调试原则1先单元、后系统，即先将单元的参数调好，然后才能组成系统。2先开环、后闭环，即先使系统运行在开环状态，然后在确定电流和转速均为负反馈后，才可组成闭环系统。 3先内环，后外环，即先调试电流内环，然后调试转速外环。4先调整稳态精度，后调整动态指标。三双闭环调速系统及其静特性 转速单闭环系统不能随意控制电流和转矩的动态过程。采用电流截止负反馈环节只能限制电流的冲击，并不能很好地控制电流的动态波形。（一）起动过程带电流截止负反馈的单闭环调速系统tIdOIdmIdcrnIdLtIdO理想的快速起动过程（二）希望能实现的控制：1在起动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈。 2达到稳态后，只要转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用。 转速、电流双闭环直流调速系统当ASR饱和时，相当于电流单闭环系统,实现“只有电流负反馈，没有转速负反馈当ASR不饱和时，ASR成为主导的调节器，转速负反馈起主要作用。（三）稳态结构框图a转速反馈系数 b 电流反馈系数四系统设计及数学模型的建立图4-6（一）系统的动态结构框图如图4-6所示。 设直流电动机的规格如下：PN=2.2KW，IN=12.5A，nN=1500r/min，Ra=1.36，La=22mH。变流装置采用三相桥式整流电路，晶闸管触发整流装置放大倍数Ktr=40，整流装置内阻Rr=3.24，平均延迟时间D=0.00167s。平波电抗器电阻Rs=0.4，电感Ls=100m。折算到直流电动机轴的飞轮力矩惯量GD2=2.37Nm2给定电压Usn、速度调节器限幅电压Usim、电流调节器限幅电压Ucm，一般取810V。此例中取Usn=Usim=Ucm=8V。（二）系统固有部分的主要参数计算1电动机的电磁时间常数2电动机的电动势常量3电动机的转矩常量 4转速惯量（三）预先选定的参数1调节器输入回路电阻R0为简化起见，调节器的输入电阻一般均取相同数值，通常选用1060K，本实例取 R0=(10 K+10 K) =20K2电流反馈系数设最大允许电流Idm=1.5IdN，有Idm=1.512.5=18.75A3速度反馈系数4电流滤波时间常数Tfi及转速滤波时间常数Tfn由于电流检测信号和转速检测信号中含有谐波分量，而这些谐波分量会使系统产生振荡。所以需加反馈滤波环节。滤波环节可以抑制反馈信号中的谐波分量，但同时也给反馈信号带来惯性的影响，为了平衡这一惯性的影响，在调节器给定输入端也加入一个同样参数的给定滤波环节。电流滤波时间常数Tfi一般取13ms，转速滤波时间常数Tfn一般取520ms。对滤波时间常数，若取得过小，则滤不掉信号中的谐波，影响系统的稳定性。但若取得过大，将会使过渡过程增加，降低系统的快速性。本设计中取 Tfi=2ms=0.002s Tfn=10ms=0.01s五调节器的设计工程设计方法的基本思路 设计工作分两步走：1.选择调节器的结构，使系统典型化，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。2.再选择调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。调节器结构的选择:选择调节器，将控制对象校正成为典型系统。系统校正控制对象 调节器 输入输出典型系统 输入输出典型I型系统：T 系统的惯性时间常数； K 系统的开环增益。选择参数使系统足够稳定。 典型型系统： 保证系统足够稳定（一）电流调节器的设计电流环框图的建立及化简电流环框图如图5-1a所示，由于转速对给定信号的响应时间较电流对给定信号的响应时间长得多（几几十倍），因此在计算电流的动态响应时，可以把电动机的转速看成恒量。而恒量对动态分量是不起作用的，因此，为简化起见，可把反电势略去。将非单位负反馈变换成单位负反馈系统。如图5-1b所示。由于Tfi（0.002）和D（0.00167）较Ta（0.0244）小得多，所以可把前两者构成的小惯性环节合并。Ti=0.002+0.00167=0.00367s1确定系统的类型图5-1 a)b)对电流环，可以校正成典I系统，也可以校正成典II系统应根据生产机械的要求而定，一般对抗扰性能要求不是特别严格时均采用典I系统设计即可。现将电流环校正成典I系统。2.电流调节器的选择显然，欲校正成典I系统，电流调节器应选用PI调节器。其传递函数为而3.电流调节器参数的选取按二阶最佳系统设计，取Ti=Ta=0.0244s得Ki=0.973设取调节器的输入电阻R0=60 K，则Ri=KiR0=0.97360=58.4 K取Ri=60 K取Ci=0.47F取C0i=0.15F(二) 速度调节器的设计1速度环框图的建立及化简电流环等效闭环传递函数的求取速度环框图如图5-2a所示，将非单位负反馈变换成单位负反馈系统。同理，可把两个小惯性环节合并。如图5-2b所示。速度调节器的设计（1）确定系统的类型对速度环，可以校正成典I系统，也可以校正成典II系统，应根据生产机械的要求而定，大多数调速系统的速度环都按典II系统进行设计。现将速度环校正成典II系统。（2）速度调节器的选择显然，欲校正成典II系统，速度调节器应选用PI调节器。其传递函数为图5-2 a)b)而 （3）速度调节器参数的选取按三阶最佳系统设计，取Tn=4Tn=40.01734=0.06936s得Kn=11.25设取调节器的输入电阻R0=60 K，则Rn=KnR0=11.2560=675 K取Rn=680 K取Ci=0.1F取Con=0.66F（两个0.33F并联）至此，双闭环直流调速系统的理论设计初步完成，但还需实际调试和修正。转速和电流两个调节器的作用: （三）转速调节器的作用1转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。 2对负载变化起抗扰作用。 3输出限幅值决定电机允许的最大电流。（四）电流调节器的作用1作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随外环调节器的输出量变化。2对电网电压波动起及时抗扰作用。3在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。4当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。六控制系统的动态性能指标（一）跟随性能指标（二）抗扰性能指标调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标则以跟随性能为主。系统典型的阶跃响应曲线%5(或%2)%0 Otrts阶跃响应跟随性能指标tr 上升时间 s 超调量 ts 调节时间突加扰动的动态过程和抗扰性能指标结论：为了保证控制系统有一定的稳态精度和相对稳定性，通常在I型和II型系统中各选一种，称为典型I型和II型系统，作为工程设计方法的基础。典型I型系统的特点是超调量小，但抗扰性能较差；典型II型系统抗扰性能好，但跟随性较差。自动控制系统中其固有传递函数形式多不符合典型系统的要求，故一般先对系统结构作近似处理，然后再设法用各种调节器来校正，使校正后的系统传递函数成为典型I型或II型系统的基本形式。1双闭环调速系统工程设计的一般步骤是：2先进行电流内环的设计，再进行速度外环的设计。对已知系统的固有部分做合理的近似处理，以简化调节器的结构。