交流调速控制系统 李华德 第2章 转速反馈控制的直流调速系统.ppt

第1篇,直流调速系统,电力拖动自动控制系统运动控制系统,直流电动机的稳态转速,式中n转速（r/min）;U电枢电压（V）；I电枢电流（A）；R电枢回路总电阻(）；励磁磁通（Wb）；Ke由电机结构决定的电动势常数。,调节直流电动机转速的方法,（1）调节电枢供电电压；（2）减弱励磁磁通；（3）改变电枢回路电阻。自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。,第2章,转速反馈控制的直流调速系统,电力拖动自动控制系统运动控制系统,内容提要,直流调速系统用的可控直流电源稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性转速反馈控制的直流调速系统直流调速系统的数字控制转速反馈控制直流调速系统的限流保护转速反馈控制直流调速系统的仿真,2.1直流调速系统用的可控直流电源,晶闸管整流器-电动机系统直流PWM变换器-电动机系统,2.1.1晶闸管整流器-电动机系统,图21晶闸管整流器-电动机调速系统（V-M系统）原理图,在理想情况下，Ud和Uc之间呈线性关系：（2-1）式中，Ud平均整流电压，Uc控制电压，Ks晶闸管整流器放大系数。,1触发脉冲相位控制,调节控制电压Uc，移动触发装置GT输出脉冲的相位，改变可控整流器VT输出瞬时电压ud的波形，以及输出平均电压Ud的数值。,(2-2),式中E电动机反电动势(V)；id整流电流瞬时值(A)；L主电路总电感(H)；R主电路总电阻(),；,图2-2V-M系统主电路的等效电路图,对于一般的全控整流电路，当电流波形连续时，可用下式表示,(2-3),式中，从自然换相点算起的触发脉冲控制角；Um=0时的整流电压波形峰值；m交流电源一周内的整流电压脉波数。,表2-1不同整流电路的整流电压波峰值、脉冲数及平均整流电压,2电流脉动及其波形的连续与断续,在整流变压器二次侧额定相电压u2的瞬时值大于反电动势E时，晶闸管才可能被触发导通。导通后如果u2降低到E以下，靠电感作用可以维持电流id继续流通。由于电压波形的脉动，造成了电流波形的脉动。,图2-3带负载单相全控桥式整流电路的输出电压和电流波形,在Id上升阶段，电感储能；在Id下降阶段，电感中的能量将释放出来维持电流连续。,图24V-M系统的电流波形(a)电流连续,图24V-M系统的电流波形（b）电流断续,当负载电流较小时，电感中的储能较少，等到Id下降到零时，造成电流波形断续。,抑制电流脉动的措施,（1）增加整流电路相数，或采用多重化技术；（2）设置电感量足够大的平波电抗器。,3晶闸管整流器-电动机系统的机械特性,当电流波形连续时，V-M系统的机械特性方程式为（2-7）式中，Ce电动机在额定磁通下的电动势系数,图2-5电流连续时V-M系统的机械特性,图26V-M系统机械特性,在电流连续区，显示出较硬的机械特性；,在电流断续区，机械特性很软，理想空载转速翘得很高。,当电流断续时，由于非线性因素，机械特性方程要复杂得多。电流断续区与电流连续区的分界线是的曲线，当时，电流便开始连续了。一个电流脉波的导通角。,4晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数,晶闸管触发电路和整流电路的特性是非线性的。在设计调速系统时，只能在一定的工作范围内近似地看成线性环节，得到了它的放大系数和传递函数后，用线性控制理论分析整个调速系统。,放大系数的计算,图2-7晶闸管触发与整流装置的输入输出特性和Ks的测定,（2-12）,晶闸管触发和整流装置的输入量是Uc，输出量是Ud，晶闸管触发和整流装置的放大系数Ks可由工作范围内的特性斜率决定。如果没有得到实测特性，也可根据装置的参数估算。,失控时间和纯滞后环节,滞后作用是由晶闸管整流装置的失控时间引起的。失控时间是个随机值。最大失控时间是两个相邻自然换相点之间的时间，它与交流电源频率和晶闸管整流器的类型有关。,图28晶闸管触发与整流装置的失控时间,最大失控时间,(2-13),平均失控时间,式中，f交流电源频率(Hz)，m一周内整流电压的脉波数。,表2-2晶闸管整流器的失控时间（f=50Hz）,晶闸管触发电路与整流装置的传递函数,滞后环节的输入为阶跃信号1(t)，输出要隔一定时间后才出现响应1(t-Ts)。输入输出关系为：,传递函数为,（214）,传递函数的近似处理,按泰勒级数展开，可得,依据工程近似处理的原则，可忽略高次项，把整流装置近似看作一阶惯性环节,（2-16）,图29晶闸管触发与整流装置动态结构图,准确的,近似的,5.晶闸管整流器运行中存在的问题,（1）晶闸管是单向导电的。（2）晶闸管对过电压、过电流和过高的du/dt与di/dt都十分敏感。（3）晶闸管的导通角变小时会使得系统的功率因数也随之减少，称之为“电力公害”。,2.1.2直流PWM变换器-电动机系统,全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式,形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系统。与V-M系统相比，PWM调速系统在很多方面有较大的优越性。直流PWM调速系统的应用日益广泛，特别在中、小容量的高动态性能系统中，已经完全取代了V-M系统。,1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形,脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电动机转速。PWM变换器电路有多种形式，总体上可分为不可逆与可逆两大类。,图2-10简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统,电路原理图,图2-10简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统,电压和电流波形,在一个开关周期T内，当时，Ug为正，VT饱和导通，电源电压Us通过VT加到直流电动机电枢两端。当时，Ug为负，VT关断，电枢电路中的电流通过续流二极管VD续流，直流电动机电枢电压近似等于零。,直流电动机电枢两端的平均电压为（2-17）改变占空比，即可实现直流电动机的调压调速。令为PWM电压系数，则在不可逆PWM变换器中（2-18）,不可逆PWM变换器-直流电动机系统不允许电流反向，续流二极管VD的作用只是为id提供一个续流的通道。如果要实现电动机的制动，必须为其提供反向电流通道。,图2-11有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统,电路原理图,图2-11有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统,一般电动状态的电压、电流波形,一般电动状态,在一般电动状态中，id始终为正值（其正方向示于图2-11(a)中）。在0tton期间，VT1导通，VT2关断。电流id沿图中的回路1流通。在tontT期间，VT1关断，id沿回路2经二极管VD2续流。VT1和VD2交替导通，VT2和VD1始终关断。,图2-11有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统,的正脉冲比负脉冲窄，,始终为负。,制动状态的电压、电流波形,制动状态,在tontT期间，Vg2为正，VT2导通，在感应电动势E的作用下，反向电流沿回路3能耗制动。在TtT+ton（即下一周期的0t2fmax采样频率进行采样，取出的样品序列就可以代表（或恢复）模拟信号。在电动机调速系统中，控制对象是电动机的转速和电流，是快速变化的物理量，必须具有较高的采样频率。微型计算机控制的直流调速系统是一种快速数字采样系统，要求微型计算机在较短的采样周期之内，完成信号的转换、采集，完成按某种控制规律实施的控制运算，完成控制信号的输出。,2.4.2转速检测的数字化,图2-33增量式旋转编码器示意图,1旋转编码器,光电式旋转编码器是检测转速或转角的元件，旋转编码器与电动机相连，当电动机转动时，带动编码器旋转，产生转速或转角信号。旋转编码器可分为绝对式和增量式两种。绝对式编码器常用于检测转角。增量式编码器在码盘上均匀地刻制一定数量的光栅，在接收装置的输出端便得到频率与转速成正比的方波脉冲序列，从而可以计算转速。,增加一对发光与接收装置，使两对发光与接收装置错开光栅节距的1/4。正转时A相超前B相；反转时B相超前A相。采用简单的鉴相电路可以分辨出转向。,图2-34区分旋转方向的A、B两组脉冲序列,2数字测速方法的精度指标,（1）分辨率用改变一个计数值所对应的转速变化量来表示分辨率，用符号Q表示。当被测转速由n1变为n2时，引起记数值增量为1，则该测速方法的分辨率是（2-75）分辨率Q越小，说明测速装置对转速变化的检测越敏感，从而测速的精度也越高。,（2）测速误差率转速实际值和测量值之差与实际值之比定义为测速误差率，记作（2-76）测速误差率反映了测速方法的准确性，越小，准确度越高。,3M法测速,记取一个采样周期内旋转编码器发出的脉冲个数来算出转速的方法称为M法测速，又称频率法测速。(2-77)式中:n转速，单位为r/min；M1时间Tc内的脉冲个数；z旋转编码器每转输出的脉冲个数;Tc采样周期，单位为s。,由系统的定时器按采样周期的时间定期地发出一个采样脉冲信号，计数器记录下在两个采样脉冲信号之间的旋转编码器的脉冲个数。,图235M法测速原理示意图,M法测速分辨率为（2-78）M法测速的分辨率与实际转速的大小无关。M法的测速误差率的最大值为（2-79）max与M1成反比。转速愈低，M1愈小，误差率愈大。,4T法测速,T法测速是测出旋转编码器两个输出脉冲之间的间隔时间来计算转速，又被称为周期法测速。与M法测速不同的是，T法测速所计的是计算机发出的高频时钟脉冲的个数，以旋转编码器输出的相邻两个脉冲的同样变化沿作为计数器的起始点和终止点。,图2-36T法测速原理示意图,准确的测速时间是用所得的高频时钟脉冲个数M2计算出来的，即，电动机转速为（2-80）,T法测速的分辨率定义为时钟脉冲个数由M2变成(M2-1)时转速的变化量，（2-81）综合式（2-80）和式（2-81），可得(2-82)T法测速的分辨率与转速高低有关，转速越低，Q值越小，分辨能力越强。,T法测速误差率的最大值为（2-83）低速时，编码器相邻脉冲间隔时间长，测得的高频时钟脉冲M2个数多，误差率小，测速精度高。T法测速更适用于低速段。,5M/T法测速,在M法测速中，随着电动机的转速的降低，计数值减少，测速装置的分辨能力变差，测速误差增大。T法测速正好相反，随着电动机转速的增加，计数值减小，测速装置的分辨能力越来越差。综合这两种测速方法的特点，产生了M/T测速法，它无论在高速还是在低速时都具有较高的分辨能力和检测精度。,图2-37M/T法测速原理示意图,关键是和计数同步开始和关闭，实际的检测时间与旋转编码器的输出脉冲一致，能有效减小测速误差。采样时钟Tc由系统的定时器产生，其数值始终不变。检测周期由采样脉冲Tc的边沿之后的第一个脉冲编码器的输出脉冲的边沿来决定，即T=TcT1+T2。,检测周期T内被测转轴的转角为(2-84)旋转编码器每转发出Z个脉冲，在检测周期T内旋转编码器发出的脉冲数是M1，则(2-85)若时钟脉冲频率是f0，在检测周期T内时钟脉冲计数值为M2，则(2-86)综合式(2-74)、式(2-75)和式(2-76)便可求出被测的转速为：(2-87),在高速段，TcT1，TcT2，可看成TTc：(2-88)M2f0Tf0Tc，代入式（2-78)可得：(2-89)在高速段，与M法测速的分辨率完全相同。在低速段，M11，M2随转速变化，分辨率与T法测速完全相同。M/T法测速无论是在高速还是在低速都有较强的分辨能力。,在M/T法测速中，检测时间是以脉冲编码器的输出脉冲的边沿为基准，计数值M2最多产生一个时钟脉冲的误差。M2的数值在中、高速时，基本上是一个常数M2Tf0Tcf0，其测速误差率为，在低速时，M2Tf0Tcf0，M/T法测速具有较高的测量精度。,2.4.3数字PI调节器,PI调节器的传递函数列出如下：（2-56）输出函数和输入误差函数关系的时域表达式为（2-90）式中Kp为比例系数，KI为积分系数。转换为差分方程，其第k拍输出为（2-91）式中Tsam为采样周期。,数字PI调节器有位置式和增量式两种算法，位置式算法中，u(k)为第k拍的输出值。比例部分只与当前的偏差有关，积分部分则是系统过去所有偏差的累积。增量式算法只需要当前的和上一拍的偏差即可计算输出值。,（2-93）,（2-94）,在数字控制算法中，要对u限幅，须在程序内设置限幅值um，当|u(k)|um时，便以限幅值um作为输出。增量式PI调节器算法只需输出限幅，位置式算法必须同时设积分限幅和输出限幅，缺一不可。若没有积分限幅，积分项可能很大，将产生较大的退饱和超调。,2.5转速反馈控制直流调速系统的限流保护,2.5.1转速反馈控制直流调速系统的过流问题在转速反馈控制直流调速系统上突加给定电压时，电枢电压立即达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，会造成电动机过流。当直流电动机被堵转时，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器来保护，过载时就跳闸。,系统中必须有自动限制电枢电流的环节。引入电流负反馈，可以使它不超过允许值。但这种作用只应在起动和堵转时存在，在正常的稳速运行时又得取消。当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈，叫做电流截止负反馈。,2.5.2带电流截止负反馈环节的直流调速系统,图2-38电流截止负反馈环节（a）利用独立直流电源作比较电压（b）利用稳压管产生比较电压,1电流截止负反馈环节,电流反馈信号取自串入电动机电枢回路中的小阻值电阻Rs，IdRc正比于电流。图2-38(a)中用独立的直流电源作为比较电压Ucom，其大小可用电位器调节，在IdRc与Ucom之间串接一个二极管VD，当IdRcUcom时，二极管导通，电流负反馈信号Ui即可加到放大器上去；当IdRcUcom时，二极管截止，Ui消失。图2-38(b)中利用稳压管VST的击穿电压Ubr作为比较电压Ucom。截止电流Idcr=Ucom/Rs,当输入信号IdRc-Ucom0时，输出Ui=IdRc-Ucom，当IdRc-Ucom0时，输出Ui=0。,图2-39电流截止负反馈环节的输入输出特性,图2-40带电流截止负反馈的闭环直流调速系统稳态结构框图,2带电流截止负反馈比例控制闭环直流调速系统的稳态结构框图和静特性,当IdIdcr时，电流负反馈被截止，静特性与只有转速负反馈调速系统的静特性相同，（2-32）当IdIdcr后，引入了电流负反馈，静特性变成（2-95）,图2-41带电流截止负反馈比例控制闭环直流调速系统的静特性,CA段:电流负反馈被截止AB段:电流负反馈起作用,电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻。比较电压与给定电压的作用一致，好象把理想空载转速提高到,（2-96）,令n=0，得到堵转电流Iabl，（2-97）一般KpKsRsR，因此（2-98）Iabl应小于电动机允许的最大电流，一般为Iabl=（1.52）IN截止电流应大于电动机的额定电流，取Idcr=（1.11.2）IN,3带电流截止的无静差直流调速系统,图2-42无静差直流调速系统,TA为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号Ui。当电流达到截止电流Idcr时，Ui高于稳压管VS的击穿电压，使晶体三极管VBT导通，忽略晶体三极管VBT导通压降，则PI调节器的输出电压Uc为零，电力电子变换器UPE的输出电压Ud=0，达到限制电流的目的。,图2-43无静差直流调速系统稳态结构框图（IdIdcr）,转速反馈系数(2-99)式中nmax电动机调压时的最高转速；U*nmax相应的最高给定电压。,图2-44带电流截止的无静差直流调速系统的静特性,2.6转速反馈控制直流调速系统的仿真,MATLAB下的SIMULINK软件进行系统仿真是十分简单和直观的，用户可以用图形化的方法直接建立起仿真系统的模型，并通过SIMULINK环境中的菜单直接启动系统的仿真过程，同时将结果在示波器上显示出来，,2.6.1转速负反馈闭环调速系统仿真框图及参数,直流电动机：额定电压，额定电流,额定转速，电动机电势系数晶闸管整流装置输出电流可逆，装置的放大系数，滞后时间常数，电枢回路总电阻，电枢回路电磁时间常数，电力拖动系统机电时间常数，转速反馈系数，对应额定转速时的给定电压。,图2-45比例积分控制的直流调速系统的仿真框图,2.3.2仿真模型的建立,图2-46SIMULINK模块浏览器窗口,进入MATLAB，单击MATLAB命令窗口工具栏中的SIMULINK图标，或直接键入SIMULINK命令，打开SIMULINK模块浏览器窗口，,(1)打开模型编辑窗口：通过单击SIMULINK工具栏中新模型的图标或选择FileNewModel菜单项实现。(2)复制相关模块：双击所需子模块库图标，则可打开它，以鼠标左键选中所需的子模块，拖入模型编辑窗口。在本例中拖入模型编辑窗口的为：Source组中的Step模块；MathOperations组中的Sum模块和Gain模块；Continuous组中的TransferFcn模块和Integrator模块；Sinks组中的Scope模块；,图2-47模型编辑窗口,(3)修改模块参数：双击模块图案，则出现关于该图案的对话框，通过修改对话框内容来设定模块的参数。,图2-48加法器模块对话框,描述加法器三路输入的符号，|表示该路没有信号，用|+-取代原来的符号。得到减法器。,图2-49传递函数模块对话框,例如，0.002s+1是用向量0.0021来表示的。,分子多项式系数,分母多项式系数,图2-50阶跃输入模块对话框,阶跃时刻，可改到0。,阶跃值，可改到10。,图2-51增益模块对话框,填写所需要的放大系数,图2-52Integrator模块