双闭环H桥可逆直流脉宽调速系统设计与分析

1、 小组成员 组长：侯培卓 张超 组员：苏晓 陈云 毕兰东 王黎杰 梁家玮 顾海旺 研究思路 1.掌握直流电机传动的工作原理与应用； 2.设计数字控制双闭环 h 桥可逆直流脉宽调速系统。 3.建立数学模型，计算其参数； 4.进行数字仿真，验证其设计； h桥 额定励磁下的直流电动机的动态数学模型 电力电子器件的传递函数：构成系统的主要环节是电力电子变换器和直流电 动机。 电力电子变换器的传递函数 近似成一阶惯性环节为： 他励直流电动机在额定励磁下的等效电路 st k sw s s s 1 )( st k su su sw s e )( )( )( s c 0d s 整个直流电动机的动态的结构图 上

2、图可以看出，直流电动机有两个输入量，一个是施加在电枢上 的理想空载电压，另一个是负载电流。前者是控制输入量，后者是扰 动输入量1。 电流、转速双闭环直流调速系统分析 开环调速系统开环调速系统 每一台需要调速的设备，其生产对调速系统性能都有一定的要求。共 的来讲，对调速系统的转速控制的要求有以下几个方面：（1）调速:在 规定的最高和最低转速之间，有级或者无级的调速；（2）稳速：在要求 的转速上以一定的精度稳定的运行，即使有干扰也不允许有很大的波动， 以此来保证产品的质量；（3）加速与减速：设备需要经常起、制动时就 要求快速的加、减速，从而来提高生产率；但对于对速度变化要求苛刻 的机械系统则需要尽

3、量平稳起、制动 。 开环调速系统以及其存在的问题：调节控制电压改变电动机的转速。 如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高时，开环调速系统可实 现一定范围内的无级调速，但是，很多需要调速的生产机械常常都对静 差率有一定的要求，即在负载扰动等情况下能保证静差率在所要求的范 围内。在诸如此类的情况下，开环调速系统往往不能满足设计要求. 转速单闭环调速系统 根据自动控制原理，反馈控制闭环系统是按被调量的偏 差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产 生纠正偏差的作用。 调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然， 引入转速闭环将使调速系统能减少转速降落。 图5-1 采用转速负反馈的闭

4、环调速系统 调速原理 在有反馈的闭环直流调速系统里，安装测速发电机 tg与电动机同轴 运转，这时可以引出负反馈电压，它被调量转速成正比。和给定电压 比较后，就得出转速偏差电压un，在经过放大器 a的放大作用，最 总控制电力电子变换器upe的电压得以产生，用它来控制电动机转速n。 图5-2 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图 图5-4 闭环调速系统的给定作用和扰动作用 各种扰动作用都在稳态结构框图上表示出来了，所有这些因素 最终都要影响到转速。 抗扰能力：反馈控制系统对被反馈环包围的前向通道上的扰动都 有抑制功能。 转速单闭环调速系统 限流保护 问题的提出： 直流电动机全电压起动时，如果没有限

5、流措施，会产生很大的冲击电 流，这不仅对电机换向不利，对过载能力低的电力电子器件来说，更是不能 允许的。要解决反馈闭环调速系统的起动和堵转电流过大的问题，系统中就 要有自动限制电枢电流的部分。 因此引入电流负反馈，来保持电流的基本不变，使它不超过允许值。 考虑到限流作用只需在起动和堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随 着负载增减。如果采用某种方法，当电流大到一定程度时才接入电流负反馈 以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速，这种方法叫做 电流截止负反馈，简称截流反馈1。 系统稳态结构如下图所示: 带电流截止负反馈的闭环直流调速系统稳态结构框图 电流转速双闭环直流调速系统 在部

6、分情况下。单闭环直流调速系统可以实现转速无 静差。可是，如果当系统的动态性能要求较高时，单闭环 就往往不能满足设计要求，而在实际设计中，转速、电流 双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能较好的直流调 速系统2。 调速原理双闭环系统理论基础 在单闭环直流调速系统中，电流是由电流截止负反馈环节专门控制的，可是它 却仅仅在超过临界电流值后，在靠强烈的负反馈限制电流的冲击作用，因此它不能很 好地去控制电流的动态波形1。 a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统 b) 理想的快速起动过程 图5-7直流调速系统起动过程的电流和转速波形 按照图5-7进行性能比较： 如图5-7a所示是带电流截止负反馈的单闭环直

7、流调速系统起动过程，当它的起动 电流超过最大值后，这时电流负反馈起作用，电流也降低下来，电机的电磁转矩同时 跟着减小，进而电机的加速时间延长。 如图5-7b所示是理想的起动过程波形，这个时候起动电流呈方形波，转速依照线 性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动方式1。 解决思路：为了实现最快起动，最主要是有使电流始终保持最大值的一段时间。按照 反馈控制规律，采用电流负反馈可能得到近似恒流的过程。可是我们又希望有这样的 过程：在起动的时候，系统没有转速负反馈仅仅有电流负反馈但到了稳态的时候，又 没有电流负反馈仅仅有转速负反馈。为了使这两种负反馈分别起作用，我们在系统中

8、设置了两个调节器，即分别是转速负反馈和电流负反馈。二者实行串联如下图5-8所示。 图5-8转速电流双闭环直流调速系统结构 tg测速发电机 ta电流互感器 upe电力电子变换器 asr转速调节器 acr电流调节器 上图中，电流调节器的输入是转速调节器的输出，电力电 子变换器upe的控制又是又电流调节器的输出决定的。从 结构上看，里面是电流环，称为内环；外面是转速环，称 为外环。这就是转速、电流双闭环调速系统。 稳态结构图和动态结构图 双闭环调速系统的起动过程有以下三个特点： （1）饱和非线形控制：随着asr的饱和与不饱和，整个系统处 于完全不同的两种状态，在不同情况下表现为不同结构的线形系统，

9、只能采用分段线形化的方法来分析，不能简单的用线形控制理论来笼 统的设计这样的控制系统。 （2）转速超调：当asr采用pi调节器时，转速一定会超调。一 般是容许转速略有超调的，对于完全不能有超调的，应用其他控制方 法控制。 （3）准时间最优控制：对于电力拖动系统，在电动机允许过 载能力下的恒流起动，即为时间最优控制。虽然实际起动过程与理想 启动过程相比还有一些差距，但无伤大局，可称作“准时间最优控 制” 。 抗扰性能分析 双闭环调速系统一般具有还不错的动态性能。其中抗扰性能对 于调速系统动态性能来说是最重要的，它主要包括抗电网电压扰动和 抗负载扰动。 转速和电流两个调节器的作用 双闭环直流调速系

10、统中asr和acr的作用归纳如下： （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。电流调节器作为内环的调节器，在外环转速的调节过 程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压变化而改变。 （2）acr对于像电网电压这类的波动起到及时的抵抗的作用， asr对负载变化起抗扰作用。 （3）电机允许的最大电流是由加在asr后的输出限幅值决定的。 动态过程的加快是由于acr在转速动态过程中使电机电流维持在所能 允许的最大值。当电机过载时甚至堵转的时候，由于电枢电流的最大 值被限制了，所以系统能够自动的快速保护而当故障消

11、失以后，系统 则会马上自动恢复正常状态。这是系统能安全可靠运行的一个很重要 的优点1。 型系统与型系统的性能比较 控制系统的开环传递函数可以用如下表示： 根据积分环节个数的不同,可以将系统称为0型、型、 型系统。理论证明稳态时的0型系统是有差的,但型及 以上的系统比较难稳定下来。因此,通常我们多用型、 型系统,其典型开环传递函数为下式 典型型系统在动态跟随性能上可做到超调小,但抗 扰性能差;而典型型系统的超调量相对要大一些,抗扰性 能却比较好。 n i j r m j j sts sk sw 1 1 1 1 ) 1( )( tss k sw ) 1( ) 1( )( 2 tss sk sw 转

12、速-电流调节器结构的确定 在转速、电流双闭环调速系统中,电流环的主要作用是使电枢电流 在动态过程中不超过允许值,即设计电流环的目的是抑制超调,因此电 流环多设计为型系统。对于转速环, 最根本的要求是稳态无静差,所 以将其设计为型系统。在双闭环调速系统中,ts和toi一般都比tl小很 多,所以将其约为一个惯性环节,取ti=ts+toi。这样,经过这样的近似处 理后,电流环的控制对象是一个双惯性环节,要将其设计成典型型系 统,同理，转速环的被控对象形如上式,应设计成型系统,因此转速调 节器也设计成为pi型调节器,如下式所示: s s ksw ) 1( )( 转速电流双闭环直流调速系统结构 tg测速

13、发电机 ta电流互感器 upe电力电子变换器 asr转速调节器 acr电流调节器 双闭环调速系统的动态结构图 本次设计采用双闭环直流调速系统，整流装置采用三 相桥式电路，基本数据如下： 直流电动机：54v，3.25a，1450r/min， 电枢回路总电阻r=4，l=2mh； ce=0.03388v.min/r 时间常数tm=0.029s，tl=0.0004s。 电力电子变换器的放大系数ks=16.36 =0.008276 超调量 电流小于2.5% 转速小于10% 参数设计 1.确定时间常数 （1）晶闸管触发与整流失控时间分析 （4）电流滤波时间常数 认为是0 （5）转速滤波时间常数 根据所用测速发电机纹波情况，取 =0.01s oi t on t on t 参数设计 2.选择电流调节器结构 要求电流超调小于2.5%，因此可以使用pi型调节器 3.计算电流调节