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 sTKsWsss1)(sTKsUsUsWse)()()(sc0ds 整个直流电动机的动态的结构图上图可以看出，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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、 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，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

9、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

10、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

11、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。 nijrmjjsTssKsW1111) 1()(TssKsW) 1() 1()(2TsssKsW转速-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

12、=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:ssKsW) 1()(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 =0.01soiTonTonT参数设计 2.选择电流调节器结构 要求电流超调小于2.