双闭环调速系统的工程设计方法研究

双闭环调速系统的工程设计方法研究

双环形线性驱动器是目前线性驱动器系统中的主流设备。它具有调幅宽、稳定、稳定速度快等优点。广泛应用于冶金、木材、印刷、电缆、兄弟情谊、采矿等行业。它在推动行业中发挥着极其重要的作用。在转速、电流双闭环调速系统的设计中,用经典的动态校正方法设计调节器需要同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能的要求,设计时需多次试凑。这就要求设计者具有丰富的实际经验和熟练的设计技巧,不易为初学者所掌握,也不便于工程应用。所以有必要发展简便实用而又具有一定准确性的工程设计方法。随着电子技术的发展,为了提高系统的性能(如调速范围、稳速精度等),人们已用大功率可关断器件GTR、MOSFET、IGBT等取代由晶闸管作为功率控制器件组成的调速系统,出现了大功率脉宽调制调速系统、单片机控制的IGBT传动系统等。由于这些系统(除电动机外)都是由惯性较小的器件以及集成电路调节器等组成,经过合理的简化处理后,整个系统一般都可以用低阶系统来近似,这样就可以用工程设计方法来设计了。但是,在工程设计方法的推导过程中,为了简化计算,做了许多合理的简化处理,而这些简化处理必须在一定的条件下才能成立。现在人们对于工程设计方法还只是停留在利用现成的公式和图表来进行参数计算上,而对工程设计过程中的简化处理给系统带来的影响则没有深入的理解和研究。为了进一步完善工程设计方法设计出真正的最佳系统有必要对工程设计方法的推导过程进行仿真分析,以验证按工程设计方法设计的系统能否达到要求的性能指标,从而找出推导过程中被忽略的细节部分对系统的影响,这些影响是我们在应用工程设计方法时应该注意的,从而减小工程设计与实际之间的差距。1仿真实验和结果分析先用工程设计方法设计任意一个双闭环直流调速系统,设计时先从电流环入手,首先设计好电流调节器,然后把电流环看作是转速调节系统中的一个环节,再设计出转速调节系统。并对这个系统进行仿真实验,来进行比较分析,目的是验证一下按工程设计方法设计出的系统是否能够达到要求的性能指标。如果没有达到,则比较理论上计算的性能指标和仿真实验的结果,以找出它们之间的差距和产生差距的原因。设计举例如下:某可控硅供电的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:Ued=220V,Ied=136A,ned=1460r/min,可控硅装置放大倍数:KS=40。电枢回路总电阻:R=0.5Ω。时间常数:Tl=0.03s,Tm=0.18s。电流反馈系统:U=0.05V/A(≈10V/1.5Ied)。转速反馈系统:T=0.007V/r/(min)(≈10V/ned)。反馈滤波时间常数:Toi=0.002s,Ton=0.01s设计要求如下:稳态指标:无静差。动态指标:电流超调量ei%≤5%,起动到额定转速时的转速超调σn%≤10%。1.1电流形成单元三相桥式可控硅整流装置的滞后时间常数:TS=0.0017s电流环的小时间常数:T∑i=TS+Toi=0.0017+0.002=0.0037s根据设计要求:ei%≤5%,而且,因此应按典型Ⅰ型系统设计。电流调节器选用PI调节器,其传递函数为参数选择:积分时间常数:fi=Tl=0.03s。电流环开环增益:电流调节器比例系数:如果选用BG305运算放大器,取R0=40kΩ,则电流调节器中各参数可以计算如下:按照上述参数,可以达到的动态指标为ei%=4.3%<5%因此能够满足设计要求。1.2转速调节器设计要求电流环的等效时间常数为2T∑i=0.0074s。转速环的小时间常数T∑n=2T∑i+Ton=0.0074+0.01=0.0174s由于设计要求无静差,转速调节器必须用PI调节器,按典型Ⅱ型系统设计。转速调节器的传递函数为参数选择:按跟随性能和抗扰性能要求,取h=5,则积分时间常数转速环开环增益:转速调节器比例系数:采用以上参数时,ST退饱和超调量为能够满足设计要求。2模拟分析2.1电流环的结构图不作任何简化时的电流环动态结构图如图1与设计要求的ei%≤5%相差较大。可见,不对电流环结构图做简化之前,电流环的超调量要比简化后电流环的超调量大,所以,按工程设计方法设计出的系统实际上并没有满足ei%≤5%的设计要求。考虑到电流调节过程比转速和反电势的变化过程快得多,在设计电流调节器时,可以暂不考虑反电势变化的影响,认为ΔE≈0;再把给定滤波作用和反馈滤波作用合并起来,并等效于环内,则电流环结构图可以简化成图2。对图2编制仿真程序,并进行时域分析。满足了设计要求,ei≤5%。可见,忽略反电势的变化,对电流环的设计有较大的影响。忽略了反电势变化后的电流环的电流超调量为4.57%,仍然比工程设计法计算出来4.3%大一些。这是因为工程设计法不仅忽略了反电势的变化,还做了更多的简化:将TS和Toi当作小参数近似处理,取T∑i=TS+Toi,则电流环结构图简化成图3。对图3编制仿真程序,并进行时域分析。计算电流超调量此时,电流环的结构图已经简化成工程设计方法中要求的典型Ⅰ型系统了,因此超调量也与工程设计方法中计算出来的超调量一致了。但是,此时系统动态结构图已经过几次简化,与实际的系统有了一些差距,所以不能很准确地反映实际系统。因此,按工程设计方法设计出来的系统虽然在理论上能满足设计要求,但在实际调试中其性能指标往往满足不了要求。2.2转速调节器加饱和非线性环节,设计思路之一按工程设计法将电流环等效成一阶惯性环节,把滤波惯性环节等效地移到转速环内,并用小时间常数之和T∑n代替Ton和2T∑i,则转速环动态结构图可简化成图4,此时,转速环的动态结构图已经简化为工程设计中要求的典型Ⅱ型系统。对其编制仿真程序,并进行时域分域。此超调量与按工程设计法算出的h=5时的超调量37.6%(查表)非常接近,但这个超调量与设计要求还差很多,因为转速调节器没有加饱和非线性的限幅环节。为了便于比较和分析对转速环所做的简化处理的合理性,我们仍然不加饱和限幅非线性环节,再对不做任何简化处理的转速环进行分析。未做任何简化的转速环结构如图5所示。对其编制仿真程序,并进行时域分析。此超调量与按工程设计法计算出来的h=5时的超调量37.6%相差较大,可见,对转速环各环节的简化处理对转速调节器的参数选择有影响,按工程设计法设计出来的转速环并不能达到理论上计算出来的性能指标。实际的双闭环直流调速系统的转速调节器,要有饱和限幅的约束。突加给定时,转速的超调量为退饱和超调量,其值应该不会太大,按本例设计要求,应该小于10%。下面给图5所示系统的转速调节器加上限幅非线性环节,使它更加接近实际运行的系统,然后进行仿真实验。可见,还没能达到工程设计法的最佳数值。主要原因是设计仿真程序的给定数值Ugn较小,没有使Ugi达到限幅的饱和状态。3电流闭环时t造成系统工程设计方法与仿真实验之间有差距的原因总结起来有以下两点(1)工程设计方法在推导过程中为了简化计算做了许多近似的处理,而这些简化处理必须在一定的条件下才能成立。例如:将可控硅触发和整流环节近似地看作一阶惯性环节,设计电流环时不考虑反电势变化的影响;将小时间常数当作小参数近似地合并处理;设计转速环时将电流闭环从二阶振荡环节近似地等效为一阶惯性环节等。(2)仿真实验得到的结果也并不是和系统实际的调试结果完全相同,因为仿真实验在辨识过程中难免会产生模型参数的测量误差,而且在建立模型过程中为了简化计算,忽略了许多环节的非