pwm双闭环调速系统的研究

pwm双闭环调速系统的研究

在不同的电机调幅系统中，直流电机在动、动、速、大范围内实现平滑调幅的性能，因此直流电机在工业和信息化领域的各个方面都得到了广泛应用。脉宽调节系统（pm）的控制技术以其简单的控制、灵活的动态响应能力为优点，已成为最广泛应用于能源电子技术的控制形式。最常用的直流电气压缩法技术具有调理能力强、动作速度快、速度范围宽、破坏少等特点，特别是在中、小型互联系统中得到广泛应用。1明速电流双环流装置设计1.1无静差转速随动系统r起动过程转速和电流波形见图1.图中Id为整流器整流电流,IdL为负载电流.双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点:1)饱和非线性控制.在第Ⅰ阶段的电流上升过程,当转速调节器(ASR)不饱和时,转速环闭环,整个系统是一个无静差调速系统,而电流内环表现为电流随动系统.当ASR饱和时,转速环开环,系统表现为恒值电流调节的单闭环系统.2)转速超调.在第Ⅲ阶段的转速调节过程,由于ASR采用了饱和非线性控制,起动过程结束进入转速调节阶段后,必须使转速超调,ASR的输入偏差电压△Un为负值,才能使ASR退出饱和.这样,采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调.3)准时间最优控制.起动过程中的主要阶段是第II阶段的恒流升速,它的特征是电流保持恒定.一般选择为电动机允许的最大电流,以便充分发挥电动机的过载能力,使起动过程尽可能最快.这阶段属于有限制条件的最短时间控制.因此,整个起动过程可看作为是一个准时间最优控制.1.2电流反馈环路为了实现直流调速系统快速起制动,突加负载动态速降小,在系统中能够随心所欲地控制电流和转矩的动态过程,设计的转速电流双闭环直流调速系统动态结构框图见图2,系统中有电流调节器(ACR)和转速调节器(ASR)两个调节器,为了滤除电流检测信号中的交流分量,电流检测通路中加入一阶惯性环节起低通滤波作用;由于转速反馈电压中含有换向纹波和交流分量(噪声),转速反馈通路中也加入滤波环节,为了平衡反馈通路中的滤波环节带来的延迟作用,电流调节器和转速调节器的输入都加入了同等时间常数的滤波环节.电流调节器处于内环,转速调节处于外环,设计过程先进行内环后进行外环.设计的基本数据为:采用三相桥式整流装置,直流电动机:额定电压220V,额定电流13.6A,额定转速1480r/min,电动势系数Ce=0.131V/(r·min-1),允许过载倍数λ=1.5;晶闸管装置放大系数Ks=76;电枢回路总电阻R=6.58Ω;电磁和机电时间常数Tl=0.018s,Tm=0.25s;转速和电流反馈系数α=0.00337V/(r·min-1),β=0.4V/A;反馈滤波时间常数Toi=0.005s,Ton=0.005s.1.3电流环等效闭环传递函数的确定为使在突加控制作用时电流没有太大的超调,电流环以跟随性能为主,稳态无静差,将电流内环校正成典型Ⅰ型系统,电流调节器ACR采用PI调节器,传递函数为:式中τi为电流调节器时间常数,Ki为电流调节器放大系数.要求电流超调量σi≤5%,选择电力电子变换器滞后时间参数TS:使处理后电流环等效闭环传递函数为:1.4转速控制器开环传递函数为实现转速无静差,设计系统成典型Ⅱ型系统,转速调节器ASR采用PI调节器,传递函数为:式中τn为转速调节器时间常数,Kn为转速调节器放大系数.经推算化简得调速系统的开环传递函数(输入等效为Ui*/α)为:其中:(以空载起动到额定转速时的转速超调量σn≤10%,取开环对数频率特性中频宽h=5)转速电流双闭环调速系统的闭环传递函数为:1.5稳定分析与pmd-kg闭合线系统的双重触发分析系统的特征方程为:可见:a3,a2,a1,a0均大于0,及a0×a3<a1×a2.由劳斯判据可知系统是稳定的.2simulin仿真获得了二维环形旋转系统的模拟波形2.1电机撞击特性分析转速调节器ASR输出仿真波形、电流调节器ACR输出仿真波形和电动机起动特性仿真波形分别见图3~图5.通过仿真实验可见:1)图3所示的电动机起动特性十分接近理想特性,如图1示,起动过程已达到预期目的.但对于系统性能指标来说,起动过程中电流的超调量为5.3%,转速的超调量达21.3%,显然这一指标与理论最佳设计尚有一定的差距,尤其是转速的超调量略高一些.2)由图5示的电流调节器ACR从起动到稳态运行只经历线性调节一种状态.而由图4示的转速调节器ASR从起动到稳态运行经历了饱和限幅输出与线性调节两种状态.2.2系统抗扰能力验算一般情况下,双闭环直流电机调速控制系统的外部干扰主要是“负载突变与电网电压波动”两种情况,其仿真波形见图6、图7,通过仿真实验可见:1)系统对负载的大幅度突变具有良好的抗扰能力,在ΔI=12A的情况下系统速降为Δn=44r/min,恢复时间为tf=1.5s.2)系统对电网电压的大幅波动也同样具有良好的抗扰能力.在ΔU=100V的情况下,系统速降仅为9r/min,恢复时间为tf=1.5s.3)与理想的电动机的起动特性相比较,该系统的起动和恢复时间显得略长一些(轻载状态下接近4s).3转速动态响应仿真分析1)仿真结果与理论设计有一定的差距,由图3可见,电流动态响应的超调量为δ=5.3%(理论值为小于5%,取4.3%),转速动态响应超调量为δ=21.3%(理论值为小于10%,取8.3%).另外,A