直流电机调速系统的研究

直流电机调速系统的研究

1直流生物力学性能需求是我国目前最主要目前，主要的外国能源公司已经发展出瑞典abb、德国西门子公司、aeg、日本三角帆公司、东芝公司、美国ge和西屋公司等全面的数字直速执行装置，并选择成熟的系列、标准化和模糊地型的应用产品。可是我国现在还没有自主的系列化的全数字控制直流调速装置商用。由于进口设备价格昂贵,于是给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。目前,国内各大专院校、科研单位和厂家也都在开发全数字直流调速装置。本课题正是应这样的市场需求而产生的。根据目前的发展,展望未来,全数字直流调速系统必将向高性能指标方面发展,朝调试手段先进,控制、通讯功能更加丰富的方面迈进,尤其是它的动态性能指标还可以得到进一步的提高。2直流电机的传动转速方案大家知道直流电动机的转速与其它参量的关系为:n=Ud−IdRdCeΦ=UdCeΦ−IdRdCeΦ=n0−Δn(1)n=Ud-ΙdRdCeΦ=UdCeΦ-ΙdRdCeΦ=n0-Δn(1)式中n——电动机转速Ud——电枢电压Id——电枢电流Rd——电枢回路总电阻Ce——由电机结构决定的电势系数Φ——励磁磁通由式(1)可见,直流电机的调速可以有四种方式:改变电枢电压Ud;改变励磁电压Ul(即改变励磁磁通Φ);改变励磁回路电阻Rf;改变电枢回路总电阻Rd。这四种调速方案的特点介绍如下:(1)改变电枢电压Ud相当于改变机械持性的起始点n0的大小,而Δn则不受影响。由式(1)可见,在一定的负载下,增大Ud即可增加转速n,采用改变电枢电压调速的系统称为调压调速系统。它是最常使用的调速方案。(2)改变励磁电压Ul(略)(3)改变励磁绕组回路的电阻Rf(略)(4)改变电枢回路电阻R(略)3转速、电流双闭环系统这里我们采用了比较成熟的晶闸管相控调压调速系统。它的整流功能由晶闸管组成的三相全控桥实现。经工业场合的实际应用证明,该方法调速性能稳定,精度较高。为了获得良好的动、静态调速性能,该系统采用了转速、电流双闭环调速系统。其中电流环为内环,由电流负反馈环节构成;转速环为外环,由转速负反馈构成。双闭环调速系统的原理介绍如下。3.1电流双闭环传动系统常用的调压调速系统分为单环与多环调速系统。为了获得理想的静、动态性能,通常采用转速、电流双闭环调速系统。图1为转速、电流双闭环调速系统原理图。在双闭环调速系统中,电流调节器LT和转速调节器ST均为具有输出限幅的PI调节器,当输出达到饱和值时,输入量的变化不再影响输出,除非累加反向的输入才能使调节器退出饱和。当输出未饱和时,稳态的输入偏差电压总是为零。正常运行时,电流调节器LT设计成总是不会饱和的,而转速调节器ST有时运行在饱和状态,有时运行在非饱和状态。3.1.1双环流畅系统的静态特性分析双闭环调速系统的静特性可以按转速调节器ST在运行中的两种情况:饱和——输出达到限幅值;不饱和——输出未达到限幅值来进行。(1)应的特性分析两个调节器的输入偏差均为零,所以Ugn=Ufn=an或n=Ugnα(2)n=Ugnα(2)式中a——速度反馈系数其对应的特性如图2-6中n0——A段所示。同时,Ugi=Ufi=βId(3)且Ugi<Ugim所以Id<Idm式中Idm——电枢电流最大值Ugim——速度调节器输出限幅电压,在电枢电流最大值处取得β——电流反馈系数UK=UdKs=CeΦn+IdRdKs=CeΦUgnα+IdRdKs(4)UΚ=UdΚs=CeΦn+ΙdRdΚs=CeΦUgnα+ΙdRdΚs(4)(2)静特性检测系统Ugi达到Ugim时,转速的变化对系统不发生影响,转速外环呈开环状态,此时系统变成一个单电流环无静差调速系统。Ugim=Ufi=βIdmUgim=Ufi=βΙdm或Id=Ufiβ=Odm(5)Ιd=Ufiβ=Οdm(5)这时系统的静特性如图2中的A-B段。由于实际运算放大器的开环放大系数并非无穷大,静特性的两段曲线均有很小静差度。如图2中的虚线所示。3.1.2双环流处理器的动态性能(1)动态随机性在起动和升速过程中,能在电流受过载能力约束的条件下,表现出很快的动态跟随性能(2)转速调节器的抑止作用在闭环调节系统上,对于被反馈环包在内的一切扰动量,系统都能发挥抑止作用,因为一切扰动量最终都要反映到被调量(转速)上来,都可以通过测量出被调量的偏差而进行调节。系统的主要扰动量是负载扰动,再其次是电源电压的波动,它们的影响都会因这两种扰动量的作用点都在反馈环之内而受到抑止。负载扰动处在电流环之外,转速环之内,因而受到了转速调节器的抑止;电源电压的波动作用在电流环内,因而受到了电流调节器的抑止。3.2表2中速度和功率的分析3.2.1直流电动机的数学模型在电力拖动控制系统中,直流电动机通常以电枢电压为输入量,以电动机转速为输出量。假设电机补偿良好,不计电枢反应、涡流效应和磁滞的影响,并设励磁电流恒定,得直流电机数学模型为Ud=LddIddt+IdRd+CeΩ(6)Ud=LddΙddt+ΙdRd+CeΩ(6)式中Ud——电枢电压Ld——电枢回路电感Id——电枢电流Rd——电枢回路总电阻Ce——由电机结构决定的电势系数,V·S/radΩ——电动机角速度根据刚体的转动定律,电动机轴上的运动方程式为JdΩdt=M−Mf(7)JdΩdt=Μ-Μf(7)式中J——电动机轴上(包括负载折算过来的)转动惯量Ω——电动机角速度M——电动机轴的电磁力矩Mf——电动机轴的负载力矩当磁通不变时,有M=CmId(8)Μ=CmΙd(8)式中Cm——电机的转矩常数,N·m/A整理得到直流电机的微分方程TdTmd2ndt2+Tmdndt+n=1ceUd(9)ΤdΤmd2ndt2+Τmdndt+n=1ceUd(9)式中Td——电枢回路的电磁时间常数Td=LdRdΤd=LdRdTm——机电时间常数Tm=JRdCeCm=GD2Rd375CeCmΤm=JRdCeCm=GD2Rd375CeCmGD2——电力拖动系统整个运动部分折算到电动机轴上的转动惯量n——电动机转速进而,我们可得直流电动机的电压和转速间的传递函数为:WD(S)=1/CeTmTdS2+TmS+1(10)WD(S)=1/CeΤmΤdS2+ΤmS+1(10)根据上式可以看出直流电动机可以近似认为具有两个惯性环节的系统。直流电动机的动态结构图如图3所示。3.2.2双闭环系统动态结构设计该系统采取转速、电流双闭环调速系统。其中转速外环与电流内环均拟采取PI控制。对于电流闭环,PI调节器的传递函数可以表示为Wi(S)=KiτiS+1τiS(11)Wi(S)=ΚiτiS+1τiS(11)式中Ki——电流调节器放大倍数τi——电流调节器时间常数对于速度闭环,PI调节器的传递函数可以表示为Wn(S)=KnτnS+1τnS(12)Wn(S)=ΚnτnS+1τnS(12)式中Kn——速度调节器放大倍数τn——速度调节器时间常数对于晶闸管整流器,它本身是一个时滞环节,传递函数可以表示为Wz(S)=Kze−τzS(13)Wz(S)=Κze-τzS(13)式中Kz——晶闸管整流器放大倍数τ——晶闸管整流器时间常数考虑到一般τz比起系统其它部分的时间常数往往小得多,可以将该时滞环节近似为惯性环节处理,传递函数为Wz(S)=KzτzS+1(14)Wz(S)=ΚzτzS+1(14)所以双闭环系统的动态结构图如图4所示。4直流电机数字控制减速系统介绍为了克服模拟调速系统固有的温漂、零漂等的影响,我们采取了全数字化调速系统。控制系统核心部分采用了16位单片机80C196KC构成,由于它集成了许多以往被认为是外围器件的电路,所以大大降低了硬件的复杂程度,同时提高了系统的稳定性。本文所研究的直流电机数字控制调速系统采用了传统的速度、电流双闭环结构,控制功能由软件实现。结构如图5所示。直流电机数字控制调速系统主要由数字触发环节、电流控制环节、速度控制环节组成。数字触发环节以同步信号为基准,根据电流环计算出来的触发角,计算待触发晶闸管的触发时刻,在触发时刻发出触发脉冲,经放大、隔离、触发晶闸