低容量可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真實(shí)現(xiàn)

　　1.引言

　　隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，直流電動機(jī)在理論和實(shí)踐上更加成熟，例如雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有極好的運(yùn)行和控制性能，在工業(yè)生產(chǎn)中始終占有相當(dāng)?shù)谋壤?。由于資金條件有限和本著研究開發(fā)的態(tài)度大多采用仿真來進(jìn)行模仿。

　　目前在matlab軟件仿真中，很多公式和參數(shù)計(jì)算過后都需要通過建模，本文直接把得到的參數(shù)通過程序運(yùn)算，輸入到所得到的的模型中，簡化了程序，節(jié)約了大量的時(shí)間，獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益，通過simulink仿真，使得模型更簡明，本文主要介紹電源的選擇，控制電路的設(shè)計(jì)，ACR和ASR的參數(shù)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)分析，通過滿足一定的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到預(yù)期效果。

　　2.雙閉環(huán)控制電路設(shè)計(jì)

　　2.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）的設(shè)計(jì)和電流調(diào)節(jié)器（ACR）的設(shè)計(jì)

　　選定額定轉(zhuǎn)速nN 對應(yīng)的轉(zhuǎn)速給定電壓，當(dāng)在0~ 之間變化時(shí)，對應(yīng)轉(zhuǎn)速n在0~nN之間變化，一般可選 ，于是可選定轉(zhuǎn)速檢測系數(shù)。

　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）的輸出作為電流調(diào)節(jié)器（ACR）的輸人給定信號，首先應(yīng)選定ASR的輸出限幅值，則對于電樞電流應(yīng)有如下兩式成立：

　　2.2 直流可調(diào)電源設(shè)計(jì)

　　電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出c U 是可調(diào)直流電源的輸入值，首先選定ACR的輸出控制限幅值， 對應(yīng)于直流電源最大輸出電壓，穩(wěn)態(tài)時(shí)有。根據(jù)直流電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)電壓平衡方程：

　　U = E + RI = C n + RI ，為了保證額定轉(zhuǎn)速nN時(shí)，直流電源仍能提供最大電樞電流 ，應(yīng)滿足下式，并留有一定裕量。

　　3.可逆控制的主要問題

　　無論是采用改變電樞電壓的極性或改變勵(lì)磁磁通的方向來改變直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)向，都需要其供電電源能夠輸出極性可變的直流電壓。

　　基于PWM控制的H型可逆直流電源，其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制原理如圖1-2所示，其主電路開關(guān)器件可采用IGBT、Power MOSFET以及智能功率模塊IPM，常應(yīng)用于中、小功率的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)（如圖1所示）。

　　圖1-a繪出了H型可逆脈寬調(diào)速系統(tǒng)的基本原理圖，由4個(gè)電力電子開關(guān)器件1 4 S ？ S和續(xù)流二極管構(gòu)成橋式電路拓?fù)?。H型可逆PWM變換器的控制方式有：雙極式控制、單極式控制和受限單極式控制等。

　　現(xiàn)以雙極式控制為例，說明H型可逆PWM變換器的工作原理。

　　1）正向運(yùn)行（此期間2S 和3 S 始終保持?jǐn)嚅_）第1階段，在0 on ≤ t ≤ t 期間， 1 4 S和S 同時(shí)導(dǎo)通，電動機(jī)M的電樞兩端承受電壓+ d0 U ，電流d i 正向上升；第2階段，在on t ≤ t ≤ T 期間， 1 4 S和S 斷開， 續(xù)流，電動機(jī)M的電樞兩端承受電壓- ，電流下降；但由于平均電壓高于電動機(jī)的反電動勢E，電動機(jī)正向電動運(yùn)行，其波形如圖1-b.

　　2）反向運(yùn)行（在此期間1 4 S和S 始終保持?jǐn)嚅_）

　　第1階段，在0 on ≤ t ≤ t 期間， S 2 和S3 斷開，通過續(xù)流，電動機(jī)M的電樞兩端承受電壓+ ，電流- 沿反方向下降；第2階段，在on t ≤ t ≤ T期間， S2 和S 3 同時(shí)導(dǎo)通，電動機(jī)M的電樞兩端承受電壓- ，電流- 沿反方向上升；由于平均電壓|- |高于電動機(jī)的反電動勢|-E|，電動機(jī)反向電動運(yùn)行，其波形如圖1-c.改變兩組開關(guān)器件導(dǎo)通的時(shí)間，也就改變了電壓脈沖的寬度。

　　如果on t 表示1 4 S和S 導(dǎo)通的時(shí)間，開關(guān)周期T和占空比的定義和上面相同，則電動機(jī)電樞兩端電壓平均值為：

　　如果令γ = 2ρ 1，調(diào)速時(shí) 的可調(diào)范圍為0~1，-1 +1.由此，調(diào)節(jié)占空比，可獲得可調(diào)的直流輸出，以控制直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速。

　?。?）當(dāng)>0.5時(shí)， 為正，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；

　?。?）當(dāng)0.5時(shí)， 為負(fù)，電動機(jī)反轉(zhuǎn)；。

　　（3）當(dāng)=0.5時(shí)， =0，電動機(jī)停止。

　　由于電動機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個(gè)交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電機(jī)的損耗，這是雙極式控制的缺點(diǎn)。但它也有好處，在電動機(jī)停止時(shí)仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時(shí)的靜磨擦死區(qū)，起著所謂“動力潤滑”的作用。

　　4.控制電路的參數(shù)計(jì)算與設(shè)計(jì)

　　4.1 參數(shù)確定

　　直流電機(jī)：PN=5.5kw，UN=220V，IN=8A，nN=1490r/ min，電樞回路電阻R=0.8Ω，允許電流過載倍數(shù)λ=1.8，電磁時(shí)間常數(shù)Tl=0.048s ， 機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.185s.

　　PWM調(diào)制參數(shù)：電源電阻： ，放大倍數(shù)，時(shí)間常數(shù)： ，開關(guān)頻率： ， 電流反饋濾波時(shí)間常數(shù)，轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)。給定電壓最大值調(diào)節(jié)器限幅電壓。

　　電流反饋系數(shù)：

　　轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：

　　4.2 電流環(huán)控制器的設(shè)計(jì)

　　PI調(diào)節(jié)器利用比例部分能迅速響應(yīng)控制作用，而用積分部分最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。

　　另外，比例積分調(diào)節(jié)器還是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的校正裝置，因此，它在調(diào)速系統(tǒng)和其它控制系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。

　　取電流調(diào)節(jié)器為PI調(diào)節(jié)器，將電流環(huán)設(shè)計(jì)成典型I型系統(tǒng)，則有傳遞函數(shù)電流環(huán)控制簡圖如圖2所示。

　　4.3 轉(zhuǎn)速環(huán)控制器的設(shè)計(jì)

　　對于轉(zhuǎn)速外環(huán)而言，設(shè)計(jì)成典型I型系統(tǒng)之后的電流環(huán)只是一個(gè)被控對象環(huán)節(jié)。因此轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)的第一步是求出電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)。轉(zhuǎn)速環(huán)被控對象中已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速跟蹤控制無靜差，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器中應(yīng)該包含一個(gè)積分環(huán)節(jié)。因此轉(zhuǎn)速環(huán)一般設(shè)計(jì)成典型Ⅱ型系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成PI調(diào)節(jié)器。如圖3所示。

　　按跟隨和抗干擾性能都較好的原則，選取中頻段寬度為h= 5 ，則：

　　轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益：

　　5.仿真分析

　　5.1 電流環(huán)的對數(shù)頻率特性仿真及其分析電流環(huán)為典型Ⅰ型系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為：

　　此系統(tǒng)為I型系統(tǒng)斜率分別為-20和-40.

　　由于其中頻段大都是-20的斜率則此系統(tǒng)由于相角裕度大于0度其穩(wěn)定性較好。而在高頻段斜率為-40則其抗干擾能力較強(qiáng)。綜上所述此系統(tǒng)適用于設(shè)計(jì)過程中。

　　5.2 轉(zhuǎn)速環(huán)的對數(shù)頻率特性仿真及其分析

　　轉(zhuǎn)速環(huán)為典型Ⅱ型系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為：

　　此系統(tǒng)為2階系統(tǒng)。相角裕度大于0則此系統(tǒng)穩(wěn)定。此系統(tǒng)可化為一個(gè)2階的積分環(huán)節(jié)，此系統(tǒng)的精確度較高但是其快速性較差正適合我們所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)防止其發(fā)生過沖。

　　5.3 系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)及其仿真

　　給定一個(gè)階躍響應(yīng)電壓，通過matlab軟件建立仿真動態(tài)模型如圖6所示。

　　如圖7所示為轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的階躍啟動過程，圖8中為轉(zhuǎn)矩和電樞電流的變化，最后達(dá)到系統(tǒng)要求，符合參數(shù)要求。實(shí)驗(yàn)表明，觀測到的波形與理論上波形相符，整個(gè)設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行。

　　6.結(jié)論

　　本文提出了一種低容量可逆調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，本方案所設(shè)計(jì)的低容量可逆調(diào)速系統(tǒng)主要是為了體現(xiàn)低容量可逆調(diào)速對電動機(jī)的控制，通過已知給定的參數(shù)計(jì)算和設(shè)計(jì)ACR以及ASR環(huán)節(jié)，采用PI調(diào)節(jié)，達(dá)到給定指標(biāo)，算出各未知參數(shù)，然后通過MATLAB軟件進(jìn)行仿真，分析結(jié)果與數(shù)據(jù)，從而得出結(jié)果表明該方案實(shí)現(xiàn)符合參數(shù)要求，并且驗(yàn)證了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)比起單環(huán)系統(tǒng)更穩(wěn)定，達(dá)到了系統(tǒng)所滿足要求。