实验-电流、速度双闭环直流调速系统设计与实践

实用运动控制技术

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实验原理

实验对象：V-M 调速系统(即晶闸管-电动机调速系统,简称 V-M 系统)
$\qquad$在V-M调速系统中设计两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套联接。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环，形成转速、电流双闭环调速系统。
$\qquad$采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。但是电流的超调太大,影响电机,导致电机转矩波动过大,容易损坏生产设备,利用晶闸管供电，整流装置采用三相半波整流电路。并在此基础上加入适当的电流变化率内环。用电流变化率内环可以抑制电流的变化,使电流趋于平缓,通过系统建模和仿真，用MATLAB/Simulink工具分析设计直流电动机速度控制系统。

技术参数

1、直流电动机：直流电动机：额定功率 $8KW$，额定电压 $220V$，额定电流 $2A$，$GD^2=5.3N\cdot m$，额定转速$1600r/min$，$Ce =0.118V\cdot min/r$，允许过载倍数$λ =1.5$；
2、晶闸管装置放大系数：$K_S=30$；
3、电枢回路总电阻：$R=3Ω$；
4、时间常数：
机电时间常数 $T_m =0.1s$，
电磁时间常数：$L=1.46U_2/I_{dmin}=1.46*132.8/(0.1*4) = 482 mH；$
$T_L= L/R = 482*10^{-3}/3=0.16s$
5、电流反馈系数：$β=1.5 V/A（10V/I_{nom} ～10V/1.5I_{nom}）$；
6、转速反馈系数：$α=0.0055V\cdot min/r（10V/n_{nom} ～10V/1.5n_{nom}）$；
7、反馈滤波时间常数:$T_{on} =0.02s，T_{oi} =0.002s$；
8、电流变化率$di/dt =10I_{nom} /s$

设计思路

$\qquad$先设计一个转速、电流双闭环直流调速系统，要求利用晶闸管供电，整流装置采用三相半波整流电路。并在此基础上加入适当的电流变化率内环，观察电流变化的快速性变化。电流变化率内环，一般采用积分调节器。
$\qquad$按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外扩展设计原则（本实验先设计电流内环，后设计转速外环,再设计电流变化率内环）。

设计要求

1、调速范围 $D=10$，静差率 $S ≤ 5％$ ,稳态无静差
2、电流超调量 $σ_i ≤ 5%$ ,电流脉动系数 $S_i ≤ 10％$；
3、启动到额定转速时的转速退饱和超调量 $σ_n ≤ 10％$，
4、空载起动到额定转速时的过渡过程时间 $t_s ≤ 0.5s$。

设计步骤

电流调节器设计ACR

确定时间常数：
1、整流装置滞后时间常数$T_s$，根据书本[1]可知，三相电路平均失控时间：$T_s=0.0017s$
2、电流滤波时间常数：$T_{oi}=0.002s$
3、电流环小时间常数之和$T_{\sum i}$。按小时间常数近似处理，取为：$T_{\sum i}=T_s+T_{oi}=0.0037s$

根据设计要求 $σ_i ≤ 5%$ ，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI电流调节器，它的传递函数为：

$$W_{ACR}(s)=\frac{K_i(\tau_is+1)}{\tau_is}$$

计算电流调节器参数:
电流调节器超前时间常数：根据书本[2]取$\tau_i=T_L=0.16s$
电流环开环增益：要求 $σ_i ≤ 5%$ 按表1，应取$K_IT_{\sum i}=0.5$,因此：

$$K_I=\frac {0.5}{0.0037}=135.13$$

ACR的比例系数为：
$$K_i=\frac{K_I\tau_i\beta}{K_sR}=0.36$$

速度调节器设计ASR

确定时间常数：
电流环等效时间常数$1/K_I$，取$K_IT_{\sum i}=0.5$，则：$\frac 1{K_I}=2*T_{\sum i}=0.0074$
转速滤波时间常数 $T_{on}$：根据所用测速发电机波纹情况，取：$T_{on}=0.02s$
转速环小时间常数 $T_{\sum n}$：按小时间常数近似处理，取：$T_{\sum n}=\frac 1{K_I}+T_{on}=0.0274s$
按设计要求，选用PI调节器，其传递函数为:

$$W_{ASR}(s)=\frac{K_n(\tau_ns+1)}{\tau_ns}$$
计算转速调节器参数:
按跟随性能和抗扰性能都较好的原则，现取h=5，则ASR的超前时间常数为：$\tau_n=hT_{\sum n}=5*0.0274=0.137s$
转速环开环增益为：
$$K_N=\frac{h+1}{2h^2T_{\sum n}^2}=\frac 6{2*25*(0.0274)^2}=159.84s^{-2}$$
可得ASR的比例系数为：
$$K_n=\frac{(h+1)\beta C_eT_m}{2h\alpha RT_{\sum n}}=\frac{6*1.5*0.118*0.1}{2*5*0.0055*3*0.0274}=23.49$$

MATLAB仿真

ASR限幅值的作用：
ASR有了限幅才能控制ACR的最大输入量。不限幅可能会产生大电流损坏系统。另外ASR限幅还可以限制加速度，防止机械冲击。
仿真图形分析：
转速波形：

电流波形：

从波形图中，我们分析可知其起动过程可分三个阶段来分析：
第Ⅰ阶段：电流上升阶段
突加给定电压$U_n^*$后，通过两个调节器的控制，使Ua，Ud，Ud0都上升。由于机电惯性的作用，转速的增长不会很快。在这一阶段中,ASR由不饱和很快达到饱和,而ACR不饱和,确保电流环的调节作用.
第Ⅱ阶段：是恒流升速阶段
从电流升到最大值开始，到转速升到给定值为止，这是起动过程中的重要阶段。在这个阶段，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定$U_{im}^*$作用下的电流调节系统，基本上保持恒定。因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增长。
第Ⅲ阶段：转速调节阶段
在这阶段开始，转速已达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零。转速超调后，ASR输入端出现负的偏差电压，使他退出饱和状态，其输出电压的给定电压$U_i^*$立即下降，主电流Id也因而下降。但在一段时间内，转速仍继续上升。达到最大值后，转速达到峰值。此后，电机才开始在负载下减速，电流Id也出现一段小于Id0的过程，直到稳定。在这最后的阶段，ASR和ACR都不饱和，同时起调节作用。

根据仿真波形，我们可以对转速调节器和电流调节器在三闭环直流调速系统中的作用归纳为：
1). 转速调节器的作用
（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。
（2）对负载变化起抗扰作用。
（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。
2). 电流调节器的作用
（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。
（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。
（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程
（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。