一種低容量可逆調速系統的設計方案

1.引言

隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展，直流電動(dòng)機在理論和實(shí)踐上更加成熟，例如雙閉環(huán)調速系統具有極好的運行和控制性能，在工業(yè)生產(chǎn)中始終占有相當的比例。由于資金條件有限和本著(zhù)研究開(kāi)發(fā)的態(tài)度大多采用仿真來(lái)進(jìn)行模仿。

目前在matlab軟件仿真中，很多公式和參數計算過(guò)后都需要通過(guò)建模，本文直接把得到的參數通過(guò)程序運算，輸入到所得到的的模型中，簡(jiǎn)化了程序，節約了大量的時(shí)間，獲得一定的經(jīng)濟效益，通過(guò)simulink仿真，使得模型更簡(jiǎn)明，本文主要介紹電源的選擇，控制電路的設計，ACR和ASR的參數設計、系統仿真實(shí)現分析，通過(guò)滿(mǎn)足一定的參數，實(shí)現電動(dòng)機的運轉，達到預期效果。

2.雙閉環(huán)控制電路設計

2.1轉速調節器（ASR）的設計和電流調節器（ACR）的設計

選定額定轉速nN對應的轉速給定電壓，當在0~之間變化時(shí)，對應轉速n在0~nN之間變化，一般可選，于是可選定轉速檢測系數。

轉速調節器（ASR）的輸出作為電流調節器（ACR）的輸人給定信號，首先應選定ASR的輸出限幅值，則對于電樞電流應有如下兩式成立：

2.2直流可調電源設計

電流調節器ACR的輸出c U是可調直流電源的輸入值，首先選定ACR的輸出控制限幅值，對應于直流電源最大輸出電壓，穩態(tài)時(shí)有。根據直流電動(dòng)機的穩態(tài)電壓平衡方程：

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

3.可逆控制的主要問(wèn)題

無(wú)論是采用改變電樞電壓的極性或改變勵磁磁通的方向來(lái)改變直流電動(dòng)機的轉向，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，其主電路拓撲結構與控制原理如圖1-2所示，其主電路開(kāi)關(guān)器件可采用IGBT、Power MOSFET以及智能功率模塊IPM，常應用于中、小功率的可逆直流調速系統（如圖1所示）。

圖1-a繪出了H型可逆脈寬調速系統的基本原理圖，由4個(gè)電力電子開(kāi)關(guān)器件1 4 S ？ S和續流二極管構成橋式電路拓撲。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。

現以雙極式控制為例，說(shuō)明H型可逆PWM變換器的工作原理。

1）正向運行（此期間2S和3 S始終保持斷開(kāi)）第1階段，在0 on≤t≤t期間，1 4 S和S同時(shí)導通，電動(dòng)機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(kāi)，續流，電動(dòng)機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(dòng)機的反電動(dòng)勢E，電動(dòng)機正向電動(dòng)運行，其波形如圖1-b.

2）反向運行（在此期間1 4 S和S始終保持斷開(kāi)）

第1階段，在0 on≤t≤t期間，S 2和S3斷開(kāi)，通過(guò)續流，電動(dòng)機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)導通，電動(dòng)機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(dòng)機的反電動(dòng)勢|-E|，電動(dòng)機反向電動(dòng)運行，其波形如圖1-c.改變兩組開(kāi)關(guān)器件導通的時(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導通的時(shí)間，開(kāi)關(guān)周期T和占空比的定義和上面相同，則電動(dòng)機電樞兩端電壓平均值為：

如果令γ= 2ρ1，調速時(shí)的可調范圍為0~1，-10.5時(shí)，為正，電動(dòng)機正轉；

(2)當0.5時(shí)， 為負，電動(dòng)機反轉;.

(3)當=0.5時(shí)， =0,電動(dòng)機停止。

由于電動(dòng)機停止時(shí)電樞電壓并不等于零，而是正負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)生平均轉矩，徒然增大電機的損耗，這是雙極式控制的缺點(diǎn)。但它也有好處，在電動(dòng)機停止時(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，起著(zhù)所謂“動(dòng)力潤滑”的作用。

4.控制電路的參數計算與設計

4.1 參數確定

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

PWM調制參數：電源電阻： ,放大倍數，時(shí)間常數： ,開(kāi)關(guān)頻率： , 電流反饋濾波時(shí)間常數，轉速反饋濾波時(shí)間常數。給定電壓最大值調節器限幅電壓。

電流反饋系數：

轉速反饋系數：

4.2 電流環(huán)控制器的設計

PI調節器利用比例部分能迅速響應控制作用，而用積分部分最終消除穩態(tài)偏差。