直流斩波调速系统设计

2024-06-06

直流斩波调速系统设计（精选八篇）

直流斩波调速系统设计篇1

直流电动机具有良好的起、制动性能,在电力拖动自动控制系统,如轧钢机及其辅助机械、矿井卷扬机等领域中得到了广泛的应用。传统的单闭环调速系统,虽然被调量能紧紧跟随信号量的变化,被包围在负反馈环节内的一切主通道上的扰动都能有效地加以抑制,但具有比例放大器的单闭环控制系统是有静差的,且对给定电源和检测装置中的扰动是无能为力的,而双闭环调速系统能很好地解决以上不足。

2 直流双闭环调速系统的数学模型

在实际生产过程中,由于生产工艺的要求,电动机经常保持在恒速运行的状态,这就要求调速系统具有很好的动态稳定性和抗干扰性能。在生产中,人们经常采用转速、电流双闭环调速系统,这种控制系统能够较好地满足生产工艺的要求。直流双闭环调速系统的结构如图1所示。

为了实现转速负反馈和电流负反馈在系统中分别起作用,又不致互相牵制而影响系统的性能,在系统中设置了两个调节器,分别调节转速和电流。二者之间实行串级联接,即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制晶闸管的触发装置。从闭环反馈的结构上看,电流调节环在里面,是内环;转速调节环在外面,成为外环。这样就组成了转速、电流双闭环调速系统。为了使转速、电流双闭环调速系统具有良好的静、动态性能,转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器,且转速和电流都采用反馈闭环。

下面我们针对直流双闭环调速系统建立各环节的数学模型。

(1)直流电机的数学模型。直流电动机在磁通和电流连续的条件下,电动机电枢回路电压平衡方程为:

电动机轴上的转矩和转速应服从电力拖动系统的运动方程式,在忽略粘性摩擦的情况下,可得转矩平衡方程式为:

(2)PWM变换器的传递函数。由于脉宽调速系统中,开关频率f较高,开关周期TPWM较小,常将脉宽调制器和PWM变换器合起来的滞后环节近似看成一阶惯性环节,即:

(3)电流调节器ACR的数学模型。直流双闭环调速系统中调节器一般用PI调节器。其传递函数为:

(4)转速调节器ASR的数学模型。从动态性能上看调速系统首先要优良好的抗扰动性,要把转速环效正成典型的Ⅱ型系统,ASR应当采用PI调节器,其传递函数为:

3 仿真分析

3.1 起动特性分析。

在本文中已给出电动机的理想起动特性,此时电动机的起动速度达到最快。因此,系统设计结果应尽可能接近这一理想特性。在下面的图4的仿真结果中分别给出了该系统ASR的输出与电动机转速,ACR的输出与电动机的转速及电动机电流与电动机转速在起动过程中的动态特性仿真结果。

通过如上的仿真分析,对于附图所示系统的工作过程可概括成如下几点:

(1)ASR从起动到稳速运行的过程中经历了两个状态,即饱和限幅输出与线性调节状态;

(2)从起动到稳态运行的过程中只工作在一种状态,即线性调节状态;

(3)图2所示的电动机起动特性已比较接近理想特性。所以,该系统设计对于起动特性来说,已达到了预期目的。

3.2 抗扰性能分析。

一般情况下,双闭环调速系统的干扰主要是负载突变与电网电压波动。因此在图5中分别给出了该系统电动机转速在突加负载及电网电压突减情况下动态特性的仿真结果。

通过如上的仿真分析,对于该系统的抗扰性能来说我们有如下几点结论:

(1)系统对负载的大幅度突变具有良好的抵抗能力;

(2)系统对电网电压的波动同样也具有良好的抵抗能力;

(3)与理想的电动机的起动特性相比较,该系统的起动及恢复时间显得略长一些。

4 结论

本文使用MATLAB软件中动态仿真工具SIMULINK工具使得直流调速系统设计中关于系统性能分析的问题变得十分简单。工程设计人员通过对系统进行计算机仿真,分析理论设计与实际系统的偏差,逐步改进系统的结构及参数,找出较佳性能系统的调节器参数,使得系统的调试得到简化,提高了工作效率,减少了耗材,节省了设计费用和时间。并且仿真的结果与实际系统运行情况较为接近,可以用来指导实际系统的调试。

摘要：采用MATLAB软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计,并用SIMULINK进行动态数字仿真,结果表明,用MATLAB软件是控制系统设计与仿真的一种功能完善、编程简单、且具有较高精度的有力工具。

关键词：直流电动机,双闭环调速系统,仿真,MATLAB/SIMULINK

参考文献

[1]薛定宇.控制系统计算机辅助设计——MATLAB语言及应用.北京:清华大学出版社,1996.

基于PLC直流电机调速系统的设计篇2

关键词：直流电机；可编程控制器

引言：直流电机在电机调速系统中占有重要的地位，因为他的调速性能较好，不但调速方便，而且在磁场条件符合的情况下，电枢电压和转速成正比，转矩更易于被控制；起动性能较好，可以比较平滑调节速度。具有优良的动态特性。在挖掘机、轧钢机矿井卷机、造纸机和高层电梯等领域已经得到了广泛的应用。

一、直流电机调速的基本原理

直流电机可以分为三种，分别为串励直流电机，并励直流电机，他励直流电机。本文针对他励直流电动机调速进行设计。当有电流I流过电枢，将会产生电磁转矩，电机的转子开始转动，由于转子在磁场中处于通电状态，产生感应电动势。线圈进行转动的过程，当线圈处于该位置的时候，再转动180度，处于这两个状态的感应电动势是相反的。利用换向片使得输入电流的方向不变。载流导体在磁场中将会受到力的作用，若磁场与载流导体互相垂直，作用在导体上的电磁力大小为：F=B·l·I

气动机械手工作压力为0.6MPa，最高压力可达1Mpa。机械手具有二个直线运动和一个旋转运动自由度，用于将原工作台上的物品搬到其左侧工作台上。整个机械手在工作中能实现上升/下降、左旋转/右旋转、夹紧/放松功能。机械手的工作流程如图2所示。

二、他励直流电机的调速特性

直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为：n=■

式中 Ua——电枢供电电压（V）；

Ia ——电枢电流（A）；

Ф——励磁磁通（Wb）；

Ra——电枢回路总电阻（Ω）

由上面的公式可得他励直流电机的调速方式有以下3种：

1. 改变电枢电路串接电阻

2. 改变电动机主磁通

3. 改变电动机电枢供电电压

本文采用第三种调速方式。电源电压作连续变化时，转速可以平滑地进行无级调节，只能在额定转速以下调速；速度可调范围较大，适合于转矩不变的场合进行调速。

三、直流电机调速系统的设计

I/O分配表。当有正转信号I0.0时，直流电机开始以初始终速度转动，此时可以对直流电机的速度进行重新选择设定，通过手动对触摸屏输入新的速度值，并确定。直流电机转速立即改变为预置值。当正转信号I0.0或直流电机处于停车状态时，按下反转按钮，直流电机以初始速度进行反转。不管电机在何种状态下运转，当按下急停按钮时，电机立即停止运转，确保当危险情况出现的时候，电机能及时停止转动，避免危险情况的发生，对机器造成损坏或者造成人员的伤亡。

四、程序的设计及其调试

调试过程中，纠正了之前对编码器接线的误解。接线部分相对还是比较顺利的，通过这次接线加深了对NPN型和PNP型编码器接线的认识。接完线之后对程序进行调试的过程中，发现做程序的时候没考虑直流电机带有减速器，而且编码器不是直接安装在直流电机上，因为本次设计选的直流电机不是双出轴的直流电机，这样做反馈信号矫正的程序必须考虑该传动比，后期对程序进行的修改。最终调试成功。利用组态王软件可以在组态页面直接显示工作时间，直观显示直流电机的转速，可以实现异地控制。

可以做启动与停止的切换，在设置按钮按下后进行的命令语言，当＼＼本站点＼启动==1时，点击被设置的对象，＼＼本站点＼停止=1。对应本设计中PLC中的编程语言，和组态王中数据词典设置的变量，即当PLC程序启动运行的时候，按下被设置对象，PLC停止运行程序；当＼＼本站点＼启动==0时，点击被设置的对象，＼＼本站点＼启动=1。对应本设计中PLC中的编程语言，和组态王中数据词典设置的变量，即当PLC程序停止运行的时候，且PLC处于开机上电状态，按下被设置对象，PLC启动运行程序。

五、结束语

利用组态王软件组态可以做简单的人机界面，而且与PLC进行通信，实现计算机对PLC的实时控制和对PLC的远程监控。通过组态王软件可以自己编辑动画，形象地反馈系统的运行情况，在远程操作的过程中，使操作者能进一步理解整套工序的进行。组态王软件特别适合于按钮较多的场合，可以代替大部分按钮，这样不仅可以节省成本，还可以节省大量接线，使得设备更加简洁。

参考文献：

[1] 杨东，黄永红，张新华，吉敬华. 用PLC基本指令实现自动运动定位控制的研究[J]. 微计算机信息， 2010， 26（2-1）： 62-64.

石油钻机直流调速系统设计与监控篇3

1 基于PLC的直流调速系统设计原理

本系统通过调节直流电机电枢电压, 实现在较大范围内平滑调速。电动钻机直流调速的被控对象是直流电机, 系统的核心选用西门子公司的可编程控制器S7-300 PLC, 调节器采用比例积分 (PI) 调节;执行机构即主电路是由四个IGBT和与它们反向并联的四个二极管构成的;驱动电路采用的是集成驱动器M57962L;检测转速装置采用的是光电编码器。

2 电路设计及原理

由西门子公司生产的PLC做为整个驱动控制系统中心, PLC综合控制柜承担电机控制任务。PLC系统与司钻操作台和驱动系统通过PROFIBUS总线相连, 系统主控PLC为西门子S7-300系统可编程控制器, CPU为315-2DP, 远程控制站为ET200M.

2.1 电路及驱动电路设计

本系统采用的主电路是桥式可逆PWM变换器, 如图2-1所示:

2.2 工作原理

电动机M两端电压UAB的极性随开关器件IGBT驱动电压极性而变化, 控制方式是双极式控制。双极式控制可逆PWM变换器的4个驱动电压的关系是:Ug1=Ug4=-Ug2=-Ug3。在一个开关周期内, 当0

双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为:

调速时, 占空比d的调节范围是0到1, 其中d=/T。当d>0.5时, 电机正转;当d<0.5时, 电机反转;当d=0.5时, 电机停止。但电机停止时电枢电压并不等于零, 而是正负脉宽相等的交变脉冲电压, 因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值为零, 不产生平均转矩, 徒然增大电机的损耗, 这是双极式控制的缺点。

双极式控制桥式可逆PWM变换器在工作时4个开关器件在切换时存在上、下桥臂直通的可能性, 为避免此情况的发生, 加入硬件延时电路, 死区时间设置电路是防止上下功率管直通的保护电路, 其采用驱动信号下降沿不延时, 只延时驱动信号的上升沿的方法实现保护。本方案采用电压比较器电路实现, 电路参数为R0=10KΩ、R1=10KΩ、R2=10KΩ, 电容器C1选500pF, 比较器选择LM339。比较器的反向端电压为+2.5V, 正向端接脉冲信号。假设脉冲信号首次到来的是低电平, 比较器反向端电平高于正向端电平, 比较器快速输出低电平;随后脉冲信号的高电平到来, 高电平通过R0给电容充电, 电容充电完成后, 比较器正向端电平高于反向端电平, 输出高电平, 完成了上升沿延迟;当脉冲信号的低电平第二次到来时, 电容通过二极管D1迅速放电, 比较器正向端迅速变为低电平, 输出低电平。至此完成驱动信号上升沿延时导通, 下降沿按时关断。

3 利用组态监控对系统进行分析

本电动钻机直流电机调速系统通过组态王人机界面, 实现对整个系统的实时监控, 便于方便现场人员及时了解设备使用情况。

本系统是直流电机转速闭环调速系统, 实验结果波形图3-1如下所示。

图3-1是突加转速给定的速度响应曲线。突加转速给定400r/min, 经过10s左右的比例积分PI调节, 转速基本稳定在400r/min, 实现了无静差转速调节。

图3-2是电机稳定运行于400r/min时, 突加转速给定600r/min, 经过5s左右的比例积分PI调节, 转速基本稳定在600r/min, 实现了转速跟随给定, 并且是无静差的跟随给定。

图3-3是电机稳定运行于600r/min时, 突减转速给定400r/min, 经过5s左右的比例积分PI调节后, 转速基本稳定在400r/min, 实现了无静差调节, 而且转速严格跟随给定。

图3-4是突加负载和突减负载时的转速响应曲线, 在电机稳定运行于400r min时, 突加负载, 转速立刻下降, 经过一段时间的比例积分PI调节, 转速又稳定在了400r/min, 实现了抗扰动能力。后一段波形是突减负载时的情况, 在突减负载时, 电机转速突然升高, 经过一段时间的比例积分PI调节后, 转速又稳定在400r/min, 由此可见本系统有一定的抗干扰能力。

4 总结

本系统采用H桥—直流电动机调速系统与PLC控制系统相结合, 实现了对直流电机的闭环调速控制。

(1) 主电路采用由四个IGBT和四个与其反向并联的二极管构成的桥式可逆变换器可实现直流电动机的正、反转调速控制。

(2) 采用集成驱动器M57962L, 通过其驱动外围电路并制作电路板, 实现了对IGBT的导通和关断控制。

(3) 设计并制作硬件延时电路, 以防止上、下桥臂直通事故的发生。

(4) 阻容吸收电路, 以实现对IGBT的保护。

(5) 通过PLC控制程序, 实现对直流电动机的闭环调速控制。

(6) 通过组态王人机界面, 实现对整个系统的实时监控。

摘要：本文论述的是基于S7-300PLC的直流脉宽调速系统, 该系统包括控制器、驱动电路、主电路和转速检测环节。该电动钻机直流电机调速系统通过组态王人机界面, 实现对整个系统的实时监控, 便于方便现场人员及时了解设备使用情况。

关键词：电动钻机,电控系统,直流调速,PLC,PWM,H桥双极性电路

参考文献

[1]谢卓辉.直流调速系统的全数字控制[D].湖南:湖南大学, 2001:3-10.

直流斩波调速系统设计篇4

1.1 无刷直流电机的特点

它的电枢绕组放在定子上, 永久磁钢放在转子上。其电枢绕组的绕组形式与交流电机的绕组一样, 采用的是多相形式, 由逆变器连接到直流电源上, 运用位置传感器实现电子换相的这种方式来替代有刷直流电机的电刷换相。电机的各个相依次通电并且产生电流, 以转子主磁场和定子磁场相互产生作用的方式来产生转矩。因此, 与有刷直流电机相比, 其取消了电机的滑动接触机构。由于主磁场是恒定的, 另外加上没有绕组在转子上, 没有了励磁损耗, 由此铁损是很小的。总的来说, 无刷直流电机既具备使用寿命长、维修和保护比较方便、可靠性高等优点外, 也和交流电机结构一样简单, 并且也具有普通直流电机的转矩较大、调速比较方便、效率高、动态性能快等优势。

1.2 无刷直流电机的原理

无刷直流电机的原理是让一定量的电流流过电枢绕组, 这与有刷直流电机的工作原理相同, 由此就产生了持续不变的只和电流大小相关联的电磁转矩。无刷直流电机的电概绕组是固定在定子上的, 转子是永磁体的, 没有电刷。关于无刷直流电机的定子电枢绕组的接法一般有三种:三扣桥式封闭式接法、三相桥式品形接法和三相非桥式星形接法。

2 无刷直流电机调速系统的硬件设计

2.1 调速系统的功率驱动电路设计

电机控制的驱动器采用特有的芯片。可控制6个大功率管的关断和导通, 通过输出H01, H02和H03分别控制三相全桥驱动电路的上半桥Q1、Q3、Q5的接通和关闭;而IR2131的输出L01, L02, L03的作用是分别控制驱动电路的下半桥Q4、Q6、Q2的接通和关闭, 从而达到控制电机正反转和转速的目的。全桥式电机电路原理控制部分由6个IGBT组成, 其作用是在PWM信号的控制作用下, 将电机的工作电压按规律加到电机的三相绕组上, 从而达到使电机高速工作的。

2.2 调速系统的系统保护电路设计

在无刷直流电机调速系统的运行工作过程中, 若出现欠压或者过流情况, PWM信号驱动器会启动系统内部的保护电路。保护电路的作用主要是用于防止IGBT因过流, 出现短路或其他的一些意外而出现被烧坏的现象。调速系统的保护电路主要有过温保护、过流保护、过压以及欠压保护。

3 无刷直流电机调速系统的软件设计

3.1 无刷直流电机调速系统的软件设计要求

无刷直流电机调速系统仅有硬件部分是不够的, 要想保证其能够正常工作, 还需要有软件的配合才能构成一个完整的控制系统。软件设计可以采用顺序结构。主要包括初始化模块、按键模块、显示模块、速度环模块、电流环模块和保护模块。其中软件的主程序主要是通过调用各个子程序, 使程序循环运行, 以实现所要求的各种控制要求, 并通过这种方式来实现其功能。软件系统中的参数设置、参数输入、速度计算等[2], 都是通过调用子程序和中断程序来实现的。

3.2 电流环程序的设计

电流环调节的主要目的是最大可能性去限制电机的电流, 加快整个动态响应, 是通过调节对象的动态结构来实现的。在电机的启动过程中, 要使工作电机能在所允许的最大的电流下进行“恒流”的启动。同时, 在电机的转速调节的整个运行中, 可以使电流能够快速的去跟踪电流给定的变化。同时电流环的输入有两个, 它们分别是电流反馈值和电流参考值。并且整个系统运行的电流的参考值是由速度环通过计算出的结果给定的;电流的反馈值经A/D转换后转变为数量值, 并且被输送到电流环, 检测值与参考值做差运算的结果就是电流环的误差。

3.3 速度环程序的设计

系统软件速度环程序的设计的思想是不停地去收集电机的转速, 之后与系统给出的速度指令作比较后, 通过利用PID算法, 并且综合滤波算法, 以不断地去修正运行速度的误差, 直到收集到的电机转速与系统给定的转速相同为止。

速度环的程序设计有给定速度和转速反馈值输入, 系统输出的是电流参考信号, 并且使其作为电流闭环的输入信号。系统的转速闭环设计的主要目的是使转速跟随程序的给定值不断变化, 并且达到无静态的误差。首先, 程序可以计算出当前电机运行的转速, 然后与程序给定的速度值进行比较, 从而得到速度误差的数值, 再根据这个速度误差数值进行速度控制调节。

4 结语

基于DSP无刷直流电机调速系统是以DSP为核心的, 通过软件的编程设计来达到对无刷直流电机的实际调控。同时, 采用的以DSP作为调速控制系统的核心, 与普通的调速系统相比具有其优越的特点, 处理速度高效便利, 同时可以处理大量的数据。达到了使其整个调速系统实现全数字化的目的, 同时电机稳态运行时的稳速精度可以达到更高的水平。随着技术的成熟, 相信该技术可以更好地为工业发展服务。

参考文献

[1]王念旭.DSP基础与应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2011.

矿井提升机斩波串级调速系统的研究篇5

目前,我国的中小型矿井提升机大部分仍采用绕线式异步电动机转子串电阻调速方案,这种方案技术性能差、耗能大。若采用在转子侧斩波串级调速方案,则可以克服转子串电阻调速方案的缺点,在不更换电动机的条件下具有造价低、易实现等优点。本文介绍了矿井提升机斩波串级调速系统的结构、原理、调速特性和主电路参数选择,并进行了仿真。

1 提升机斩波串级调速的基本原理

1.1 系统结构

矿井提升机斩波串级调速系统的主电路结构如图1所示。VD为三相不控整流器,T1为整流变压器,VS为晶闸管有源逆变器,逆变控制角选择固定值为βmin(约为25°),逆变器输出平均值UN=2.34UT2cos βmin(UT2为T1的二次相电压有效值)。开关器件V1、滤波电抗器L1、二极管VD1、滤波电容C构成斩波升压电路。

1.2 系统工作原理

V1导通时,Ui=0 V,V1关断时,Ui=UN。改变V1的导通时间,即改变斩波电路的占空比ρ,可以改变Ui的大小。Ui为

式中:ρ=ton/T,为占空比;ton为V1的导通时间,s;T为斩波开关的周期。

斩波串级调速系统的直流等效电路如图2所示,RD为转子绕组的相电阻;XD0为转子绕组的相电抗(考虑整流器换相压降产生的等效电阻)。

在不控整流器的换相角γ<60°时,Ud0为

式中:,为电动机转差率,n0为同步速;Er0为转子开路相电压。

直流回路电势平衡方程为

由式(1)、(2)、(3)可得:

其中:

显然,改变开关器件V1的占空比,即改变U可改变转速。在负载不变(即Id不变)时,增加ρ,就增加了转速n。

在图1中,合上S2、S1,改变V1的占空比,可以平滑调节电动机的转速,电动机工作在电动状态。断开S1、合上S3,并在定子绕组上施加直流电压Uz时,电动机将工作在动力制动状态,可实现提升机负力减速的工艺要求,同样通过调节ρ可改变制动时的转速。

1.3 转速特性

由式(4),可画出斩波串级调速时的转速特性n=f(Id)曲线,如图3所示。

图3中,ρ为参变量,ρ1>ρ2>ρ3。在ρ固定时,负载增加(即Id增加),则n减小。斩波串级调速时的转速特性曲线类似于直流电动机的调压调速特性曲线。

1.4 转矩特性

斩波串级调速系统的转差功率Ps为

电动机的电磁功率Pm=Ps/s,因此,电磁转矩Te为

式中:,为理想空载机械角速度,rad/s;,为斩波串级调速系统的转矩系数。

2 主电路的参数选择

2.1 有源逆变器

有源逆变器的作用是将电动机的转差功率回馈给电网。主电路设计主要是选择有源逆变器整流变压器的二次电压和容量、晶闸管参数。

(1) 逆变电压UN

提升机在低速验绳时,负载近似为零,即要求在转速接近零时,直流回路Id为零。为此,UN应大于整流器的最大输出电压,即:

若βmin取25°,则UT2为1.16Er0。

(2) 整流变压器容量ST1

对于提升机斩波串级调速系统,整流变压器的瞬时过载能力较强,因此,整流变压器的容量应根据1个提升循环(周期为T)的均方根功率来选择。提升机在1个提升循环的速度曲线v=f(t)、力曲线F=f(t)、转差功率曲线Ps=f(t)如图4所示。通常Ps的均方根仅为电动机容量的0.25倍,因此,整流变压器容量与电动机容量相比是比较小的。

(3) 逆变器晶闸管

由于晶闸管元件瞬时过载能力低,逆变器晶闸管元件应根据通过晶闸管元件的瞬时最大电流选择额定电流。

2.2 斩波开关

斩波开关应选高压大容量的全控器件,其额定电压和电流为

(a) 速度曲线(b) 力曲线(c)转差功率曲线

若电压等级较低,可选择IGBT器件,若电压等级较高,可选用IGCT器件。

2.3 滤波电抗器L1

L1的作用是限制转子电流的谐波分量,以减小转矩的噪声。开关器件V1导通、关断时的等效电路如图5所示。其中,L包括转子绕组漏感Lr和直流回路串联的滤波电抗器L1的电感,R包括转子绕组的电阻和L1的电阻。

忽略R,由图5(a)可得:

式中:ΔId为Id的增量;Ud0=2.34sEr0。

由于在低速时,Ud0最大,电流Id的脉动分量最高,所以需分析低速时L的参数选择。选s=0.1,此时ρ=0.1。代入式(7),可得:

式中:K=ΔId/IdN,为允许的电流脉动系数,IdN为额定负载时的直流电流Id。

根据电动机的转子开路相电压Er0,允许的电流脉动系数K(可取0.1)及IdN在确定的开关周期T的条件下,可求出所需的总电感L。用L减去电动机的漏感,即可求出所需的滤波电抗器的电感L1。

2.4 逆变器滤波电感L2、滤波电感C

逆变器滤波电感L2、滤波电容C的作用是减小逆变器交流侧电流的谐波分量。L2、C的选择请参见参考文献[3]。

3 系统仿真

系统仿真模型采用转速n、电流Id双闭环调节,如图6所示。电动机仿真参数为PN=3 kW,U1N=220 V,Er0=220 V,Rs=1 Ω,Lls=2 mH,R′r=1 Ω,L′r=2 mH。

在开关周期T=0.5 ms,t1=0.3 s时开始施压斜坡速度给定信号n*,在负载力矩为30 N的条件下,仿真结果如图7所示。其中,图7(a)为速度响应波形,表明速度跟随性能比较理想,转速延迟及超调量很小,等速阶段速度平稳。图7(b)为电动机转矩波形,表明在加速阶段转矩为一恒值,从而可保证匀加速启动。图7(c)为稳态时定子电压电流波形,定子电流呈正弦波,表明谐波电流比较小。图7(d)为转子电压电流波形,转子电流呈正弦波,表明谐波电流较小。

4 结论

(1) 采用异步电动机转子侧斩波串级调速替代转子串电阻调速的方案,既可提高调速性能,又能达到节能目的,节电20%以上。

(2) 矿井提升机斩波串级调速系统可控器件仅有1个,电路简单。整流变压器容量为电动机容量的0.3倍,造价低。

(3) 开关器件采用IGBT元件,由于开关频率高,可省去滤波电抗器。

(4) 矿井提升机斩波串级调速系统仿真结果表明,系统的调速性能良好,所提出的理论是正确的。

摘要：文章提出了一种矿井提升机采用绕线式异步电动机转子侧斩波串级调速替代转子串电阻调速的方案,详细介绍了斩波串级调速系统的结构、原理、参数选择,最后给出了仿真结果。该方案可提高提升机的调速性能,节约电能25%以上。

关键词：矿井提升机,斩波串级调速,节能,仿真

参考文献

[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].3版.北京:机械工业出版社,2004.

[2]顾永辉.煤矿电工手册(3)[M].北京:煤炭工业出版社,1999.

直流斩波调速系统设计篇6

关键词：直流调速,数字控制系统,计算机辅助设计

0 前言

随着计算机技术的发展,直流调速系统的数字化控制已得到广泛应用[1]。传统的工程设计方法是将系统先作合理的简化,然后在Z变换域中对系统性能进行分析与综合。由于系统的非线性和Z变换运算的复杂性,工程设计法可谓既烦琐又复杂,而且,计算结果与实际的运行性能存在明显偏差。近几年,计算机仿真设计与分析被大量地引入到直流调速系统中[2,2,3,4],这在很大程度上简化了设计工作量,优化了系统性能。

本研究以典型直流调速数字控制系统为对象,以Matlab为平台、以改进单纯形为优化算法,建立“建模—优化—分析”的计算机仿真设计方法,以期对工程设计有所帮助。

1 系统仿真模型

1.1 系统原理分析

直流调速数字控制系统结构图,如图1所示。速度调节器(ASR)和电流调节器(ACR)前后串联,把速度调节器的输出作为电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。由于分别引入转速负反馈和电流负反馈的闭环控制,因此被称为直流电机双闭环调速系统[5,6]。

从图1中可知,在形式上数字式直流调速系统与模拟式直流调速系统完全等同。由于控制机理的不同,应特别注意以下不同之处:①控制功能的程序化;②内外环不同的采样频率;③反馈系数改用存储系数表示,其定义为: $Κ = \frac{计算机内部存储值}{物理量的实际值}$ 。

1.2 数字PI调节器

常用的直流调速数字控制器一般采用数字PI控制器。其中,比例部分起快速调节作用,积分部分消除稳态误差。数字PI调节器的脉冲传递函数表达式为:

$G (z) = Κ_{Ρ} + \frac{Κ_{Ι} Τ_{s a m} z}{z - 1} = \frac{(Κ_{Ρ} + Κ_{Ι} Τ_{s a m}) z - Κ_{Ρ}}{z - 1} (4)$

根据G(z)可选择Simulink中的离散环节Discrete Transfer Fcn模块,须注意的是Simulink在离散环节D(z)已加入了2个采样开关和1个零阶保持器,简化了采样系统仿真模型的建立。

1.3 基于Simulink的系统仿真模型

某晶闸管供电的双闭环直流调速系统,直流电机为220 V、136 A、1 460 r/min、Ce=0.132 V·min/r,额定电枢回路电阻R=0.5 Ω,时间常数Tl=0.03 s、Tm=0.18 s,允许过载倍数λ=1.5,晶闸管装置放大系数Ks=40,电流反馈存储系数Kβ=133 A-1,转速反馈存储系数Kα=17 min/r。要求转速无静差,电流环和转速环的超调量均不大于5%。根据以上条件可建立其Simulink的系统动态仿真模型,如图2所示。其中,内、外环的反馈系数采用存储系数Kβ、Kα表示,由此转速环的输入给定值设定为Kαn*=24 820,内、外环调节器后面的限幅器输出值分别设定为λKβIdN=27 132、28 000,晶闸管装置放大系数换成Ks/Kβ=40/133=0.3。对内、外数字PI调节器的KP、KI和Tsam输入一定值,就可得到系统的动态响应特性。

2 控制器参数优化

本实验采用改进单纯形法优化算法、以系统误差为目标函数,对控制器参数在一定空间内进行搜索,以寻找到使目标函数值满足精度指标的参数组合。

2.1 改进单纯形算法简述

改进单纯形法的基本思想是在寻优参数空间中构造一个超几何图形-单纯形,计算此图形各顶点的目标函数值,并比较它们的大小,然后抛弃最坏点,通过反射、扩张、收缩和紧缩等一系列动作,将单纯形翻滚、变形,从而产生一系列的单纯形S1、S2、S3…,逐渐向极小值点靠近。当满足精度指标时,迭代停止,取当前单纯形的“最好点”作为极小点的近似。改进单纯形(单纯形法)在迭代计算中不必计算目标函数的1阶或2阶导数(也不计算差分),也不用一维最优化搜索,因此目标函数和约束条件无特殊要求,程序比较简单,适用性较广。控制系统调节器参数优化原理框图,如图3所示。

2.2 控制器参数优化

本研究采用了“先内环、后外环”的调节器参数优化方法[7,8]。电流环的参数寻优Simulink模型图,如图4所示。其中,目标函数采用了IAE型的改进型Q=(δ%+m)∫ $_{0}^{t_{_{f}}}$ |e(t)dt|(δ是超调量,m是抑制常数),主要是抑制响应曲线的超调量,控制算法采用了默认的变步长ode45,给定信号幅值为27 132,仿真时间为0.5 s,精度为0.001,采样频率为0.01 s。电流调节器参数寻优的初始条件与结果,如表1所示。

电流环数字PI调节器参数确定后,将所得的优化参数重新代入图2中,采用完全类似的方法,对速度环的数字PI调节器参数寻优,得到的速度调节器参数寻优结果,如表2所示。其中,给定值信号幅值为24 820,仿真时间为3 s,精度为0.001,采样频率为0.04 s。

3 系统动态性能

3.1 启动特性分析

启动过程中电机转速的动态特性仿真结果,如图5(a)所示。从图中可知转速超调量为0%,稳态值为1 460 r/min,无静差,调整时间为0.8 s。

启动过程中电机电流的动态特性,如图5(b)所示。电流峰值和稳态值均为194.63 A,振荡一次,调整时间为0.052 s。

3.2 抗扰性能分析

系统电机转速在突加电网电压情况下的动态特性仿真结果,如图6(a)所示。在电网电压大幅度波动Δu=100 V的情况下,系统速降仅为45 r/min(3.1%),恢复时间为0.25 s。

系统对负载的大幅度突变时的动态特性仿真结果,如图6(b)所示。在ΔI=50 A的情况下系统速降仅为73 r/min(5%),恢复时间为8 s。

综合以上性能,控制系统的各项性能指标符合设计要求。

4 结束语

本研究采用计算机仿真设计方法,使得直流调速数字控制系统的设计工作大为简化,几乎无需进行数学运算,方法也极易掌握;由于笔者在数字控制器的参数确定时采用了优化方法,使得控制系统的主要性能得到了较大提高;并且,在系统仿真实验时几乎不作简化,使得各项数据更加接近于实际情况,增强了数据可靠性。

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直流斩波调速系统设计篇7

目前电力拖动在工矿企业、交通运输等领域应用广泛,其中直流电机具有较好的启动性和可控性,但是其调速则是一个重要应用课题。一般电动机的自动调速系统多采用DCS、PLC等计算机控制系统,也有采用通用或智能式PID调节器仪表以及变频器来实现[1]。上述方式尽管技术成熟,运行可靠,但成本高、硬件部分非常复杂、功能单一、系统不灵活、调试困难、功耗大,阻碍了直流电机控制技术的发展和应用推广。为此提出了采用单片机来实现的直流电机调速系统,以简化结构,降低成本,更加智能化,提高可靠性和灵活性。

1 直流电机调速系统硬件组成

如图1 所示,为转速自动控制系统硬件框图,图中采用了AVR单片机中的mega16 芯片作为中央控制单元,本系统除了设有必要的按键输入和数码显示电路外,其转速的检测与控制主要有输入和输出两个通道组成。输入通道: 由图中右上侧的转速传感器、光电隔离电路组成,用来实现转速信号的采集,并把采集到的信号转化为电脉冲信号通过光电隔离电路送到单片机的PB1 口( 计数器T1口) 。输出通道: 主要由光电隔离电路、调压模块、直流电机组成;单片机将处理好的信号,通过PB3( ORC0) 口以脉宽调制方式通过光电隔离电路送到调压模块的输入端,再由调压模块驱动电机进行转动。其中输出通道和输入通道采用光电隔离的目的是切断控制器与被控设备直接的电气联系,增加控制系统的抗干扰能力[2]。

1. 1 输入通道

输入通道主要作用是进行转速测量。目前测量转速的方法分数字式和模拟式两类。数字式通常采用光电感应元件或磁电感应( 磁阻式或霍尔式) 元件等为检测元件,得到的信号是脉冲信号。

数字式中的光电传感器其主要类型有漫反射方式和对射方式两种,其中漫反射方式安装更方便。图2为采用的漫反射方式的转换电路及对应的波形。在电机转轮上涂有黑白相间的条格。如果显示周期为1秒时,涂有12条格的显示分辨率为60/12=5,即是在该分辨率下只能显示间隔为5的转速如5 r/min、10r/min、15 r/min、20 r/min~2 990 r/min、2 995 r/min、3 000 r/min,涂有60条格的分辨率为60/60=1,则能显示间隔为1的转速如1 r/min、2 r/min、3 r/min、4 r/min~2 998 r/min、2 999 r/min、3 000 r/min,可见条格多分辨率高,但对光电探头的频率响应要求也高。例当电机转速达到3 000 r/min时,60个条格的频率为fn=50×60=3 000 Hz。光电检测适用于实验室或对环境要求较高的场合,对于一般场合多采用磁电传感器,但磁电传感器需加工带有凸凹的齿轮盘(如图2虚线部分)且安装在转轴上。在加工和安装上都会增加一定难度,模拟式传感器多采用测速发电机,为了便于光电隔离需将模拟信号通过V/F转换成脉冲信号[3]。如图1虚线所示。光电隔离电路如图3所示,光耦集成块采用线性好的PC817。图3右下侧为输入端与测速传感器连接给出脉冲信号,R102为输入端发光二极管的限流电阻。输出端为光电三极管,集电极接入单片机的PB1专用计数器T1口。

1. 2 输出通道

如图1所示输出通道的主要作用是根据单片机给出的数字信号来控制电机的转速。输出通道的光电隔离同输入通道的光电隔离选用相同的光耦集成块PC817。图4所示为输出信号的光电路隔离电路;光耦块输入端接收单片机给出的0 V ~ 5 V的脉宽调制信号。因为脉宽调制信号是通过占空比来改变输出电压的大小,这样在驱动光耦块中的发光二极管时总是工作在饱和或截止状态,从而克服了发光二极管的非线性对输出控制信号的影响。电位器RW1 和电阻R2 串联构成光耦发光二极管的限流电组,调RW1 可改变输出信号光电流的强度,从而使受控的调压模块的输出电压在允许的可控范围内。电位器RW2 可微调输出电流的启控点。

调压模块一般采用晶闸管移相控制电路[4,5],调压模块输入端受光耦块中光电三极管电流的控制而改变输出电压的大小,根据电压的大小来控制直流电机转速的快慢。

1. 3 控制面板设计

控制面板布局安排力图简约,以方便使用,降低误操作的几率。如图5所示,四个1英寸数码管用来显示四位转速值及控制参数,按钮AN1用来功能切换:转速值→设定值→控制值→手自动切换状态…循环.。其中“设定值”、“手自动状态值”仅维持3 s,“控制值”维持30 s超过后自动返回显示转速值。按键AN2用来进行参数调整:操作时通过“点按”和“按住”加以区分。XD电源指示灯,S1总机电源开关。V可控回路电压表DC 0~220 V,可控回路电流表DC 0~20 A。

2 转速显示及操作流程

转速显示及操作流程见图6所示。一般控制器操作参数根据工作性质分一级和二级参数,比例带δ_xx(xx:0~99%)、积分时间t_xx(xx:0~99 s)为二级参数;定值信号/n xxx(10.0~30.0)×100,控制信号k_xx(xx:0~99%)、手自动切换A_on或A_ok为一级参数;二级参数需由专业人员调整;一级参数由现场工作人员使用。一般二级参数一次性调好后无需调整。如要调整,则在开机前先按住AN1然后再拨动电源开关S1即可。

3 转速负反馈闭环调速系统

单片机构成的转速负反馈闭环调速系统是根据转速给定值sv与转速值pv进行比较,取得偏差e值,并根据偏差值e的性质进行数学运算,然后将运算的结果转换成一个有效的数字量来控制调压模块的电压,从而间接控制直流电机的转速。调节的效果与调节运算规律有着直接关系,在实践中转速调节常采用比例-积分的PI调节规律。另外单片机的闭环控制主要体现在定时中断的程序编制中,定时中断是实现转速检测、脉宽调制输出和实现PI调节规律的关键程序[6]。其流程图见图7所示。由于转速显示的周期和自动调节的采样周期都定为1 s。所以1 s的时间要精确,否则将直接影响测速的准确性和调节输出的效果。故该时间可由外晶振来保证。

4 自动控制系统的软件保护措施

除了硬件要加过流过压保护措施外,软件设计上也要考虑保护措施,软件先于硬件。硬件应作为软件后备保护。在软件设计中可以考虑如下几种保护:

( 1) 检测回路断线保护: 如果投入自动时,控制器已给出控制信号,但转速总为零,偏差总是很大,输出信号会迅速增长,这样造成电机严重过载。因此当“自动”与“转速零”与“输出40% ”条件同时满足时,编制保护程序: ① 使系统发出报警信号② 将输出至零③ 程序锁死只能断电重启。

( 2) 检测回路异常保护: 在实践中经常会出现测速探头没有固定好产生震动错位时会出现转速值远远小于控制器输出值的不正常现象,为此当转速值小于3 000 r/min × 30% = 900 r/min而输出控制值已大于60% 时,编制程序让上述保护程序动作。

( 3) 超速保护: 超速值可根据实际情况进行设定,即当转速大于3 000 r/min × 95% = 2 850 r/min时使上述保护程序动作。

( 4) 过流截止型保护: 将调压模块的输出经分流器检出电流信号,经转换比较电路变换后送到单片机的一个I/O口中进行程序判断; 即当电流超过规定值后该口电平被拉低使保护程序动作。

5 结束语

通过实践检验证明,上述采用单片机实现的直流电机调速系统完全能够达到预期的效果,具有调节效果好,成本低、设备简单,功耗低、灵活性强、安装便捷等优点。适合于转速负荷相对稳定的场合,如院校实训室及一般生产单位的转速自动控制系统,对企事业的小型生产过程自动调节系统的单片机智能设计也有一定的参考价值。对于转速负荷变化大的场合,可引入与转速负荷有关联的电流信号作为辅助反馈信号参与偏差计算,或构建一个具有转速调节和电流调节的串级双闭环回路来进一步稳定调节系统。

参考文献

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[5]栗书贤.电力电子技术实验[M].北京:机械工业出版社,2004.

直流斩波调速系统设计篇8

在我国电力、石化、矿山、冶金及给排水等领域, 风机和泵类负载是应用最广泛、耗电量最大的一类生产机械。据统计, 泵和风机的耗电量占到整个工业用电量的40%以上[1], 而风机、水泵用电量的30%～40%消耗在调节阀门及管网压降上, 这样就造成了电能的巨大浪费。自上世纪80年代以来, 很多国家都致力于交流调速节能技术的研究。目前, 国外的电机串级调速[2]系统结构简单, 基本都可以进行在线实时控制, 而国内采用的是传统的串级调速系统。数字芯片因具有极其高的精确性和低损耗特性, 数字化控制是工业控制的发展方向。目前应用的数字可编程逻辑芯片中, 单片机和DSP是应用的主流, DSP芯片因其强大的数控能力和高稳定性, 已逐渐成为高端产品的主选目标[3]。

因此, 笔者研究基于DSP的斩波式内反馈串级调速系统。

1 串级调速的工作原理

1.1传统的串级调速系统

传统串级调速系统主电路示意图如图1所示。电机转差功率经二极管整流器UR、平波电抗器L滤波, 从晶闸管逆变器UI逆变, 再过逆变变压器TI返回电网。通过改变晶闸管的移相角度来改变附加直流电动势的大小, 从而调节电机转速。这种拓扑结构的不足表现为[4]:

(1) 器件容量较大。虽然调速装置容量理论上比电机容量小得多, 但二极管整流器UR、晶闸管逆变器UI都必须按最大电压和电流之积来选取 (大约为一半的电机额定功率) , 则相应的逆变变压器容量将更大。

(2) 功率因数比较低, 谐波含量比较大。随着调速范围的变化, 逆变器的移相角也需要发生变化, 以用于平衡直流母线电压, 这就使得调速范围越宽, 功率因数越低 (额定工作时大概为0.6～0.65左右) , 同时谐波含量也比较大。

(3) 需要外接逆变变压器。由于逆变变压器容量不能太小, 并且在逆变侧需要配套的控制设备, 这就使得设备体积变得比较庞大。

1.2斩波式内反馈串级调速系统

斩波式内反馈串级调速系统主电路示意图如图2所示。整流器UR为二极管整流桥, Ud为三相整流电路的输出电压, 电感L1的作用是滤波。斩波式串级调速系统与普通串级调速系统的区别是在直流回路中增加了开关器件IGBT、隔离二极管D和滤波电容C, 此3个元件构成升压斩波电路[5]。电感L2的作用是维持逆变器的电流连续。逆变器UI为6个可控硅, 始终工作在最小逆变角30°状态[6], 因此这种拓扑结构是通过改变斩波器IGBT的占空比大小来调节电机转速, 即改变串入转子的附加电势来改变电动机的转速, 而不是通过改变晶闸管逆变器移相角来改变电机转速, 此时逆变器的触发角为允许的最小逆变角。

斩波器电流波形如图3所示, 设IGBT斩波器的工作周期为T, 在τ时间里, 斩波开关闭合, 整流桥UR被短路, 而在T-τ的时间里, 斩波开关断开。整流桥的输出电压为:

Ud=2.34sE20 (1)

Uy=2.34U2Tcos βmin (2)

式中 E20—电机转子开路电压;U2T—调谐绕组电压。

经斩波器输出至整流桥的电压应与整流桥的电压相等, 则有:

式中 n—电机转数;n0—电机同步转数。

由式 (3) 和式 (4) 得:

$n = n_{0} [(1 - \frac{τ}{Τ}) \frac{U_{Τ 2}}{E_{20}} \cos β]$ (5)

由式 (5) 可知, 改变斩波器开关闭合时间就可以改变电机转速。当τ=T时, 也就是斩波器开关一直处于闭合状态, 即把异步电动机转子短路时, 电动机达到同步转速 (空载状态) , 而当τ=0时, 斩波器开关一直处于断开状态, 则异步电动机工作在串级调速状态下的最低转速[7]。

与传统串级调速相比, 内反馈斩波串级调速系统的优点如下:

(1) 晶闸管逆变器的移相角都固定在最小逆变角βmin=30°。实际测得的逆变角30°时的波形如图4所示, 由图4右端Δt=1.7 ms可求得实际的最小逆变角, $β_{\min} = \frac{1.7 m s}{20 m s} \times 360 ° = 30.6 °$ , 与理论值相差0.6°, 该误差可以忽略。电容电压UC为固定值, 因此在50%～100%的调速范围内, 即使逆变器UI容量和电机辅助绕组容量都按转子最大输出功率计算, 也只有0.3倍左右的电机额定功率 (通常电机转子功率只占整个电机功率的30%左右) , 比传统串级调速小得多。不过二极管整流器UR、斩波器容量仍按最大电压和最大电流选取。

(2) 由于晶闸管逆变器移相角不管速度高低, 都固定在最小逆变角, 并且容量比较小, 因而它产生的无功远小于传统串级调速系统, 其功率因数比较高, 可以达到0.8左右。

2 主处理器模块

本设计采用TI公司的浮点型DSP芯片TMS320F-28335作为主处理器[8], 主频工作在150 MHz。与单片机相比, DSP是具有较高的集成度、更快的速度和更大容量的存储器, 其内置有波特率发生器和FIFO缓冲器, 并提供高速、同步串口和标准异步串口。片内集成了A/D和采样/保持电路, 可提供PWM输出。TMS320F28335采用改进的哈佛结构, 具有独立的程序和数据空间, 允许同时存取程序和数据。其内置的高速硬件乘法器及增强的多级流水线提高了数据运算能力。TMS320F28335比16位单片机单指令的执行时间快8～10倍, 而完成一次乘加运算则快16～30倍。TMS320F28335还提供了高度专业化的指令集, 提高了FFT快速傅里叶变换和滤波器的运算速度。同时浮点型的TMS320F28335芯片提高了运算精度, 由于该调速系统中多处用到A/D采样电压和电流的值, 且需要实时监控、快速运行相关的公式来作出相应的动作及要求数据处理精度较高。

3 PWM信号

TMS320F28335有专门产生PWM信号的引脚和寄存器, PWM信号控制IGBT的导通和关断[9], 由于改变斩波器开关闭合时间就可以改变电机转速, 所以改变PWM信号也可以改变电机的转速。

PWM波形产生流程如下:

(1) 初始化DSP的PWM引脚;

(2) 将DSP相应的引脚配置为PWM输出引脚;

(3) 初始化PIE中断向量表;

(4) 禁止和清除所有CPU中断;

(5) 配置PWM的相关参数。

下面是PWM的主程序:

上面这段程序主要说明了PWM信号的脉宽随着斩波IGBT占空比的变化而变化。ulDuty为斩波IGBT的占空比, 当斩波IGBT高电平的占空比超过一个周期的频率时, 设置PWM的脉宽一直为高电平;反之则将IGBT高电平的占空比的值赋给EPwm5Regs.CMPA.half.CMPA, 该寄存器里的值决定了PWM信号脉冲的宽度。

4 实验

在本研究中, 实验所用2台电机型号均为YZR132M1绕线式电机。电机的负载均为额定功率1.5 kW的风机, 第1台采用传统的内反馈串级调速系统控制, 第2台采用斩波内反馈串级调速系统控制。

两种串级调速系统控制的风机耗电量比较如表1所示。由表1可知, 通过3个月的运行, 在运行条件相同的条件下, 斩波式内反馈串级调速系统控制的风机比传统的内反馈串级调速系统控制的风机的耗电量减少7%左右, 经济效益比较可观。

5 结束语

本研究实验证明带斩波模块的内反馈串级调速系统通过改进其转子侧功率的控制方式, 使系统的效率得到了进一步的提高。与传统串级调速系统相比, 它具有成本低、结构简单等优点。因此, 斩波式内反馈串级调速系统对风机、水泵类负载的节能调速具有重要的意义。但该斩波式内反馈串级调速系统仍有待改进, 如逆变器仍采用晶闸管, 依然存在一个最小逆变角的问题, 同时功率因数不够高;定子电流中依然存在晶闸管逆变器产生的5、7次谐波及二极管整流器UR产生的低频谐波等问题。

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