- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Ud =
L
d
dId dt
+
IdR d +
C e8
(6)
式中 U d ——电枢电压
L d ——电枢回路电感
I d ——电枢电流
R d ——电枢回路总电阻
C e——由电机结构决定的电势系数, V ·S
rad 8 ——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
J
d8 dt
=
M
-
Mf
(7)
3 晶闸管相控调压调速系统
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。
速度控制环节根据速度给定和反馈二者的偏
大大降低了硬件的复杂程度, 同时提高了系统的稳 差, 经数字 P I 控制电枢电流, 从而使电机转速与设
定性。
定相同, 即实现系统的速度控制。 图 4 及图 5 所述
本文所研究的直流电机数字控制调速系统采 原理要由 80C196KC、晶闸管等组成的硬件电路及
用了传统的速度、电流双闭环结构, 控制功能由软 配合硬件的控制软件实现, 这些内容将另文述及。
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 U d; 改变励磁电压 U l (即改变励
磁磁通 5 ); 改变励磁回路电阻 R f ; 改变电枢回路
总电阻 R d。
这四种调速方案的特点介绍如下:
(1) 改变电枢电压 U d
相当于改变机械持性的起始点 n0 的大小, 而
1 8
全数字直流电机调速系统的原理及数学模型
式中 J —— 电动机轴上 (包括负载折算过来的)
转动惯量
8 ——电动机角速度 M ——电动机轴的电磁力矩 M f ——电动机轴的负载力矩 当磁通不变时, 有
M = Cm Id
(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
T dTm
d2n d t2
+
Tm
固有的温漂、零漂等的
电流控制环节的给定为速度调节器的输出, 该
影响, 我们采取了全数字化调速系统。 控制系统核 环节根据电流给定和反馈, 经数字 P I 控制晶闸管
心部分采用了 16 位单片机 80C196KC 构成, 由于 的触发角, 从而实现对电枢电流的控制。
它集成了许多以往被认为是外围器件的电路, 所以
31111 双闭环调速系统静特性 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) 速度调节器 ST 不饱和时 两个调节器的输入偏差均为零, 所以U gn= U f n
= an
或
n=
U gn
Α
(2)
式中 a ——速度反馈系数
311 转速、电流双闭环调速系统 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。
图 1 双闭环调速系统原理图 ST: 转速调节器 L T: 电流调节器 SF: 速度反馈设备 TA : 交流变送器 U gn: 转速给定的电压信号 U f n: 转速反馈的电压信号 U g i: 电流给定的电压信号 U f i: 电流反馈的电压信号
传递函数可以表示为
W z (S ) = K z e- ΣzS
(13)
式中 K z ——晶闸管整流器放大倍数
Σ—— 晶闸管整流器时间常数
考虑到一般 Σz 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
W z (S ) =
Kz
ΣzS +
1
(14)
所以双闭环系统的动态结构图如图 4 所示。
示为
W i (S ) =
K
i
ΣiS + ΣiS
1
(11)
式中 K i ——电流调节器放大倍数
Σi —— 电流调节器时间常数
对于速度闭环, P I 调节器的传递函数可以表
示为
W n (S ) =
K
n
ΣnS + ΣnS
1
(12)
式中 K n ——速度调节器放大倍数
Σn ——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,
L iang Y ibo,W ang Zhengmao, He Tao
Abstract: T he p ap er exp la in s the p resen t situa t ion of d ig ita l sp eed govern ing sy stem fo r DC m o to r bo th a t hom e and ab road. O n the ba sis of fundm en ta l fo rm u la of DC m o to r, it exp la in s the theo ry, m a them a t ica l m odel and dynam ic st ructu re fo r sp eed and doub le clo se sp eed con t ro l sy stem of cu rren t. A nd it g ives the sy stem funct iona l fram e on the ba sis of 80C196KC SCM .
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。
Key words: DC m o to r D ig ita l con t ro l Sp eed govern ing
1 直流电机数字控制调速系统 的发展概况
目前, 国外主要电气公司, 如瑞典的 ABB 公 司、德国的西门子公司、A EG 公司、日本的三菱公 司、东芝公司、美国的 GE 公司、西屋公司等, 均已 开发出全数字直流调速装置, 有成熟的系列化、标 准化、模版化的应用产品供选用。
W D (S ) =
1 Ce T m T dS 2 + T mS +
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。
图 3 直流电动机的动态结构图
31212 转速、电流双闭环调速系统的分析 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 P I 控制。 对于电流闭环, P I 调节器的传递函数可以表
2 0
全数字直流电机调速系统的原理及数学模型
《中小型电机》2001, 28 (6)
图 4 双闭环系统的动态结构图
4 直流电机数字控制调速系统的 组成
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、触发晶闸管。
件实现。 结构如图 5 所示。
参考文献
图 5 基于 80C19KC 的直流电机数字控制调速系统 功能框图
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
1 ce U d
(9)
式中 T d ——电枢回路的电磁时间常数
T d=
Ld Rd
T m ——机电时间常数
Tm=
JRd = C eCm
GD 2R d 375C eCm
GD 2 —— 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:
其对应的特性如图 226 中 n0 ——A 段所示。
同时,
U g i= U f i= ΒI d
(3)
且
U g i< U g im
所以
I d < I dm
图 2 双闭环调速系统的静特性
式中 I dm ——电枢电流最大值 U g im —— 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
在双闭环调速系统中, 电流调节器L T 和转速 调节器 ST 均为具有输出限幅的 P I 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 L T 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。
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。
312 转速、电流双闭环调速系统的分析 31211 直流电机的数学模型 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
