双闭环直流调速系统的设计

1、运运 动动 控控 制制 期期 中中 作作 业业 - 转速双闭环直流调速系统的设计转速双闭环直流调速系统的设计 电气与控制工程学院 自动化 1003 班 王义 1006050323 转速电流双闭环直流调速系统设计转速电流双闭环直流调速系统设计 1.1. 已知参数已知参数 有一专转速电流双闭环直流调速系统，主电路采用三相桥式整流。已知电 动机参数为：pn=500kw，un=750v，in=760a，nn=375r/min 电动势系数 ce=1.82vmin/r，电枢回路总电阻 r=0.14,允许电流过载倍数 =1.5，触发 整流环节的放大倍数 ks=75,电磁时间常数 tl=0.031,机电时间常

2、数 tm=0.012s, 电流反馈滤波时间常数 toi=0.002s，转速反馈滤波时间常数 ton=0.02s。设调 节器输入输出电压 u*nm=uim=uom=10v,调节器输入电阻 ro=40k。 2.2.设计指标设计指标 稳态无静差，电流超调量 i 5%；空载起动到额定转速时的转速超调量 n 10%。 3.3. 设计要求设计要求 1）运用调节器工程设计法设计 asr 和 acr,达到系统的设计指标，得到 asr 和 acr 的机构与参数。电流环设计为典 1 系统，并取参数 kt=0.5，转速换设计 为典 2 系统； 2）用 matlab 对上述设计的直流双闭环调速系统进行仿真，给出仿真结

3、果； 3）设计出上述设计的直流双闭环调速系统的完整硬件实现原理图，原理图采用 protel 软件画图； 4）说明原理图实现上诉直流调速系统的原理； 5）给出原理图每个元件的型号和值，并说明选择依据； 6）系统控制部分可以采用模拟电路或者微处理器实现。若采用微处理器实现， 要说明软件实现流程以及核心软件的算法； 7）整个设计报告采用 a4 纸打印，标题采用宋体四号，正文采用宋体小四。 设计内容设计内容 一一. .双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析 1.1. 双闭环直流调速系统的动态数学模型双闭环直流调速系统的动态数学模型 双闭环直流调速系统的动态

4、结构图，如图 1 所示。图中和)(swasr 分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。)(swacr 图 2 双闭环直流调速系统的动态结构图 2.2. 起动过程分析起动过程分析 双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的 * n u 动态过程示于图 2。由于在起动过程中转速调节器 asr 经历了不饱和、饱和、 退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的 i、ii、iii 三个阶段。 图2双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形 n o o t t idm idl id n* iii iii t4 t3 t2 t1 第第 i i 阶段（阶段（）是电流上升阶段）是电流上升阶段

5、。突加给定电压后，、 1 0t * n u c u 0d u 都上升，在没有达到负载电流以前，电机还不能转动。当后， d i d i dl i dld ii 电机开始起动，由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器 asr 的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值， nnn uuu * im u 强迫电流迅速上升。直到，电流调节器很快就压制了的 d i dmd ii * imi uu d i 增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，asr 很快进入并保持饱和状态， 而 acr 不饱和。 第第 iiii 阶段（阶段（）是恒流升速阶段）是恒流升速阶段，asr 饱和，转速环相当于

6、开环，在 21 tt 恒值电流给定下的电流调节系统，基本上保持电流恒定，因而系统的加 * im u d i 速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电机的反电动势 e 也按线性增长，对 电流调节系统来说，e 是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，和 0d u 也必须基本上按线性增长，才能保持恒定。当 acr 采用 pi 调节器时，要 c u d i 使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值， iimi uuu * 也就是说，应略低于。 d i dm i 第第阶段（阶段（以后）是转速调节阶段以后）是转速调节阶段。当转速上升到给定值时，转 2 t 0 * nn 速调节器 asr 的输

7、入偏差减小到零，输出维持在限幅值，电机仍在加速， * im u 使转速超调。转速超调后，asr 输入偏差电压变负，开始退出饱和状态，和 * i u 很快下降。但是，只要仍大于负载电流，转速就继续上升。直到= d i d i dl i d i 时，转矩，则dn/dt=0，转速 n 才到达峰值（时） 。此后，电动 dl i le tt 3 tt 机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在时间内，直到稳定。 43 tt d i dl i 如果调节器参数整定得不够好，也会有一段振荡过程。在这最后的转速调节阶 段内，asr 和 acr 都不饱和，asr 起主导的转速调节作用，而 acr 则力图使 尽快地跟随

8、其给定值。 d i * i u 双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：饱和非线性控制；转速饱和非线性控制；转速 超调；准时间最优控制超调；准时间最优控制。 3.3. 动态抗扰性能分析动态抗扰性能分析 一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最 重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。 1 1、抗负载扰动、抗负载扰动 负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器 asr 来产生抗负载扰 动的作用。 图 3 抗负载扰动 2 2、抗电网电压扰动、抗电网电压扰动 电网电压变化对调速系统也产生扰动作用。双闭

9、环系统中，由于增设了电 流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节。 图 4 抗电网电压波动 4.4. 转速和电流两个调节器的作用转速和电流两个调节器的作用 1.1. 转速调节器的作用转速调节器的作用 (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, * n u 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。 2.2. 电流调节器的作用电流调节器的作用 (1) 作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，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

10、量）变化。 * i u (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。 二二.asr.asr 和和 acracr 的工程设计：的工程设计： 1.acr1.acr 的设计和校验：的设计和校验： 1.确定时间常数 已知，所以电流环小时间常数sts0017 . 0 stoi002 . 0 =0.0017+0.002=0.0037s。 oisi ttt 2. 选择电流调节器的

11、结构 因为电流超调量，并保证稳态电流无静差，可按典型 系统设计电%5 i 流调节器，电流环控制对象是双惯性型的，故可用 pi 型电流调节器 。 s k sw i ii acr 1s 3. 电流调节器参数计算： 电流调节器超前时间常数 i=0.031s，又因为设计要求电流超调量 l t ，且有=0.5，%5 i ii tk 所以=， i k i t 5 . 0 1 1 . 135 0037 . 0 5 . 0 s =0.0088 5 . 1 10 7605 . 1 10 所以 acr 的比例系数 = s ii i k rk k89 . 0 0088. 075 14 . 0 031 . 0 1 .

12、135 4.校验近似条件 电流环截止频率=135.1。 ci w i k 1 s 晶闸管整流装置传递函数的近似条件： ，满足条件。 1 1 . 196 0017 . 0 3 1 3 1 s ts ci w 忽略反电动势变化对电流环动态影响条件： ，满足条件。 ci lm ws tt 1 91.50 031 . 0 112 . 0 1 3 1 3 电流环小时间常数近似处理条件： ，满足条件。 is tt 1 3 1 ci ws 1 8 . 180 002 . 0 0017 . 0 1 3 1 5.计算调节器的电阻和电容 运算放大器的=40， 0 rk 有=0.89 40=35.6，取 35， 0

13、 rkr ii kk ，取 1，f kr c i i i 9 . 0 35 031 . 0 f ，取 0.2。查得f kr t c oi oi 2 . 0 40 002 . 0 44 0 f%5%3 . 4 n 故=，其结构图 5 所示： s sk sw i ii acr 1 s s 031 . 0 1031 . 0 89 . 0 图 5 电流调节器 2.asr2.asr 的设计和校验：的设计和校验： 1. 确定时间常数： 有则。, 5 . 0 ii tksst k i i 0074 . 0 0037 . 0 22 1 已知转速环滤波时间常数=0.02s，故转速环小时间常 on t st k

14、t on i n 0274 . 0 02 . 0 0074 . 0 1 2.选择转速调节器结构： 按设计要求，选用 pi 调节器 s sk sw n nn asr 1 3.计算转速调节器参数： 按跟随和抗干扰性能较好原则，取 h=5,则 asr 的超前时间常数为： ，sht nn 137 . 0 0274 . 0 5 转速环开环增益 。 22 2222 84.159 0274 . 0 52 6 2 1 ss th h k n n 因为，所以 asr 的比例系数为：03 . 0 375 10 392.10 0274 . 0 14 . 0 027 . 0 52 112 . 0 82 . 1 008

15、8 . 0 6 2 1 n me n rth tch k 4.检验近似条件 转速环截止频率为332 . 1 137 . 0 72 . 9 1 nn n cn k w k w 1 s 电流环传递函数简化条件为: ，满足条件。 cn i i ws t k 1 7 . 63 0037 . 0 1 . 135 3 1 3 1 转速环小时间常数近似处理条件为： ，满足近似条件。 cn on i ws t k 1 4 . 27 02 . 0 1 . 135 3 1 3 1 5.计算调节器电阻和电容： 取=40， 0 rk 则，取 415。krkr nn 68.41540392.10 0 k ，取 0.3。

16、f kr c n n n 33 . 0 415 137 . 0 f ，取 2。f kr t con2 40 02. 044 0 on f 故。其结构图如 6 所示： s s s sk sw n nn asr 137. 0 1137. 0392.101 图 6 转速调节器 6.校核转速超调量： 由 h=5，查得，不满足设计要求，应使 asr 退饱和重%10% 6 . 37 n 计算。设理想空载 z=0，h=5 时，查得=81.2%，所以： n b c cmax =2（） （）= n b c c max z m nn t t n n %10%29 . 9 112 . 0 0274 . 0 375

17、82 . 1 14 . 0 760 1.5% 2 . 812 可以满足设计要求. 三三.matlab.matlab 的仿真：的仿真： 1.1.电流环仿真设计电流环仿真设计：校正后电流环的动态结构框图成了如图 7 的典型形式： 其中 r kk k i si i 图 7 校正后电流环动态结构 在 matlab 中搭建好系统的模型，如图 8 所示： 图 8 电流环系统模型 仿真结果如下图 9 所示： 图 9 电流环仿真结果 2.2.转速环的仿真设计：转速环的仿真设计： 在增加转速环调节后，转速环开环传递函数如下： ) 1( ) 1( )( n 2 nn n sts sk sw 校正后的调速系统动态结

18、构框图如图 10 所示： 其中 men n n tc rk k 图 10 校正后电压环动态结构 在 matlab 中搭建好系统的模型，如图 11 所示： 图 11 电压环系统模型 仿真结果如下图 12 所示： 图 12 电压环仿真结果 3.3.双闭环仿真设计：双闭环仿真设计： 双闭环直流调速系统的动态结构框图如图 13 所示： 图 13 双闭环直流调速系统动态结构 在 matlab 中搭建好系统的模型，如图 14 所示： 图 14 双闭环系统模型 仿真结果如下图 15 所示： 图 15-1 双闭环仿真结果(转速) 图 15-2 双闭环仿真结果(电流) 四四. .电路原理图设计及说明：电路原理图

19、设计及说明： 图 16 为转速、电流双闭环调速系统的原理图。图中两个调节器 asr 和 acr 分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把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整流器的触发装置。 电流环在内，称之为内环；转速环在外，称之为外环。 两个调节器输出都带有限幅，asr 的输出限幅什 uim决定了电流调节器 acr 的给定电压最大值 uim，对就电机的最大电流；电流调节器 acr 输出限幅电压 ucm限制了整流器输出最大电压值，限最小触发角 。 图 16 转速、电流双闭环调速系统的原理图 1.1.转速给定电路设计转速给定电路设计： 转速给定电路主

20、要由滑动变阻器构成，调节滑动变阻器即可获得相应大小 的给定信号。转速给定电路可以产生幅值可调和极性可变的阶跃给定电压或可 平滑调节的给定电压。其电路原理图如图 17 所示。 图 17 转速给定电路原理图 2.2.转速检测电路设计转速检测电路设计： 转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号， 滤除交流分量，为系统提供满足要求的转速反馈信号。转速检测电路主要由测 速发电机组成，将测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可 获得与转速成正比的电压信号，经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈 回系统。其原理图如图 18 所示。 图 18 转速检测电路原理图 3.3.电

21、流检测电路设计电流检测电路设计： 电流检测电路的主要作用是获得与主电路电流成正比的电流信号，经过滤 波整流后，用于控制系统中。该电路主要由电流互感器构成，将电流互感器接 于主电路中，在输出端即可获得与主电路电流成正比的电流信号，起到电气隔 离的作用。其电路原理图如图 19 所示。 图 19 电流检测电路原理图 五五. .设计心得：设计心得： 双闭环调速系统起动过程的电流和转速波形是接近理想快速起动过程波形 的。按照 asr 在起动过程中的饱和情况，可将起动过程分为三个阶段，即电流 上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。从起动时间上看，阶段恒流升速 是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速起动，