双闭环直流调速系统 的设计及其仿真

1、课程设计说明书 NO.14 双闭环直流调速系统的设计及其仿真 班 级：自动化 学 号： 姓 名： 目 录1前言 31.1课题研究的意义31.2课题研究的背景32总体设计方案32.1 MATLAB 仿真软件介绍32.2设计目标42.3系统理论设计 52.4仿真实验 92.5仿真结果103结论124参考文献 131 前言1.1 课题研究的意义现代运动控制技术以各类电动机为控制对象，以计算机和其他电子装置为控制手段，以电力电子装置为弱电控制强电的纽带，以自动控制理论和信息处理理论为基础，以计算机数字仿真和计算机辅助设计为研究和开发的工具。直调调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。就目前而言

2、，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式，在许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。且直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。所以加深直流电机控制原理理解有很重要的意义1。1.2课题研究的背景电力电子技术是电机控制技术发展的最重要的助推器,电力电机技术的迅猛发展,促使了电机控制技术水平有了突破性的提高。从20世纪60年代第一代电力电子器件-晶闸管(SCR)发明至今,已经历了第二

3、代有自关断能力的电力电子器件-GTR、GTO、MOSFET,第三代复合场控器件 - IGBT、MCT等,如今正蓬勃发展的第四代产品-功率集成电路(PIC)。每一代的电力电子元件也未停顿, 多年来其结构、工艺不断改进,性能有了飞速提高,在不同应用领域它们在互相 竞争,新的应用不断出现。同时电机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使电动机控制技术在近二十多年内发生了天翻地覆的变化2。2 总体设计方案2.1MATLAB 仿真软件介绍本设计所采用的仿真软件是MATLAB。MATLAB是美国MathWorks

4、公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB应用非常之广泛！MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。主要的优势特点为： 高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来；具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化；友好的用户界面及接近数学表达式的

5、自然化语言，使学者易于学习和掌握； 功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等) ，为用户提供了大量方便实用的处理工具。2.2设计目标设计一个双闭环直流调速系统，利用晶闸管供电，整流装置采用三相桥式电路，调速范围D=10，要求:静差率5%；稳态无静差，电流超调量i5%，电流脉动系数si10%；启动到额定转速时的转速退饱和超调量n10%1 3。直流电动机数据：额定功率：29.92KW，额定电压：220V，额定电流：136A，额定转速： 1460r/m，Ce=0.132Vmin/r 允许过载倍数：=1.5晶闸管装置放大系数：Ks=40电枢回路总电阻： R=1时间常数：机电时间常数：Tm=

6、0.18s电磁时间常数: Tl=0.03s电流反馈系数：=0.05V/A转速反馈系数：=0.007Vmin/r 转速反馈滤波时间常数：Ton=0.005s，Toi=0.005s h=52.3系统理论设计：在双闭环系统中应该首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作转速调节系统中的一个内环节，再设计转速调节器。这样的系统能够实现良好的静态和稳态性能，结构简单，工作可靠，设计和调试方便，达到本课程设计的要求。图1 双闭环直流调速系统的动态结构图2.3.1电流调节器设计(1)确定时间常数整流装置滞后时间常数Ts：三相电路的平均失控时间Ts=0.0017s 电流滤波时间常数Toi：Toi=0.002s

7、电流环小时间常数之和Ti：按小时间常数近似处理，取为：Ti=Ts+Toi=0.0037s (2)选择电流调节器结构根据设计要求i5%，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：WACRs=Ki(is+1)is 检查对电源电压的抗扰性能：TlTi0.030.00378.11 符合典型I型系统动态抗扰性能，并且各项性能指标都是可以接受的。(3)计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：i=Tl=0.03s 电流环开环增益：要求i5%时，按表1，应取KITi=0.5，因此：KI=0.5Ti=0.50.0037s-1135.

8、1s-1 于是，ACR的比例系统为： Ki=KIiRKs=135.10.030.5400.51.013 (4)检验近似条件电流环截至频率： ci=KI=135.1s-1 校验晶闸管整流装置传递函数近似的条件为： 13Ts=130.0017s-1196.1s-1 ci 满足近似条件校验忽略反电动势对电流环动态影响的近似条件为：31TmTl=310.180.03s-140.82s-1ci 满足近似条件(5)计算调节器电阻电容按所用的运算放大器取得R0=40K各电容和电阻值为：Ri=KiR0=1.01340K=40.52K 取40K Ci =iRi=0.0340103F=0.75F 取0.75FCo

9、i =4ToiR0=40.00240103F=0.2F 取0.2F 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为：i=4.3%5%（见表1） 满足设计要求。2.3.2转速调节器设计（1） 确定时间常数电流环等效时间常数1KI。取KITi=0.5，则： 1KI=2Ti=20.0037s=0.0074s 转速滤波时间常数Ton。根据所用测速发电机波纹情况，取：Ton=0.01s转速环小时间常数Tn。按小时间常数近似处理，取：Tn=1K1+Ton=0.0074+0.01=0.0174s（2）选择转速调节器结构按设计要求，选用PI调节器，其传递函数为： WACRs=Kn(ns+1)ns （3）计算

10、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：n=hTn=50.0174s=0.087s 并且求得转速环开环增益为：KN=h+12h2Tn2=62520.01742s-2396.4s-2 则可得ASR的比例系数为：Kn=(h+1)CeTm2hRTn=60.050.1320.18250.0070.50.017411.7 （4）校验近似条件转速截止频率为：cn=KN1=KNn=396.40.087s-1=34.5s-1 电流环传递函数简化条件为： 13KITi=13135.10.0037s-163.7s-1cn 满足简化条件转速环小时间常数近似处理条件为：

11、13KITon=13135.10.01s-138.7s-1cn 满足简化条件（5）计算调节器电阻和电容按所用的运算放大器取R0=40K。则：各电容和电阻值为：Rn=KnR0=11.740K=468K 取470K Cn =nRn=0.087470103F=0.185F 取0.2FCon =4TonR0=40.0140103F=1F 取1F （6）校核转速超调量当h=5时，由书表3-4可以查得：n=37.6%，这并不能满足设计要求。实际上，由于表3-4是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR已经饱和，不符合如今系统的前提要求，所以应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。ASR退饱和计算如下：n

12、=CmaxCbnbn*=2CmaxCb(-z)nNn*TnTm （3-1）当h=5时，由书表3-5可以查得CmaxCb=81.2%,代入式（3-1）得n=281.2%1.51360.50.13214600.01740.188.31%10%满足设计要求。表1 典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间tp8.3T6.2T4.7T3.6T相角稳定裕度76.376.369.965.559.251.8截至频率

13、0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.789/T2.4仿真实验为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，如图2所示。图2 转速、电流双闭环直流调速系统结构图2中，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。这就形成了转速、电流双闭环调速系统综上所述，采用转速，电流双闭环直流调速系统能更好的完成本题的设计要求，现采用转速，电流双闭环直流调速系统进行设计，如图2所示。用MATLAB的SUMLI

14、NK模块做的双闭环调速系统仿真模型图如图3所示：图3 双闭环调速系统仿真模型图2.5仿真结果图4电流环无超调的仿真结果图4是以KT=0.25的关系式按典型I型系统的设计方法得到了PI调节器的传递函数为0.5067+16.89s，很快的得到了如图四所示的仿真结果，无超调，但上升时间长。图5 电流环超调量较大的仿真结果图5是以KT=1.0的关系式按典型I型系统的设计方法得到了PI调节器的传递函数为2.027+67.567s，很快的得到了如图四所示的仿真结果，超调大，但上升时间短。图6 高速启动波形图图6中实线表示电流，虚线表示转速，是以转速环的传递函数为11.7+134.48s，以电流环的传递函数

15、为2.027+67.567s得到的仿真结果图，启动时间长，退饱和超调量减少。观察图4和图5可知，在直流电动机的横流升速阶段，电流值低于额定值，其原因电流调节系统受到电动机反电动势的扰动。3 结论通过对双闭环系统的仿真波形的分析，可知其起动过程可分三个阶段来：第阶段：电流上升阶段。突加给定电压Un*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n*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

16、，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定Uim*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Ui*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4。根据仿真波形，我们可以对转速调节器和电流调节器在双闭

17、环直流调速系统中的作用归纳为： 1转速调节器的作用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。对负载变化起抗扰作用。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。对电网电压的波动起及时抗扰的作用。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

18、5。经过这次课程的设计，使我明白了一门课程设计对学好该门课程的重要性。同时也感觉到自己在实践动手能力方面的缺陷与不足，因此我将会在以后的学习和工作中不断来加强这方面的锻炼。这次课程设计的时间虽说是短暂的，但在这几天中我学会了不少的东西，首先对直流双闭环调速系统有了更深的认识，加深了理解，是对课堂所学知识的一次很好的应用。通过这次课程设计，我不仅在知识上有了进一步的巩固和提高，在求学和研究的心态上也有不小的进步。我想无论是在学习还是在生活上只有自己有心去学习和参与才可能有收获，这也算是这次设计给我的一点小小的感悟。总之，在设计过程中，我不仅学到了以前从未接触过的新知识，而且学会了独立的去发现，面对，分析，解决新问题的能力，不仅学到了