电拖课设报告

1、课 程 设 计课程名称电力拖动与运动控制课程设计题目名称直流双闭环调速系统的计算机仿真专业班级xx级xxx（x）班学 号xxxxxxxx学生姓名xxx指导教师2016年12月 22 日13直流双闭环调速系统的设计与仿真 1. 设计内容及要求设计一个由三相零式晶闸管装置供电的转速、电流双闭环调速系统，其基本数据如下：直流电动机:=220V, =100A, =1460r/min, =0.122Vrpm.l 三相桥式主回路总电阻：R=0.46l 晶闸管装置放大倍数：=40l 电磁时间常数： =0.03sl 机电时间常数：=0.182sl 转速反馈系数：=0.007Vrpm.l 转速反馈滤波时间常数：

2、=0.002s，=0.012sl 额定转速是的给定电压：=15Vl 调节器的饱和输出电压：10Vl 电流反馈系数Ki=0.05V/A,l 电流滤波时间常数=0.002s,l 转动惯量GD2=22.5N·m, l 励磁电压=220V,l 励磁电流=1.5A,l 平波电抗器的电感为Ld=10mH。(1) 静态指标：调速范围D=100，静差率。(2) 动态指标：电流超调量6%，空载起动到额定转速时的转速超调量6%。转速上升时间小于0.5秒，动态恢复时间小于1秒，振荡次数小于23次。2. 参数的选取与计算为了减小整流器谐波对同步信号的影响，宜设三相交流电源电感Ls=0H，直流电动机励磁由直流

3、电源直接供电。触发器（6-Pulse）的控制角（alpha_deg）由移相控制信号Uc决定，移相特性的数学表达式为在本模型中取min=30，Ucmax=10V，所以=90-6Uc。在直流电动机的负载转矩输入端TL用Step模块设定加载时刻和加载转矩。由公式：得到：电机的内阻为：所以整流器的内阻为：Rrec=R-Ra=0.46-0.419=0.041（）。供电电源电压为：电动机的参数有：励磁电阻为：Rf=Uf/If=220/1.5=146.7()励磁电感在恒定磁场控制时可取“0”。电枢电感有下式估算出：电枢绕组与励磁绕组之间的互感：KT=60Ke/2=60×0.122/2=1.17（s

4、）Laf=KT/If=1.17/1.5=0.78(H)电机的转动惯量为：J=GD2/4g=22.5/(4×9.81)=0.57（kg·m2）额定负载转矩： TL=KT*In=1.17×100=117（N·m）电流调节器ACR参数的计算：电流环时间常数之和T1=Ts+Toi=0.00167+0.002=0.00367（s）ACR的传递函数为其中时间常数i=T1=0.03s比例系数积分系数 Kii=Kpi/i =1.02/0.03=34转速调节器ASR参数的计算：电流环等效时间常数 2Tl=2×0.00367=0.00734s转速环时间常数之和Tn

5、=2Tl+Ton=0.00734+0.012=0.01934sASR的传递函数为其中时间常数n=h*Tn=5×0.01934=0.0967s比列系数积分系数 Kin=Kpn/n =10.696/0.0967=110.6（选择中频段宽度）综合上述的数据我们得到如下一张表格：模块参数名参数三相电源（Three-Phase Source）Phase-to-pahse rms voltage/V110Phase angle of phase A/degrees0Frequency/Hz50Internal connectionYgSource resistance/0.001Source i

6、nductance/H0直流电动机（DC Machine）电枢电阻0.419电枢电感0.0029励磁电阻146.7励磁电感0电枢绕组与励磁绕组间互感0.78转动惯量0.57额定负载转矩负载转矩N.m117平波电抗器（Inductance）电感0.01机电时间常数0.182电磁时间常数0.03UCR失控时间0.00167电流调节器（ACR）kpi =1.02 kii =34转速调节器（ASR）kpn =10.696 kin =110.63. 系统仿真3.1开环直流系统的仿真开环直流调速系统的电气原理如图1所示。直流电动机的电枢由三相晶闸管整流电路经平波电抗器供电，通过改变触发器移相控制信号调节晶

7、闸管的控制角，从而改变整流器的输出电压，实现直流电动机的调速。该系统的仿真模型如图2所示。图1 开环直流调速系统电气原理图图2 直流开环调速系统的仿真模型根据上述给出的参数带入到仿真模型中，运用仿真算法ode45，仿真时间为5.0s，直流电机空载启动，在2.5s后加额定负载TL=117N.m，得到以下曲线：A、直流开环调速系统的输出转速波形：电机空载启动，转速在0.5秒左右几乎为直线上升，之后便缓慢的增加，最终在1750r/min达到稳定，在2.5s时加上额定负载117N.m，转速立即下降，最后稳定在1410r/min。B、直流开环调速系统的输出电流波形：电机空载启动，启动电流很大，达到520

8、A，启动后由于是空载所以消耗的电流小，于是电流最后降低并稳定在100A，在2.5s时加上额定负载后电流上升最终稳定在200A。C、励磁电流的波形由于励磁电压一定，并且电机的阻抗看做只有电阻阻抗，感抗和容抗视为0，所以其励磁电流为常数1.5A。D、电机的输出转矩的波形由于电机的转矩和电机的电流成正比，所以电机输出的转矩波形和电机电流的波形十分相似，只是比例大小不一样。3.2转速单闭环直流系统的仿真带转速负反馈的有静差直流调速系统的电气原理如图4所示，系统由转速给定环节、转速调节器ASR（放大器）、移相触发器GT、晶闸管整流器UCR和直流电动机M和测速发电机TG等组成。图3 转速闭环直流调速系统电

9、气原理图图4转速闭环直流调速系统的仿真模型转速负反馈有静差直流调速系统的仿真模型如图4所示，模型在图2开环调速系统的基础上，增加了转速给定，转速反馈n-feed、放大器Gain和反映放大器输出限幅的饱和特性模块Saturation，饱和限幅模块的输出是移相触发器的控制电压，转速反馈直接取自电动机的转速输出，没有另加测速发电机，取转速反馈系数。根据上述给出的参数带入到仿真模型中，运用仿真算法ode45，仿真时间为5.0s，直流电机空载启动，在2.5s后加额定负载TL=117N.m，得到以下曲线：输出转速波形：由曲线知，电机空载启动是，电机转速直线上升，当达到额定转速时便稳定，为1385r/min

10、，在2.5s时给电机加上额定负载，之后电机的转速便迅速下滑、振荡稳定在1355r/min左右。B、输出电流波形：波形与开环时的电机电流波形很相似，只是在加入额定负载后，电机的电流先上升，最后稳定振荡在200A。C、励磁电流的波形和开环直流调速系统一样。D、电机的输出转矩的波形由于电机的转矩和电机的电流成正比，所以电机输出的转矩波形和电机电流的波形十分相似，只是比例大小不一样。3.3转速电流双闭环直流调速系统的仿真转速电流双闭环直流调速系统的电气原理如图5所示，由于晶闸管整流器不能通过反向电流，因此不能产生反向制动转矩而使电动机快速制动。图5转速电流双闭环直流调速系统的电气原理图双闭环直流调速系

11、统的仿真可以依据系统的动态结构图（图6a）进行，也可以用SIMULINK的Power System模块来组建。两种仿真的不同在于主电路，前者晶闸管和电动机用传递函数来表示，后者晶闸管和电动机使用Power System模块，而控制部分则是相同的。下面对这两种方法分别进行介绍。3.3.1 基于动态结构图的双闭环直流调速系统仿真双闭环直流调速系统的实际动态结构图如图6b所示，它与图6a的不同之处在于增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。这是因为电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波环节的传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时

12、间常数可按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同的延时，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。同样，由测速发电机得到的转速反馈电压信号含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为的给定滤波环节。a)b)图6 转速电流双闭环直流调速系统的动态结构图依据系统动态结构图的仿真模型如图7所示，仿真模型与系统动态结构图的各个环节基本上是对应的。需要指

13、出的是，双闭环系统的转速和电流两个调节器都是有饱和特性和带输出限幅的PI调节器，为了充分反映在饱和和限幅非线性影响下调速系统的工作情况，需要构建考虑饱和和输出限幅的PI调节器，过程如下：线性PI调节器的传递函数为式中，为比例系数，为积分系数，时间常数。上述PI调节器的传递函数可以直接调用SIMULINK中的传递函数或零极点模块，而考虑饱和和输出限幅的PI调节器模型如图8所示。模型中比例和积分环节分为两个通道，其中积分模块Integrate的限幅表示调节器的饱和限幅值，而调节器的输出限幅值由饱和模块Saturation设定。图7 转速电流双闭环直流调速系统仿真模型图8 带饱和和输出限幅的PI调节

14、器根据上述给出的参数带入到仿真模型中，运用仿真算法ode45，仿真时间为2s，直流电机空载启动，在1s后加额定负载TL=117N.m，得到以下曲线：电流I和转速N 的波形分别如下（上为电流，下为转速）图9转速电流双闭环直流调速系统仿真模型的转速和电流波形3.3.2基于Power System模块的双闭环直流调速系统仿真采用SIMULINK的Power System模块组成的转速电流双闭环直流调速系统的仿真模型如图10所示，模型由晶闸管-直流电动机组成的主电路和转速、电流调节器组成的控制电路两部分构成。其中的主电路部分，交流电源、晶闸管整流器、触发器、移相控制和电动机等环节使用Power Sys

15、tem模型库中的模块。控制电路的主体是转速和电流两个调节器，以及反馈滤波环节，这部分与前述基于动态结构图的双闭环系统仿真相同。将这两部分拼接起来即组成晶闸管-电动机转速电流双闭环控制的直流调速系统的仿真模型。模型中转速反馈和电流反馈均直接取自电机测量单元的转速和电流输出端，这样减少了测速和电流检测环节，但并不影响仿真的真实性。电流调节器ACR的输出端接移相特性模块（Shifter）的输入端，而ACR的输出限幅值就决定了控制角的（）和（）。图10 基于Power System的双闭环直流调速系统仿真模型应该注意，图10与图7仿真模型的不同在于以晶闸管整流器和电动机模型取代了动态结构图中的晶闸管整

16、流器和电动机传递函数，由于动态结构图中的晶闸管整流器和电动机传动函数是线性的，其电流可以反向，因此转速调节过程要快一些，而实际的晶闸管整流器不能通过反向电流，所以仿真的结果略有不同，采用晶闸管整流器和电动机模型的仿真可以更好地反映系统的工作情况。根据上述给出的参数带入到仿真模型中，运用仿真算法ode45，仿真时间为5s，直流电机空载启动，在2.5s后加额定负载TL=117N.m，得到以下曲线：A.电机的输出转速波形：电机转速缓慢上升，当负载到达117之后，3.5s下降到0时候结束。B.电机电流的波形C、电机的励磁电流波形与开环和单闭环的励磁电流波形一样，其理由见开环。D.电机输出转矩的波形：从

17、上面看波形基本不符合要求，经过多次调试，采用增加比例系数增加它的负载能力，在电流环增加微分调节器以减少电机上升时间和调节时间。故此，改变调节器ASR、ACR参数，取KPN=80，KIN=1；KPI=100，KII=20,KID=15，可见转速、电流的仿真结果基本满足设计指标的要求。A.电机的输出转速波形为：B.电机的电流波形为：C、电机的励磁电流波形：D电机的输出转矩的波形：在选取的参数的情况下，我们得到上面的四幅电机相关波形，根据波形我们也可以估算出电流和转速的超调量，以及调节时间等等需要算出的参数：转速超调量：=丨（1390-1410）丨/1410×100%1.4%电流超调量：=（207-200）/200×100%3.5%转速上升时间约为0.35秒，动态回复时间为0.4秒，振荡次数为2次 符合要求4. 心得体会 调节PID参数是一个漫长的过程，课本上面的理论值只能提供给我