创新性实验(双闭环直流调速系统电路研究)解析

1、创新性实验研究报告开课学期 2011 至2012 学年2_学期提交时间2012 年 7 月 12 日一、实验摘要直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动 领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。该系统中设置了电流检测环节、 电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者 通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起 动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速

2、线性变化，迅速达到给定值； 稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的 电枢电流以平衡负载电流。该方案主要由给定环节、ASR、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了电流调节器ACR和转速调节器ASRo电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环；转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成转速环，称为双闭环调速系统。因转速环包围电流环，故称电流环为内环，转速环为外环。在电路中，ASR和ACR串联，即把ASR的输出当做ACR的输入，再由ACR得输出去控制晶闸管整流器

3、的触发器。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节 器一般都采用具有输入输出限幅功能的PI调节器，且转速和电流都采用负反馈闭环。二、实验目的(1) 加深理解直流调速系统的工作原理。(2)加深理解直流调速系统与相应的触发电路和调节器之间的关系。(3)学会灵活使用综合实验台，熟悉创新性实验报告的撰写方法。三、实验场地及仪器、设备和材料:实验室，运动控制系统实验台，matlab软件，计算机四、实验内容目AH) TA5转速电流双闭环直流调速系统的结构ASR转速调节器ACR电流调节器TG测速发电机TA 电流互感器UPE电力电子变换器双闭环直流调速系统电路原理图其中LM表示限幅作用。因此转速调节器A

4、SR的输出限幅电压 U*im决定了电流给定电压的最大值。电流调节器ACR勺输出限幅电压 3m限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm双闭环的稳态结构图和静特性为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图如图。注意用带限幅的输出特性表示PI调节器双闭环直流调速系统的稳态结构图Ct转速反馈系数；P 电流反馈系数分析静特性。即转速和电流或转矩的稳态关系。其关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征。它的特性一般存在两种状况：*1 ) ASR饱和一一输出达到限幅值 Uim,转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。除非有反 向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输

5、入和输出间的联系，相当于使该调节环开 环。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时I d = U im = I dm最大电流I dm是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。而上式所描述的静 特性是上图中的AB段，它是垂直的特性。这样的下垂特性只适合于n < n0的情况，因为如果 n > n0 ,则Un > U* n ,ASR将退出饱和状态。*2 ) ASR不饱和一一输出未达到限幅值 Uim当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳态时总是零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节

6、器饱和与不 饱和两种情况。转速调节器不饱和，也就是，双闭环调速系统在稳态工作中两个调节器都不饱和时，各变量之间的关系对于ASR有Un 叫= n(4-1)对于ASR启U i = Ufi = B 1 dL(4-2)式中Ob 转速和电流反馈系数.由此我们找到稳态工作点Udo Cen IdRCeUn* 二 IdLRU ct = (4-3)KSKSKSSSS由(2-1)式可得这是静特性的水平特性，与此同时, 说，CA段静特性从理想空载状态的*C Un Cnino由于 QASR不饱和,(4-4)U*i < U* im ,从上述第二个关系式可知:Id < Idm。这就是I d = 0 一直延续到

7、Id = Idm ,而I dm 一般都是大于额定电流IdN 的。这就 一 * *是静特性的足仃段。而且由上述关系表明，在稳态工作点上，转速n是由给JE电压Un决定的，ASR的输出量Ui是*由负载电流IdL决定的，而控制电压 Uct的大小则同时取决于 n和Id ,或者说，同时取决于 Un和IdL。这些关系反 映了 PI调节器则不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于1dm表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到1dm后，转速调节器饱和，电流调节器

8、起主要调节作用地，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特 性好。因此，上面论述的可以知道：*转速反馈系数: =Unmnmax*电流反馈系数一二二imI dm* 一一*其中两个给定电压的最大值 Unm和Uim是受运算放大器的允许输入电压限制的。双闭环直流调速系统的动态数学模型在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在起过临界电流I”值以后,dcr靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起 动的电流

9、和转速波形如图所示。带电流截止负反馈的调速系统起动过程当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。在实际生产中，对于那些经常正反转的调速系统，要求其具有尽可能短的起制动过程以便提高生产率。基于上述电流截止负反馈的调速系统在动态过程过所遇到的问题，我们来看看用双闭环是否能解决。双闭环直流调速系统的动态结构图。产,双闭环调速系统的动态结构图图中WAsr(s)和Wasr(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用 PI调节器，则有1WaSr(S)=Kn(1)nS 1Wacr (s) = Ki (1 下面我们来研究一下双闭环调速系统的起动过程：I S前已指出，设置

10、双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性 能时，有必要首先探讨它的起动过程。 *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。第I阶段电流上升的阶段(0-tl)突加给定电压Un后，Id上升，当Id小于负载电流Id时，电机还不能转动。当Id >Idl后，电机开始起动，由于机电惯性作用，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 Uim,强迫电流Id迅速上升直到，Id = Idm, Ui = Uim电流调节器很快就压制Id 了的增

11、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-般不饱和。第II阶段 恒流升速阶段(t1-t2)在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流Uim给定下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而系统的加速度恒定，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，Ud0和Uc也必须基本上按线性增长， 才能保持Id恒定。当AC麻用PI调节器时，要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，也就是说，Id应略低于Idm,恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。第

12、 III阶段转速调节阶段(t2-t3). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值Uim ,.一 . . . .一 . .- .- 一 . . . * .所以电机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，Ui和1d很快下降。但是，只要1d仍大于负载电流 I dl,转速就继续上升。直到1d = I dl时,转矩Te = TL，则dn/dt = 0，转速n才到达峰值（t =t3时）。在这最后的转速调节阶段内，ASR和A

13、CRTB不饱和，AS砒主导的转速调节作用，而 ACRM力图使Id尽快地跟*随其给定值Ui ,或者说，电流内环是一个电流随动子系统。典型II型系统阶跃输入跟随性能指标（按 Mrmin准则确定关系时）h345678910CT52.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%tr /T2.42.652.853.03.13.23.33.35ts /T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111典型II型系统动态抗扰性能指标与参数白勺关系h345678910CMAX /CB tm/T tv/T72.2%2.4513.607

14、7.5%2.7010.4581.2%2.858.8084.0%3.0012.9586.3%3.1516.8588.1%3.2519.8089.6%3.3022.8090.8%3.4025.85由表中数据可见，一般来说，h值越小，Omax/Cb也越小，tmf口tv都短，因而抗扰性能越好，这个趋势与跟随性能指标中超调量与h值的关系恰好相反，反映了快速性与稳定性的矛盾。当h< 5时，由于振荡次数的增加，h再小，恢复时间tv反而拖长了。由此可见，h = 5是较好的选择，这与跟随性能中调节时间最短的条件是一致的）。因此，把典型口型系统跟随和抗扰的各项性能指标综合起来看，应选择h =5。-1)控 制

15、 对 象K2K2 (T1s+1)(T2s+1) T1 >T2s(Hs + 1)(T2s + 1)TP T2相近s(Ts + 1)(T2s+1)Tp T2都很小(T1S+1)(T2s + 1)(t3S-T1) T2> T3s(Ts +1)调 节 器Kpi(询s + 1)4sKpi(7s+1) %s(%S+1)(f2 +1) TSKpi(%s + 1) %sKpi(%s+1) %s参 数 配 合T1 =hT% = hT2认为：11T1 =hT (或 hT2)G=hTz(或 T1)% =h(T#T2)询5十月）认为：11T1s+1 T1s田T1s+1T1s校正成典型II型系统的几种调节器

16、选择双闭环调速系统的动态结构图电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。其中Toi电流反馈滤波时间常数；Ton转速反馈滤波时间常数。综上所述，转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用及它们之间的毓可以分别归纳如下：1.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，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。其输出限幅值决定电机允许的最大电流。有关参数的计算(均按照常规的数据来看)基本数据直流电动机：264W、220V、1.2A、1600r/min、Ra=5.2Q, La=6.6mH晶闸管装置放大系

17、数：Ks=40电枢回路总电阻：R=9+1.2+0.2=10.4 Q电流反馈系数：B=005V/A ("10V/1.5IN)转速反馈系数：a =0.00G5Vmin/v (10V/nN)设计要求静态指标：无静差动态指标：电流超调量bi%05%空载启动到而定转速时的转速超调量(rn%c 10%参数计算Ur =2 341ccos：1 .因为UN=230V, a的整定范围在30°150°之间，由公式UD2 cos知当a =30时UD取得最大值，由此计算得 U2=113.50Vo2 .由 Ea =UN TRa fen有 Ce=0.1290oTR_ GD2_3 .由 m -C

18、eCT ® *375-有 Tm=0.4825s。L =0.693 2_l4 .由Idmin 有 L=16.46mH。由 T *有 Tl=0.0091s。系统设计1.电流环的设计(1)确定时间常数。整流装置滞后时间常数Ts,三相桥式整流电路的平均失控时间 Ts=0.0017so电流滤波时间常数Toi,三相桥式电路每个波头的时间是 3.33ms,为了基本滤平波头，应有(12) Toi=3.33ms,因此取Toi=2ms=0.002s 电流环小时间常数 T2 i,按小时间常数近似处理，取 T2 i=Ts+ Toi=0.0037s。(2)确定电流环设计成何种典型系统。根据设计要求 ai%&l

19、t; 5%而且Tl/T Ni=0.0091/0.0037=2.46<10.因此，电流环可按典型I型系统设计。(3)电流调节器的结构选择。电流调节器选择PI型，其传递函数为-is 1 WACR(s)=Ki iis(4)选择电流调节器参数。ACR超前时间常数 比例系数为i =Tl =0.0091s；电流开环增益：因要求 a -5% ,故应取K1T£4.5,因此K1要宁1%于是，ACR的0.0091 1.8= 135.1= 0.39660.1395 40(5)计算电流调节器的电路参数电流调节器的原理图如图所示。按所用运算放大器，取R0=40© ,各电阻和电容值计算如下:R

20、=KR = 0.3966m40K =15.86K,，16KCi =* /R =(0.0091/16K)m106uF =0.57uFCoi =4T°i/R =0.2uF1(6)校验近似条件。电流环截止频率© = KI =135.1S因为1)校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足:11,.196.1s二3Ts F>0.。17 ->(兀，所以满足近似条件。2)校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足:ci -3, TT、Imll现在cii-3tt-(018而无时 /5.27 s,8ci ,满足近似条件。现在3)13校验小时间常数的近似处理是否满足条件:1TST

21、oi = 3 * 0.00170.002= 180.78 s>''ci ,满足近似条件。按照上述参数，电流环满足动态设计指标要求和近似条件。2.转速环的设计(1)确定时间常数。电流环等效时间常数为2Tg =0.0074S；转速滤波时间常数Ton,根据所用测速发动 机纹波情况，取Ton =0.01S；转速环小时间常数T£on按小时间常数近似处理，取TZon = 2TS +Ton = 0.0174S。(2)确定将转速环设计成何种典型系统。I设计要求，应按典型口型系统设计转速环。(3)转速调节器的结构选择。转速调节器选用、S 1WASR(S)=Kn n由于设计要求转速

22、环无静差，转速调节器必须含有积分环节;PI型，其传递函数为,ns(4)选择转速调节器参数。按跟随和抗干扰性能都能较好的原则取h=5,贝U又根据动态ASR超前时间常数 转速环开环增益为Kn三 h2T 2* W 尺5 )0.0174 2=396.4 s 2 -Kn于是，ASR的比例系数为(h 1) |.C eTm6 0.1395 0.1290 0.48252h RTX -2>5 0.0069 >18 0.0174-24.11(5)计算转速调节器的电路参数。转速调节器原理图如图4.10所示，按所用运算放大器，取R0=40KQ ,各电阻和电容值计算如下：Rn =KnR0 =24.11 40

23、K =964.4K，1MCn = on/Rn =(0.087/1M) 106 = 0.087uFCon= 4Ton /Ro =1uF(6)"cn校验近似条件。转速环截止频率Kn =Kn/ n =34.5s“1"cn £1)校验电流环传递函数简化条件是否满足:5T、二 54.1s,现在 5T，5 0.00372）校验小时间常数近似处理是否满足cn，满足简化条件。1< _一 32TonTV11 cn 现在 3=二38.752TonTv32 0.010.00371s 一>®cn,满足近似条件。Cmax =81.2%3)校验转速超调量。当 h=5时，

24、CkbnN -INR/C =47.8 1.8/ 0.1290 = 667.0r/min叩 N N e,内此 =( 'Cmax ) 2( , -Z) ：n*NCkbn667.00.0174= 81.2%2 1.5： : ： 4.04% ：；： 10%能满足设计要求。设计完成的控制系统如图所示。14500.4825设计完成的双闭环控制系统 触发电路选择与校验 选用集成六脉冲触发器电路模块。从产品目录中查得晶闸管的触发电流为1GT < 250mA,触发电压VGT <3V 。由已知条件可以计算出*U nm = - nmax = 0.007 1000 - 7VUm - I dm =0

25、.05 209 -10.45VUcCen ：IdR 0.115 1000 209 0.6Ks40=7.304V因为Uc斗304丫，Vgt 4V ,所以触发变压器的匝数比为KgU7.304c =2.43VGT3取3:1 o设触发电路的触发电流为 250mA ,则脉冲变压器的一次侧电流只需大于BVceo =45V,Icm =300mA ceo, cm250/3=83.3mA即可。这里选用 3DG12B作为脉冲功率放大管，其极限参数触发电路需要三个互差 120。，且与主电路三个电压 里用三个单相变压器接成三相变压器组来代替，并联成压为380V,变压比为380/30=12.7 o系统调试本次系统仿真采

26、用目前比较流行的控制系统仿真软件 法有两种，一是以控制系统的传递函数为基础，使用U、V、W同相的同步电压，故要设计一个三相同步变压器。这 DY型。同步电压二次侧取 30V, 一次侧直接与电网连接，电MATLAB ,使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究。另外一种是面向控制系统电气原理结构图，使用Power System工具箱进行调速系统仿真的新方法。系统的建模与参数设置转速、电流双闭环直流调速系统的主电路模型主要由交流电源、同步脉冲触发器、晶闸管直流桥、平波电抗器、直流 电动机等部分组成。采用面向电气原理结构图方法构成的双闭环系统仿真模型如图所示。勒裾电ifASR同步附中整出目模城域霹美洲由a.*gABbc npiutsM'JBhckfl.CR曲3国向耀肺蹴用势善UniuWEal .Bri.dge.1r.TL襁后©Dull转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型转速、电流双闭环系统的控制电路包括：给定环节、ASR、ACR、限幅器、偏置电路、反相器、电流反馈环、速度反馈环等，因为在本次设计中单片机代替了控制电路绝大多数的器件，所以在此直接给出各部分的参数，各部分参数 设置参考前几章各部分的参数。本系统选择的仿真算法为o