双闭环直流调速系统(课程设计报告)

1、双闭环直流调速系统的设计及其仿真班 级：自动化2班学号：xxxxxxxx姓名：xxxxxx指导教师： xxxxxx设计时间：2014年6月23日目 录一、前言 31 .课题研究的意义 32 .课题研究的背景 3二、总体设计方案 31 . MATLAB 仿真软件介绍 32 .设计目标 43 .系统理论设计 54 .仿真实验 95 .仿真波形分析 13三、心得体会 14四、参考文献 16一、前言1 .课题研究的意义从七十年代开始，由于品闸管直流调速系统的高效、无噪音和快速响应等优点而得 到广泛应用。双闭环直流调速系统就是一个典型的系统，该系统一般含晶闸管可控整流 主电路、移相控制电路、转速电流双闭

2、环调速控制电路、以及缺相和过流保护电路等。 直流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，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。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

3、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- 品闸管(SCR)发明至今,已经历了第二代有自关断能力的电力电子器件-GTR GTOMOSFETI三代复合场控器件-IGBT、MC阴，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。3

4、注意什么问题二、总体设计方案1 .MATLAB仿真软件介绍本设计所采用的仿真软件是MATLA BMATLAB1美国MathWorks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MATLABSimulink两大部分。MATLA耐用非常之广泛！ MATLAB勺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来解算问题要比用 C,FORTRAN语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAEfc吸收了像Maple等软件的优点， 使MATLABK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

5、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 .设计目标设计一个双闭环直流调速系统，利用品闸管供电，整流装置采用三相桥式电路，调 速范围D=10,静差率士 5%稳态无静差，电流超调量65%电流脉动系数 Si W 10% 启动到额定转速时的转速退饱和超调量 * W 10%系统具有过流、过压、过载和缺相保 护，触发脉冲有故障封锁能力。直流电动机数据：额定功率29.92KW 额

6、定电压220V,额定电流136A,额定转速 1460r/m , Ce=0.132Vmin/r ,允许过载倍数九=1.5。品闸管装置放大系数：仁二40电枢回路总电阻：R=T时间常数：机电时间常数Tm=0.18s,电磁时间常数Ti =0.03s电流反馈系数：=0.05V/A转速反馈系数：? =0.007v min/r转速反馈滤波时间常数：Ton =0.005s , Toi =0.005s总飞轮力矩：Gt2 =2.5N.mh=53 .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

7、，工作可靠，设计和调试方便，达到本课程设计的要求。Word资料双闭环直流调速系统的结构框图图1双闭环直流调速系统的动态结构图3.1 电流调节器设计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(3-1)电流滤波时间常数Toi :Toi=0.005s(3-2)电流环小时间常数之和 女：按小时间常数近似处理，取为：TEJ+Toi =0.0067s(3-3)3.2 选择电流调节器结构根据设计要求oi W 5%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：(3-4)Ki( is 1)WACR (s) =.

8、is检查对电源电压的抗扰性能:TTi0.030.0067= 4.48(3-5)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 电流调节器超前时间常数：(3-6)Ti=Tl=0.03so电流环开环增益：要求 m工5羽按书口表2-2 ,应取KITI=0.5 ,因此:募尸63(3-7)于是，ACR勺比例系统为:Ki .iKii 1.12KsR(3-8)电流环截至频率:KIci =74.63(3-9)晶闸管整流装置传递函数近似的条件为:(3-10)3Ts 3 0.0017忽略反电动势对电流环动态影响的近似条件为:3；温=3 0.01s 0.1s1=94.87s； ci(3-11)电流环小

9、时间常数近似处理条件为:二33TsToi10.0017s 0.002s=180.8s,ci(3-12)按所用的运算放大器取得Ro = 40KQ 0各电容和电阻值为:KiR i =RiCiToi = 1 RCoi4(2-13)(2-14)Ri=40k11按照上面计算所得的参数，电流环内环可以达到的动态跟随性能指标为 口 =4.3%5%满足课题所给要求。3.3 速度调节器设计电流环等效时间常数1/KI。取KIT=0.5 ,则:1Ki=2 0.0067 =0.0134(3-15)转速滤波时间常数n。根据所用测速发电机波纹情况，取:=0.005s 0(3-16)转速环小时间常数T圮。按小时间常数近似处

10、理，取:1 丁T-nTon =0.0184Ki(3-17)3.4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：WASR(s)=Kn( nS+1)Ens(3-18)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:Ti=hT 圮=5 父 0.0274=0.137s(3-19)并且求得转速环开环增益为：Kn= h2+1 2 =62 = 159.84s/2h2TF2 2 25 (0.0274)2(3-20)则可得ASR勺比例系数为:(h+1)CTm=6 3 0.113 0.1=1562haRT%2M25M0.005父9.5父0.0274.(3-21 )3.5校验近

11、似条件转速截止频率为：，cn = KN=KN n =159.84 0.137 =21.9s，co1(3-22)电流环传递函数简化条件为：1 1 = 3 1 135.1 = 63.7scn3 T ； 0.037(3-23)转速环外环的小时间常数近似处理条件为:3任=3煞糜fsf cn(3-24)3.6 计算调节器电阻和电容按所用的运算放大器取R0 =40k1 1各电容和电阻值为：Rn = Kn m Ro = 15.6父 40KC = 625KG ,( 3-25)Cn.nRn0.137625K1= 0.22F(3-26)3.7 校核转速超调量当h=5时，由书11以查得：5=37.6%,这并不能满足

12、课题所给要求。实际上，由于表2-6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!饱和的情况重新计算超调量。如下:1.2 9.50.0274=2 81.2% 2.1 0.1134.2% 10%16000.1(3-27)满足课题所给要求。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。AM艮一的速调一蒲田女一I；一； .帆TA也液瓦感器ITE电力电变慢器图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

13、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 3所示：图3双闭环直流调速系统的动态结构用MATLAB勺SUMLIN板块做的双闭环调速系统仿真模型图如 图4所示:StepO.005s+1Gainransfer Fcn5Gain3Integrator1Gainl IntegratorScope20.050.005s+i 公ransfer Fcn70.0070.005s+Transfer

14、 Fcn图4双闭环调速系统仿真模型图双闭环系统仿真波形及分析：一*ASR输出限幅值 U m =邛，=1.531.2 =5.4V（4-1）UcACRt出限幅值Cen IdR _ 0.113*1600 1,2*9.5一 Ks 一30= 6.41V(4-2)调节限度器1将ASR俞出限幅值的Upper Limit和Lower Limit进行适当的调节。可得到上升时间最大的波形（tr=7.7s限幅值= 3.8V）和上升时间最小（tr=0.7s限幅 值=14助 的波形。上升时间最大波形如图 5所示：图5双闭环调速系统上升时间最大波形图上升时间最小波形如图6所示:图6双闭环调速系统上升时间最小波形图经过双闭

15、环调速系统上升时间最大波形与双闭环调速系统上升时间最小波形对比 可知：限幅值越大上升时间tr越小，限幅值越小上升时间tr越大；同时t值越大，超调 越小；tr值越小，超调越大。在符合设计要求的情况下，经过多次的参数调整，得到一组较好的调节参数，如表1和图7所示：品闸管放大系数Ks机电时间WTm电磁时间常数Tl电流反馈系数转速反馈系数a允许过载倍数九300. 1s0.01s3V/A0.005vmin/ r1.5T onToiCeRtrASR限幅值0.02s0.002s0.113Vmin/r9.5 C2s6.1VACRASRACR艮幅值n nKiKiKnKn士8.7V0.137s0.1431135.

16、1 s 15.62159.84 S-RRnCnTi6KC1.75550KC0.22PF0.01s表1双闭环调速系统调节参数图7双闭环调速系统波形图由此可得：双闭环调速系统采用 PI调节规律，它不同于P调节器的输出量总是正 比与其输入量，PI调节器它的输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时， 输入为零，输出的稳态值与输入无关，是由它后面的环节的需要来决定的。5 .仿真波形分析从波形中，我们分析可知其起动过程可分三个阶段来分析：第I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，AS

17、R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R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，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。第田阶段：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，具输出电压的 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

18、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， AS旺口 ACRfB不饱和，同时起调节作用。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

19、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。三、心得体会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