2双闭环系统设计实例精

1、10.双闭环系统设计实例摘要：本文介绍了基于工程设计对直流调速系统的设计，根据直流调速双闭环控制系统的工作原理，利用晶闸管、二极管等器件设计了一个转速、电流双闭环直流晶闸管调速系统。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。1 .引言调速系统是当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一中系统。目前对调速性能要求较高的各类生产机械大多采用直流传动，简称为直流调速。早在20世纪40年代采用的是发电机-电动机系统，又称放

2、大机控制的发电机-电动机组系统。这种系统在40年代广泛应用，但是它的缺点是占地大，效率低，运行费用昂贵，维护不方便等，特别是至少要包含两 台与被调速电机容量相同的电机。为了克服这些缺点，50年代开始使用水银整流器作为可控变流装置。这种系统缺点也很明显，主要是污染环境，危害人体健康。50年代末晶闸管出现，晶闸管变流技术日益成熟，使直流调速系统更加完善。晶闸管一电动机调速系统已经成为当今主要的直流调速系统，广泛应用于世界各国。近几年，交流调速飞速发展， 逐渐有赶超并代替直流调速的趋势。直流调速理论基础是经典控制理论，而交流调速主要依靠现代控制理论。不过最近研制成功的直流调速器，具有和交流变频器同等

3、性能的高精度、高稳定性、高可靠性、高智能化特点。同时直流电机的低速特性，大大优于交流鼠笼式异步电机，为直流调速系统展现了无限前景。单闭环直流调速系统对于运行性能要求很高的机床还存在着很多不足，快速性还不够好。而基于电流和转速的双闭环直流调速系统静动态特性都很理想。2 .设计内容2.1 设计思路：带转速负反馈的单闭环系统，由于它能够随着负载的变化而相应的改变电枢电压，以补 偿电枢回路电阻压降的变化，所以相对开环系统它能够有效的减少稳态速降。当反馈控制闭环调速系统使用带比例放大器时， 它依靠被调量的偏差进行控制的， 因此 是有静差率的调速系统，而比例积分控制器可使系统在无静差的情况下保持恒速，实现

4、无静差调速。对电机启动的冲击电流以及电机堵转时的堵转电流， 可以用附带电流截止负反馈作限流 保护，但这并不能控制电流的动态波形。 按反馈的控制规律，采用某个物理量的负反馈就可 以保持该基本量基本不变，采用电流负反馈就应该能够得到近似的恒流过程。另外，在单闭环调速系统中，用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进 行调节器的参数调速。 例如，在带电流截止负反馈的转速负反馈的单闭环系统中，同一调节器担负着正常负载时的速度调节和过载时的电流调节，调节器的动态参数无法保证两种调节过程均具有良好的动态品质。按照电机理想运行特性， 应该在启动过程中只有电流负反馈， 达到稳态转速后，又希望 只有转速

5、反馈，双闭环调速系统的静特性就在于当负载电流小于最大电流时，转速负反馈起主要作用，当电流达到最大值时，电流负反馈起主要作用，得到电流的自动保护。2.2 双闭环调速系统的组成：a.系统电路原理图图2-1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PM幅什 Um决定了电流调节器 ACR勺给定电压 最大值Um,对就电机的最大电流；电流调节器 AC喻出限

6、巾I电压 Ucm限制了整流器输出最 大电压值，限最小触发角图21双闭环调速系统电路原理图b.系统动态结构图图2-2为双闭环调速系统的动态结构框图，由于电流检测信号中常含有交流分量，须加低通滤波，其滤波时间常数 Ta按需要选定。滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但 同时也给反馈信号带来了延滞。为了平衡这一延滞作用， 在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其作用是：让给定信号和反馈信号经过同样的延滞， 使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用丁砥表示。根据和电流环一样的道理，

7、在转速给定通道中也配上时间常数为丁砥的给定滤波环节。Toi 电流反馈滤波时间常数Ton一转速反馈滤波时间常数图2 2双闭环调速系统的动态结构图2.3 双闭环调速系统优点般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流电动机的过载能力,使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动，达到稳态转速后，电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平衡，进入稳定运行状态1。这种理想的起动过程如图 2.3所示。为实现在约束条件快速起动，关键是要有一个使电流保持在最大值的恒流过程。根据反馈控制规律，要控制某个量，只要引入这个量的负反馈。因此采用电流负反馈控制过程，起动过程中，电动机转速快速上升， 而要保持电流

8、恒定， 只需电流负反馈；稳定运行过程中，要求转矩保持 平衡，需使转速保持恒定，应以转速负反馈为主。采用转速、电流双闭环控制系统。即为双 闭环调速系统优点。图2.3理想启动过程3 .方案实施3.1 转速给定电路设计转速给定电路主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。其电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。路原理图如图3.1所示。-15 VRIRP1袅（转速给定电路）图3.1转速给定电路原理图3.2 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

9、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3.2所示。图3.2转速检测电路原理图3.3 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,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。其电路原理图如图在输出端即可3.3所示。（互感器电流检测电路）图3.3电流检测电路原理图4主电路保护电路设计电力半导体元件虽有许多突出的优点，但承受过电流和过电压的性能都比

10、一般电气设备脆弱的多，短时间的过电流和过电压都会使元件损坏，从而导致变流装置的故障。因此除了在选择元件的容量外，还必须有完善的保护装置。4 . 1过电压保护设计晶闸管对过电压很敏感，当正向电压超过其断态重复峰值值电压一定值时，就会误导通,引发电路故障；当外加的反向电压超过其反向重复峰值电压UDRM一定值时，晶闸管将会立即损坏。因此，必须研究过电压的产生原因及抑制过电压的方法。过电压产生的原因主要是供给的电压功率或系统的储能发生了激烈的变化，使得系统来不及转换，或者系统中原来积聚的电磁能量不能及时消散而造成的。本设计采用如右图4.3阻容吸收回路来抑制过电压。通过经验公式C =(2 - 4) I

11、T 10R =10 、30c1-2R fcum2图4.1阻容吸收回路得：C=(2、4)1T 10- -(2 4) 50 102 =0.1 0.2F1 21623ER = CUm2 = 0.2 101402 =1.96 10 J2 2由于一个周期晶闸管充放电各一次，因此2Er =2 1.96 10- =3.92 10- J3.92 100.02= 0.196W功率选择留56倍裕量P =(56)P =(56) 0.196 =1W1.2W因此，电阻R选择 阻值为20Q,功率选择1W的电阻。电容C选择 容量为0.20NF的电容。4. 2过电流保护设计过电流保护措施有下面几种，可以根据需要选择其中一种或

12、数种。(1)在交流进线中串接电抗器或采用漏抗较大的变压器，这些措施可以限制短路短路 电流。(2)在交流侧设置电流检测装置，利用过电压信号去控制触发器，使脉冲快速后移或 对脉冲进行封锁。(3)交流侧经电流互感器接入过电流继电器或直流侧接入过电流继电器，可以在发生 过电流时动作，断开主电路。(4)对于大容量和中等容量的设备以及经常逆变的情况，可以用直流快速开关进行过 载或短路保护。直流开关的应根据下列条件选择： 快速开关的额定电流112d额定整流电流IN ° 快速开关的额定电压UK1d 额定整流电压 UN。 快速开关的分断能力I fd 2d直流侧外部短路时稳态短路电流平均电流平均值I d

13、20。快速开关的动作电流Ig2d按电动机最大过载电流整定Ig2d = KI N式中，K为电动机最大过载倍数，一般不大于2.7 ; I n为直流电动机的额定电流。(5)快速熔断器它可以安装在交流侧或直流侧，在直流侧与元件直接串联。在选择时应注意以下问题:快熔的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值。熔断器的额定电流应大于溶体的额定电流。 溶体的额定电流I KN可按下式计算1.57ITa工I KN <IT1 .三相交流电路的一次侧过电流保护在本设计中，选用快速熔断器与电流互感器配合进行三相交流电路的一次侧过电流保护，保护原理图4.2如下：图4.2一次侧过电流保护电路(1)熔断器额定电压选择：

14、其额定电压应大于或等于线路的工作电压。本课题设计中变压器的一次侧的线电压为380V,熔断器额定电压可选择 400V。(2)熔断器额定电流选择：其额定电流应大于或等于电路的工作电流。本课题设计中变压器的一次侧的电流11IiU 2I 2Ui140 43.7380= 16.1A熔断器额定电流IFU -1.6I1 =1.6 16.1 =25.76A按本课题的设计因此，如右图在三相交流电路变压器的一次侧的每一相上串上一个熔断器, 要求熔断器的额定电压可选 400V,额定电流选25A。2.晶闸管过电流保护晶闸管不仅有过电压保护，还需要过电流保护。 由于半导体器件体积小、热容量小，特别像晶闸管这类高电压、大

15、电流的功率器件，结温必须受到严格的控制，否则将遭至彻底损坏。当晶闸管中流过的大于额定值的电流时，热量来不及散发，使得结温迅速升高，最终将导致结层被烧坏。晶闸管过电流保护方法中最常用的是快速熔断器。快速熔断器由银质熔丝埋于石英砂内，熔断时间极短，可以用来保护晶闸管。压可选择350V。5驱动电路的设计晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在学要的时刻由阻 断转为导通。晶闸管触发电路往往包括触发时刻进行控制相位控制电路、触发脉冲的放大和输出环节。触发脉冲的放大和输出环节中，晶闸管触发电路应满足下列要求：(1)触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，三相全控桥式电路应采用宽于60。或

16、采用相隔60。的双窄脉冲。(2)触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流35倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达12A/ us。(3)所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极的伏安特性的可靠触发区域之内。(4)应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。在本设计中最主要的是第 1、2条。理想的触发脉冲电流波形如图5.1。图5.1理想的晶闸管触发脉冲电流波形t1 t2 -脉冲前沿上升时间(<1s)t1 13 -强脉冲宽度 Im 强脉冲幅值(3Igt 5Igt )t1 t4 脉冲宽度I -脉冲平顶幅值(1.5 1 GT

17、 2 1 GT )常用的晶闸管触发电路如图5.2。它由V、V2构成的脉冲放大环节和脉冲变压器TM及附属电路构成的脉冲输出环节两部分组成。当V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出出发脉冲。VD和R是为了 V、V2由导通变为直截时脉冲变压器TM释放其还需适当附加其它的电路环节。储存的能量而设的。为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分,图5.2触发电路6控制电路设计本控制系统采用转速、电流双闭环结构，其原理图如图 6.1所示。图6.1双环调速系统原理图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PI调节器。图4.7中标出了两个调节器的输入输出的实际极性，他们是按照电力电

18、子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图3.7为双闭环调速系统的稳态结构图。图3.8为双闭环调速系统的稳态结构图。ACR和ASR的输入、输出信号的极性，主要视触发电路对控制电压的要求而定。若触发器要求ACR的输出Uct为正极性，由于调节器一般为反向输入，则要求 ACR的输入Ui*为负极性，所以，要求 ASR输入的给定电压 Un*为正 极性。本文基于这种思想进行ASR和ACR设计。图6.3双闭环调速系统动态结构图7电流环与转速环的设计在设计双闭环调速系统时，一般是先内环后外环，调节器的结构和参数取决于稳态精度 和动态校正的要求，双闭环调速系统动态校正的设计与调

19、试都是按先内环后外环的顺序进行，在动态过程中可以认为外环对内环几乎无影响，而内环则是外环的一个组成环节3。由于典型I型系统的跟随性能由于典型n型系统，而典型n型系统的抗扰性能优于典型I型系统，因此一般来说，从快速启动系统的要求出发，可按典型I型系统设计电流环；由于要 求转速无静差，转速环应按典型n型系统设计。工程设计法是建立在频率特性理论基础上的，只需将典型I系统和典型n系统的开环频率特性作为调速系统仅有的两种预期特性。7. 1电流调节器的设计1 .确定时间常数(1)整流装置滞后时间常数Tso则，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017so(2)电流滤波时间常数Toi。三相桥式电路的每个波

20、头的时间是3.3ms,为了基本滤平波头，应有(12) Toi=3.3ms ,因止匕取 Toi=2ms=0.002s。(3)电流环小时间常数之和 Tv°按小时间常数近似处理，取Tv=Ts+Toi=0.0037s 。2 .选择电流调节器的结构根据设计要求 5<5%,并保证稳态电流无静差，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型调节器，其传递函数为WacR (s)Ki(-is 1)is式中 Ki-电流调节器的比例系数;却电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能：Ti/ Ty=0.033/0.0037=8.92,参照表知典型I型系统动态抗扰性

21、能，各项指标都是可以接受的，因此基本确定电流调节器按典型I型系统设计。3 .计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数：却=Tl=0.033s。电流开环增益：要求 叼E5%时，取K1Tx = 0.5,因止匕 KI = = = 135.1 s,Tz 0.0037s因此，ACR勺比例系数 K = (K&R)/(K 是 3)= (135.1*0.033* 3.7 )/(27*0.77)=0.793故而，我们取 Ro=40K,则 Ri= Ki R0 =0.793*40=31.72KC= .i/ Ri=0.033/31720=1ufGi =4Toi/R 0=4*0.002/4k=0.2uf7.

22、2转速调节器的设计1 .确定时间常数(1)电流环等效时间常数1/Kio由前述已知，K1Tq = 0.5,则1=2册=2 0.0037s = 0.0074sKi -(2)转速滤波时间常数Ton,根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.01S.(3)转速环小时间常数 T。按小时间常数近似处理，取.1T T 诟Ton =0.0074s 0.01s =0.0174s- Ki2.选择转速调节器结构按照设计要求，选用 PI调节器，其传递函数式为Wasr(s)Kn( ns 1) ns3.计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5,则ASR的超前时间常数为n=hT垢=5 0.0174s=0.087s则转速环开环增益h 16 上2N =22 22 s = 396.4s2h Tn2 5 0.0174可得ASR的比例系数为Kn =(h+1) 3 CeTm/(2h a RT内尸 34.92式中电动势常数 Ce=(Un-InRn)/Nn=(220-6.5*3.7)/1500=0.131 。转速反馈系数a =0.007Vmin/r 。我们取Ro为40K,则Rn=KnRo=34.92*40K=1396.8K Q Cn= i /Rn=0