双闭环直流调速系统课程设计

1、SI 升制 TANG UNIVKRAtTY OF IKrUNOl.lKiV直流拖动控制系统课程设计报告题目：双闭环直流调速系统设计学院：沈阳工业大学工程学院专业：电气工程及其自动化班 级：1101班姓 名：孔令慧学 号： 120112724指导教师：佟维妍起止日期：2014年6月16日2014年6月22日设计概述 2.第一章系统总体设计3.1.1 系统电路结构3.1.2 两个调节器的作用4.第二章整体电路分析6.2.1 电流环设计6.2.2 转速环设计6.2.3 典型 I 型系统介绍7.2.4 典型II型系统介绍 8.2.5 转速调节器的实现9.2.6 电流调节器的实现9.2.7 校核转速超调

2、量9.第三章 参数计算1.0.3.1 相关参数1.0.3.2 主要参数计算 1.0.3.2.1 电流环参数计算1.03.2.2 转速环参数的计算1.2MATLAB 仿真 1.5.课程设计体会1.9.设计概述双闭环直流调速系统是目前直流调速系统中的主流设备，具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点。在理论和实践方面都是比较成熟的系统，在电力拖动领域中发挥着及其重要的作用。由于直流电机双闭环调速是各种电机调速系统的基础，本人就直流电机调速进行了比较系统的研究，从直流电机的基本特性到单闭环调速系统，再进行双闭环直流电机设计方案的研究，用实际系统进行工程设计，并用所学的MATLABS行仿真，分析了双

3、闭环调速系统的工程设计方法中由于忽略和简化造成的误差。在双闭环直流调速系统中，转速和电流调节器的结构选择与参数设计需从动态校正的需要来解决，设计每个调节器是，都必须先求该闭环的原始系统开环对数频率特性，再根据性能指标确定校正后系统的预期特性，对于经常正反转运动的系统，尽量缩短启、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大允许电流和转矩受到限制的条件下，应该充分利用电机的过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流为允许的最大值，是电力拖动系统以最大的加速度启动，到达稳定转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而装入稳态运行。在设计过程中，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作

4、用，需要设置两个调节器， 分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即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晶闸管整流器的触发装置从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫内环；转速环在外面，叫外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。第一章系统总体设计图1-1转速、电流双闭环直流调速系统结构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一电力电子 变换器图中，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

5、调速系统。1.1 系统电路结构若采用双闭环调速系统，则可以近似在电机最大电流、转矩受限的条件下， 充分利用电机的允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动， 到 达稳态转速后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转 入稳态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最 大电流、转矩受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。采用转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者 之间实行审级联接，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速 负反馈不同时加到一个调节器的输入端， 到达稳态转速后，只靠转速负反馈，

6、不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。所以选用 转速电流双闭环系统结构为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用 P I调 节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于图 1-2。图中标出了两 个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电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1-2双闭环直流调速速系统电路原理图1.2 两个调节器的作用电流调节器的选择:图1-2表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统,显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成K ( s 1)Wacr(S)二 i(iS

7、 )iS为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择i 二 Ti则电流环的动态结构图便成为图Ki1-3所示的典型形式，其中二 KKiR图1-2小惯性环节近似处理K】图1-3动态结构图转速调节器的选择为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节， 它应该 包含在转速调节器ASR中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因 此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型n型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为Kn( ns 1) Wasr(S)nS第二章整体电路分析2.1电流环设计(1)确定时间常数

8、1)整流装置滞后时间常数Tso2)电流滤波时间常数Toi。3)电流环小时间常数之和Tyi。(2)选择电流调节机构根据设计要求H M5%并保证无静差，可按典型I型系统设计电流调节器(3)计算电流调节器参数(4)效验近似条件电流环截止频率：6ci=KI2.2转速环设计(1)确定时间常数1 )电流环等效时间常数工。Ki2 )转速环滤波时间常数Ton。3 )转速环小时间常数Trn0(2)选择转速调节机构按照设计要求，选用PI调节器。(3)计算转速环调节器参数(4)校验近似条件Kz转速环截止频率0cn=KnM)电流环传递函数简化条件2 )转速环小时间常数1 JK3 '.Ton(5)计算电阻电容R

9、n = KnRCn ='CRnon_4TonRo(6)校验转速超调量2.3 典型I型系统介绍典型I型系统的结构图如图2-1所示K -)-Is(Ts + 1)图2-1其传递函数为S(心+1)其中，时间常数T在实际系统中往往是控制对象本身固有的，能够由调节器改变的只有开环增益K,也就是说K是唯一的待定参数。设计时，需要按照性能 指标选择参数K的大小。典型的I型系统结构简单，其对数幅频特性的中频段以-20 dB/dec的斜率穿越0dB线，只要参数的选择能保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳定 的，且有足够的稳定裕量。典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系如表 2-1 o典型I型系统跟随性能

10、指标和频域指标与参数的关系如表 2-2册 Tnt = '1 y110120130AC坦2x100%,55.5%33.2%18.5%12.9力2.83.43.84.04/T14.721.728.730.4表2-1典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系参数关系KT0,250390.50.691.0阻尼比彳L00.80.7070.60.5超调量仃0%1.5%4.3%9.5%163%上升时间及86.6T4.773.3T2.4T峰值时间t?CO8.3 丁6.274.7 丁3.2 7相角稳定裕度了76.M69.9°65.5i59.2 °51.8 .截止频率0c0.2437T0

11、367/70.455/T0.596/T0.786/T表2-2典型I型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系2.4 典型n型系统介绍典型II型系统的结构图如图2-2所示。K(疫十1) 户)s2(Ts + 1)图2-3典型n型系统的结构图其传递函数为在典型II型系统的开环传递函数式中。与典型I型系统相仿，时间常数T 也是控制对象固有的。所不同的是，待定的参数有两个 ：K和t ,这就增加了选 择参数工作的复杂性。为了分析方便起见，引入一个新的变量 ，令典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系如表2-3h34678910f 1/(1max b72.2%77.5%81.2(184.0%86.3%88.

12、1%89.6%90.8%tJT2.452.702.853.003.153.253.303.40tJT13.6010.458.8012.9516.8519,8022.802535表2-3典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系2.5 转速调节器的实现模拟式转速调节器电路如图2-4图2-4含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器2.6电流调节器的实现模拟式电流调节器电路下图图2-5含给定滤波与反馈滤波的 PI型电流调节器2.7 校核转速超调量当系统突加阶跃给定时，ASR不饱和，不符合线性系统的前提，应该按 ASR 退饱和的情况计算超调量。第三章参数计算3.1 相关参数知参数：直流电 动机：pn=1

13、0kW , Un = 44V , n = 365A, nN=95(r/min,Ce=0.228/r min,九=1.5 ；V-M系统主电路总电阻：R = 0.86G ;电枢回路电磁时间常数： Tl=0.028s ；电枢电路总电阻：R = 0.0825 ；电枢电路总电感：L=3.0mH ；折算至电动机飞轮惯量：GD2=20NR ；系统运动部分飞轮转矩相应的机电时间常数：Tm =0.38字；系统测速反馈系数 仪=0.015& min/r ；系统电流反馈系数0 =0.2747/A ；触发整流装置的放大系数：Ks=40 ；三项桥式平均时空时间： Ts =0.0017s ；电流环滤波时间常数：T

14、oi=0.002s ；转速环滤波时间常数：Ton=0.001s 0设计要求：稳态指标无静差；动态指标电流超调量。% = 5%;空载起动到额定转速时的超调量仃n% =10%。3.2 主要参数计算3.2.1 电流环参数计算1 .确定时间常数:1)整流装置滞后时间常数Ts=0.0017s2)电流滤波时间常数Toi =0.002s3)电流环小时间常数之和 T±i = Ts + Toi =0.00667s2 .选择电流调节器的结构根据设计要求a%=5%,并保证稳态电流无差，可以按典I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性的，因此可用PI型电流调节器。其传递函数为:K ( s 1)Wacr

15、 二-±Lj1isTi0.028检查对电源电压的抗扰性能：丁¥,0 00667 动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。3.计算电流调节器参数=4 197 /，一、97参照典型I型系统电流调节器超前时间常数：t i=T =0.028s。电流环开环增益：要求d%=5%时，按照典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系，应取 KiTzi =0.5 ,因此：Ki0.5Ti0.5174.96s0.00667于是，ACR勺比例系数为Ki 二Ki iRKs74.96 0.028 0.863=2.1630 0.0284.校验近似条件电流环截止频率: ci=K=74.96 1/S(1

16、)晶闸管整流装置传递函数的近似条件3Ts3 0.00167=199.6s“ ci满足近似条件。(2)忽略反电动势变化对电流环动态影响条件3 -1- =3TmTl=28.97s-10.383 0.028< «ci满足近似条件。(3)电流环小惯性时间常数近似处理条件=115.35s, dci1 _1_113 , TsToi3 0.00167 0.005满足近似条件。按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为裱=4.3%<5%,按照典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系，满足设计条件。3.2.2 转速环参数的计算1 .定时间常数(1)电流环时间常数1/Ki。已

17、取KITEi=0.5则12Ti = 0.01334Ki转速滤波时间常数：Ton=0.005s(3)转速环小时间常数：1T nTon = 0.01334 0.001= 0.01434Ki2 .选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，器传递函数为WAsr (S)=Kn( nS 1)3 .计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则取 h=5,则ASRm超前时间常数为n=hn= 5 0.01834 = 0.0917s转速开环增益为:Knh 16=356.7s，ASR的比例系数为:Kn(h 1) CeTm2h： RT n6 0.274 0.228 0.03832 5 0.0158 0.863

18、 0.0183422.64.检验近似条件: 转速截止频率为：KnKn n = 356.7 0.0917s'=32.7s(1)电流环传递函数简化条件为174.963 0.00667=35.3s，> 0 cn满足简化条件(2)转速环小时间常数近似处理条件为1 74.96140.8s cn3 1 0.005cn满足简化条件。5.计算调节电阻和电容取 F0=40KQ ,则Rn = KnRo = 22.6 40k11 = 904klRn0.0917900 103F = 10.19FCii4 0.0053 FR40 103=5 10' = 5lF2h2T2n - 2 25 0.018

19、346.转速超调量ASR当系统突加阶跃给定时，ASM饱和，不符合线性系统的前提，应该按 退饱和的情况计算超调量。由典型I型系统动态抗扰性与参数的关系可得 Cmax/Cb =81.2% ,理想空载时 z=0,则. =（Cmax）_Lnb _2（ :Cmax）（, -z） nbTnCb n Cb n Tm136 0.863 02280.01384=2 81.2% 1.2 0.2282.42% ：二 10%15000.383能满足设计要求。MATLA仿真电流环不带扰动012345678910电流环带扰动012345678910转速环无扰动扰动下频域特性图num=76.786;den=0.00667 1 0;sys=tf(num,den);bode(sys) margin(sys)Etodc L&