电机课设双闭环VM调速系统中主电路电流调节器及转速调节器的设计

1、 姓名 班级 学号： 一、设计题目双闭环V-M调速系统中主电路电流调节器及转速调节器的设计二、具体内容（1）主回路及其保护系统的设计；（2）转速、电流调节器及其限幅电路的设计三、已知条件及直流电机相关参数采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电，基本数据如下：直流电动机=220V，=136A，=1460r/min，电枢电阻=0.2，允许过载倍数=1.5；晶闸管装置=0.00167s，放大系数=40；平波电抗器：电阻、电感；电枢回路总电阻R=0.5；电枢回路总电感L=15mH；电动机轴上的总飞轮惯量GD2=22.5N·m2；电流调节器最大给定值=10.2V，转速调节器最大给定值=10.5V；

2、电流滤波时间常数=0.002s，转速滤波时间常数=0.01s。设计要求：1.稳态指标：转速无静差；2.动态指标：电流超调量；空载启动到额定转速的转速超调量。四、双闭环V-M调速系统工作原理电流环和转速环的工作原理；1、静特性：在正常负载情况下，转速调节器不饱和，电流调节器也不饱和，稳态时，依靠调节器的调节作用，它们的输入电压偏差电压都是零。因此，系统具有绝对硬的静特性。 当电动机的负载电流上升时，转速调节器的输出也将上升，当Id上升到一定数值时，转速调节器的输出达到限幅值，转速环失去调节作用，呈开环状态，速度的变化对系统不再产生那个影响，此时只剩下电流环起作用。2、动特性（以起动过程为例）：第

3、一阶段：电流上升阶段。突加给定电压后，通过两个调节器的控制作用，Id上升。当Id>Idl,电动机开始转动。由于电动机机电惯性的作用，转速与转速反馈信号增长较慢，因而转速调节器ASR的输出偏差电压数值较大，使其输出很快达到限幅值，之后输出一直处于限幅值，相当于速度环处于开环状态，ASR对电流调节环发出最大电流指令。 在ASR输出限幅值的作用下，ACR的输出也有一跃变，强迫电枢平均电流迅速上升，则电流调节器ACR的输出偏差电压衰减，使输出达不到限幅值。当电流反馈电压与给定电压相平衡时。双闭环调速系统的电流调节器ACR不再使Id迅速增长。第二阶段：恒流升速阶段。在这个阶段，由于ASR的输出偏差

4、一直为正，使其输出一直是饱和的，转速环相当于开环，只剩下电流环单闭环工作，ACR的调节作用使电枢电流基本上保持恒定。在这一阶段中，电流调节器是不能饱和的，可控电源也不应饱和。第三阶段：转速调节阶段。从电动机转速上升到给定值开始，此时，转速调节器的给定电压与反馈电压相平衡，输出偏差电压为零，但输出由于积分的记忆作用还维持在限幅值，因此电动机仍在最大电流下加速，必然产生转速超调。转速超调后，ASR输入端的偏差电压改变极性，使其输出电压幅值被迫迅速下降而退出饱和状态，从而电枢电流也开始下降。但是由于Id仍然大于负载电流，在一段时间内，电动机的转速仍继续上升。当负载转矩和电磁转矩平衡时，转速上升到最大

5、值。此后，经过ASR和ACR的调节，状态变量转速和电流Id达到稳定。五、设计要求1.写出设计说明书，内容包括（1）各主要环节的工作原理；（2）整个系统的工作原理；（3）调节器参数的计算过程。2.画出一张详细的电气原理图3.采用Matlab中的Simulink软件对整个调速系统进行仿真研究，对计算得到的调节器参数进行校正，验证设计结果的正确性。将Simulink仿真模型，以及启动过程中的电流、转速波形图附在设计说明书中。六、计算过程电流环的设计：1、确定时间常数：（1） 电流环小时间常数 =0.00167+0.002=0.00367 S（2） 电枢回路时间常数=(0.015+0.004)/(0.

6、5+0.1)=0.0317 S注：电枢回路总电阻R 包括电机的电枢电阻，平波电抗器的直流电阻。电枢回路总电感L 包括电机的电枢电感，平波电抗器电感。2、确定电流调节器的结构和参数：（1） 结构选择根据性能指标要求，/ =0.0317/0.00367=8.63 < 10,抗干扰性能适中，因此电流环按典型 I 型系统设计。调节器选用PI，其传递函数为 ：（2） 参数计算为了将电流环校正成典型I型系统，电流调节器的领先时间常数应对消控制对象的大惯性环节时间常数，即取=0.0317 s为了满足的要求，应取，因此=1/(2*0.00367)=136.2 另外，电流反馈系数 =/=10.2/1.5*

7、136=0.05于是可以求得ACR的比例放大系数为 = ( 136.2*0.0317*0.6)/(0.05*40) =1.295校验近似条件：(1) 晶闸管整流装置传递函数近似条件 ，而1/3=1/(3*0.00167)=199.6，显然满足近似条件。(2) 电流环小时间常数近似处理条件 =>显然也满足近似条件。(3) 忽略反电势对电流环影响的条件 由于 ， 所以 =0.216s因此 满足近似条件。查表4.5.1，设计后电流环可以达到的动态指标为，满足设计要求。转速环的设计 1、确定时间常数： 电流环等效事件常数 由于电流环按典型I型系统设计，且参数选择为 ， 因此电流环等效时间常数为

8、转速环小时间常数 因此转速环小时间常数为 2、确定转速调节器结构和参数： 结构的选择由于设计要求无静差，因此转速调节器必须还有积分环节，有考虑到动态要求，转速调节器应采用PI调节器， 按典型I型系统设计转速环。转速环调节器的传递函数为 参数的计算 综合考虑动态抗扰性能和起动性能，取中频宽h=5较好，如按准则确定参数关系，ASR的超前时间常数为 转速环开环放大系数为 转速环的反馈系数的计算 于是转速调节器的比例放大系数为 3、检验近似条件和性能指标： 电流环传递函数等效条件 由波特图可知， ，按相角裕量最大准则，可以求得 转速环截止频率 为 而 满足等效条件。 转速环小时间常数近似处理条件 此时

9、 满足近似处理条件 转速超调量 转速超调量为 现在 取中频宽为h=5，当按准则确定参数关系时，查表得 因此 能满足设计要求。 3、ACR和ASR的传递函数 七、实验仿真波形输出转速波形：电枢电流仿真波形：(1) 电流上升和恒流升速阶段：（2）转速调节、电流下降阶段： 八、设计过程心得： 1、我的工作主要是设计转速环的传递函数，这时我需要前期的电流环设计 结果作为我的参考，所以多人的工作要体现团队的工作，个人的成绩是 基于集体的共同努力得来的； 2、在设计必要的传递函数时，要用到自动控制原理的知识，比如：I、II 型系统的响应特征；所以实际的工作脱离不了理论的依据，在今后不可 忽视理论的重要； 3、在参加simulink仿真工作时，我们遇到了因对软件不熟悉而出现的 错误，经过大家的集体讨论和反复尝试，我们找到了正确的方法，得到 了期望的大致理想波形，所以在遇到具体的问题时，需要耐心与敢于尝 试的心态，慢慢地通过查找资料和试验，可以帮助我们找到问题的关键； 4、直流电机的双闭环调速系统设计，有助于我们了解具体的一个简单工程 的设计过程，帮