(完整word版)双闭环直流调速系统课程设计.

1、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 日目录设计概述2第一章系统总体设计31.1 系统电路结构31.2 两个调节器的作用4第二章整体电路分析62.1 电流环设计62.2 转速环设计62.3 典型 I 型系统介绍72.4 典型型系统介绍82.5 转速调节器的实现92.6 电流调节器的实现92.7 校核转速超调量9第三章参数计算103.1 相关参数103.2 主要参数计算10电流环参数计算1

2、0转速环参数的计算12MATLAB仿真15课程设计体会191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 MATLAB进行仿真，分析了双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

3、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

4、， 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。2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 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

5、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， 二者之间实行串级联接， 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， 不3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

6、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。UiTARiCiL+RnCnR0U* n R0ACRASRGTV+1LMRPI dLMR0- +UUdMR0-+ *+UcM-+U iPE-Unn+RP2TGT-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

7、的电流调节器，其传递函数可以写成WACR (s)K i ( i s 1)i s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 T l则电流环的动态结构图便成为图1-3 所示的典型形式，其中K i K sK Ii R4图 1-2小惯性环节近似处理图 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 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K

8、 n (n s1)WASR ( s)n s5第二章整体电路分析2.1 电流环设计(1) 确定时间常数1）整流装置滞后时间常数T S 。2）电流滤波时间常数T oi 。3）电流环小时间常数之和Ti 。（ 2）选择电流调节机构根据设计要求i5%，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：ci KI2.2转速环设计(1) 确定时间常数1 ）电流环等效时间常数 1 。K I2 ）转速环滤波时间常数 T ON 。3 ）转速环小时间常数 T n 。（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

9、似条件转速环截止频率cn K N = K N n11 ）电流环传递函数简化条件1K I3T i2 ）转速环小时间常数 1 K I3 Ton6（5）计算电阻电容Rn K n R0CnnC on 4TonRnR0（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。图 2-1其传递函数为其中，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

10、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 。典型 I 型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系如表2-2表 2-1 典型 I 型系统动态抗扰性能指标与参数的关系7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典型型系统介绍典型型系统的结构图如图2-2 所示。图 2-3典型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，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

11、 II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系如表2-3表 2-3 典型 II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系82.5 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。9第三章参数计算3.1相关参数知参数：直流电动机：n10kW ,U440V ,I365A ,n950r / min，PnnN，1.5；Ce 0.228V / r min

12、V-M系统主电路总电阻： R0.863 ；电枢回路电磁时间常数：Tl0.028s；电枢电路总电阻： R0.0825；电枢电路总电感： L3.0mH ；折算至电动机飞轮惯量：GD220Nm2 ；系统运动部分飞轮转矩相应的机电时间常数：Tm0.383s ；系统测速反馈系数0.0158v min/r ；系统电流反馈系数0.274V / A ；触发整流装置的放大系数：Ks40 ；三项桥式平均时空时间：Ts 0.0017s ；电流环滤波时间常数： T0.002s ；oi转速环滤波时间常数： Ton0.001s 。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n %10%

13、 。3.2主要参数计算电流环参数计算1确定时间常数：101）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Ti = Ts + Toi =0.00667s2. 选择电流调节器的结构根据设计要求i%=5，并保证稳态电流无差，可以按典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 i(i s 1)WACR (s)i sTl0.0284.197 参照典型 I 型系统检查对电源电压的抗扰性能： T i0.00667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电流调节器超前时间常数：

14、i=T =0.028s 。l电流环开环增益：要求 i%=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 K iT i =0.5 ，因此：K I0.50.574.96s 1T i0.00667于是， ACR的比例系数为KiK I i R74.96 0.0280.863K s2.1630 0.0284. 校验近似条件电流环截止频率： ci =KI =74.96 1/S(1) 晶闸管整流装置传递函数的近似条件11199.6s 1ci3Ts3 0.00167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313128.97s 1ciTmTl0.3830.02811满足

15、近似条件。(3) 电流环小惯性时间常数近似处理条件1111115.35s 1ci3TsToi30.001670.005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i%=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。转速环参数的计算1. 定时间常数(1) 电流环时间常数 1/K I 。已取 KI Ti =0.5 则12T i0.01334K I(2) 转速滤波时间常数： Ton=0.005s(3) 转速环小时间常数：T n10.01334 0.001 0.01434TonKI2. 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

16、数为K n (n s1)WASR (s)n s3. 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 ASR得超前时间常数为nhT n50.018340.0917s转速开环增益为：12K Nh 16356.7s 22h2T 2n2 25 0.018342ASR的比例系数为：K n(h 1) CeTm6 0.274 0.228 0.03832h RT n22.62 5 0.0158 0.863 0.018344. 检验近似条件：转速截止频率为：cnK NK N n 356.7 0.0917s 132.7s 11(1) 电流环传递函数简化条件为 :1K I174.9613T i335.3

17、scn0.00667满足简化条件。(2) 转速环小时间常数近似处理条件为 :1K I174.9613Ton340.8scn0.005满足简化条件。5. 计算调节电阻和电容取 R0=40K , 则RnK n Ro22.640k904kCnn0.0917F10.19FRn900 103Cii40.0053F5 1065 FRi40106. 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。由典型I 型系统动态抗扰性与参数的关系可得13Cmax / Cb 81.2% ，理想空载时 z=0, 则n( Cmax )nb2(Cmax )(z) nb T

18、 nCbnCbn Tm1360.8630.01384281.2%1.20.22810%15002.42%0.383能满足设计要求。14MATLAB仿真电流环不带扰动15电流环带扰动16转速环无扰动扰动下17频域特性图num=76.786;den=0.00667 1 0;sys=tf(num,den);bode(sys)margin(sys)sys=tf(num,den);bode(sys)margin(sys)18课程设计体会这次的电力拖动大作业可谓做的大费周章， 无数次翻开课本温习已经学习过的知识，不断点击的鼠标查阅网上的资料， 和同学诸多的交流学习， 终于完成了这次让我受益匪浅的作业。上课时听老师讲的时候感觉这次设计也就是简单的带入计算而已， 没有理论上的难度，等到没有人辅导自己设计时一个老生常谈的问