运动控制期中作业

1、 转速、电流反馈控制直流调速系统的设计 电气与控制工程学院 自动化1102 1106050215 宋富鹏转速、电流反馈控制直流调速系统的设计一、 设计理念及原理现代电力拖动自动控制系统，本质上是设计为转速可调的系统，而对于经常正、反转运行的调速系统，仅仅转速可调并不能满足工作要求，像龙门刨床、可逆轧钢机等，通常需要缩短起、制动时间来提高生产率。因此，在起、制动过程中，希望始终保持电磁转矩为允许的最大值，使调速系统以最大加（减）速度运行。当系统达额定转速时，最好使电磁转矩快速降下来，即让电流快速下降，以使电磁转矩与负载转矩平衡，从而使系统迅速进入稳态运行。 实际上，由于电路电感作用，电流不能突变

2、，然后立即降下来，为实现在允许条件下的快速起动，需要获得一段使电流维持最大值的恒流过程。根据负反馈的作用，因此，采用电流负反馈就可以近似得到该恒流过程。根据系统对转速及电流均有特定要求，系统必须既含有电流反馈，又含有转速反馈，即所谓的双闭环。设计中，可在系统中设计两个调节器，按理论分析及工程实践经验，我们选择电流反馈作为内环，转速反馈作为外环，实现二者之间嵌套，将系统设计为双闭环调速系统。为了获得良好的性能，两个调节器一般都采用PI调节器。调节器的设计较为复杂，为了设计方便，通常采用工程设计方法。实际中的系统大多为高阶系统，将系统经过合理简化处理，使整个系统近似为低阶系统，使用单片机数字控制或

3、运算放大器模拟控制可精确实现比例、积分、微分等控制规律。得到简化后的低阶系统的开环对数频率特性后，将其与典型低阶系统作对比分析，就可以根据现成的公式和图表来进行计算该系统参数，这就是工程设计方法。在设计过程中，要牢牢把握系统的快速性、准确性、稳定性及抗干扰能力强等设计原则。 图. 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图二、 设计目标 某转速电流双闭环直流调速系统采用桥式可逆PWM变换电路供电： （1）给定参数 电动机参数:，允许过载倍数; 电枢回路总电阻:; 电动机轴上的总飞轮力矩：。 （2）设计指标 电流超调量：； 转速超调量：； 系统无静差。3、 设计方案（1）主电源采用380V电源供电，经

4、电力电子变换后作为电动机供电输入。（2）ASR与ACR均采用PI调节器，转速反馈靠测速发电机TG实现，电流反馈通过霍尔电流传感器实现。（3）电流环设计为典I系统，转速环设计为典II系统。（4）采用三相桥式可逆PWM变化电路作为整流电路。 图.双闭环调速系统结构简化图4、 主要器件选择 （1）整流二极管的选择 根据二极管的最大整流平均 和最高反向工作电压 分别应满足： 选用大功率硅整流二极管，型号和参数如下所示：型号正向平均整流电流（A)反向重复峰值电压URM（V)瞬间平均正向压降 （V)额定正向平均电流 （A)MR2504G254001.1878.5在设计主电路时，滤波电容是根据负载的情况来选

5、择电容C值，使RC（35）T/2，且有： （V) ，即C15000uF故此，选用型号为CD15的铝电解电容，其额定直流电压为400V，标称容量为22000uF。 （2）IGBT的选择 最大工作电流Imax2Us/R=440/0.5=880(A) 集电极发射极反向击穿电压 (23)Us=440660v 五、电流调节器ACR设计 1.确定时间常数 (1)电磁时间常数及机电时间常数 （2）脉宽调制器和PWM变换器的滞后时间常数及传递函数 电动机直接起动电流 起动电流与额定电流之比为= 晶体管放大区时间常数 晶体管电流上升时间 （注：为晶体管过饱和导通时的驱动系数，取为2） 晶体管电流下降时间 （注：

6、为晶体管截止时的反向过驱动系数，取为2） 最佳开关频率: 为保证电流连续，选开关频率为=1.2KHz，此频率已能够满足条件。 因此，开关周期 脉宽调制器和PWM变换器的放大系数 (注：选取ASR输出限幅值) 于是有脉宽调制器和PWM变换器的传递函数： （3）电流反馈滤波时间常数取 电流环小时间常数 2.电流调节器结构选择 根据设计要求，且电流调节器按典I系统设计，并取参数KT=0.5。 ，参照典型I型系统动态抗扰性能表，可见各项设计指标都可以接受。 电流调节器采用PI调节器，其传递函数： 3.电流调节器参数选择 电流调节器超前时间常数 电流环开环增益：要求，取，则： 又，于是 ACR比例系数

7、最终，ACR传递函数： 4.检验近似条件 电流环截止频率 （1）检验PWM整流装置传递函数近似条件： ，满足近似条件。 （2）检验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件： ，满足近似条件。 （3）检验电流环小时间常数近似处理条件： ，满足近似条件。 5.调节器电阻和电容计算 （1）ACR电路原理图如下： - （2）电阻电容计算 取，其他电阻电容计算如下： ，取 ，取 ，取 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为 ，满足设计要求。六、转速调节器ASR设计 1.确定时间常数 （1）电流环等效时间常数 由前面已知，则： （2）转速滤波时间常数 根据所用测速发电机纹波情况，取 （3）转速环小

8、时间常数 按小时间常数近似处理，取： 2.选择转速调节器结构 按照设计要求，选择PI调节器，且转速环按典II系统设计，其传递函数为： 3.计算转速调节器参数 参照典II系统，按照跟随及抗扰性能都较好的原则，取h=5,则： ASR超前时间常数 转速环开环增益 于是，ASR比例系数为; （其中） 最终ASR传递函数 4.检验近似条件 转速环截止频率为 （1)电流环传递函数简化条件 满足简化条件 （2）转速环小时间常数近似处理条件 满足近似条件 5.计算调节器电阻和电容 （1）ASR电路原理图如下： （2）电阻电容计算 取，则： ，取 ，取 ，取 6.校核转速超调量 当h=5时， ， 因此，可见转速超调量满足要求。 七、MATLAB仿真 1.ACR仿真 仿真结果分别显示电流环无超调及有超调情况下的波形： （1）KT=0.5（无超调）时仿真结果 （2）KT=1（有超调）时仿真结果 2.ASR仿真 （1）空载高速起动时仿真结果 （