直流电机双闭环调速系统设计

1/23直流电机双闭环调速系统设计1绪论ﻩ错误!未定义书签。 电动机的起动与调速 2 2.2．2动态的性能指标 32.3双闭环直流调速系统的组成ﻩ错误!未定义书签。3双闭环直流调速系统的设计ﻩ错误!未定义书签。3.1电流调节器的设计ﻩ错误!未定义书签。3.3闭环动态结构框图设计ﻩ错误!未定义书签。3.4设计实例...................................错误!未定义书签。3.4.1设计电流调节器.......................错误!未定义书签。 4．Matlab仿真ﻩ错误!未定义书签。 参考文献ﻩ错误!未定义书签。0/23直流电机双闭环调速系统设计1绪论现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式,电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁,矿山,冶金,化工,石油，纺织，军工等行业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电机,提高其运行性能,对国民经以上等等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。然而传统双闭环直流电动机调速系统多数采用结构比较简单、性能相对稳定的常规PID控制技术,在模型那样保持不变，而是在某些具体场合会随工况发生改变;与此同时,电机作使控制系统的鲁棒性较差,尤其对模型参数变化范围大且具的非线性环节较强克服模型参数变化范围大及非线性因素的影响。双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统。采用该系统各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。实现高性能拖动控制的电动机,直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。因为它具有良好的线性特性,优异的控制性能,高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠,精度最高的调速方法。系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处,通过对该系统不足之处的完善,可提高该系统的性能,使其能够适用于最终掌握各种交、直流调速系统的原理,使之能够应用于国民经济各个生产领1/23直流电机双闭环调速系统设计意。但近年来，现代控制理论在电动机控制系统的应用研究方面却出现了蓬勃发展的兴旺景象,这主要归功于两方面原因：第一是高性能处理器的应用,使得使得应用现代控制理论能够取得更好的控制效果。本次设计的主要任务就是应用自动控制理论和工程设计的方法对直流调速系统进行设计和控制,设计出能够达到性能指标要求的电力拖动系统的调节器,应用MATLAB软件对设计的系统进行仿真和校正以达到满足控制指标的目的。2/23直流电机双闭环调速系统设计2直流电机双闭环调速系统(1)直流电动机的起动流电机的起动条件应满足以下原则:①起动转矩要大于负载转矩;②起动电流限制在安全范围以内;③起动设备投资要经济适用，设备运行要安全可靠,起动时②减弱励磁磁通Φ从以上三种方法的介绍中可知,对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢电压的方式为最好。变电阻只可以实现有级调速；弱磁调速虽然可以实现平滑调速,但它可调节的范围不太大，经常要和调压方式配合,根据各类典型生产机械对调速系统提出的要求，一般可以概括为静态和动态调速指标。静态调速指标要求电力传动自动控制系统能在最高转速和最低转系统稳定在某一转速上运行时，应尽量不受负载变化以及电源电压波动等因素的影2.2.1静态性能指标生产机械要求电动机在额定负载运转时，提供的最高运转速度n与最低nD=maxnn(2-6)(2)静差率时，系统从理想空载转速n至额定负载0nn差率s，即N03/23直流电机双闭环调速系统设计ns=Nn0为(2-8)ns=N100%nn0械。但是静差率与特性硬度又是不同的。变压调速系统在不同转速的情况下机械特性是相互平行的,对于相同硬度的机械特性，理想空载时转速越低,静差率由此可见,调速范围与静差率这两项指标之间的关系不是相互独立的,它们必须一起被提出时才有意义。若调速的额定速降一样,则运转的越慢,静差率就越大。在低速的情况下，如果静差率能符合设计要求，那么静差率在高速运转拖动系统动态过程的性能指标是生产工艺流程要求对控制系统动态指标的要求经折算与量化后得到的。在自动化系统中，动态指标是指跟踪给定信号的跟随性能指标和抗扰动信号的鲁棒性能指标。在参考输入信号R(t)的作用下,跟随性能指标可用来描述系统输出量C(t)态响应又称为阶跃响应。一般希望在阶跃响应中输出量C(t)与其稳态值C的偏差越小越好，达到C的时间越快越好。常用的阶跃响应跟随性能指标有上升①上升时间tr经过的时间称为阶跃响应的上升时间,它表示动态响应的快速性,见图2－4。4/23直流电机双闭环调速系统设计在典型的阶跃响应跟随系统中，超调量输出量超出稳态值的最大偏离量与=max100%=max100%C(2－10)③调节时间t系统整个调节过程的快慢的衡量可以用调节时间来衡量。在原则上，应该过渡过程到一定时间就终止了。因此，一般在阶跃响应曲线的稳态值附近,取带所需的最短时间定义为调节时间,可见图2－4。(2)抗扰动能力性能指标能5/23直流电机双闭环调速系统设计max系统在稳定条件下运行时,突加一定数值的扰动(如负载扰动)后引起转速maxmax1百分数C/C100%来表示(或用某基准值C的百分数C/C100%max1bmaxb来表示)。在动态降落后输出量逐渐恢复，达新的稳态值C,(CC)是系统212在该扰动作用下的稳态误差,即静差。一般情况下,动态降落大于稳态误差。调速系统在突加额定负载扰动时转速的动态降落叫做动态降落n。②恢复时间t从阶跃扰动作用开始,到输出量基本上恢复稳态,距新稳态值C之差进入2bvb实际系统中对于各种动态指标的要求各有不同，要根据生产机械的具体要求而定。一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主。CFC121CFttt0ttv6/23+-+-。TTAUIdMn+-Un-ASRi++Ud-UiASRACR节器TA─电流互感器UPE─电力电子变换器U─转速反馈电压U*─电流给定电压ninU─电流反馈电压i直流电机双闭环调速系统设计7/233双闭环直流调速系统的设计双闭环调速系统属于多环控制系统，每一环都有调节器，构成一个完整的环),对其进行必要的变换和近似处理，然后依照电流环的控制要求确定把它校正成哪一种典型系统,再根据控制对象确定其调节器的类型,最后根据动态性能指标的要求来确定其调节器的有关参数。电流环设计完成以后，把电流环看成速环。在电流检测信号中常有交流分量,为了不让它影响调节器的输入,加入了低通滤波器,然而滤波环节可以使反馈信号延迟,为了消除此延迟在给定位置加一iRiRms+neoineoi--oia(1)电流环结构框图的化简1ciTT图3-3点画线框内的为电流环，ciTT8/23直流电机双闭环调速系统设计电流环干扰的条件是(3－4)式中─电流环开环截止频率。ci将给定信号及反馈滤波同时移至环内前向通道上,再将给定信号变成，则电流环将等效为单位负反馈控制系统。11最后，由于一般情况下Toi和T都cis3Tl多,从而可当作小惯性群近似地看成是一个惯性环节，其时间常数为s看成是一个惯性环节，其时间常数为T=T+Tisoi则电流环内部结构简化的近似条件为i从静态要求上看，希望电流无静差。从动态要求上看，电枢电流不允许有型的,其传递函数用如下式子表示KKﻩKKK=is－7)ITRiiKi─电i)节器的比例系数。KI(s)T=TT=Til(3－8)环的动态结构框图变成图3-4所示的典型形式，其中(3－9)9/23直流电机双闭环调速系统设计图3－2校正成典型Ⅰ型系统的电流环动态结构框图1cicis②不考虑反电动势的变化对电流环的动态影响13ciTciml③电流环小惯性群的近似处理1cici3soi(3-12)(3)电流调节器的参数计算由(3-6)得，电流调节器的参数为K和，而已经选定,需要求的只K,iiiiiTi1Kci2T再结合式(3-6)和式(3-7)可得Kli2KTsiRRT2KTsi(3(33.2转速调节器的设计(1)电流环的等效闭环传递函数电流环经简化后可看作转速环内的一个环节，因此，需要先求其闭环的传函数W(s)：cli10/23直流电机双闭环调速系统设计K IW(s)=I(s)d==cliU*(s)xiT1KKKIII不考虑高次项,W(s)可以降低阶次近似表示成clicli1KI(3-16)近似条件式为1Kcn3Txi(3-17)式中，O─转速环开环频率特性的截止频率。电流环作为转速环内的一环节其输入量为U*(s),于是电流环可在转速环内i1I(2)转速调节器结构的选择号变为U*(s)a，再将两个时间常数为1K和nIon似成一个时间常数为T的惯性环节，其中xxn1KI(3-19)又想满足好的动态性能指标的要求，转速环开环传递函数要有两个积分环节,因此设计为Ⅱ型系统,也使用比例积分(PI)调节器,它的传递函数可表示为：ASRTsn11/23直流电机双闭环调速系统设计nn(3-2W(s)=Kn(Tns+1)=(3-2nT(s)CTs(Ts+1)TCTs2(Ts+1)nemnnemn令转速环的开环增益K为N则上述结果所需服从的近似条件归纳如下:(3-24)KaRK=nNTCTnemW(s)=ns2(Ts+1)KKcn3IKnT(3)转速环PI调节器的参数计算转速环调节器包含K和T两个参数。依据典型Ⅱ型系统的相关参数关系,nnnn(3-26)再据式K==2h+1=(1)2h+1=h+1,得lcl2hT22h2T2K12/23直流电机双闭环调速系统设计(3-27)于是Kn2haRT(3-28)跟随性能及抗扰性能适中，所以,一般情况下选择h=5为好。3.3闭环动态结构框图设计双闭环直流调速系统的转速环在电流环之外,控制电动机的转速,输出作为电流环的给定值，实现转速无静差。电流环控制电动机的电流，输出整流触发装置的触发电压,可以通过调节电流快速调节转矩,以实现快速加减速。两个控图3.3双闭环直流调速系统动态结构框图3.4设计实例NNNslm13/23直流电机双闭环调速系统设计N转速的反馈系数：10Vn0.007Vmi/r。0.03Nl8.1110T0.0037in(1)整流装置的滞后时间常数T。设计成三相桥式全控整流电路，其平均失控sslaI136Noi为了基本滤平波头，应有(1~2)T=3．33ms，于是取T=2ms=0.002s。oioi(3)电流环小时间常数之和T。按小时间常数近似处理,取T=T+T＝0．0iisoi037s。2.选择电流环调节器结构根据设计要求电流超调量5%,并保证稳态电流无差,可按典型Ⅰ型系i统设计电流环调节器。电流环控制对象是两个惯性环节,因此可用比例积分(PI)型调节器设计电流环，其传递函数为W(s)K(s1)ii。ACRsi14/2311TTml直流电机双闭环调速系统设计il0.50.5iIiIT037iK400.05sciI(1)校验晶闸管三相全控桥式整流装置传递函数的近似条件11ci(3)校验电流环内的动态时间常数的近似条件115/23(2)转速环较小的时间常数的近似条件为(2)转速环较小的时间常数的近似条件为直流电机双闭环调速系统设计KIxiI1Kxixn1xnKonIASRTsnnxnxn于是，可得转速环调节器(ASR)的比例系数为xn4．近似条件的校验转速环的频率特性中的截止时的频率为cnNn(1)电流环调节器的传递函数的简化条件为KI=T3xiI=T3xi0.0037cn16/23直流电机双闭环调速系统设计11KIcn满足条5.转速超调量的校核RnTCmbTCmbbnCn*be17/23直流电机双闭环调速系统设计根据理论设计结果，构建直流双闭环调速系统的仿真模型，如图4-100.5In1Out1TransferFcn3Gain4Step1TransferFcn40.050.002s+1TransferFcn50.0070.01s+1400.0017s+1Subsystem10.002s+1SaturatiansferFcnSubsystem10.01s+1StepTransferFcn620.03s+1TransferFcn2ScopeIn1Out1K-1-K-1-K-1Out1Gain1-K-K-Gain1IntegratorInIn1Out1Subsystem--K-Gain21-K-1Out1sInIn1Out1ubsystem(a)节器ACR(b)电流调18/23直流电机双闭环调速系统设计00000.511.5直流电机双闭环调速系统设计19/23800004002000