双闭环直流调速系统课程设计.

. . 直流拖动控制系统直流拖动控制系统 课程设计报告课程设计报告 题题 目：目： 双闭环直流调速系统设计双闭环直流调速系统设计 学学 院：院： 沈阳工业大学工程学院沈阳工业大学工程学院 专专 业：业： 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 班班 级：级： 1101 班班 姓姓 名：名： 孔令慧孔令慧 学学 号：号： 120112724 指导教师：指导教师： 佟维妍佟维妍 起止日期：起止日期：2014 年年 6 月月 16 日日2014 年年 6 月月 22 日日 . . 目目 录录 设计概述.2 第一章 系统总体设计.4 1.1 系统电路结构.4 1.2 两个调节器的作用.5 第二章 整体电路分析.7 2.1 电流环设计.7 2.2 转速环设计.7 2.3 典型 I 型系统介绍.8 2.4 典型型系统介绍.9 2.5 转速调节器的实现.10 2.6 电流调节器的实现.10 2.7 校核转速超调量.10 第三章 参数计算.11 3.1 相关参数.11 3.2 主要参数计算.11 3.2.1 电流环参数计算.11 3.2.2 转速环参数的计算.13 MATLAB 仿真.16 课程设计体会.20 . . 设计概述设计概述 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，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。 . . 第一章第一章 系统总体设计系统总体设计 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。 1.11.1 系统电路结构系统电路结构 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 + + - + - M TG + - + - RP2 n U*n R0 R0 Uc Ui TA L Id RiCi Ud + + - R0 R0 RnCn ASR ACR LM GT V RP1 Un U*i LM M T G U PE 1.21.2 两个调节器的作用两个调节器的作用 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 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 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 s sK sW i ii ACR ) 1( )( l T i R KK K i si I . . 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 s sK sW n nn ASR ) 1( )( . . 第二章第二章 整体电路分析整体电路分析 2.12.1 电流环设计电流环设计 (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 T。 i （2）选择电流调节机构 根据设计要求5%，并保证无静差，可按典型 I 型系统设计电流调节器。i （3）计算电流调节器参数 （4）效验近似条件 电流环截止频率：K ci I 2.22.2 转速环设计转速环设计 (1) 确定时间常数 1）电流环等效时间常数。 I K 1 2）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）校验近似条件 转速环截止频率= cn 1 N K nN K 1）电流环传递函数简化条件 3 1 i I T K . . 2）转速环小时间常数 3 1 on I T K （5）计算电阻电容 C 0 RKR nn n n R Cn on 0 4 R Ton （6）校验转速超调量 2.32.3 典型典型 I I 型系统介绍型系统介绍 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 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 2.42.4 典型典型型系统介绍型系统介绍 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 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 2.5 转速调节器的实现转速调节器的实现 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。 . . 第三章第三章 参数计算参数计算 3.13.1 相关参数相关参数 知参数： 直流电动机：, ，kW Pn 10V Un 440A In 365min/950r nN ， ；min/228 . 0 rV Ce 5 . 1 V-M 系统主电路总电阻： ；863. 0R 电枢回路电磁时间常数： ；s Tl 028 . 0 电枢电路总电阻： ；0825 . 0 R 电枢电路总电感： ； mHL0 . 3 折算至电动机飞轮惯量： ； 22 20NmGD 系统运动部分飞轮转矩相应的机电时间常数： ；s Tm 383. 0 系统测速反馈系数 ；rv min/0158 . 0 系统电流反馈系数 ；AV /274 . 0 触发整流装置的放大系数： ；40 Ks 三项桥式平均时空时间： ；s Ts 0017 . 0 电流环滤波时间常数： ；s Toi 002 . 0 转速环滤波时间常数： 。s Ton 001 . 0 设计要求：稳态指标无静差；动态指标电流超调量；空载起动到额%5% 定转速时的超调量。%10% n 3.23.2 主要参数计算主要参数计算 3.2.1 电流环参数计算电流环参数计算 1确定时间常数： . . 1）整流装置滞后时间常数 Ts=0.0017s 2）电流滤波时间常数 Toi=0.002s 3）电流环小时间常数之和Ti = Ts + Toi =0.00667s 2.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： 检查对电源电压的抗扰性能： 参照典型 I 型系统 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：i=Tl=0.028s。 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 KiTi=0.5，因此： 1 i I 96.74 00667. 0 5 . 05 . 0 s T K 于是，ACR 的比例系数为 16 . 2 028 . 0 30 863 . 0 028 . 0 96.74 i s iI K RK K 4.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 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 s sK sW i ii ACR ) 1( )( 197 . 4 00667 . 0 028. 0 i T Tl ci s s T 1 6 . 199 00167 . 0 3 1 3 1 ci lm s TT 1 97.28 028 . 0 383 . 0 1 3 1 3 . . 满足近似条件。 (3)电流环小惯性时间常数近似处理条件 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。 3.2.2 转速环参数的计算转速环参数的计算 1.定时间常数 (1)电流环时间常数 1/KI。已取 KITi=0.5 则 (2)转速滤波时间常数：Ton=0.005s (3)转速环小时间常数： 01434 . 0 001 . 0 01334 . 0 1 n on I T K T 2. 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 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 ASR 得超前时间常数为 转速开环增益为： ci ois s TT 1 35.115 005. 000167 . 0 1 3 11 3 1 01334. 02 1 i I T K s sK sW n nn ASR ) 1( )( shT n 0917. 001834. 05 n . . 2 22 n 2 N 7 . 356 01834. 0252 6 2 1 s Th h K ASR 的比例系数为： 6 .22 01834 . 0 863 . 0 0158 . 0 52 0383 . 0 228 . 0 274 . 0 6 2 ) 1( n me n RTh TCh K 4. 检验近似条件： 转速截止频率为： (1)电流环传递函数简化条件为: 满足简化条件。 (2)转速环小时间常数近似处理条件为: 满足简化条件。 5.计算调节电阻和电容 取 R0=40K,则 6.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 11 1 7 .320917 . 0 7 . 356 ssK K nN N cn cn I s T K 1 i 3 . 35 00667 . 0 96.74 3 1 3 1 cn I s T K 1 on 8 . 40 005. 0 96.74 3 1 3 1 kkRKR onn 904406 .22 FF R C n n n 19.10 10900 0917 . 0 3 FF R C i i i 5105 1040 005 . 0 4 6 3 . . ，理想空载时 z=0,则% 2 . 81/ max CC b T T n n C C n n C C m nb b b b n z )(2)( maxmax %10%42 . 2 383 . 0 01384 . 0 1500 228 . 0 863 . 0 136 2 . 1% 2 . 812 能满足设计要求。 . . MATLAB 仿真仿真 电流环不带扰动 . . 电流环带扰动 . . 转速环 无扰动 扰动下 . . 频域特性图 num=76.786;den=0.00