某天车直流双闭环有环流调速系统中电流调节器及转速调节器的设计.doc

太原理工大学阳泉学院课程设计目 录第一章 设计任务分析11.1 课题的内容与要求11.2 系统概述2第二章 电力拖动系统的性能指标分析32.1静态性能指标32.2动态性能指标4第三章 双闭环有环流可逆调速系统电路设计53.1 转速、电流调节器的设计53.2 电流调节器设计63.3 转速调节器设计9第四章 设计总结13参考文献14第一章 设计任务分析1.1 课题的内容与要求设计题目：某天车直流双闭环有环流调速系统中电流调节器及转速调节器的设计设计要求：1.任务要求为某天车设计一个调速范围宽、起制动性能好的直流双闭环调速系统，且拟定该系统由大功率晶体管调制放大器给电动机供电。已知系统中直流电动机主要数据如下：(1)直流电机型号：Z2-41型额定功率Pe=3kW；额定电压Ue=220V；额定电流Ie=17.3A；额定转速ne=1500r/min；电枢回路总电阻R=2.5；电磁时间常数Tl=0.017s；机电时间常数Tm=0.076s；电动势系数Ce=0.1352V/（rmin-1 )；允许过载系数=1.5。晶体管PWM功率放大器：工作频率 2kHz； H型双极性；Ks=40.直流电源电压：264V(2)主要技术指标：调速范围0-1500 r/min 电流过载倍数：1.5倍速度控制精度 0.1%（额定转速时）, 空载起运到额定转速时的转速超调量n%10%。(3)反馈数据：电流反馈系数：=0.05V/A（10V/1.5In）；转速反馈系数：=0.007 min/r（10V/ nn）。2.控制系统设计要求(1)选择控制系统的控制方案。(2)画出系统控制图并计算有关参数。(3)设计电流调节器、转速调节器，选择相关的电路元件。如果采用微机控制，则要求确定算法及软件流程图。1.2 系统概述转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广泛的直流调速系统，采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、电流调速系统可以实现在允许条件下的最快起动，可以再保证系统稳定的前提下实现转速无静差。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）。.本课程设计就要求结合给定的初始条件来完成直流双闭环调速系统的设计，其中包括绘制该调速系统的原理图，对调节器进行工程设计，选择调节器的参数等。要实现直流双闭环调速系统的设计需先对控制系统的组成及工作原理有一定深入的理解，弄清楚调速系统每个组成部分的作用，弄清楚转速环和电流环的工作原理，合理选择调节器的参数以便进行合理的工程设计。第2章 电力拖动系统的性能指标分析2.1静态性能指标静态指标代表调速系统在稳定运行中的各种性能，主要指调速范围和静差率。1. 调速范围：生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母D表示，即D=01500 r/min 电流过载倍数：1.5倍2. 静差率：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落，与理想空载转速之比，称作静差率s，即S=图2-1 转速、电流双闭环直流调速系统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 转速给定电压 -转速反馈电压 -电流给定电压 -电流反馈电压2.2动态性能指标 图 2-2 典型的阶跃响应过程和跟随性能指标一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标则以跟随性能为主。1.跟踪性能指标在给定信号或参考输入信号的作用下，系统输出量的变化情况可用跟随性能指标来描述。常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间、超调量和调节时间。（1）上升时间：在跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳定值所经过的时间。（2）超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，相对稳定性越好。（3）调节时间：给定量作用于系统开始到被调量进入稳定区域的时间。2抗扰性能指标抗扰性能指标标志着控制系统抵抗扰动的能力。常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间。（1）最大动态速降反映了系统抗干扰的能力和稳定性。（2）恢复时间反映系统的抗扰能力。 一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。综上所述，转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用可以分别归纳如下： 1. 转速调节器的作用（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。2. 电流调节器的作用（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。第3章 双闭环有环流可逆调速系统电路设计3.1 转速、电流调节器的设计转速、电流双闭环调速系统的动态结构图如图3-1所示：图3-1 双闭环调速系统的动态结构框图电流反馈滤波时间常数 转速反馈滤波时间常数由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用表示，根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为的给定滤波环节。系统设计的一般原则：“先内环后外环” 从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。3.2电流调节器设计1.电流环结构图的简化（1）忽略反电动势的动态影响在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即DE0。这时，电流环如下图（a）所示。 （a）（2）等效成单位负反馈系统如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成，则电流环便等效成单位负反馈系统如图（b）所示。 （b） 最后，由于整流装置滞后时间常数=0.0017s 和电流滤波时间常数=0.002s一般都比小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为 （c）图3-2 电流环的动态结构框图及其简化2.电流调节器结构的选择根据设计要求5%，并保证稳态无静差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数：(s)=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指标与参数，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：=0.017s。电流环开环增益：要求5%时，应取=0.5，因此=于是，ASR的比例系数为图3-3 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器其中为电流给定电压，为电流负反馈电压，为电力电子变换器的控制电压。4.检验近似条件电流环截至频率：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的条件满足近似条件。3) 电流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由图3-3，按所用运算放大器取，各电阻和电容值为，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。3.3转速调节器设计1. 转速调节器设计电流环闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。由图3-4（a）可知 忽略高次项，上式可降阶近似为 式中 转速环开环频率特性的截止频率。 接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为U*i(s)，因此电流环在转速环中应等效为 这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。 2. 转速调节器结构的选择转速环的动态结构 （a）（b）（c）图3-4 转速环的动态结构框图及其简化3. 转速调节器参数选择1）确定时间常数电流环等效时间常数转速滤波时间常数本设计初始条件已给，即转速环小时间常数2）选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为 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的超前时间常数为转速环开环增益：可得ASR的比例系数为：4）校验近似条件转速环截止频率：（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近似条件。5）计算调节器电阻和电容取，则 ，取 ，取 ，取6）校核转速超调量当h=5时，=37.6%，不能满足设计要求。应按ASR退饱和的情况重新计算超调量。7）按ASR退饱和重新计算超调量 能满足设计要求。含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器如图3-5所示：图3-5 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器其中为转速给定电压，为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节器的给定电压。第四章 设计总结通过本次课程设计对直流双闭环调速系统有了更深的认识，加深了理解，使得在课堂所学知识得以很好的应用。不但学会了转速、电流双闭环直流调速系统的设计，也进一步地熟练掌握了转速和电流调节器参数的选择和计算，在设计的基础上更加认识到直流双闭环调速系统的应用之广泛。经过这次精心的设计明白了系统设计的一般原则：先内环后外环 （从内环开始，逐步向外扩展）在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。当在完成典型系统的选择时，应该从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由图3-2（c）可以看出，采用 I 型系统就够了。从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。总结出了转速环与电流环的关系，外环的响应比内环慢，这是按工程设计方法设计多环控制系统的特点。这样做，虽然不利于快速性，但每个控制环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有利。 回顾起此次电机拖动综合课程设计，今我仍感慨颇多。的确，从理论到实践，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。这次课程设计的顺利完成虽然是经过自己的努力研究所成但在设计中遇到了很多难以解决问题都是通过老师的细心地指导得已解决，在此向指导过的老师表示崇高的敬意和感谢！ 参考文献【1】范正翘主编. 电力传动与自动控制系统. 北京：北京航空航天大学出版社，2003【2】刘松主编. 电力拖动自动控制系统. 北京：清华大学出版社，2006【3】 王兆安，黄俊 主编 电力电子技术 第四版 北京