直流双闭环调速系统设计说明

1、第 1 章设计任务说明书某晶闸管供电的转速电流双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据为：直 流 电 动 机 ：VUN750,AIN780,min375rnN，04.0aR， 电枢电路总电阻 R=0.1 ,电枢电路总电感mHL0. 3,电 流 允 许 过 载 倍 数5.1， 折 算 到 电 动 机 轴 的 飞 轮 惯 量224.11094NmGD。晶 闸 管 整 流 装 置 放 大 倍 数75sK， 滞 后 时 间 常 数sTs0017.0电流反馈系数NIVAV5.11201.0电压反馈系数NnVrV12min032.0滤波时间常数.02.0,002.0sTsTonoiVUUUc

2、mimnm12；调节器输入电阻KRO40。设计要求：稳态指标：无静差动态指标：电流超调量005i；空载起动到额定转速时的转速超调量0010n。第 2 章调速系统总体设计为实现转速和电流两种负反馈分别作用，直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR) 和电流调节器(ACR), 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。两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。转速调节器 ASR 的输出限幅电压*imU决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR 的输出限幅电压cmU限制了电力电子变换器的最大输出电压dmU。由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环

3、作为外环 , 以保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 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 ，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。如图 2-1 所示：给定电压速度调节器电流调节器三相集成触发器三相全控桥直流电动机电流检测转速检测Un*Un+- UnUi*Ui+-UcnUd图 2-1 直流双闭环调速系统为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用 PI 调节器。这样构成双闭环直流调速系统。其原理图如图 2-2 所示：图 2-2 直流双闭环调速系统原理图直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、 电流调

4、节器、三相集成触发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，图中还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器 ASR 的输出限幅电压 Uim* 决定后了电流给定电压的最大值，电流调节器 ACR 的输出限幅电压 Ucm 限制电压 Ucm 限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm 。其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。第 3 章 直流双闭环调速系统电路设计3.1 晶闸管 -电动机主电路的设计3.1.1 主电路设计晶闸管 -电动机调速系统 （V-M 系统）主电路原理图如图3-1所示：图 3-1 V-M 系统

5、主电路原理图图中 VT 是晶闸管可控整流器，它由三相全控桥式整流电路组成，如图 3-2 所示：图 3-2 三相全控桥式整流电路通过调节触发装置GT 的控制电压cU来移动脉冲的相位， 即可改变平均整流电压dU，从而实现平滑调速。3.1.2 主电路参数计算22.34cosdUUVUUNd750，取0oVVUUd13.3560.19 .034.27502.119 .0cos34.22其中系数 0.9 为电网波动系数， 系数 1-1.2 为考虑各种因素的安全系数，这里取1.0 。电动势系数rVnIRUCNNaNemin9168.137578004. 0750额定励磁下的电动机的转矩系数emCC30电磁

6、时间常数sHRLTl03.01 .0003. 0机电时间常数0843.0309168.19168.13751.04.110943752memCCRGDTs 3.2 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3-3 所示：图 3-3 直流双闭环调速系统动态结构图系统设计的一般原则是：先内环后外环。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。3.2.1 电流调节器设计电流环结构框图的化简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 DE 0）忽略反电动势对电流环作用的近似条件是13cmlT T式中c- 电流环

7、开环频率特性的截止频率。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U*i(s) /b ，则电流环便等效成单位负反馈系统。最后，由于 Ts 和 Toi 一般都比 Tl 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Ti = Ts + Toi 查表 1 得，三相桥式电路的平均失控时间为0.0017sTs，电流滤波时间常数oiT.三相桥式电路的每个波头的时间是3.3ms ，为了基本滤平波头，应有 （12）oiT=3.33ms ， 因此取oiT=0.002s 电流环小时间常数之和Ti = Ts + Toi=0.0037s。简化的近似条件为113cis oiT

8、 T表 1 各种整流电路的失控时间（f=50HZ）2 电流调节器结构的选择根据设计要求：稳态无静差,超调量5%i，可按典型I 型系统设计电路调节器。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为：(1)( )iiACRiKsWss式中Ki 电流调节器的比例系数；ti 电流调节器的超前时间常数。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=Tl电枢回路电磁时间常数Tl=0.03s 。检查对电源电压的抗扰性能：11.80037. 003.0ilTT，参照典型 I 型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表2，可知各项指标都是可以接受的。电流调节器的参数电流调节器超前时间常数

9、：i=Tl=0.03s 。电流环开环增益：要求5%i时，按表3 应取=0.707 ，0.5IiK T，因此sTKiI1.1350037.05 .05.0ACR 的比例系数为5404.001.0751 .003.01.135SiIiKRKK表 2 典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表 3 典型型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系检验近似条件电流环截至频率：11.135sKwIci机电时间常数sTm0843.0晶闸管整流装置传递函数的近似条件111196.1330.0017cissTs满足近似条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件cilmwTT65.590843.003.0131

10、3满足近似条件。电流环小时间常数近似处理条件cimoiwsTT18.1800017.0002.0131131满足近似条件。计算调节器电阻和电容含给定滤波与反馈滤波的PI 型电流调节器如图 3-8 所示：其中*iU为电流给定电压，dI为电流负反馈电压，cU为电力电子变换器的控制电压。由图 3-4 ，按所用运算放大器取040Rk，各电阻和电容值为图 3-4 PI型电流调节器6 .21405404.0oiiRKRK，取 22KFRCiii364.12200003.0，FFRTCooioi2.040002.044按 照 上 述 参 数 ， 电 流 环 可 以 达 到 的 动 态 跟 随 性 能 指 标

11、 为000053.4i，满足设计要求。3.2.2 转速调节器设计电流环的等效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3-7a 可知2111111Iidcli*IiiiII()( )( )( ) /()Ks TsIsWsKTUssss T sKK忽略高次项，上式可降阶近似为111cliI( )WssK近似条件可由式113cmin(,)cba求出13IcniKT式中 wcn - 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111dcli*iI( )( )( )IsWsUssK转速调节

12、器结构的选择电流环的等效闭环传递函数为111dcli*iI( )( )( )IsWsUssK其中电流环等效时间常数ssTKiI0074.00037.0221则转速环节小时间常数onInTKT10.0074+0.02=0.0274s 按照设计要求，选用PI 调节器，其传递函数为1nnASRn()( )KsWss式中Kn - 转速调节器的比例系数；n - 转速调节器的超前时间常数。这样，调速系统的开环传递函数为nnnnn2nemnnemn(1)(1)( )(1)(1)RKsKRsW ssC T s TsC T s Ts令转速环开环增益为nNnemKRKC T则211Nnnn()( )()KsWss

13、 Ts计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取5h，则 ASR 的超前时间常数为nnhT50.0274=0.137s 转速开环增益222220274.052621sThhKnN159.84 ASR 的比例系数057.110274.01. 0032. 0520843.09168.101.0621nmenRThTChK检验近似条件转速环截止频率1190.2184.159137.0sKwKwNnNcn电流环传递函数简化条件为cniIwsTK17.630037.01.1353131满足简化条件。转速环小时间常数近似处理条件为cnonIwTK4.2702. 01 .1353131满足简化条件。

14、计算调节器电阻和电容含给定滤波与反馈滤波的PI 型转速调节器如图3-5 所示：其中*nU为转速给定电压，n为转速负反馈电压，*iU：调节器的输出是电流调节器的给定电压。取040Rk，则28.44240057.11onnRKRK，取 443 K FFRCnnn31.0443000137.0，FRTCoonon24，取 2 F。校核转速超调量查表，当5h时，37.6%n，不能满足设计要求。应按ASR退饱和的情况重新计算超调量。按 ASR 退饱和重新计算超调量过载倍数=1.5 ，理想空载转速时， z=0 查表得， h=5 时， Cmax/Cb=81.2%，则00maxmax59.82mnNbbbnT

15、TnnzCCnnCC0010n能满足设计要求。表 4 典型型系统阶跃输入跟随性能指标图 3-5 PI型转速调节器表 5 典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系第 4 章 计算机仿真双闭环调速系统的动态结构图图4-1 ，增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。空载起动第 I 阶段（10t）是电流上升阶段第 II 阶段（21 tt）是恒流升速阶段第阶段（2t以后）是转速调节阶段总结与体会在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮忙，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的了解知识，所以在这里非常感谢帮忙我的同学。这次毕业设计要求设计一个双闭环

16、直流调速系统，自行设计这对我将来踏上工作岗位是非常有帮助的。所以我非常希望通过自己的努力完成设计并希望有所突破。这也是我对自己的考验。于是本次设计过程中我完全按照软件设计步骤的要求来进行，从课题分析开始，再进行总体设计、详细设计,最后到系统实现。每一步都让我将理论学习的知识应用到实践中去。也使我掌握了一整套规范的设计操作流程。虽然结束了，但这只能是一个开始。今后作为技术员，要学习的规范，如何的不断提高自己的综合能力与专业水平是我未来很多年的职业生涯里都要认真考虑与学习的一个重要问题，在此也要感谢我的指导老师王老师对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交

17、流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。参 考 文 献1 尔桂花窦曰轩编著 . 运动控制系统 . 清华大学出版社，2002 2 刘锦波 张承慧 编著. 电机与拖动 . 清华大学出版社， 2006 3 陈伯时，陈敏逊 . 交流调速系统 . 机械工业出版社， 1997 4 胡崇岳 . 现代交流调速技术 . 机械工业出版社， 2001 5 胡寿松

18、. 自动控制原理 .科学出版社， 2008. 6 周渊深. 交直流调速系统与MATLAB仿真.北京：中国电力出版社， 2004. 袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆

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20、羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿

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