直流双闭环调速系统电路设计说明

1、 . . . 目录1设计方案分析22 直流双闭环调速系统电路设计32.1 晶闸管电动机（V-M系统）主电路的设计32.2稳态结构图与参数32.3动态结构图42.4 转速、电流调节器的设计52.4.1 电流调节器的设计52.4.2 转速调节器的设计73 MTALAB仿真93.1仿真模型设计93.2仿真结果分析93.2.1稳定运行时的仿真结果93.2.2稳定运行时负载变化和磁场减半的仿真114 小结体会13参考文献14附录（一）双闭环直流调速系统仿真模型15双闭环调速系统设计与变负载扰动磁场突然减半MATLAB仿真1设计方案分析转速、直流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能最优良，应用最广的直流调

2、速系统。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。其中转速调节器是调速系统的主导调节器，它的作用主要有一下三点。（1）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）对负载变化起抗扰动作用。（3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。电流调节器作为环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用主要有以下四点。（1）电流紧紧跟随其给定电压变化。（2）对电网电压的波动起与时抗扰的作用。（3）在转速动态过程中，保证获得点动机允许的最大电流，从而加快动态

3、过程。（4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。下图转速、电流反馈控制直流调速调速系统的原理图。图 1 转速电流反馈控制直流调速系统原理图为使转速和电流两种负反馈分别起作用，引入的转速负反馈和电流负反馈的调节环节之间实行嵌套连接，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，在用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。转速调节器和电流调节器均为PI调节器，以满足调速系统的要求。2 直流双闭环调速系统电路设计2.1 晶闸管电动机（V-M系统）主电路的设计晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）主电路原理图如图2所示。图2 V-M系统主电路原理图图2中所示的V-M系统中，

4、调节控制电压，可以移动触发装置GT输出脉冲的相位，即可方便地改变可控整流器VT输出瞬时电压的波形，以与输出平均电压的数值。图2中的VT是晶闸管可控整流器，它由三相半波整流电路组成，三相半波整流电路如图3所示。图 3 三相半波整流电路2.2稳态结构图与参数双闭环调速系统的稳态结构图如图4所示，两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定的最大值，电流调节器的ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出的联系，

5、相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压在稳定时为零。图 4 双闭环直流调速系统的稳态结构图和分别为转速和电流反馈系数，由公式（2-1）和（2-2）可算出和的值分别为0.01和0.017。（2-1）（2-2）2.3动态结构图双闭环调速系统的动态结构图如图 5 所示。图5 双闭环调速系统的动态结构图和分别是电流反馈滤波时间常数和转速反馈滤波时间常数。如图5所示，双闭环调速系统的实际动态结构图设置了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。设置滤波环节的必要性是由于反馈信号检测中常常含有谐波和其他扰动量，为了抑制各种扰动量对系统的

6、影响，需加低通滤波，这样的滤波环节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。然而，在抑制扰动量的同时，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。在调解器设计时采用先环再外环的方式。2.4 转速、电流调节器的设计2.4.1电流调节器的设计含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器原理图如图6所示。在设计电流调节器时，首先考虑应该把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，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

7、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与时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应该以跟随性能为主，即选典型I型系统。图6 含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器电流调节器参数计算过程如下：（1）确定时间常数：1）三相半波整流电路的平均失控时间为。2）电流滤波时间常数，三相半波整流电路每个波头的时间是6.67ms，为了基本滤平波头，因此取。3）电流环小时间常数之和。（2）选择电流调节器结构：根据设计要求，并保证稳态无静差,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见式（2-3）。 （2-3）式中 电流调节器的比例系数；电流调

8、节器的超前时间常数。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的关系表格，可知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：。电流环开环增益：要求时，应取，所以于是ACR的比例系数为（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：所以满足近似条件。2） 检验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：所以满足近似条件。3）检验电流环小时间常数近似处理条件：所以满足近似条件。（5）计算调节器电阻和电容：由图5，按所用运算放大器取，各电阻和电容值计算如下。按照工程处理的原则，和分别取，和。按照上述参数，电流环可以达到的动态跟

9、随性能指标为，满足设计要求。2.4.2转速调节器的设计含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器如图7所示： 图7 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。转速调节器参数计算过程：（1）确定时间常数：1）电流环等效时间常数为，所以2）转速滤波时间常数。取。3）转速环小时间常数。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，选用PI调节器，其传递函数见式（2-4）。(2-4)（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，则ASR的超前时间常数为。转速开环增益为ASR的比例系数为（4）检验近似条件

10、：转速环截止频率为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）计算调节器电阻和电容取，所以各电阻电容计算如下。 取 取 取 （6）校核转速超调量：当h=5时，不能足设计要求。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：所以能满足设计要求。3 MTALAB仿真3.1仿真模型设计双闭环直流调速系统仿真模型见附录（一）。在仿真模型中增加了饱和非线性模块(Saturation),它来自于Discontinuities组，双击该模块，可以改变饱和上界(Upper limit)和下界(Lower limit)的参数，设置限幅

11、值。为了在示波器模块中反映出转速电流的关系，仿真模型中从Signal Routing组中选用了Mux模块来把几个输入聚合成一个向量输出给Scope。模块Pruduct用来实现转速环的通断。3.2仿真结果分析3.2.1稳定运行时的仿真结果设置给定电压，负载电流，运行得到转速与电流的响应曲线额定如图8所示。从图8中可以看到在没有磁场减半的情况下电动机可以稳定运行，转速超调量为：所以符合设计要求。同样电流超调量为：虽然略大于要求值，但基本符合要求。图8双闭环系统启动时转速与电流的响应曲线从图8中还可以看到当转速上升的时候，电流的波形也略微往上升，这是由于的原因。此时，直流电压，ASR和ACR输出电压

12、的波形如图9所示。从图中可以看到这三个值与设计要求也基本一致。图9 直流电压，ASR和ACR输出电压波形3.2.2稳定运行时负载变化和磁场减半的仿真当电机稳定运行过程中负载变化（）以与磁场减半时的仿真结果如图10所示。而变化后直流电压，ASR和ACR输出电压的波形则分别如图11所示。如图10中设定的是当运行到2s的时候磁场突然减半时的波形图。从图中可以看到电流最后依然稳定在了308A，而转速最后稳定的值依然是1000转；当磁场突然减半了以后，转速和电流的值变动非常大，但最后依然稳定在设定值。而图11所示的直流电压，ASR和ACR输出电压都相应发生了变化，都减小了。图10 电机稳定运行时磁场减半

13、的波形图图11 直流电压，ASR和ACR输出电压的波形4 小结体会此次课程设计让我受益匪浅。与平常做题不同，课程设计对知识的应用和理解有很大的要求，能够使平常学习的知识得到系统的应用，这一点在本次课程设计中更是显现得淋漓尽致。本次课程设计我所做的题目是双闭环调速系统的设计与变负载扰动磁场突然减半MATLAB仿真，这个设计容要求设计者要牢牢掌握双闭环调速系统中有关于电流调速器和转速调速器的设计原理，并且能够熟练的应用MATLAB进行仿真。在这次的设计过程中，我碰到了很多问题，还请教了本次课程设计的指导老师，在老师的引导下成功克服了很多问题，最终将课程设计完满的做成。经过此次课程设计，我学到了很多，对我分析问题的能力有了很大