直流电机双闭环系统课程设计 2

1、 转速、电流双闭环直流调速系统的设计任务书某晶闸管供电的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:，点数电路总电阻，点数电路总电感，电流允许过载倍数，折算到电动机轴的飞轮惯量。晶闸管整流装置放大倍数，滞后时间常数。电流反馈系数。电压反馈系数。滤波时间常数取，。；调节器输入电阻。设计要求：稳态指标：无静差；动态指标：电流超调量；空载起动到额定转速时的转速超调量。 目 录 第一章 转速电流双闭环直流调速系统31.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性3双闭环调速系统的组成41.1.2双闭环直流调速系统的稳态结构框图和静特61.2 双闭环直流调速系统的数学模型和动

2、态性能分析9双闭环直流调速系统的动态数学模型91.2.2 双闭环调速系统的起动过程分析9 动态抗扰性能分析11 转速和电流两个调节器的作用13第二章 双闭环调速系统参数计算14 21电流调节器的参数计算1422转速调节器的设计1723其他电路结构选择20 第三章 试验结果仿真22参考文献25第一章 转速电流双闭环直流调速系统1.1 转速电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性对于一个完整的系统而言，系统所要达到的性能指标、整个系统的综合性价比以及系统的运行稳定性、工作的可靠性等都是相当重要的，这就要求我们考虑问题要非常周全，能够考虑到各方面因素对整个系统运行所产生的影响。直流调速系统，传统上采用

3、速度和电流的双闭环调速。这是从单闭环自动调速系统发展起来的。采用PI控制器的单闭环系统，虽然实现了转速的无静差调速，但因其结构中含有电流截止负反馈环节，限制了起制动的最大电流。加上电机反电势随着转速的上升而增加，使电流达到最大值之后迅速降下来。这样，电动机的转速也减小下来，使起动过程变慢，起动时间增长。为了提高生产率和加工质量，要求尽量缩短过渡过程时间。我们希望使电流在起动时始终保持在最大允许值上，电动机输出最大转矩，从而可使转速直线上升过渡过程时间大大缩短。另一方面，在一个调节器的情况下，输入端综合几个信号，各参数互相影响，调整也比较困难。为获得近似理想的起动过程，并克服几个信号在一处的综合

4、的缺点，经研究与实践，出现了转速、电流双闭环调速系统。在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动电流和转速波形如图（1-1a）所示,起动电流突破以后，受电流负反馈的作用，电流只能再升高一点，经过某一最大值后，就降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。对于经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起、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

5、始终保持电流为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形示于图（1-1b）。这时，起动电流呈方形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。实际上，由于主电路电感的作用，电流不可能突跳，图（1-1b）所示的理想波形只能得到近似的逼近，不可能准确实现。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。a）带电流截止负

6、反馈的单闭环直流调速系统起动过程 b）理想的快速起动过程 图1-1 直流调速系统起动过程的电流和转速波形1.1.1 转速电流双闭环直流调速系统的组成 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）联接,如图1-2所示。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。图1-2 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

7、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，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如上图2-3所示。 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。图中还标出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的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。图1-3 双闭环直流调速系统电路原理图1.1.2双闭环直流调速系统的稳态结构框图和静

8、特性为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构框图，如图2-4所示。它可以很方便地根据原理图（见图1-3）画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示PI调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征，一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值，不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，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间的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压在稳态时总为零。 图1-4 双闭环直流调速系统的稳态结构框图 a转速反馈系数; b 电流反馈系数实际上，

9、在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。1转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此 由第一个关系式可得 (1-1)从而得到图1-5所示静特性的CA段。与此同时，由于ASR不饱和，从上述第二个关系式可知。这就是说，CA段特性从理想空载状态的一直延续到，而一般都是大于额定电流的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。2转速调节器饱和这时，ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时 (1-2)其中，最大电流是

10、由设计者选定的，取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。式(1-2)所描述的静特性对应于图1-5中的AB段，它是一条垂直的特性。这样的下垂特性只适合于的情况，因为如果，则，ASR将退出饱和状态。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到时，对应于转速调节器的饱和输出，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大。静特性的两段实际上都略

11、有很小的静差，见图2-5中的虚线。总之，双闭环系统在突加给定信号的过渡过程中表现为恒值电流调节系统，在稳定和接近稳定运行中表现为无静差调速系统，发挥了转速和电流两个调节器的作用，获得了良好的静、动态品质。 图1-5 双闭环直流调速系统的静特性1.2 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析1.2.1 双闭环直流调速系统的动态数学模型由双闭环控制的结构（见图1-6），即可绘制出双闭环直流调速系统的动态结构框图，如图3-1所示。图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流显露出来。图1-6 双闭环直流调速系统的动态结构框图1.2.2 双

12、闭环调速系统的起动过程分析我们知道设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于图1-7b) 所示的理想起动过程，因此在分析双闭环直流调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的动态过程如图1-7 所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、三个阶段。第I阶段是电流上升的阶段（0） 突加给定电压 后，经过两个调节器的跟随作用,都跟着上升，当时，电机还不能转动。当后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电

13、压保持限幅值，强迫电枢电流迅速上升。直到，电流调节器很快就压制了的增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。第阶段是恒流升速阶段（） 在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给定下的电流调节系统，基本上保持电流恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电动机的反电动势E也按线性增长见图1-7，对电流调节系统来说，E是一个线性渐增的扰动量，为了克服这个扰动，和也必须基本上按线性增长，才能保持恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，应略低于。 恒流

14、升速阶段是起动过程中的主要阶段。第阶段是转速调节阶段（以后） 当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，和很快下降。但是，只要仍大于负载电流，转速就继续上升。直到时，转矩，则dn/dt=0，转速n才到达峰值（t =时）。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在时间内，直到稳定。如果调节器参数整定得不够好，也会有一段振荡过程。在最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使尽快地跟随其给定值，或者说，电

15、流内环是一个电流随动子系统。图1-7 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形 动态抗扰性能分析1抗负载扰动对于调速系统，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。图1-8 直流调速系统的动态抗负载扰动作用由动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。 2抗电网电压扰动由图1-9a）和1-9b）对比分析可知1）单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。a）单闭环系统b）双闭环系统图1-9

16、直流调速系统的动态抗扰作用2）双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。 转速和电流两个调节器的作用综上所述，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分别归纳如下。1电流调节器作用1）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，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）当电动机过载甚至堵转时

17、，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。2转速调节器作用1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速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动机允许的最大电流。 第二章 双闭环调速系统参数计算 按工程设计方法设计双闭环系统，设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环地逐步向外扩展。在这里是：先从电流环入手，首先设计好电流调节器，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。2.1电流调节器的参

18、数计算在图3-1画线结构框图中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际反电动势与转速成正比，系统的电磁时间常数远小于机电时间常数，因此转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即.这样在按动态性能设计电流环时，可以不考虑反电动势变化的影响。也就是说可以去掉反电动势的作用这样得到电流环的近似结构框图如图2.1所示电流环动态结构图可简化为： 图2-1电流环动态结构框图1确定时间常数：整流装置的滞后时间常数：由于采用三相桥式电路：m=6,在一般情况下去平均值1） 电流滤波时间常数，三相桥式电路的每

19、个波头的时间是3.3ms,为了基本虑平波头，应有（12）=，因此取=0.002s2） 电流小时间常数之和： (2-1) 3） 求电机的电动势系数： (2-2) 4） 机电时间常数： (2-3) 5） 电枢回路电磁时间常数： (2-4) 2. 选择电流调节器的结构根据设计要求，并保证稳态电流无静差，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型调节器，其传递函数为 (2-5) 式中 -电流调节器的比例系数；-电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能：,参照附表的典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的，因此基本确定电流调节器按典型I型系统设计。表2-

20、1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参数关系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间tr6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间tp8.3T 6.2T4.7T3.6T相对稳定裕度76.369.965.559.251.8截止频率c0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T3. 计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数：。电流开环增益：要求时，取，因此 （2-6） 于是，ACR的比例系数为 （2-7） 4. 校验近似条件电流环截止频率： （2-8）（1） PW

21、M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 （2-9） 满足近似条件。（3） 电流环小时间常数近似处理条件 （2-10） 满足近似条件。5. 计算调节器电阻和电容 图2-3由图2-3，按所用运算放大器取R0=40k，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。22转速调节器的设计电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，这样用电流环等效环节代替电流环后整个转速控制系统的动态结构图如下图2-4所示： 图2-4流环动态结构框图1. 确定时间（1）电流环等效时间常数1/KI。由前述已知，则 （2-11）

22、 （2）转速滤波时间常数，根据所用测速发电机纹波情况，取.（3）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取 （2-12） 2. 选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数式为 （2-13） 3.选择转速调节器参数按跟随性能和抗扰性能较好的原则选择h=5，求出转速超调量%和过渡过程时间 。如果能够满足设计要求，则可根据所选的h值计算有关参数；否则要改变h值重新进行计算，直到满足设计要求为止。当h=5时，ASR退饱和超调量为 = (2-14)式中，表示电动机允许的过载系数，按题意=1.5；z为负载系数，设为理想空载起动，则z=0; 为调速系统开环机械特性的额定稳态速降，=；是基准值

23、为时的超调量相对值，而=。 参照表2当h=5时，=81.2%，故起动到额定转速，即= 时，退饱和超调量为 =3.416% (2-15)满足设计要求。 表2-2典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系H345678910Cmax/Cb72.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%Tm/T2.452.702.853.003.153.253.303.40Tv/T13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.854. 计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5，则ASR的超前时间常数为 （2-16） 则转速环开环增益 （2-17） 可得ASR的比例系数为 （2-18） 5.检验近似条件转速截止频率为： （2-19） （1） 电流环传递函数简化条件为： 满足简化条件。 （2-20）（2）转速环小时间常数近似处理条件为： 满足近似条件（2-21） 6计算调节器电阻和电容根据图2-5 所示，取，则 图2-5取 (2-22) ,取 (2-23) 取 (2-24)2.3其