双闭环调速系统调节器设计及MTALAB仿真验证

1、1双闭环直流调速系统11.1双闭环直流调速系统的介绍11.2 双闭环直流调速系统的组成21.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性21.4 双闭环直流调速系统的动态数学模型42.电流调节器设计42.1 确定电流调节器结构42.2 电流调节器原理52.3 电流调节器的参数计算63 转速调节器设计73.1确定转速调节器的参数73.2转速调节器原理83.3转速调节器参数计算93.4系统超调量的计算104 仿真与调试114.1双闭环直流调速系统仿真图114.2空载起动时的仿真124.3 恒定负载下稳定运行时磁场减半的仿真13个人总结16参考文献17双闭环调速系统调节器设计及MTALAB仿真验证1双

2、闭环直流调速系统1.1双闭环直流调速系统的介绍双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，高性能的直流调速系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。对于单闭环系统来说它不能完全按照理想要求来控制动态过程的电流的动态过程。所以为了使直流调速系统获得更加优良的静、动态性能，我们往往采用双闭环直流调速系统。在起动过程中，我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统以最大的加速度运行，到达稳定转速后，最好

3、让电流立即降下来，使电磁转矩马上与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。这类起动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，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就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做

4、到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。1.2 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，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图1-1所示，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，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。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。 图1-1 双闭环直流调速系统原理图图中U*n、Un转速给定电压和转速反馈电压；U*i、Ui电流给定电压和电流反馈电

5、压； 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1.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性图1-2 双闭环直流调速系统的稳态结构图双闭环直流系统的稳态结构图如图1-2所示，两个调节器都采用带限幅作用的PI调节器，转速调节器的输出限幅电压决定了电流给定的最大值，电流调节器的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。输出达到限幅值，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI工作在线性调节状态，为了实现电流实时控制和快速跟随，希望电流调节器是不要达到饱和状态的。因此，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。

6、（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， （1-1） （1-2）由式（1-1）可得： 从而得到静特性曲线图1-3中的CA段。与此同时，由于ASR不饱和，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。双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时： （1-3）其中，最大电流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，由上式可得静特性的AB段，它是一条垂直

7、的特性。这样是下垂特性只适合于的情况，因为如果，则，ASR将退出饱和状态。图1-3 双闭环直流调速系统的静特性曲线1.4 双闭环直流调速系统的动态数学模型双闭环直流调速系统的动态结构框图如图5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1-4 双闭环直流调速系统的动态结构框图2.电流调节器设计2.1 确定电流调节器结构由双闭环调速系统的动态结构图2-1可知，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，实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，系统电磁时间常数远小于机电时间常数

8、，因此转速的变化比电流变化慢很多。对电流环来说，在电流瞬变的过程中，可以认为反电动势基本不变，这样，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。图2-1 电流环动态结构图根据设计要求，稳态指标要求稳态无静差，以得到理想的堵转特性，从图2-2可以看出，采用I型系统就够了，从动态要求上看系统不允许在电枢电流突加控制时有太大的超调，以保证动态过程不超过允许值，而对电网电压的波动的及时抗扰只是次要因素，为此，电流环应该以跟随性能为主，即选用I型系统。图2-2电流环动态结构图的简化2.2 电流调节器原理含给定滤波和反馈滤波的电流调节器原理图如图2-3所示.图中的为电流给定电压，为电流负

9、反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压。根据运算放大器的原理，可以容易导出图2-3 含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器 （2-1） （2-2） （2-3）从而计算调节器的具体电路参数。2.3 电流调节器的参数计算(1)确定时间常数1)整流装置滞后时间常数，通过查表可得，三相桥式电路的平均失控时间。2)电流滤波时间常数。三相桥式整流电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有 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，并保证稳态电流无差，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，其传递函数为： (

10、2-4) 电流环开环传递函数为： (2-5)因为，所以选择，用调节器零点消去控制对象中大的时间常数点，以便矫正成典型I型系统，因此 (2-6)(3)计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：。电流开环增益：要求，查表可取，因此ACR的比例系数 (2-7)(4)检验近似条件电流环截至频率 1)校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件： 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： 满足近似条件3)检验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电流调节器原理图如图2-3所示，所用运放取。各电阻和电容值计算： （2-8） (2-9) (2-10)按照上述参数，

11、电流环可以达到的动态跟随性能指标为5% 满足设计要求3 转速调节器设计3.1确定转速调节器的参数根据图2-2可知，电流环的输入量为，因此电流环在转速环中可以等效为 （3-1）把电流环的等效环节接入转速环后，整个转速控制系统的动态结构框图如图3-1所示。由于需要实现转速无静差，而且在扰动作用点后面已经有一个积分环节，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： (3-2)这样，调速系统的开环传递函数为 (3-3)令转速环开环增益 则 不考虑负载扰动时，校正后的调速系统动态结构图

12、示于图3-1图3-1 校正为典II型系统的转速环动态结构图3.2转速调节器原理转速调节器的参数包括和。按照典II型系统的参数可知有 因此 至于中频宽，无特殊要求时，取。含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器原理图如图3-2所示，图中的为电流给定电压，为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压。图3-2 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器根据运算放大器的原理，可以容易导出 （3-4） （3-5） （3-6）3.3转速调节器参数计算(1)确定时间常数1)电流环等效时间常数为，设计电流调节器时已取所以 =0.0074s2)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

13、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，其传递函数为式（3-2）。(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。转速开环增益为 （3-7）ASR的比例系数为 （3-8）(4)检验近似条件：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 满足简化条件。(5)计算调节器电阻和电容取，则 取 （3-9） 取 （3-10） 取 （3-11）3.4系统超调量的计算当h=5时，不能满足设计要求。实际上，这个超调量是按线性系统算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和

14、的情况重新计算超调量。如果转速调节器没有饱和限幅的约束，调速系统可以在很大范围内线性工作，则双闭环系统起动的转速过渡过程就会产生较大的超调量。实际上，突加给定电压后，转速调节器很快就进入了饱和状态，输出恒定的限幅电压，使电动机在恒流条件下起动，起动电流，而转速则按线性规律增长。虽然这时起动过程要比调节器没有限幅时慢得多，但是为了保证起动电流不超过允许值，这是必须的。 当电动机空载起动时Z=0，作为转速超调量，其基准值应该是，查表可以得出当h=5时，则可以求出转速调节器退饱和时转速超调量为 （3-12）满足设计要求。4 仿真与调试4.1双闭环直流调速系统仿真图由上面电路设计计算出来的参数，用MA

15、TLAB画出方框图，仿真方框图如图3-1所示。图4-1 双闭环直流调速系统仿真图4.2空载起动时的仿真设置空载启动，转速和电流波形如图4-2所示。图4-2 转速和电流波形由图3-2可得超调量，均符合要求。4.3 恒定负载下稳定运行时磁场减半的仿真仿真要求:绘制直流调速系统在(),即恒定负载下稳定运行时磁场突然减半仿真图,仿真得出起动转速,起动电流,直流电压,ASR、ACR输出电压的波形。设置系统带负载起动，取，在时间为零的时候开始起动，由图3-2可知系统在1S内已经起动完成，设置在2S时 磁场减半，（即step1中step time 设置为2S,Initial value设置为1，Final

16、value设置为2），由于给的是恒定负载，所以在磁场减半的时候电流的给定要增加一倍，即在2S的时候设置为，仿真的波形如下：（1）02S之前为起动电流、转速仿真波形（2）2S之后的波形为磁场减半的的仿真波形结果分析:由图4-3可以知道系统启动过程有三个阶段,电流上升阶段和恒流升速阶段以及转速调节的阶段,在系统起动运行到稳定后突然将励磁减半后,转速n急剧上升,电流急速下降，由于是恒定负载，所以励磁减半时候给的电流会增加一倍，所以系统最终电流会稳定在600A，转速稳定则恢复到励磁减半前的转速上。图4-3 电流、转速仿真波形（2）直流电压的仿真波形，如图4-4图4-4直流电压（3）ASR、ACR仿真波

17、形，如图4-5，4-6图4-5 ASR输出波形图4-6 ACR输出波形由以上仿真，可以得知双闭环直流调速系统的优点：（1）具有良好的静特性；（2）具有较好的动态特性，起动时间短(动态响应快)，超调量也较小；（3）系统抗扰动能力强，电流环能较好地克服电网电压波动的影响，而速度环能抑制被它包围的各个环节扰动的影响，并最后消除转速偏差；（4）由两个调节器分别调节电流和转速。这样，可以分别进行设计，分别调整(先调好电流环，再调速度环)，调整方便。个人总结 这次电拖课设的题目是双闭环调速系统调节器的设计以及进行matlab的仿真。建议matlab的仿真模型后进行参数设置时遇到一些问题，电流环的输出限幅一开始并没有设置好，不知道该设什么值，导致出来的波形和预期的不符合。得出的后来翻阅了课本和资料知道电流环输出环节的限幅值应该是；在最初进行电流给定的时候，的给定一直是恒定的，所以励磁减半后稳定的电流和电磁减半之前的一样，不能保持负载是恒定的要求，所以在进行励磁减半的时候，电流的给定要加倍；得出的结果才能满足负载恒定的要求。在做仿真的时候还出现过其他的一些小问题，经过简单的修改后都可以得到解决了。因为之前刚刚复习完电拖考试，所以对电力拖动与控制系统的双闭环系