双闭环直流调速系统结构和参数设计

1、三江学院运动控制系统课程设计院系：机械工程学院学号：姓名：叶林朋班级：109154A指导老师：张奔李建民地点：L203日期：2012-7目录一、设计思想 21. 双闭环调速系统的动态结构框图 22. 电流调节器的设计思想 23. 转速调节器的设计思想 5二、设计步骤 91. 电流调节器设计 92. 转速调节器设计 123. 转速调节器退饱和转速超调量计算 13三、总结心得 14四、参考文献 15五、附件 161. 系统仿真模型2. 仿真输出波形曲线图3. Protel电路原理图一、设计思想本文是根据工程设计方法来对 ASR和ACR的结构及参数进行设计的。按照 设计多环控制系统先内环后外环的一般

2、原则， 先设计电流调节器，然后把整个电 流环看作是转速系统中的一个环节，再设计转速调节器。根据工程设计方法的基本思路我们知道首先应该选择电流调节器的结构。因为电流环作为内环，从稳态要求上看，要求电流无静差，以得到理想的堵转特性， 从动态上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用下时有太大的超调，以保证电流在动态过程不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的 因素。因而电流环应以跟随性能为主。所以本文采用典型I型系统。对于转速环， 由于转速环作为外环，主要要求系统抗干扰性能好和转速无静差，所以将转速环 设计成典型U系统。1. 双闭环直流调速系统的动态结构框图un*(s)1f JASR

3、11II -+-XX -ACRUc(s)KsUd0(s),_1/RR1Tons 比1 *11ToiS+lTsS*心*+Ts*Mr i*1 ；TmSCe1IU(s)一 E(s)IdL(s)I n(s)厂I电流环Tois41P aT°nS 岀图1-1双闭环调速系统的动态结构框图上图1-1是双闭环调速系统的实际动态结构框图。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，需要加低通滤波。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TOi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，

4、在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯 性环节，称作给定滤波环节。其意义是让给定信号和反馈信号经过相同的延时， 使得二者在时间上恰好的配合。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Ton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T°n的给定滤波环节2. 电流调节器设计思想电流环结构框图的化简在图1-1点划线框的电流环中，反电动势和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，反电动势和转速成正比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，系统的电磁时间常数 T远小于机电时间常数Tm，因此，转速的变化往往比电流变化慢得多

5、，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 -E 0，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， 得到的电流环的近 似结构框图如图1-2。图1-2忽略反电动势的动态影响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(s)厂，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图1-3。U(s)0 PACRUc(s).Ks/R Id(s)Js+1(TsS + 1)(Tis + 1)：图1-3等效成单位负反馈系统由于Ts和Toi比Ti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：Tt =Ts

6、 Toi则电流环结构框图最终简化成下图1-4图1-4小惯性环节近似处理电流调节器结构的选择图1-4表明，电流环的控制对象是双惯性的，要校正成典型I型系统，显然应 采用P型的调节器，其传递函数可以写成WACR(S)WiS 1)式中Ki电流调节器的比例系数i 电流调节器的超前时间常数为了让调节器零点和控制对象的大时间常数极点对消，选择=丁则电流环的动态结构框图便成为图1-5所以的典型形式，其中“醫Ui(s)Ki_ ld(S) s(gs+1)图1-5校正成典型I型系统电流环动态结构框图下图1-6绘出了校正后电流环的开环对数幅频特性.图1-6校正成典型I型系统电流环开环对数幅频特性校验 >

7、69;ci3 兰是否满足条件3TsVsToi3 忖i电流调节器的参数计算由式Wacr(s) = &( iS °可以看出，电流调节器的参数是Ki和i，其中i已TiS选定，待定的只有比例系数Ki，它可根据所需的动态性能指标选取。计算电流环开环增益：K . ci计算电流调节器的比例系数：TR2Ks T7T R如果实际系统要求的跟随性能指标不同，式K -ci和Ki丄一 可以做相应2©%的改变，然后再次校验抗扰性能的指标是否满足。计算调节器电阻和电容按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1-7，图中Ui为电流给定电压，-讥为电流反馈电压，调节器的输出就是电

8、力电子变换器的控制电压Uc根据运算放大器的电路原理计算1 、i 二 RiCiToiRoCoi是否满4足要求。Ro2Ro2Ro2CoiCoiRo2R balCi图1-7含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器3. 转速调节器设计思想电流环的等效闭环传递函数电流环经化简后可视作转速环中的一个环节，为此需要求出它的闭环传递函数WUS），由图1-5可知：KWcii (s)ld(s)Ui (s)/ 's(s 1)11I J丄$ 1s(Ts 1) K| K|忽略高此项，WUs）可降阶近似为:Wcii (s)接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为U（s），因此电流环在转速环中应等效为:ld(s)Wc

9、 i(iS)Ui (s) _1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1 K|的一阶惯性环节。转速环结构的化简和转速调节器结构的选择用电流环的等效环节代替图1-1中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构 框图如图1-8所示。n(s)图1-8用等效环节代替电流环和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成un（s）/，再把时间常数1/K|和Ton的两个小惯性环节合并起来，近似成个时间常数为T-n的惯性环节，其中T筍 -Ton，则转速环结构框图可化简Ki成图1-9图1-9等效成单位负反馈和小惯性的近似处理为了实现转速无静

10、差，在负载扰动作用点前必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器中。现在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，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u系统，这样的系统同时 也能满足动态抗扰性能好的要求。至于其阶跃响应超调量较大，那么线性系统的 计算数据，实际系统中转速调节器的饱和非线性性质会使超调量大大降低。由此可见ASR也应该采用P调节器，其传递函数为：WASR(S) g nS 1) nS式中 Kn转速调节器的比例系数转速调节器的超前时间常数Un(S)bKn(®s+1)n(s)2S(T$s+1)a图1-10校正后成为典型H系统这样，调速系统的开环传递函数为：K

11、n( nS 1): R/ -Kn： R( nS 1)VVn(S)-'nSCeTmS(TWS 1)-n <eTmS2仃1)令转速环开环增益Kn为：KnGRKn；n <eTm则WngKTTs（TpS+1）至于中频宽为多少，要看动态性能的要求决定。 转速调节器的参数的计算转速环开环增益为：ASR的比例系数为:校验KnKn2h2T(h 1 ) CeTm2 ha RT 靳转速环的截止频率为：cn=KN=K N n国1计算调节器电阻和电容图1-11含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器TAT根据图1-11，计算Rn二KnRoCn丄C°n二也 是否满足要求RnRo最后对转速退饱

12、和超调量进行校核。 下面根据第二步的思想进行具体的步骤设计。二、设计步骤：Un = 220V , | n =30A，nN =970r. min，电枢回路总电阻R=o.S，机电时间常数Tm =0.2s，电枢回路的电感L=15mH。电枢回路的电磁时间常数TlT = L二0015 = 0.03sR 0.5计算电动机电动势系数计算电流反馈系数计算转速反馈系数CeUnR 22°-30 0.0.2nv.minrNnN970101010 =0.221.5 I N 1.5 30型=0.01nN970F面对电流调节器进行设计整流电路形式最大失控时间Tsmax/mS平均失控时间单相半波2010单相桥式（

13、全波）105三相半波6.673.33三相桥式、六相半波3.331.67Ts /ms取三相桥式电路的平均失控时间为 Ts =0.0017s。1、确定时间常数整流装置滞后时间常数 Ts。由下表整流滤波时间常数 Toi。由条件可知 To 0.002s电流环小时间常数之和T、i。按小时间常数近似处理，取T、i 二 Ts Toi = 0.0037s。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型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为WaCr(SHK检查对电流电压的抗扰性能:=8.11 ： 10Ti 0.0037Ti11115102030T2

14、mT2ACmax x100%Cb55.5%33.2%18.5%12.9%tm/T2.83.43.84.0tv/T14.721.728.730.4参照上表典型I型系统动态抗扰性能，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：.严T| =0.034s。参数关系KT0.250.390.500.691.0阻尼比匕1.00.80.7070. 60. 5超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间trQO6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间tp08.3T6.2T4.7T3.6T相角稳定裕度Y76.369.965.559.251.8截止频率C0.243/T0.367/T0

15、.455/T0.596/T0.786/T电流开环增益：要求F乞5%时，根据匚 =厂100%，按上页表应取di-t21 _ 13Ts3 0.0017=196.078s*KITi =0.5因此K 更135.1s'Ti 0.0037于是，ACR的比例系数为KjR 135.10.03 疋 0.5 门KiLJ0.25Ks ：40 0.224、校验近似条件 电流环截止频率：ci = K| = 135.1s闸管整流装置传递函数的近似条件满足近似条件3 二=31 0.037 皿曲满足近似条件电流环小时间常数近似处理条件1 13； 0.0017 0.002s'=180.775s满足近似条件。5、

16、计算调节器电阻和电容可知计算各电阻和电容值，其中 & =40kRi 二KjR°=0.1 40k"=4k“取 R4k11CiRi0.034000= 7.5uF取 Ci =7.5uFCoi4ToiR。4 0.00240000-0.2uF取 C°i =0.2uF按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标.=4.3% ： 5%，满足设计要求。H下面对转速环的调节器进行设计1、确定时间常数1电流环等效时间常数1/ Ki :有前面的计算可2T、i=2 0.0037s = 0.0074sKi转速环时间常数Tn :按小时间常数近似处理，取T°n =0.007

17、40.01 =0.0174s2、选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数表达式为W (s)Kn( nS 1)WASR(S)二TsS3、计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都比较好的原则，取h =5,则ASR的超前时间常数为n =hTn =5 0.0174 =0.087s转速开环增益KnKn2 = 396.4s 二2h2Tn2 5 0.0174ASR的比例系数KnKn(h 1)'CeTm6 0.22 0.211 0.2 一64 2hRTn 2 5 0.01 0.5 0.01744、检验近似条件由公式K =可得转速环截止频率为-'on二 Kn n =396.4 0.

18、087 = 34.5s'电流环传递函数简化条件为1 J35.13 0.0037 s=63.695s'on满足简化条件。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Ro 2U n“-?nRo2+ConRn = KnR0 =64 402 - 2560k1.1Rn比m0.05uF2560on4Ton4 0.0140mF = 1uF根据左图，有取 Rn =25602取 Cn =0.05uF取 Con -1 uFh3456 178 1910CF52.6%43.6%37.6%33.2% :29.8%27.2% :25.0% :23.3%tr /T2.402.652.8

19、53.03.13.23.33.35ts /T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111R。6、校核转速超调量当h=5时，由上页表查得， =37.6%，不能满足设计 6汨0%的要求。 实际上，由于上表是按线性系统计算的，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退饱和的情况计算超调量。山、下面对转速调节器退饱和时转速超调量的计算设理想空载启动时 z=0，h345678910C max / Cb72.2%77. 5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%tm/T2.452.702.853.003.15

20、3.253.303.40tv/T13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85由上表查得仝x =81.2% ,带入；“(孕)=2(半)(")亠学Cb nCbn Tm: nN1 dN RCe30 0.50.221=67.9r/ min67.9 0.0174可得 二n =2 81.2% (2-0)2% ：10%9700.2可以满足设计要求。三、总结心得这次课程设计让我对双闭环直流调速系统又有了进一步的熟悉。之前的一个读书工程我选择的也是双闭环调速系统的内容， 但在读书工程上只是分析和了解 了转速超调及退饱和问题，至于具体怎么设计转速环和电流环参数还不特别清 楚，刚好此次课程设计又弥补了这一点。 通过课程设计让我真的的感觉到用课本 上介绍的工程整定方法确实很方便， 使我在设计上不需要反复试凑，减少