课程设计方案任务书VM双闭环直流可逆调速系统建模与仿真

1、个人资料整理 仅限学习使用课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：自动化学院题目：V-M双闭环直流可逆调速系统建模与仿真4初始条件：1 .技术数据及技术指标：直流电动机： Pn=3KW , Un=220V , In=17.5A , nN=1500r/min , Ra=1.25 Q最大允许电流：Idbi=2lN, GD2=3.53N.m 2三相全控整流装置：Ks=40 , Rrec = 1.3 Q平波电抗器：Rl=0. 3 a电枢回路总电阻 R=2.85 Q，总电感L=200mH ,滤波时间常数：Toi=0.002s , Ton=0.01s,其他参数：Unm* = 10V ,Um*

2、=10V , Ucm = 10VOi 5% , 外 司 0%要求完成的主要任务：2 .技术要求：(1该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，具有较宽的调速范围D 10),系统在工作范围内能稳定工作(2系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续3 .设计内容：(1根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图(2根据双闭环直流调速系统原理图，分析转速调节器和电流调节器的作用，(3通过对调节器参数设计，得到转速和电流的仿真波形，并由仿真波形通过 MATLAB来进行调节器的参数调节。(4绘制V-M双闭环直流 可逆调速系统的电气原理总图 要求计

3、算机绘图)(5整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书时间安排：课程设计时间为一周半，共分为三个阶段：(1)复习有关知识，查阅有关资料，确定设计方案。约占总时间的 20%(2)根据技术指标及技术要求，完成设计计算。约占总时间的 40%(3)完成设计和文档整理。约占总时间的 40%指导教师签名：年 月 日系主任 或责任教师)签名：年 月 日目录摘要41设计任务及要求51.1 技术数据51.2 设计要求51.3 设计内容52双闭环调速系统的总体设计63电流调节器设计93.1 电流环结构框图的化简93.2 电流环参数的计算 103.2.1 确定时间常数103.2.2 电流调节器结构的选择1

4、13.2.3 计算电流调节器参数113.2.4 校验近似条件123.2.5 计算调节器电阻和电容124转速调节器的设计134.1 转速环结构框图的化简134.2 转速环参数的计算 144.2.1 确定时间常数144.2.2 选择转速调节器结构154.2.3 计算转速调节器参数154.2.4 检验近似条件154.2.5 计算调节器电阻和电容164.2.6 校核转速超调量165系统仿真实验175.1 MATLAB 仿真软件介绍 175.2 双闭环建模175.3双闭环可逆调速系统仿真 185.3.1 双闭环的仿真模型185.3.2 仿真参数设置185.3.3 仿真波形216总结与体会22参考文献23

5、附录24摘要V-M双闭环直流调速系统是晶闸管-电动机调速系统 简称V-M系统），系 统通过调节器触发装置GT的控制电压Uc来移动出发脉冲的相位，即控制品闸 管可控整流器的输出改变平均整流电压 Ud,从而实现平滑调速。本次课设为可 逆调速系统，用到了正反组晶闸管控制，本文主要对电流调节器ACR和转速调节器ASR参数的设计，然后在 matlab里进行仿真实验，从而达到设计所需要的 要求。关键词：双闭环调速ACR ASR matlab1设计任务及要求1.1 技术数据直流电动机：Pn=3KW , Un=220V , In=17.5A , nN=1500r/min , Ra=1.25 Q堵转电流 Idb

6、i=2lN,截止电流 Idcr=1.5lN , GD2=3.53N.m2三相全控整流装置：Ks=40 , Rrec=1. 3 Q平波电抗器：Rl=0. 3 Q电枢回路总电阻 R=2.85Q,总电感L=200mH ,滤波时间常数：Toi=0.002s , Ton=0.01s,其他参数：Unm*=10V ,Uim*=10V , Ucm=10Voi 5%, on 101.2 设计要求(i该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机 可逆运行，具有较宽的调速 范围D 10),系统在工作范围内能稳定工作(2系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续1.3 设计内容(i根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路

7、的结构型式和闭环调速系统 的组成，画出系统组成的原理框图(2根据双闭环直流调速系统原理图，分析转速调节器和电流调节器的作用， (3通过对调节器参数设计，得到转速和电流的仿真波形，并由仿真波形通过 MATLAB来进行调节器的参数调节。(4绘制V-M双闭环直流 可逆调速系统的电气原理总图 要求计算机绘图)(5整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书2双闭环调速系统的总体设计改变电枢两端的电压能使电动机改变转向。尽管电枢反接需要较大容量的 品闸管装置，但是它反向过程快，由于晶闸管的单向导电性，需要可逆运行时 经常采用两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路，电动机正转时，由正组 品闸管装置V

8、F供电；反转时，由反组晶闸管装置 VR供电。如图1所示两组晶闸管分别由两套触发装置控制，可以做到互不干扰，都 能灵活地控制电动机的可逆运行，所以本设计采用两组晶闸管反并联的方式。 虽然两组晶闸管反并联的可逆 V-M系统解决了电动机的正、反转运行的问题， 但是两组装置同时工作时，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通 的短路电流，称作环流。一般地说，这样的环流对负载无益，徒然加重晶闸管 和变压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑 制或消除。为了防止产生直流平均环流，应该在正组处于整流状态、Udof为正时，强迫让反组处于逆变状态、使 Udor为负，且幅值与Udof相

9、等，使逆变电 压Udor把整流电压Udof顶住，则直流平均环流为零。于是又由于其中，L=J分别为VF和VR的触发延迟角。由于两组晶闸管装置相同，两组的最大输出电压 叵是一样的，因此，当直流平均环流为零时，应I X |如果反组的控制角用逆变角 可表示，则 L=J 按照这样控制就可以消 除环流。系统设计的一般原则为：先内环后外环。即从内环开始，逐步向外扩展。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。图2为转速、电流双闭环调速系统的原理图，图 3为双闭环调速系统的结 构图。图中两个调节器 AS旺口 AC的别为转速调节器和电流调节器，二者审级 连接

10、，即把电流调节器的输出作为转速调节器的输入，再用转速调节器的输出 去控制电力电子变换器UPE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 决定了电流给定电压的最大值；转速调节器 ASR的输出限幅电压UCm限制了电力 电子变换器的最大输出电压Um。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。其中主电路中申入平波电抗器，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。R CASR-+ + U*iUiTA+图2双闭环调速系统电路原理图图3双闭环调速系统结构框图3电流调节器设计3.1 电流环结构框图的化简电流环

11、结构图的简化分为忽略反电动势的动态影响、等效成单位负反馈系 统、小惯性环节的近似处理等环节。在一般情况下，系统的电磁时间常数 Tl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，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰 动，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 E=0。这时，电流环如图4所示。图4忽略反电动势动态影响的电流环动态结构图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 /P,则电流环便等效成单位负反馈系统，如图 5所示。*(s图5等效成单位负反馈系统的电流环的动态结构图最后，由于Ts和Toi 一般都比T小得多

12、，可以当作小惯性群而近似地看作 是一个惯性环节，其时间常数为心 i = Ts + Toi则电流环结构图最终简化成图6所示。*图6电流环的简化结构图3.2 电流环参数的计算3.2.1 确定时间常数1整流装置滞后时间常数Ts。按表1,三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017so2电流滤波时间常数本设计初始条件已给出，即Toi=0.002s。3电流环小时间常数之和E=Ts+Toi=0.0037s整流电路形式最大失控时间 Tsmax ( ms)平均失控时间 Ts ( ms)单相半波2010单相桥式(全波)105三相半波6.673.33三相桥式、六相半波3.331.67表1各种整流装置的失控时间3.

13、2.2 电流调节器结构的选择从稳态要求上看，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及时抗扰作 用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成式中K电流调节器的比例系数;,参照典型I型系统1 电流调节器的超前时间常数检查对电源电压的抗扰性能： 动态抗扰性能指标与参数的关系表格，可以看出各项指标都是可以接受的3.2.3 计算电流调节

14、器参数电流调节器超前时间常数：=T=0.07s。电流环开环增益：要求 也5%寸，应取KT)=0.5,因此1 x 1于是，ACR勺比例系数为:3.2.4 校验近似条件电流环截止频率：回ci=K=135.1s-1。品闸管整流装置传递函数的近似条件: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满足近似条件电流环小时间常数近似处理条件满足近似条件3.2.5 计算调节器电阻和电容由图7,按所用运算放大器取R0=40k囚，各电阻和电容值为按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为6 i=4.3%,因此电流环在转速环中应等效为用电流环的等效环节代替电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图8所

15、示。和电流环一样，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U*n(s/Q,再把时间常数为1/ K和Ton的两个小惯性环节合并起来,近似成一个时间常数为的惯性环节，其中LzsJ图8用等效环节代替电流环的转速环的动态结构图 最后转速环结构简图为图9。图9等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理的转速环结构框图4.2 转速环参数的计算4.2.1 确定时间常数1电流环等效时间常数1/Ki。由电流环参数可知KRi=0.5,则2转速滤波时间常数Ton。根据已知条件可知Ton=0.01S3转速环小时间常数Te no按小时间常数近似处理，取4.2.2 选择转速调节器结构为了实现转速无静差，在负载

16、扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中，现在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II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，其传递函数为式中Kn 转速调节器的比例系数;川一转速调节器的超前时间常数4.2.3 计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取 h=5,则ASR的超前时间常数为转速环开环增益为ASR勺比例系数为4.2.4 检验近似条件转速环截止频率为1）电流环传递函数简化条件为满足近似条件2）转速环小时间常数近似处理条件为满足近似条件4.2.

17、5 计算调节器电阻和电容根据图10,取R0=40km,则4.2.6 校核转速超调量当h=5时，查询典型R型系统阶跃输入跟随性能指标的表格可以看出,不能满足设计要求。实际上，上述表格是按照线性系统计算的,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 情况重新计算超调量。此时超调量为：能满足设计要求。5系统仿真实验5.1 MATLAB 仿真软件介绍MATLAB阵实验室)是 MATrix LABoratory 的缩写，是一款 由美国TheMathWorks公司出品的商业数学软件。MATLA%一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境

18、。除了矩阵运算、绘制函数/数据图像等常用功能外，MATLA更可以用来创建用户界面及与调用其它语言 包括C, C+林口 FORTRAN编写的程序。5.2双闭环建模(1打开模型编辑窗口：通过单击 SIMULINK工具栏中新模型的图标或选择 FileNewModle菜单项实现。(2复制相关模块：双击所需子模块库图标，则可以打开它，以选中所需的子模块，拖入模型编辑窗口。(3修改模块参数：双击模块图案，则出现关于该图案的对话框，通过修改 对话框内容来设定模块的参数。(4模块连接：以鼠标左键单击起点模块输出端，拖动鼠标至终点模块输入 端，则在两模块间产生一线。当一个信号要分送到不同模块的多个输入端时， 需

19、要绘制分支线，通常可把鼠标移到期望的分支线的起点处，按下鼠标的右 键，看到光标变为十字后，拖动鼠标直至分支线的终点处，释放鼠标按钮，就 完成了分支线的绘制。个人资料整理 仅限学习使用5.3双闭环可逆调速系统仿真5.3.1 双闭环的仿真模型为了实现电动机的可逆调速，我们加入两个给定电压，其中一个在 2.5s后及电 动机达到稳态时触发，数值设定为负且为最大给定的 2倍，同理负载电流扰动 也这样处理，最后得到如图11所示仿真模型。图11双闭环的仿真模型5.3.2 仿真参数设置(1) AS隘数设置如图12,13所示。GainElejnent-wise gain (,y = K. *u) ar matr

20、is gain (y = K*u or y = u*K).Main Signal AttributesParanet er Attribut esW.89lult iplicat ion: Elenient-wise (K. *u)Sample tine (-1 for inherit ed);-1vaj.liElement-wise gain (y = X. *u) or matrix gain (y = K*u or y = u*K) *Main Signal Attributes Parameter AttributesGain:125.17Multiplication: El&ment

21、-wise(K. *u)Sample time for inherited):图13积分环节系数设置(2) AC谄数设置如图14,15所示GainElement-wise fain (y = K. *u) or natriy gain (y = K*u or y = u*K).Main Signal Att ributes|er Att ribut esrsiia；2. 3585!ultiplication: Element-wise(K. *u)5ample time (-1 for inherited);-1图14比例系数的设置 GainElement-wise gain (y = K.

22、*u) or Matrix gain (y = K*u or y = u*K)-Main Signal Attributes Parameter Attributes rain:33.69lult iplicatian: Element-wise(K. *u)sample time (-1 for inherited):-1图15积分环节系数设置个人资料整理 仅限学习使用0口tpui: a, =t up.Pai- 3jhe exsSt ep t ime; 2.5工 ni t. i al valu白： K ii-ia.1a l ue z-Z0Sajiplc imc: 0| M | Iilyeu

23、走白 Jt p nu zun.=*l: u H m aM 1 - DIS En.ab Iz：cro- criosffiiz% del：u。弋工口n图17 step2参数设置 满载时电流源参数设置如图18,19所示Sr日pOu.+ put 近 s-t ep,P a,r ajiite e rs/1 ZLnt erpr et vect or par er s sls 1-D I E2-tab 1 e e e z o cross irig de-t ecX xornIrt erp re vcct or pairer s a阡 1-D2 EximblLu Mur。c：i7Q3：ing d =4; =i gun图19 Step3参数设置空载时只需将stepl和step3的巾nal value者B设置为0。4）其余的惯性环节根据所得到的时间常数等进行设置，具体参数图 11已有说 明。5.3.3仿真波形3）空载时波形如图20所示，观察波形可发现 ASR调节器经过了不饱和， 饱和，退饱和三个阶段，很快达到稳定与给定转速，在 2.5S后转速很 快下降并最终稳定在-1500r/min,电流最终稳定在0A。图20空载时转速及电流波形个人资料整理 仅限学