V-M双闭环直流调速系统的设计与实现

1、信息科学与工程学院课程设计OO六?二OO七学年第二学期课程名称：双闭环V-M调速系统的设计设计题目:双闭环V-M调速系统中主电路，电流调节器及转速调节器的设计。已知条件及控制对象的基本参数：已知电动机参数为：Pnom=3kW,Unom=220V,inom=i7.5A,nnom=i500r/min,电枢绕组电阻Ra=1.25,GD2=3.53Ngm2。采用三相全控桥式电路，整流装置内阻Rrec=1.3。平波电抗器电阻Rl=0.3。整流回路总电感L=200mHo这里暂不考虑稳定性问题，设ASR和ACR均采用PI调节器，ASR限幅输出Uim二一8V,ACR限幅输出Uctm=8V，最大给定Unm=10

2、V,调速范围D=20,静差率S=10%,堵转电流ldbl=2.1lnom,临界截止电ldcr=2lnom设计指标：电流超调量3,%5%,空载起动到额定转速时的转速超调量3n10%,空载起动到额定转速的过渡过程时间ts0.5三、设计要求分别用工程设计方法和西门子调节器最佳整定法进行设计，决定ASR和ACR结构并选择参数。(1) 对上述两种设计方法进行分析比较。设计过程中应画出双闭环调速系统的电路原理图及动态结构图四、设计方法及步骤:I用工程设计方法设计(1)系统设计的一般原则：按照先内环后外环”的设计原则，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

3、的一个环节，再设计转速调节器图双闭环侨速系统的舌(2)电流环设计电流环动态结构图及简化：图223电流环的动态结构图及其化简确定时间常数根据已知数据得Tm=GDR=3.53址2S=0.162S375CeCm3750.132303L20010Tis0.07sR2.85三相桥式晶闸管整流电路的平均后时间Ts0.0017s,取电流反馈滤波时间常数Toi0.002s,可得电流环的小时间常数为TiTs+Toi=0.0017s+0.002s=0.0037s选择电流调节器结构虽然+=崩=何9>10,但由于对电流超调量有较严格要求，而抗扰指标却没有具体要求，因此电流环仍按典型I型系统设计电流调节器选用PI

4、调节器，其传递函数为S!WaCR(S)KiiS选择电流调节器参数积分时间常数i=Ti=0.07s为满足3i%5%要求，取电流环开环增益KI为Ki=1s1=135.14s2Ti(20.0037)电流调节器比例系数Ki为Ki=Kif=135?143.27取调节器的输入电阻Ro=20k，贝U电流调节器的各参数为R二心凡=3.2720k=60.54k，取62ki=0.07106R=62103F=1.13F,取1Fc妾105Coi乔r20103F=0.4F，取0.47F根据上述参数可以达到的动态指标为si%=4.3%5%故能满足设计要求。4) 校验近似条件电流环截至频率ciK|=135.14S1,晶闸管

5、装置传递函数近似条件为ci3TS3TSrAS1=196.1s1>Ci故该近似条件满足。忽略反电动势影响的近似条件为Ci3.1/(TmT),现3,1/(TmTi)=3J/(0.1620.07)s1=28.2S1<c故该近似条件满足小时间常数近似处理条件为11/(TsToi)=a.1/(0.00170.002)s1=180.8s1>ci33故该近似条件满足(3)转速环设计转速环动态结构图及简化:电流环|虹(时02-26转速环的动态结构图及其简化1)确定时间常数因Un=nnom,故转速反馈系数为山"0-Vgmin/r=0.0067Vgmin/r"nom1500电

6、流环的等级时间常数为2ti=0.0074so取转速反馈滤波时间常数Ton=0.01s,转速环的时间常数为Tn2T,Ton=0.0074s+0.01s=0.0174s选择转速调节器结构设计要求中虽然允许系统有静差，转速调节器的稳态放大系数很大，因此转速调节器如采用比例调节器，将很难满足稳定性要求。为此，转速调节器采用近似PI调节器，按典型II型系统进行设计。同证明，当近似PI调节器的稳态放大系数很大时，其传递函数可表示为nS1WASR（S）Kn3）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Sn%和过渡过程时间ts。如果能够满足设计要求，则可根据所选的h值计算有关参

7、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S%=优竺）ZlimCbnTmX式中，为电动机允许过载系数，按题意=2.1;z为负载系数，设为理想空载起动，则Z=0；nnom为调速系统开环机械特性的额定稳态速降，二£；（上业）是基准值为Cb时的超调量相对值，而CeCbTnCb=2（Z）nnom一Tm当h=5时，（号）=81.2%,故起动到额定转速，即n=nnom时,退饱和超调量为Sn=9.2%10%满足设计要求。空载起动到额定转速的过渡过程中，由于在大部分时间内ASR饱和而不起调节作用，使过渡过程时间ts延长，ts可表示为CeTmnnomt2RI

8、nomtsf+t其中t2为恒流升速时间,to是退饱和超调过渡过程时间0.1320.1621500s=0.31s2.852.117.5退饱和超调过渡过程时间等于动态速升的回复时间。当h=5时to=8.8J=0.153s。但恢复时间是按误差为5%5计算的。这里RTCb=2K2TN=2Inom=170.4r/min,故5%Cb=8.5r/min。这就是说,CeTm转速进入8.5r/min的恢复时间为0.153s但这里的恢复时间应按转/min?8.5r/min,显然所需速进入5%nnom来计算，由于5%nnm=75时间将远小于0.153s,故可忽略不计，于是tst2=0.31so可见,能满足设计要求。

9、这样，就可根据h=5选择转速调节器的参数。ASR的时间常数为n=hTn=50.0174s=0.087s转速环开环增益为Kn2=62s2=396.4s22h2T:500.01742ASR比例系数为Kn2hRTnCeTm_60.2180.1320.162=&4100.00672.850.0174如夫调节器输入电阻Ro=20k,则Rn=KnRo=8.420k=168k，取160k8n0.08710Cn=3F=0.54F，取0.47F4Ton40.0110Con320103F=2F,取2FRi校验近似条件cn=0一Kni=396.40.087s1=34.5s1电流闭环传递函数简化条件为cn5，

10、现s1=54.1s1>cn5Ti50.0037转速环截止频率为故满足该简化条件。小时间常数近似处理条件为cn1J/(2TTn)=1,1/(20.00370.01)3311/(2TiTon),现3s1=38.75s1>cn故满足该简化条件5)易犯错误由例2-2知，此系统是有差系统，ASR似乎可用比例调节器并按典型I型系统进行设计。这时，转速环的开环放大系数为wASRRKn=ax根据设计指标，转速超调量要求310%,据此可选择参数为KNTn=0.69W0.690.1320.2180.162asR0.01740.00672.85上述设计过程的错误是：ASR采用比例调节器，当其放大系数为9

11、.7时，虽可满足动态指标的要求，但却无法满足稳态指标要求。由前述计算可知，发展稳态指标要求时KASR=76.3，即ASR采用比例调节器时无法解决动、稳态之间的矛盾，只有当ASR采用PI调节器(或近似PI调节器)后，才能较好地解决这个矛盾。为此，当系统对稳态指标要求较高时，即使是有差系统，ASR仍应采用PI调节器，并按典型II型系统进行设计。另外，计算空载起动到额定转速的过渡过程时间ts时，若查教材表2-6,当h=5时，得ts=9.55Tn=9.550.174s=0.17s是不对的，此错误在于：教材表2-6所列数据是系统处于线性状态下得到的跟随性指标，它只适用与线性系统。而实际系统在突加给定后，

12、由于ASR饱和不再起调节作用，因此其过渡过程时间将延长，其值主要由恒流升速的过程时间所决定。II用西门子调节器最佳整定法设计电流环的动态校正双闭环系统中电流环的动态结构图，如教材中图2-27所示。对于这种调节对象由一个大惯性环节和一个小惯性群所组成的系统，电流调节器可以采用PI调节器，即iSlWacr(S)Dis如果调节器按下列调节选择参数，电流环即将被校正为二阶最佳闭环调节系统Ti所得调节器参数为2KsD1iTi=RG=0.07did=RQ=221837.84O.。037s=0.021SR2.85大超调量6因B20'故G=。2晋F=L05F，取1F,于是RC0.0710,k=70k，

13、取68ko这时电流环可达到的动态指标为：最i%=4%,上升时间匕=4.7=4.7乂0.0037s=0.017转速环的动态校正将电流环与上述的工程设计方法同样处理，可画出转速环的动态机构图如教材中图2-33所示。对于这种调节对象由一个积分环节和一个小惯性群组成的系统，转速调节器可以采用PI调节器，即iS1Wacr(S)KiD2s如果调节器按下述条件选择参数，系统即被校正为三阶最佳闭环调节系统n4TKn=D22TnR所得调节器参数为n4Tn=CnRn=4X0.0174s=0.0696s0.1320.1620.218Kn=720.01740.00672.85因Ro=20k，故Rn=KnRo=7X20

14、k=140k，取Rn=130，则Cn弋=。.54F,取Cn=0.47F。给定滤波器的时间常数为=4Tn=0.0696s，一1当转速调T尚米用上述参数，并在输入炯加给宅滤波尚s1后，系统可以达到的动态指标为：转速最大超调量3=8.1%,过渡过程时间ts=16.4Tn=16.4X0.0174s=0.265s皿两种设计方法的分析比较西门子设计方法中的二阶最佳系统，与工程设计方法中的典型I型系统在结构上是一样的。前者选择参数的条件，相当于典型I型系统中选K一的情况。2T西门子设计方法中三阶最佳系统与工程设计方法中的典型II型系统在II型系统中选中频宽h=4结构上是一样的。前者选择参数的条件，相当于典型

15、的情况西门子设计方法的主要缺点是转速超调量计算未考虑ASR饱和，因此给出的3过大；再采用较大时间常数的给定滤波，并不能减小3n,因此只要ASR饱和，此滤波环节对抑制超调就无作用。此外，西门子方法没有给出参数变化时系统动态性能的变化趋势，这就给现场调试带来一定困难。五、设计心得:这次电力拖动自动控制系统历时一个星期，在整整一个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。学习是没有止境的。在做这个课程设计之前，我一直以为自己的理论知识学的很好了。但是在完成这个设计的时候，我总是被一些小的，细的问题挡住

16、前进的步伐，让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。并且我在做设计的过程中发现有很多东西，我都还不知道。其实在计算设计的时候，基础是一个不可缺少的知识，但是往往一些核心的高层次的东西更是不可缺少。多和同学讨论。我们在做课程设计的工程中要不停的讨论问题，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向，并且这样也是为了方便最后程序和在一起。讨论不仅这样可是一些思想的问题，他还可以深入的讨论一些技术上的问题,以使自己的人处理问题要快一些。多改变自己设计的方法。在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题

17、。六、参考资料：1 黄俊.电力电子变流技术.北京：机械工业出版社，2 陈伯时？电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社，1999.5279?2833 刘竞成.交流调速系统.上海：上海交通大学出版社，1996.361?644 交流调速系统实验指导书李华德.交流调速控制系统.北京：电子工业出版社,2003.3电力拖动自动控制系统课程设计信息科学与工程学院课程设计二OO六？二OO七学年第二学期课程名称：双闭环V-M调速系统的设计班级：自动化043班学号：200404134069姓名：黄芳指导教师：潘炼二OO七年六月一、设计题目：双闭环V-M调速系统中主电路，电流调节器及转速调节器的设计。二、已知条

18、件及控制对象的基本参数：(1)已知电动机参数为：=3kW,=220V,=17.5A,=1500r/min,电枢绕组电阻=1.25,=3.53。采用三相全控桥式电路，整流装置内阻=1.3。平波电抗器电阻=0.3。整流回路总电感L=200mH。(2) 这里暂不考虑稳定性问题，设ASR和ACR匀采用PI调节器，ASR限幅输出二一8V,ACR艮幅输出=8V，最大给定=10V,调速范围D=2Q静差率s=10%堵转电流=2.1，临界截止电流=2。设计指标：电流超调量5%5%,空载起动到额定转速时的转速超调量510%，空载起动到额定转速的过渡过程时间t0.5。三、设计要求分别用工程设计方法和西门子调节器最佳

19、整定法进行设计，决定ASR和ACR吉构并选择参数。(1) 对上述两种设计方法进行分析比较。设计过程中应画出双闭环调速系统的电路原理图及动态吉构图四、设计方法及步骤：I用工程设计方法设计(1)系统设计的一般原则：按照“先内环后外环”的设计原则，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(2)电流环设计电流环动态结构图及简化：确定时间常数根据已知数据得T=s=0.162s三相桥式晶闸管整流电路的平均后时间，取电流反馈滤波时间常数，可得电流环的小时间常数为+=0.0017s+0.002s=0.0037s选择电流调节器结构虽然

20、=18.9>10，但由于对电流超调量有较严格要求，而抗扰指标却没有具体要求，因此电流环仍按典型I型系统设计。电流调节器选用PI调节器，其传递函数为选择电流调节器参数积分时间常数=0.07s为满足S%5%要求，取电流环开环增益为=135.14电流调节器比例系数为=135.14取调节器的输入电阻=20k,则电流调节器的各参数为=3.2720k=60.54k，取62k=1.13，取1=0.4，取0.47根据上述参数可以达到的动态指标为S%=4.3%5%故能满足设计要求。校验近似条件电流环截至频率=135.14,晶闸管装置传递函数近似条件为现=196.1>故该近似条件满足忽略反电动势影响的

21、近似条件为，现=28.2<故该近似条件满足。小时间常数近似处理条件为，现=180.8故该近似条件满足。（3）转速环设计转速环动态结构图及简化：确定时间常数因=，故转速反馈系数为=Vmin/r=0.0067Vmin/r电流环的等级时间常数为2=0.0074s。取转速反馈滤波时间常数=0.01s,转速环的时间常数为=0.0074s+0.01s=0.0174s选择转速调节器结构设计要求中虽然允许系统有静差，转速调节器的稳态放大系数很大，因此转速调节器如采用比例调节器，将很难满足稳定性要求。为此，转速调节器直流调速系统课程设计（论文）转速单闭环调速系统设计（第抿取金义；2份设计）第一章课程设计目

22、的和要求1.1课程设计目的本课程的课程设计实际是自动化专业学生学习完电力拖动自动控制系统课程后，进行的一次全面的综合训练，其目的在于加深对电力拖动自动控制系统理论知识的理解和对这些理论的实际应用能力，提高对实际问题的分析和解决能力，以达到理论学习的目的,b并培养学生应用计算机辅助设计和撰写设计说明书的能力1.2课程设计的预备知识熟悉电力拖动自动控制系统基本知识及Matlab仿真软件。1.3课程设计要求按课程设计任务书提供的课题，应根据下一节给出的基本需求独立完成设计调节器要求书写详细的设计说明书，有完整的计算过程，并应用Matlab仿真软件对系统进行仿真，验证设计的调节器是否符合设计的要求。第

23、二章课程设计的内容2.1转速负反馈闭环控制原理图及参数计算2.1.1 、转速负反馈闭环控制有静差直流调速系统原理图：2.1.2 、闭环控制系统动态结构图：2.1.3 、参数计算：额定负载时的稳态速降：电动机的电动势系数：开环系统额定速降：闭环系统的开环放大系数为：额定励磁下电动机的转矩系数：电力拖动系统机电时间常数：电动机空载转矩在内的负载转矩：负载电流：2.1.4 、用比例调节器未校正前的伯特图2.1.5、判断系统稳定性：对于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数：=0.00167系统临街放大系数：因为：K所以系统不稳定，选择PI调节器使系统无静差。2.2、调节器设计221选择PI调节器

24、1、比例参数KP的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。随着KP的增大系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但是系统易产生超调，系统的稳定性变差，甚至会导致系统不稳定。KP取值过小，调节精度降低，响应速度变慢，调节时间加长，使系统的动静态性能变坏目录第1章课程设计目的与要求第2章课程设计内容第3章课程设计的总结参考文献电力拖动自动控制系统课程设计V-M双闭环不可逆直流调速系统设计来源：幸福校园论文网时间：2006-10-29标签：论文电子工程学直流调速晶闸管双闭环摘要：资料介绍电力拖动自动控制系统是把电能转换成机械能的装置，它被广泛地应用于一般生产机械需要动力的场合，也被广泛应用于精

25、密机械等需要高性能电气传动的设备中，用以控制位置、速度、加速度、压力、张力和转矩等。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到应用。晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管？电动机调速系统（简称V-M系统），和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提周，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。而转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。本设计报告首先根据设计要求确定调速方案和主电路的结构型式，主电路和闭环系统确定下来后，重在对电路各元件参数的计算和器件的选

26、型，包括整流变压器、整流元件、平波电抗器、保护电路以及电流和转速调节器的参数计算。最后给出参考资料和设计体会。目录第1章设计任务书第2章主电路选型和闭环系统的组成第3章调速系统主电路元部件的确定及其参数计算第4章驱动控制电路的选型设计第5章双闭环系统调节器的动态设计原文一.题目：V-M双闭环不可逆直流调速系统设计二.技术要求：1.该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，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.系统静特性良好，无静差（静差率s<2）3.动态性能指标：转速超调量Snv8%电流超调量SiV5%动态速降n<8-10%，调速系统的过渡过

27、程时间（调节时间）ts<1s4.系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续5.调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施三.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.调速系统主电路元部件的确定及其参数计算（包括有变压器、电力电子器件、平波电抗器与保护电路等）3.驱动控制电路的选型设计（模拟触发电路、集成触发电路、数字触发器电路均可)4.动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求5.绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图(要求计算机绘图)6.整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书四.技