双闭环直流调速系统设计

1、运动控制系统仿真课程设计班级：xxxxx姓名：xxxxxxxx双闭环直流调速系统的设计1系统方案选择与总体结构设计调速方案的优劣直接关系到系统调速的质量。根据电机的型号及参数选择最优方案，以确保系统能够正常，稳定地运行。本系统采用直流双闭环调速系统，使系统达到稳态无静差，调速范围0-1500r/min,电流过载倍数为1.5倍，速度控制精度为0.1%（额定转速时）。2系统控制对象的确定本次设计选用直流电动机的额定参数直流电动机的额定参数电动机供电方案选择变电压调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。旋转

2、变流机组简称G-M系统，用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。用静止的可控整流器，例如，晶闸管可控整流器，以获得可调直流静止可控整流器又称V-M系电压。通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变Ud,从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。直流斩波器和脉宽调制交换器采用PWM用恒定直流或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压。与V-M系统相比，PW陈统在很多方面有较大的优越性：1、 主电路线路简单，需要的功率器件少；2、 开端

3、频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小：3、 低速性能好，稳速精度该，调速范围宽，可达1:10000左右；4、 若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；5、 功率开关器件工作在开关状态，道通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率高；6、 直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流高。本设计应脉宽调速要求，采用直流PWMI速系统。1、晶体管pw刚率放大器方案选择方案一单极性控制方式，这种控制方式的特点是在一个开关周期内两只功率管以较高的开关频率互补开关，保证可以得到理想的正弦输出电压：另两只功率管以较低的输出电压基波频率工作，从而在很大

4、程度上减小了开关损耗。但又不是固定其中一个桥臂始终为低频（输出基频），另一个桥臂始终为高频（载波频率），而是每半个输出电压周期切换工作，即同一个桥臂在前半个周期工作在低频，而在后半周则工作在高频，这样可以使两个桥臂的功率管工作状态均衡，对于选用同样的功率管时，使其使用寿命均衡，对增加可靠性有利。方案二双极性调制方式的特点是4个功率管都工作在较高频率（载波频率）,双极性控制的桥式可逆PW般换器有以下优点：1） 电流一定连续；2） 可使电机在四象限运行；3） 电机停止时有微振电流，可以消除静摩擦死区；4） 低速平稳性好，系统的调速范围可达1:20000左右；5） 低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较

5、宽，有利于器件的可靠导。本设计选用双极性控制的桥式可逆PW渡换器。双闭环直流调速系统电路原理随着调速系统的不断发展和应用，传统的采用PI调节器的单闭环调速系统既能实现转速的无静差调节，又能较快的动态响应只能满足一般生产机械的调速要求。为了提高生产率，要求尽量缩短起动、制动、反转过渡过程的时间，最好的办法是在过渡过程中始终保持电流（即动态转矩）为允许的最大值，使系统尽最大可能加速起动，达到稳态转速后，又让电流立即降低，进入转矩与负载相平衡的稳态运行。要实现上述要求，其唯一的途径就是采用电流负反馈控制方法，即采用速度、电流双闭环的调速系统来实现。在电流控制回路中设置一个调节器，专门用于调节电流量，

6、从而在调速系统中设置了转速和电流两个调节器，形成转速、电流双闭环调速控制。双闭环调速控制系统中采用了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实现审级连接1。已知参数：某转速直流双闭环直流调速系统的已知参数为：直流调速系统的基本数据如下：晶闸管三相桥式全控整流电路供电的双闭环直流调速系统，直流电动机：220V,136A,1460r/min,电枢电阻Ra=0.2Q,允许过载倍数入=1.5;电枢回路总电阻R=0.5Q,电枢回路总电感：L=15mh,电动机轴上的总飞轮力矩：GD2=22.5N*m2,晶闸管装置：放大系数：Ks=4Q电流反馈系数：B=0.05V/A,转速反馈系数：a=0.007Vmin/

7、r,滤波时间常数Toi=0.002§Ton=0.01s设计要求：稳态指标：转速无静差；动态指标：电流超调量05%,空载启动到额定转速的转速超调量010%双闭环直流调速系统动态结构图如图所示电流环设计：(1)确定时间常数整流装置滞后时间常数Ts=0.0017s电流滤波时间常数Toi=0.002s电流环小时间常数之和TEi按小时间常数近似处理，取TEi=Ts+Toi=0.0037s(2)选择电流调节器结构按要求可知南05%所以是典型1系统(3)计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：ri=Tl=L/R=0.03S,Ki=0.5/T汇i=0.5/0.0037=135.1所以，ACR勺比例

8、系数为Ki=(K*ri*R)/(Ks0)=1.013P=0.05,Wci=135.1/s(4)计算调节器电阻和电容Ri=Ki*R0=1.013*40=40.52kQ,Ci=ri/Ri=0.75F,Coi=4Toi/R0=0.2uF(5)检验近似条件：1.检验品闸管整流装置传递函数的近似条件1/3Ts=196.1>Wci满足条件(6)校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件40.82<Wci满足近似条件3校验电流环小时间常数近似处理条件180.8>Wci满足近似条件综上所述，电流环可达到的动态性能指标为0-i=4.3%<5%满足设计要求转速环的设计：1确定时间常数电流环

9、等效时间常数1/Ki=2T3i=0.0074s转速滤波时间常数Ton=0.01s转速环小时间常数TEn=1/Ki+Ton=0.0174s2选择转速调节器结构按照设计要求,选用PI调节器，其传递函数为Wasr3计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能较好的原则，取h=5,则ASR勺超前时间常数为rn=hTEn=5*0.0174=0.087s转速环开环增益KN=(h+1)/(2h2T汇n2)=396.4ASR的比例系数为Kn=(h+1)BCeTm】/(2h*a*R*TEn)=11.74计算调节器电阻和电容已知R0=40g,贝URn=KnR0=11.7*40=468K取470kQCn=rn/Rn=0.18

10、5uF取0.2UfCon=4Ton/R0=1uFa=Unom/nnom=0.007检验近似条件：Wcn=Kn/w1=34.5电流环传递函数简化条件63.7>Wcn满足近似条件转速环小时间常数近似处理条件38.7>Wcn满足近似条件电力电子变换器的内部原理图为:0R2电流互感器TA的原理图:测速发电机的原理图:利用MATLAE®行仿真设计：直流电动机的数学模型：在本设计中讨论的是直流电动机拖动包转巨负载的自动控制系统，直流电动机本身是一个电-磁相互作用的非线性系统，在这里将其近似为一个线性系统，得到直流电动机的传递函数为：W(s)=谓卷=土C转速电流双闭环调速系统的数学模型

11、：求取双闭环调速系统的数学模型一般采用由内到外，逐环求取。对转速电流双闭环系统，首先求取电流环传递函数，再将其视为转速环中的一个环节，在求取转速环的传递函数，由于检测信号中含有交流分量或其他高频干扰。故对转速电流信号均经过T型滤波，再加到调节器的输入端，为了补偿这些滤波环节带来的惯性作用，在给定信号中也加入一个相同时间常数的给定滤波环节。1、电流环传递递函数的求取由于系统中机电时间常数Tm远大于电磁时间常数T,反电动势E的变化过程相对缓慢，因此在电流环中，可忽视反电动势的影响，又由于TS和ToJLTl小得多，可以当作小惯性环节近似处理，故取Tzi=Ts+Toi。由于电流环的重要作用是保持电枢电

12、流在动态过程中不超过允许值，因而在土家控制作用时不希望有超调，而且当Ti/TgjE10时，典型I型系统的抗恢复时间还是可以接受的，故采用PI调节器将电流环的控制对象校正成典型I型系统，其中PI调节器传递函数为：Wacr=Ki至二1。.is故电流环的闭环传递函数为_Ki_Wdi二IS-S1Ki2、转速环的传递函数有上式已知电流环的闭环传递函数，又由于转速环的截止频率由cn一般较低，因此电流内环6cli(s)可等效为一阶环节。其近似条件为：.cn£1M同样的，再将时间常数为Tcn和2Tzi的两个小惯性环节合并起来，形成一个时间常数为Tgn的惯性环节，则T!n=2TIi+Ton基于系统稳态无静差的条件，转速环应校正成典型II型系统，而且典型II型系统的抗扰动性能好。由于将转速环校正成了典型II型系统，故ASR有必将采用PI调节器，其传递函数为：WasrSons仿真结果如下图:电流环:00.020.04Q.D6:陋聚韩设计心得：通过这次设计，我再一次的回顾了matlab和protel的使用方法，熟悉了它们的许多新的用法。这次设计所花费的时间比以往长很多，过程中出现了各种各样的问题，例如在计算Ci和Ri时，没有考虑到单位的问题，导致怎么算都不对，在MATLAB中始终仿真不出来，经过