双闭环直流调速系统课程设计

直流拖动控制系统

课程设计报告

题 目：

双闭环直流调速系统设计

学 院： 沈阳工业大学工程学院

专 业： 电气工程及其自动化

班 级： 1101

班

姓 名： 孔令慧

学 号： 120112724

指导教师： 佟维妍

起止日期：2014

年

6

月

16

日～2014

年

6

月

22

日

目 录

设计概述

................................................................................................... 2

第一章

系统总体设计

............................................................................. 4

1.1

系统电路结构

............................................................................. 4

1.2

两个调节器的作用

..................................................................... 5

第二章

整体电路分析

............................................................................. 7

2.1

电流环设计

.................................................................................. 7

2.2

转速环设计

................................................................................. 7

2.3

典型

I

型系统介绍

..................................................................... 8

2.4

典型Ⅱ型系统介绍

..................................................................... 9

2.5

转速调节器的实现

.................................................................... 10

2.6

电流调节器的实现

.................................................................... 10

2.7

校核转速超调量

......................................................................... 10

第三章

参数计算

................................................................................... 11

3.1

相关参数

................................................................................... 11

3.2

主要参数计算

........................................................................... 11

3.2.1

电流环参数计算

............................................................... 11

3.2.2

转速环参数的计算

.........................................................13

MATLAB

仿真

....................................................................................... 16

课程设计体会

......................................................................................... 20

1

设计概述

双闭环直流调速系统是目前直流调速系统中的主流设备，具有调速范围宽、

平稳性好、稳速精度高等优点。在理论和实践方面都是比较成熟的系统，在电

力拖动领域中发挥着及其重要的作用。

由于直流电机双闭环调速是各种电机调速系统的基础，本人就直流电机调

速进行了比较系统的研究，从直流电机的基本特性到单闭环调速系统，再进行

双闭环直流电机设计方案的研究，用实际系统进行工程设计，并用所学的

MATLAB

进行仿真，分析了双闭环调速系统的工程设计方法中由于忽略和简化造

成的误差。

在双闭环直流调速系统中，转速和电流调节器的结构选择与参数设计需从

动态校正的需要来解决，设计每个调节器是，都必须先求该闭环的原始系统开

环对数频率特性，再根据性能指标确定校正后系统的预期特性，对于经常正反

转运动的系统，尽量缩短启、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，

在电机最大允许电流和转矩受到限制的条件下，应该充分利用电机的过载能力，

最好是在过渡过程中始终保持电流为允许的最大值，是电力拖动系统以最大的

加速度启动，到达稳定转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，

从而装入稳态运行。

在设计过程中，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，需要设置两

个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，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，叫内环；转速环在外面，叫外环。

这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

2

第一章

系统总体设计

图

1-1

转速、电流双闭环直流调速系统结构

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

图中，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

控制电力电子变换器

UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速

环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

1.1

系统电路结构

若采用双闭环调速系统，则可以近似在电机最大电流、转矩受限的条件

下，充分利用电机的允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起

动，到达稳态转速后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，

从而转入稳态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，

这是在最大电流、转矩受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。

采用转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和

电流，二者之间实行串级联接，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，

3

而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转

速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态

性能。所以选用转速电流双闭环系统结构

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 P

I

调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于图

1-2。图中标出

了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电

压

Uc

为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。

ASR

ACR

U*n

R0

LM

GT

+

+-

LM

R0 -

+

R0 + U

Un

U*i

M

+

RP1

-

Rn

Cn

R0

Ui

TA

Ri

Ci

V

Uc

PE

Ud

L

Id

M

n

+

-

+

TG

RP2

T

G

-

图1-2

双闭环直流调速速系统电路原理图

1.2

两个调节器的作用

电流调节器的选择：

图

1-2

表明，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

WACR

(s)

Ki

(

i

s

1)

i

s

为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择

i

Tl

则电流环的动态结构图便成为图

1-3

所示的典型形式，其中

K

I

Ki

Ks

i

R

4

图

1-2

小惯性环节近似处理

图

1-3

动态结构图

转速调节器的选择

为了实现转速无静差，在负载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

WASR

(s)

K

n

(

n

s

1)

n

s

5

i

第二章

整体电路分析

2.1

电流环设计

(1)确定时间常数

1）整流装置滞后时间常数

T

S

。

2）电流滤波时间常数

T

oi

。

3）电流环小时间常数之和

T 。

（2）选择电流调节机构

根据设计要求i

5%，并保证无静差，可按典型

I

型系统设计电流调节器。

（3）计算电流调节器参数

（4）效验近似条件

电流环截止频率：

ci

＝K

I

2.2

转速环设计

(1)

确定时间常数

1）电流环等效时间常数

1

K

I

。

n

2）转速环滤波时间常数

T

ON

。

3）转速环小时间常数

T 。

（2）选择转速调节机构

按照设计要求，选用

PI

调节器。

（3）计算转速环调节器参数

（4）校验近似条件

转速环截止频率

cn

＝

K

N

1

=

K

N

n

1）电流环传递函数简化条件

1

3

K

I

Ti

6

2）转速环小时间常数

（5）计算电阻电容

1

3

K

I

Ton

Rn

K

n

R0

Cn

n

Rn

C

on

＝

4Ton

R0

（6）校验转速超调量

2.3

典型

I

型系统介绍

典型

I

型系统的结构图如图

2-1

所示。

图

2-1

其传递函数为

其中，时间常数

T

在实际系统中往往是控制对象本身固有的，能够由调节

器改变的只有开环增益

K，也就是说

K

是唯一的待定参数。设计时，需要按照

性能指标选择参数

K

的大小。

典型的

I

型系统结构简单，其对数幅频特性的中频段以

–20

dB/dec

的斜

率穿越

0dB

线，只要参数的选择能保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳定

的，且有足够的稳定裕量。

典型

I

型系统动态抗扰性能指标与参数的关系如表

2-1。

典型

I

型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系如表

2-2

7

表

2-1

典型

I

型系统动态抗扰性能指标与参数的关系

表

2-2

典型

I

型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系

2.4

典型Ⅱ型系统介绍

典型Ⅱ型系统的结构图如图

2-2

所示。

图

2-3

典型Ⅱ型系统的结构图

其传递函数为

在典型

II

型系统的开环传递函数式中。与典型

I

型系统相仿，时间常数

T

也是控制对象固有的。所不同的是，待定的参数有两个:K

和

，这就增加了

选择参数工作的复杂性。为了分析方便起见，引入一个新的变量

，令

典型

II

型系统动态抗扰性能指标与参数的关系如表

2-3

8

表

2-3

典型

II

型系统动态抗扰性能指标与参数的关系

2.5

转速调节器的实现

模拟式转速调节器电路如图

2-4

图

2-4

含给定滤波与反馈滤波的

PI

型转速调节器

2.6

电流调节器的实现

模拟式电流调节器电路下图

图

2-5

含给定滤波与反馈滤波的

PI

型电流调节器

2.7

校核转速超调量

当系统突加阶跃给定时，ASR

不饱和，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。

9

第三章

参数计算

3.1

相关参数

知参数：

直流电动机：

P

n

10kW

,U

n

440V

,

I

n

365A

,

nN

950r

/

min

，

C

e

0.228V

/

r

min

，

1.5

；

V-M

系统主电路总电阻：

R

0.863

；

电枢回路电磁时间常数：

T

l

0.028s

；

电枢电路总电阻：

R

0.0825

；

电枢电路总电感：

L

3.0mH

；

折算至电动机飞轮惯量：

GD2

20Nm2

；

系统运动部分飞轮转矩相应的机电时间常数：

T

m

0.383s

；

系统测速反馈系数

0.0158v

min/

r

；

系统电流反馈系数

0.274V

/

A

；

触发整流装置的放大系数：

K

s

40

；

三项桥式平均时空时间：

T

s

0.0017s

；

电流环滤波时间常数：

转速环滤波时间常数：

T

T

oi

on

0.002s

；

0.001s

。

设计要求：稳态指标无静差；动态指标电流超调量

%

5%

；空载起动到额

定转速时的超调量

n

%

10%

。

3.2

主要参数计算

3.2.1

电流环参数计算

1．确定时间常数：

10

1）整流装置滞后时间常数

Ts=0.0017s

2）电流滤波时间常数

Toi=0.002s

3）电流环小时间常数之和

T∑i

=

Ts

+

Toi

=0.00667s

2.选择电流调节器的结构

根据设计要求

σi%=5％，并保证稳态电流无差，可以按典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

(s)

Ki

(

i

s

1)

i

s

Tl

T

检查对电源电压的抗扰性能：

i

0.028

0.00667

4.197

参照典型

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：

i=Tl=0.028s。

电流环开环增益：要求

σi%=5％时，按照典型

I

型系统动态跟随性能指标

和频域指标与参数的关系，应取

KiT∑i=0.5，因此：

K

I

0.5

Ti

0.5

0.00667

74.96s

1

于是，ACR

的比例系数为

Ki

K

I

i

R

K

s

74.96

0.028

0.863

30

0.028

2.16

4.校验近似条件

电流环截止频率：ωci=KI=74.96

1/S

(1)晶闸管整流装置传递函数的近似条件

1

3Ts

1

3

0.00167

199.6s

1

ci

满足近似条件。

(2)忽略反电动势变化对电流环动态影响条件

3

1

TmTl

3

1

0.383

0.028

11

28.97s

1

ci

满足近似条件。

(3)电流环小惯性时间常数近似处理条件

1 1

3

TsToi

1

1

3

0.00167

0.005

115.35s

1

ci

满足近似条件。

按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为

σi%=4.3%<5％，按

照典型

I

型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系，满足设计条件。

3.2.2 转速环参数的计算

1.定时间常数

(1)电流环时间常数

1/KI。已取

KIT∑i=0.5

则

1

K

I

2Ti

0.01334

(2)转速滤波时间常数：Ton=0.005s

(3)转速环小时间常数：

T

n

1

K

I

Ton

0.01334

0.001

0.01434

2.

选择转速调节器结构

按照设计要求，选用

PI

调节器，器传递函数为

WASR

(s)

K

n

(

n

s

1)

n

s

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

得超前时间常数为

n

hT

n

5

0.01834

0.0917s

转速开环增益为：

12

2h

T

n

K

N

h

1

2

2

6

2

25

0.01834

2

356.7s

2

ASR

的比例系数为：

K

n

(h

1)CeTm

2hRT

n

6

0.274

0.228

0.0383

2

5

0.0158

0.863

0.01834

22.6

4.

检验近似条件：

转速截止频率为：

cn

K

N

1

K

N

n

356.7

0.0917s

1

32.7s

1

(1)电流环传递函数简化条件为:

1 K

I

3

Ti

1

74.96

3

0.00667

35.3s

1

cn

满足简化条件。

(2)转速环小时间常数近似处理条件为:

1 K

I

3

Ton

1

74.96

3

0.005

40.8s

1

cn

满足简化条件。

5.计算调节电阻和电容

取

R0=40KΩ,则

Rn

K

n

Ro

22.6

40k

904k

Cn

n

Rn

0.0917

900

103

F

10.19F

40

10

Ci

i

Ri

4

0.

005

3

F

5

106

5F

6.转速超调量

当系统突加阶跃给定时，ASR

不饱和，不符合线性系统的前提，应该按

ASR

退