双闭环直流调速系统结构和参数设计

II■■三江学院《运动控制系统》课程设计院系：机械工程学院学号：12009154014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TOC\o"1-5"\h\z一、设计思想2双闭环调速系统的动态结构框图2电流调节器的设计思想2转速调节器的设计思想5二、设计步骤9电流调节器设计9转速调节器设计12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167■■-■ML--L一■・a-h~

1・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II系统。双闭环直流调速系统的动态结构框图U*(s)U*(s)1nTs+1on气fASR1U*(s)1nTs+1on气fASR1Ts+1OiU(s)ACR^C^KsTs+11/RTs+1iI+1s）「*-RTsmTsTs+1Oi电流环aTs+1on图1-1双闭环调速糸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T按需要选定，以滤平oi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，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T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on数T的给定滤波环节。on电流调节器设计思想⑴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T，因此，转速的lmU*(s)1+Ts+1oiF3ACRU(U*(s)1+Ts+1oiF3ACRU(s)1RTs+1U0(s)Ts+1—oi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)/0，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图1-3。iU*U*(s)图1-3等效成单位负反馈糸统由于T和T比T小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节,soil其时间常数为：T二T+TXisoi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⑵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PI型的调节器，其传递函数可以写成W(s)二Ki(TiS+1)ACRTSi式中Ki式中Ki电流调节器的比例系数ti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T二Til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U*U*(s)—i—K*s(Ts+1)图1-5校正成典型I型糸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型糸统电流环开环对数幅频特性3<wTTcsoi—>w是否满足条件3<wTTcsoi—>w是否满足条件TTcisoi校验—>w3Tcis⑶电流调节器的参数计算由式W(s)二Ki(TiS+D可以看出，电流调节器的参数是K和T，其中T已ACRTSiii选定，待定的只有比例系数K，它可根据所需的动态性能指标选取。i计算电流环开环增益:计算电流调节器的比例系数：K二册sXi如果实际系统要求的跟随性能指标不同，式K二①和K二俨可以做相应1cii2K0TsXi的改变，然后再次校验抗扰性能的指标是否满足。⑷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U*i为电流给定电压，-01为电流反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的d控制电压U。c根据运算放大器的电路原理计算K二RiR1根据运算放大器的电路原理计算K二RiR1T二RCT二一RC是否满40oi足要求。c0图1-7含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器转速调节器设计思想

⑴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W(s)，由图1-5可知：Wcli(s)Wcli(s)=册iKs(Ts+1)=Si1K1+I—s(Ts+1)Xi1T1:S^s2+s+1KKii忽略高此项，W(s)可降阶近似为:cliW(s)W(s)沁cli—s+1Ki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接入转速环内,i中应等效为:I(s)W(I(s)W(s)—d=—沁U*U*(s)iKI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1k的一阶惯性环节。⑵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i-i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。U*(s)1+U*(s)1+.O—n■Ts+1onI(s)■d+an(s),C；ms_emi_Ts+1―on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U*(s)/a，再把时间常数1/K和T的两个小惯性环节合并起来，近似成nIon

一个时间常数为T的惯性环节，其中T二丄+T，则转速环结构框图可化简SnXnKon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II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PI调节器，其传递函数为：W(s)ASRK(Ts+1)W(s)ASRnn—TS式中k——转速调节器的比例系数n转速调节器的超前时间常数U*(U*(s)nK(ts+1)2LZn(s)s2(Ts+1)图1-10校正后成为典型II糸统这样，调速系统的开环传递函数为:W图1-10校正后成为典型II糸统这样，调速系统的开环传递函数为:W(s)二K(叮+1)aR邙ntsCTs(Ts+1)nemXn_KaR(ts+1)—nntPCTs2(Ts+1)nemXn令转速环开环增益kn为:KaRnTPCTnemK(s+1)—Nn—s2(Ts+K(s+1)—Nn—s2(Ts+1)'Ln至于中频宽为多少，要看动态性能的要求决定。⑶转速调节器的参数的计算转速环开环增益为:h+12h2T2LnASR的比例系数为：⑷校验转速环的截止频率为:(h+1卩CTem2haRTLnK―N-⑸计算调节器电阻和电容1图1-11含给定滤波和反馈滤波的Pl型转速调节器根据图1-11，计算R二KRC=和C二4T0n是否满足要求nn0nRonRn0最后对转速退饱和超调量进行校核。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二220V,I二30A，nN二970rmin，电枢回路总电阻R二0.50，机电时间N常数T二0.2s，电枢回路的电感L=15mH。m电枢回路的电磁时间常数£T===0.03slR0.5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U-1R220-30x0.5021^i.■—n计算电流反馈系数计算转速反馈系数U-1R220-30x0.5021^i.■—na—==0.211V•minrnc"N97010二0.221.5xI1.5x30N10NF面对电流调节器进行设计1、确定时间常数⑴整流装置滞后时间常数Ts。由下表整流电路形式最大失控时间T/mssmax平均失控时间T/mss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取三相桥式电路的平均失控时间为T二0.0017s。s整流滤波时间常数T。由条件可知T二0.002soioi电流环小时间常数之和仁。按小时间常数近似处理，取T=T+T=0.0037s。工isoi2、2、W(s)二ACRKW(s)二ACRK(ts+1)ii—tsi0.03检查对电流电压的抗扰性能:0.03二8.11<10T二8.11<10―iT0.0037工i111152030

AC-Cma^X100%Cb55.5%33.2%18.5%12.9%t/Tm2.83.43.84.0t/Tv14.721.72&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：e=T=0.034s。I工i因此“0.50.5I工i因此“0.50.5K=—iT为i=聞s-1=135.1s-1于是，ACR的比例系数为KTK二一KTK二一i—i一-iK卩sR135.1x0.03x0.5八*==0.2540x0.224、校验近似条件电流环截止频率:wciwci=K=135.1s-ii闸管整流装置传递函数的近似条件—二s-1二196.078s-1>w3T3x0.0017ci满足近似条件。

满足近似条件。11113x=3x=16.23s-1<wTT1x0.037ci'ml⑵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。⑶电流环小时间常数近似处理条件11s]11s]3*0.0017X0.002二180.775s-1>wci满足近似条件。5、计算调节器电阻和电容由含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器的电路图O-O—0/dRoO-O—0/dRoRo22Z~GiRq2I电2...}±Uoi可知计算各电阻和电容值，其中R二40k00R二KR二0.1x40R二KR二0.1x40k0二4k0ii0j_0.03R_4000i=7.5uF4xTC二oi

oiR04x0.00240000二0.2uF取R二4kGi取C二7.5uFi取C二0.2uFoi按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标b二4.3%<5%，满足设计i要求。II下面对转速环的调节器进行设计1、确定时间常数1⑴电流环等效时间常数1/K:有前面的计算可一二2T二2x0.0037s二0.0074siK»⑵转速滤波时间常数T:根据测速发电机的纹波可知可知T二0.01s。onon

转速环时间常数T:按小时间常数近似处理，取Sn—+T二0.0074+0.01二0.0174son其传递函数表达式为2、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(s、—K(Ts+1)WASR(s)nWASRTss3、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=hT=5x0.0174二0.087s为n转速开环增益KNh+1=r=3964s-22h2T22x52x0.01742"SnASR的比例系数k(h+1)0CT6x0.22x0.211x0.2“2hdRT2x5x0.01x0.5x0.0174Sn4、检验近似条件可得转速环截止频率为Ko=—n=Kt=396.4x0.087=34.5s-1cnONn1电流环传递函数简化条件为siK=1:135.1s-i=63.695s-i>osi3飞0.0037cn满足简化条件。⑵转速环小时间常数近似处理条件为1K_1—I—i——*Is1—38.7s1>o3\T30.01cn'on满足简化条件5、计算调节器电阻和电容R-■R—Con■R-4C~nR-■R—Con■R-4C~n丿Rbal-anConRn根据左图，有KR=64x40k0=2560k0二2560k0■n0.1372560mF二-anConRn根据左图，有KR=64x40k0=2560k0二2560k0■n0.1372560mF二0.05uF取C二0.05uF4T4x0.01■on40mF=1uF取C二1uFh345678910b52.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%t/Tr2.402.652.853.03.13.23.33.35t/Ts12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111Ronon06、校核转速超调量当h=5时，由上页表查得，b=37.6%，不能满足设计b<10%的要求。nn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。□1、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，h345678910AC/Cmaxb72.2%77.5%81.2%84.0%86.3%88.1%89.6%90.8%t/Tm2.452.702.853.003.153.253.303.40t/Tv13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85由上表查得

ACmaxCbAACmaxCbACAn-AC、八AnT=81・2%,带b=(max)b=2(m^x)(尢—Z)NnCn*Cn*TbbmAnN=dNCe£302015二67.9皿67.90.0174可得b=2x81.2%x(2—0)xx=2%<10%n9700.2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