双闭环直流调速系统设计方案

博名N4大考

SHENYANGUNIVERSmOFTECHNOLOGY

直流拖动控制系统

课程设计汇报

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:

姓名：

学号：________________

指导教师：

起止日期：2023年6月16日〜2023年6月22日

目录

设计概述..................................................2

第一章系统总体设计......................................3

1.1系统电路构造......................................4

1.2两个调整器日勺作用..................................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经典I型系统简介..................................8

2.4经典H型系统简介..................................10

2.5转速调整器的实现..................................11

2.6电流调整器的实现..................................11

2.7校核转速超调量....................................12

第三章参数计算..........................................12

3.1有关参数..........................................12

3.2重要参数计算......................................13

3.2.1电流环参数计算................................13

3.2.2转速环参数的计算.............................15

MATLAB仿真............................................18

课程设计体会23

设计概述

双闭环直流调速系统是目前直流调速系统中口勺主流设备，具有调速范围宽、

平稳性好、稳速精度高等长处。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日勺作用。

由丁直流电机双闭环调速是多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措施中由于忽视和简化导致的误差。

在双闭环直流调速系统中，转速和电流调整器口勺构造选择与参数设计需从动

态校正口勺需要来处理，设计每个调整器是，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，对于常常正反转运动

的系统，尽量缩短启、制动过程的时间是提高生产率的重要原因。为此，在电机

最大容许电流和转矩受到限制欧J条件下，应当充足运用电机H勺过载能力，最佳是

在过渡过程中一直保持电流为容许日勺最大值，是电力拖动系统以最大的加速度启

动，抵达稳定转速时，立即让电流降下来，使转矩立即与负载相平衡，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

图中，把转速调整器时输出当作电流调整器日勺输入，再用电流调整器时输出去控

制电力电子变换滞UPE。从闭环构造上看，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系统电路构造

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,

充足运用电机的I容许过载能力，使电力拖动系统尽量用最大H勺加速度起动，抵达

稳态转速后，又可以让电流迅速减少下来，使转矩立即与负载相平衡，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日勺，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日勺起动过程。采用转速电

流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调整器，分别调整转速和电流，两者之

间实行串级联接，这样就可以实目前起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负

反馈不一样步加到一种调整器I均输入端，抵达稳态转速后，只靠转速负反馈，不

靠电流负反馈发挥重要口勺作用，这样就可以获得良好的静、动态性能。因此选用

转速电流双闭环系统构造

为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调整器一般都采用PI调

整器，这样构成日勺双闭环直流调速系统的电路原理图示丁图1-2。图中标出了两

个调整港输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器时控制电压反

为正电压的状况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。

RFIicmI'TIi十-JLZ、力'in、士、士zCn/frm1751

1.2两个调整器的作用

电流调整器日勺选择:

图-2表明，电流环的控制对象是双惯性型日勺，要校正成经典T型系统,

显然应采用PT型的电流调整器，其传递函数可以写成

/、&(%5+1)

%u/CR⑸=------------

3

为了让调整器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择

[=7]

则电流环的动态构造图便成为图1-3所示的经典形式，其中

二K,KJ3

"R

转速调整器日勺选择

为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一种积分环节，它应当

包括在转速调整器ASR中，目前在扰动作用点背面已经有了一种积分环节，因

此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，因此应当设计成经典II型系统,

这样的系统同步也能满足动态抗扰性能好的规定。

由此可见，ASR也应当采用PI调整器，其传递函数为

W\除（加5+1）

WASR（$）二^-----

却$

第二章整体电路分析

2.1电流环设计

（1）确定期间常数

1）整流装置滞后时间常数T$。

2）电流滤波时间常数

3）电流环小时间常数之和T,j。

（2）选择电流调整机沟

根据设计规定出45%,并保证无静差，可按经典I型系统设计电流调整器0

（3）计算电流调整器参数

（4）效验近似条件

电流环截止频率：结j=K,

2.2转速环设计

（1）确定期间常数

1）电流环等效时间常数3。

KI

2）转速环滤波时间常数丁班°

3）转速环小时间常数T2,。

（2）选择转速调整机构

按照设计规定，选用P1调整器。

（3）计算转速环调整器参数

（4）校验近似条件

转速环截止频率（o=—二K3

cnco\

1）电流环传递函数简化条件g

2）转速环小时间常数!，叵

（5）计算电阻电容

C=△

R“=K“R。C〃吟7/ktt

（6）校验转速超调量

2.3经典I型系统简介

经典I型系统的构造图如图2-1所示。

s(Ts+1)

图2T

其传递函数为K

少(s)=

s(Ts+l)

其中，时间常数T在实际系统中往往是控制对象自身固有的，可以由调整器

变化的只有开环增益K,也就是说K是唯一日勺待定参数。设计时，需要按照性能

指标选择参数K日勺大小。

经典的I型系统构造简朴，其对数幅频特性日勺中频段以-20dB/dec的斜

率穿越OdB线，只要参数日勺选择能保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳定

区），口有足够的稳定裕量。

经典I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系如表2-1。

经典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

与T111

ni=­=—

石纭5102030

AC

——55.5%33.2%18.5%12.9%

q

q/T2.83.43.84.0

%/T14.721.728.730.4

表2-1经典I型系统动态抗扰性能指标与参数的J关系

参数关系KT0.250.390.50.691.0

阻尼比71.00.80.7070.60.5

超调量b0%1.5%4.3%9.5%16.3%

上升时间kco6.6T4.7T3.3T2.47

co8.3T6.274.7T3.2T

峰值时间t.?

相角稳定裕度y76.3069.9°65.5°59.2°51.8°

截止频率69c0.243/T0.367/70.455/T0.596/70.786/7

表2-2经典I型系统跟随性能指标和频域指标与参数U勺关系

2.4经典II型系统简介

经典II型系统的构造图如图2-2所示。

K3+1)f7

S2(TS+1)~\~

图2-3经典II型系统H勺构造图

其传递函数为

叭s)=篝米

在经典口型系统口勺开环传递函数式中。与经典I型系统相仿，时间常数T

也是控制对象固有欧I。所不一样日勺是，待定日勺参数有两个:K和>这就增长了

选择参数工作的复杂性。为了分析以便起见，引入一种新的变量，令

经典

h345678910

max*b72.2°b77.5°o81.2%84.0%86.3%88.1%89.6°o90.8°6

3T2.452.702.853.0()3.153.253.3()3.40

13.6010.45

tx/T8.8012.9516.8519.8022.8025.85

表2-3经典II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系

2.5转速调整器的实现

模拟式转速调整器电路如图2-4

图2-4含给定滤波与反馈漉波卧JPI型转速调整器

2.6电流调整器的实现

&

-O

图2-E含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调整器

2.7校核转速超调量

当系统突加阶跃给定期，ASR不饱和，不符合线性系统H勺前提，应当按ASR

退饱和H勺状况计算超调量。

第三章参数计算

3.1有关参数

知参数：

直流电动机：p,=10kW,U〃=44()V,/“=365A,〃v=95()r/min

Q=0.228V/r-min,2=1.5；

V-M系统主电路总电阻：R=().863Q；

电枢回路电磁时间常数：Z=0.028s；

电枢电路总电阻：/?=0.08250；

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对应日勺机电时间常数：T,=0.383s；

系统测速反馈系数a=0.0158p・min/r；

系统电流反馈系数P=0.274V/A；

触发整流装置的放大系数：KL40；

三项桥式平均时空时间：T45=0.0017s；

电流环滤波时间常数：鼠=0.002s；

转速环滤波时间常数：=0.0015。

7Aon

设计规定：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0-/%=10%o

3.2重要参数计算

电流环参数计算

1.确定期间常数:

1)整流装置滞后时间常数Ts=0.0017s

2)电流滤波时间常数T。尸0.002s

3)电流环小时间常数之和Tki=八+%i=0.00667s

2.选择电流调整器的构造

根据设计规定出%=5%,并保证稳态电流无差，可以按典I型系统设计电流

调整器。电流环控制走象是双惯性的，因此可用PI型电流调整器。其传递函数

Kg+1)

WACRG)

为:3

1:008「彳.

检查对电源电压的抗扰性能:Gi0.00667•参照经典I型系统

动态抗扰性能，各项指标都是可以接受欧I。

3.计算电流调整错参数

电流调整器超前时间常数：ri=Ti=O.028so

电流环开环增益：规定历％=5%时，按照经典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Ki/t尸0.5,因此：

“0.50.5

K,=----=-----------二74.965

自0.00667

于是，ACR日勺比例系数为

“K,rR74.96x0.028x0.863一右

K-=-—=------------------------=2.16

30x0.028

4.校验近似条件

电流环截止频率：G)ci=Ki=74.961/S

(1)晶闸管整流装置传递函数的近似条件

1_1

=199.65-1>co

沅-3x0.00167ci

满足近似条件。

(2)忽视反电动势变化对电流环动态影响条件

----------------=28.97st<co-

0.383x0.028-------------------"

满足近似条件。

(3)电流环小惯性时间常数近似处理条件

满足近似条件。

按照上述参数，电流环可以到达的动态跟随性能指标为。i%=4.3%<5%,按

照经典1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。

转速环参数的计算

1.定期间常数

(1)电流环时间常数1/Ki。已取KiTgi=0.5则

—=27Vj=0.01334

(2)转速滤波时间常数：Ton=0.005s

(3)转速环小时间常数：

七=-L+q〃=00334+0.001=0.01434

Ki

2.选择转速调整器构造

按照设计规定，选用PI调整器，器传递函数为

Kg+D

WASRG)=

却$

3.计算转速调整器参数

按跟随和抗扰性能都很好的原则取h=5,则ASR得超前时间常数为

=爪=5x0.01834=0.0917s

转速开环增益为:

K”禺=2x25x0.018342=356,厂

ASR/、J比例系数为:

吐(/z+1)'^CDT111_6x0.274x0.228x0.0383

1Y——22.6

n

2haRTyn2x5x0.0158x0.863x0.01834

4.检查近似条件：

转速截止频率为：

K

(ocn=^=KNTH=356.7x0.0917=32.7―

⑴电流环传递函数简化条件为：

j_®_1_74,96

3^7^-3V0.00667=35.3『>cocn

满足简化条件。

(2)转速环小时间常数近似处理条件为:

j_74,96

=40.8$->a)cn

3V0.005

满足简化条件。

5.计算调整电阻和电容

取Ro=4OKQ,则

R〃=K〃(=22.6x40依=904

=r^L=_0：0917_F=1019

“R"900xl03

4X05xl0-6=5//F

Ci=IL=-0°^F=

'04OxlO3

6.转速超调量

当系统突加阶跃给定期，ASR不饱和，不符合线性系统口勺前提，应当按ASR

退饱和的状况计算超调量。由经典I型系统动态抗扰性与参数的关系可得

△CJC=8L2%,理想空载时z=0,则

\rAC△九八

ChnChnTm

136x0.863

0,01384

=2x81.2%xl.2x_2^28―x=2.42%<10%

1500().383

能满足设计规定。

MATLAB仿真

电流环不带扰动

301.160.063

OflO17s+10.02M1。软s+1

TransferFenGanTransferFcnlTransferFcn2TrensferFcn3

Garnintegrator

0.028

0.005s*1

TransferFcn4

012345678910

电流环带扰动

TrsnslerFcni

转速环

无扰动

扰动下

频域特性图

num=[76.786];dcn=l0.0066710];

sys=tf(num,dcn);

bode(sys)

margin(sys)

BodeDiagram

«

)

号

&

WB

1O010*1O3