双闭环调速系统ASR和ACR-结构及参数设计

黑龙江大学

课程设计说明书

学院：机电工程学院

专业：电气工程及其自动化

课程名称：电力拖动自动控制系统

设计题目：双闭环调速系统ASR和ACR

结构及参数设计

姓名：XXX

学号：2012xxxx

指导教师:XXXX

成绩：XXXX

双闭环调速系统ASR和ACR结构及参数设计

一.设计目的：

掌握用工程设计方法设计双闭环调速系统的转速调节器和电流

调节器，加深对双闭环直流调速系统理解。

二.设计内容：

在一个由三相零式晶闸管整流装置供电的双闭环直流调速系统

中，已知电动机数据如下:60kW,220V,308A,1000r/min,Ce=

0.196V-min/r,主回路总电阻R=0.18Q,Ks=35,TL=0.012s,Tm=0.12s,

电流反馈滤波时间常数T。尸0.0025s,转速反馈滤波时间常数

Ton=0.015s,额定转速时的给定电压为10V,ASR最大输出限幅值为8V,

ACR最大输出限幅值为6.5V,Ro=4OkQ。

设计要求：稳态无静差；调速范围D=l（）,电流超调量?iW5%,

电机空载起动到额定转速时的转速超调量、W10%,起动电流限制在

339A以内。

三.时间安排：

6.22—6.23查阅相关资料；

6.24-6.25按要求设计相关内容，完成设计文本

6.26考核答辩

四.参考书目：

1.《电力拖动自动控制系统》（第3版）陈伯时主编机械工业出版社

2.《电力电子技术》（第4版）王兆安黄俊主编机械工业出版社

3.《自动控制理论》刘丁主编机械工业出版社

4.《电机及拖动基础》（第3版）顾绳谷主编机械工业出版社

目录

第一章绪论...........................................................1

第二章电流调节器的设计...............................................5

2.1电流环结构图的简化............................................5

2.2电流调节器结构的选择..........................................7

2.3电流调节器的参数计算..........................................8

2.4校验近似条件..................................................9

2.5电流调节器的实现..............................................9

第三章转速调节器的设计..............................................10

3.1电流环的等效闭环传递函数.....................................10

3.2转速调节器结构的选择.........................................11

3.3转速调节器的参数计算.........................................13

3.4检验近似条件.................................................13

3.5转速调节器的实现.............................................14

第四章转速调节器退饱和时转速超调量的计算...........................15

结论..................................................................19

参考文献.............................................................19

第一章绪论

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。

对于采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的

前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快

速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。

因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。在单闭环

直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过

临界电流〃”以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制

电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程中，起动电

流达到最大值/血后，受电流负反馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之减

小，加速过程延长。

一、转速、电流双闭环直流调速系统的组成

为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值

的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量

基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，

分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套

ASRT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。

二、双闭环直流调速系统的电路原理图

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PI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下图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上

为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。

图中表出，两个调节器的输出都是带限幅作用的。转速调节器ASR的输出限

幅电压决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压心〃,

限制了电力电子变换器的最大输出电压Udlll。

三、双闭环直流调速系统的稳态结构图

为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如下图

1-30它可以很方便地根据上图的原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性

表示PI调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特

征。

图1-3双闭环直流调速系统的稳态结构图

―转速反馈系数；？一电流反馈系数

PI调节器的稳态特征一般存在两种状况，即饱和时输出达到限幅值和不饱

和时输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响

输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和：换句话说，饱和的调节器暂时

隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作

用使输入偏差电压在稳态时总是零。

四、双闭环直流调速系统的动态结构图

在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结构，即

可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图，如下图1-4所示。图中MsMs）和

“a⑸分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在

电动机的动态结构框图中必须把电枢电流h显露出来。之后将要进行的典型系统

的设计及动态性能指标的计算都是在此图基础上进行的。

图1-4双闭环直流调速系统的动态结构图

五、两个调节器的作用

经过分析，转速和电流调节器都具有非常重要的作用，归纳如下。

1.转速调节器的作用：

I)转速调节密是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定

电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现

无静差。

2)对负载变化起抗扰作用。

3)其输出限幅值决定电机允许的最大电流。

2.电流调节器的作用：

1)作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流

紧紧跟随其给定电压(即外环调节潜的输出量)变化。

2)对电网电压的波动起及时抗扰的作用.

3)在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态

过程。

4)当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保

护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可

靠运行来说是十分重要的。

六、调节器的工程设计方法

1.工程设计方法的基本思路

1)选择调节器结沟，使系统典型化并满足稳定和稳态精度。

2)设计调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。

2.典型系统

1)典型I型系统传递函数：W(s)=/

s(仆+1)

式中T-系统的惯性时间常数；

K-系统的开环增益。

2)典型II型系统传递函数：W⑸=KS+1)

?(75+1)

3.选择典型系统的依据

一般来说，在动态性能中典型I型系统可以在跟随性能上做到超调量小，但

抗扰性能稍差：而典型n型系统的超调量相对较大，抗扰性能较好。

七、按工程设计方法设计双闭环系统的调节器

1.系统设计对象

图1-5双闭环调速系统的动态结构图

双闭环调速系统的实际动态结构图绘于图1-5,它与前述的图1-4不同之处

在于增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节.其

中

Tt)i-电流反馈滤波时间常数

Ton-转速反馈滤波时间常数

2.系统设计原则

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，最后进行转速超调

量的校验。

第二章电流调节器的设计

2.1电流环结构图的简化

在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即

E^Oo这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的影响,

也就是说，可以暂且把反电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如下

图2-1所示。

忽略反电动势对电流环作用的近似条件是：

①ci—3/----------

(2-1)

图27电流环的动态结构图及其化简

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*i(s)/2,则电流环便等效成单位负反馈系统(图2-2)。

5G)

图2-2单位负反馈系统

最后，由于Ts和TOi一般都比T1小得多，可以当作小惯性群而近似地看

作是一个惯性环节，其时间常数为

12-2)

简化的近似条件为(2-3)

电流环结构图最终简化成图2-3。

图2-3电流环最终简化结构图

2.2电流调节器结构的选择

根据设计要求：稳态无静差，调速范围D=l（）,电流超调量?iW5%,有以下

两种方案可供选择：

方案一：典型II型系统，可使电流无静差，抗扰性能好。

方案二：典型I型系统，也能使电流无静差，跟随性能好，超调小。

从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用I型系

统就够了。从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大

的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰

作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。

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

<2-4）

WACR（S）=_*+D

T-S

式中Ki-电流调节器的比例系数；

电流调节器的超前时间常数。

由表2-1知，三相零式电路的平均失控时间Ts=0.（）033s。

表27各种整流电路的失控时间（f=50Hz）

整流电路形式最大失控时间（max（ms）平均失控时间T、（ms）

单相半波201()

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

又已知电流反馈滤波时间常数T痔0.0025s,按小时间常数近似处理，

T.=T+Toi=0.()()33+().()025s=().()()58s

?15

已知TL=0.012S,易知m=T./TL=0.0058/0.012=0.48,参照表2-2的典型I型

?91

系统动态抗扰性能，知其动态性能不是十分理想，但这不是主要因素，且各项指

标都可以接受。

表2-2典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系(KT=0.5)

7；7111

m--=一

7；7；5102030

竺0x100%

55.5%33.2%18.5%12.9%

心/丁2.83.43.84.0

4T14.721.728.730.4

2.3电流调节器的参数计算

为了使校正后的典型系统为典型I型系统，应有以下等式成立：

除.Kg+1)=K，(2-5)

A(刀s+l)(7^s+l)"ss(7^s+l)

则必须满足：

【刀(2-5)

rR(27)

所以，电流调节器超前时间常数：=7；=0.012s；

电流环开环增益：要求?iS5%时，按表2-2,应取勺々=0.5,因此

二0.5=0.5二862「

一女―0.0058s

电流反馈系数:

=0.024V/A

于是，ACR的比例系数:

86.2x0.18x0.012八

KM----------------=0.222

K/35x0.024

2.4校验近似条件

电流环截止频率：coci=K.=86.25--

1.晶闸管整流装置传递函数的近似条件

1_1

=196.l.v-1>(o

3T7-3x0.00175ci

满足近似条件。

2.忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

1

3—=3x二79.1『v%

仃J0.125x0.012,?

满足近似条件。

3.电流环小时间常数近似处理条件

=116.1s">CD

3V0.0033sx0.0025sci

满足近似条件。

2.5电流调节器的实现

含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器的电路原理图如下图24所示。

图2-4含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器

图中U*为电流给定电压，・?Id为电流负反馈电压，Uc电力电子变换器的控

制电压。根据运算放大器的工作原理可以推导出以下公式:

&=旦(2-8)

R。

ri=R£

(2-9)

(2-10)

由图2-4,按所用运算放大器R°=40kQ,各电阻和电容值为:

Rj=K/o=0.222X40KC=8.88KC,取9KC

C.=至=0012=1.33x10-6尸=]33”,取1.33//F

1凡9(XX)Q

以「冷啜整…力听取OR

按照上面参数，由表2・3可知，KTR.5时超调量为4.3%<5%,满足设计要

求。

表2-3典型I型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系

参数关系KT0.250.390.50.691.0

阻尼比？1.00.80.7070.60.5

超调量？0%1.5%4.3%9.5%16.3%

上升时间fr96.6T4.7T3.372.47

峰值时间tP98.3T6.274.7T3.27

相角稳定裕度？76.3°69.9°65.5°59.2°51.8°

截止频率20.243/T0.367/T0.45510.596/T0.786/F

第三章转速调节器的设计

3.1电流环的等效闭环传递函数

电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函

数。由典型I型系统结构框图可知

K、

，d(S)_S(&iS+l)]

%(S)=(3-1)

U；G)/0Y&&?+—5+1

s(qs+DK】Kx

忽略高次项，上式可降阶近似为

(3-2)

近似条件为

(3-3)

式中？cn为转速环开环频率特性的截止频率。

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

中应等效为

LG).叱iG)

U；(s)p(3-4)

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1/Ki的一阶惯性环节。

3.2转速调节器结构的选择

用电流环的等效环节代替图1-5中的电流环后，整个转速控制系统的动态结

构图便如图3-1所示。

图37转速环的动态结构图

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)/?，再把时间常数为1/K|和Ton的两个小惯性环节合并起来，近似

成一个小惯性环节，其中

1

&n=

5(3-5)

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

(3-6)

WASR(S)Jn(K+D

式中心-转速调节器的比例系数;

?n-转速调节器的超前时间常数。

这样，调速系统的开环传递函数为

aR

(…1)

%(S)=Kn«nS+D(3-7)

2

CeTms(TZns+l)rnfiCeTms(TZns+l)

令转速环开环增益为

KN(XR(3-8)

KN=

rnPCJm

则2虢鬻(3-9)

校正后的系统结构图如下图3-2。

K\(a+1)

『(Q+1)

图3-2校正后系统结构图

确定各个时间常数:

1）电流环等效时间常数1/跖：由电流调节器设计知，Ki7^,.=0.5,则

一=2%=2x0.0058s=0.0116s

Ki

2）转速滤波时间常数Ton：由已知可得T°n=0.015s。

3）转速环小时间常数：7；=—+T=0.0116S+0.015s=0.0266so

3.3转速调节器的参数计算

转速调节器的参数包括K〃和柒按照典型n型系统的参数关系，取〃=5,有

ASR的超前时间常数：

仁n=5x0.0266s=0.133s

转速开环增益:

s"=169612

2h飞n2x25x0.02662

于是可得ASR的比例系数:

(/?+\)pC(Tm_6X0.024X0.196X0.12

2haRTYn~2x5x0.01x0.18x0.0266

3.4检验近似条件

(3-10)

知转速环截止频率为：

-1

=KNTn=169.6x0.1335=226「

例

1）电流环传递函数简化条件为

T*3V0.0058

满足近似条件。

2）转速环小时间常数近似处理条件:

1叵=1严人=25.3s">线〃

马忆3V0.015

满足近似条件。

3.5转速调节器的实现

含给定滤波和反饿滤波的PI型转速调节器原理图如图3-3所示，图中U；为

转速给定电压，-方为转速负反馈电压，U；的输出是电流调节器的给定电压。根

据运算放大器的特点得出各参数公式如下。

KR”

(3-11)

2瓦

J=RC,(3-12)

(3-13)

图3-3含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器

取Ro=4Ok。，由公式(3-11)、(3-12)和(3-13)得:

=7.07x40^0=282.82,取285kQ;

0144

C=—F=0.47"，取0.47”;

“285xIO3

=誓饕产=L5xl0«K=1.5",取1.5〃

40x10

第四章转速调节器退饱和时转速超调量的计算

当/-5时，由表4-1查得，？产37.6%,不满足?n310%的条件。实际上，由

于表3/是按线性系统算的，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退饱和的情况重新计算超调量。

如果调节器没有饱和限幅的约束，调速系统可以在很大的范围内线性工作，

则双闭环系统启动时的转速过渡过程就会产生超调量较大。实际上.，突加给定电

压后，转速调节器很快进入饱和状态，输出恒定的限幅电压，使电动机在恒流的

条件下起动，而转速则按线性规律增长。

表47典型II型系统阶跃输入跟随性能指标

h3456789ID

952.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%

tr/T2.42.652.853.03.13.23.33.35

h/T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20

k32211111

计算退饱和超调量时，起动过程可按分段线性化的方法处理。当ASR饱和

时，相当于转速环开环，电流环输入恒定电压6〉如果忽略电流环短暂的跟随

过程，其输出量也基本上是恒值1dm，因而甩动机基本上按照恒加速起动。这一

阶段完成时有

ASR退饱和后，转速环恢复到线性范围内运行，系统的结构框图如图4-1所

示。描述系统的微分方程和前面分析线性系统跟随性能时相同，只是初始条件不

同了。分析线性系统跟随性能时，初始条件为n(0尸01(0)=0。讨论退饱和超调

时，其初始条件是

〃(0)=/,/d(0)=/血

由于初始条件发生了变化，尽管两种情况的动态结构图和微分方程完全一样，过

渡过程还是不同的。

/dL⑸

图47ASR退饱和后系统结构框图

当ASR选用PI调节器时，上图电流作用点前面的环节可以归纳为

，由于对我们的目的有用的是在稳态转速〃♦以上超调的部分，即

/(心〃S+D

只考虑实际转速与给定转速的差值△〃=〃-〃*,相应的可以把图4-1的坐标原点

转移，初始条件换为n(())=0,〃(())=/而。由于图4-2的给定为零，可以不画，

而把的负反馈作用反映到主通道的第一个环节输出量上来，这里不再赘述。

将图4-2和讨论典型II型系统抗扰性能所用的结构图相比，不难发现它们完

全一样，因此可以利用典型I【型系统抗扰性能指标来计算退饱和超调量。在典型

II型系统抗扰性能指标中

Ch=2FK2T(4-1)

对比图4-2知

R

而F="m—IdL(4-2)

所以加的基准值是

令义表示电机允许的过载倍数，即

&,=%（4-4）

z表示负载系数，则

3%（4-5）

为调速系统的额定稳态速降，代入式（4-3）可得

G

T

\nh=2（2-z）\nN（4-6）

作为转速的超调量乙,其基准值应该是〃♦,因此退饱和超调量可以由表4-2

列出的ACmax/G,数据经基准值换算后求得，即

也=2(A-Z)AZ?V(4-7)

"力/G/T„,

根据已知条件，由式(4-4)解得