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 (3)

1.1 系统电路结构 (3)

1.2 两个调节器的作用 (4)

第二章整体电路分析 (6)

2.1电流环设计 (6)

2.2 转速环设计 (6)

2.3 典型I型系统介绍 (7)

2.4 典型Ⅱ型系统介绍 (8)

2.5 转速调节器的实现 (9)

2.6 电流调节器的实现 (9)

2.7校核转速超调量 (9)

第三章参数计算 (10)

3.1 相关参数 (10)

3.2 主要参数计算 (10)

3.2.1 电流环参数计算 (10)

3.2.2 转速环参数的计算 (12)

MATLAB仿真 (15)

课程设计体会 (19)

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。

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，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U c 为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。

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

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

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

s

s K s W i i i ACR )

1()(ττ+=

l

T =i τR

K K K i s i I τβ=

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

s

s K s W n n n ASR )1()(ττ+=

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

∑i

。

（2）选择电流调节机构

根据设计要求i σ≤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 ω＝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

I

K 1

。 2）转速环滤波时间常数T ON 。 3）转速环小时间常数T ∑n 。 （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 ω＝

1

ωN

K =n N K τ 1）电流环传递函数简化条件

3

1∑

i I

T K 2）转速环小时间常数

3

1on

I

T K

（5）计算电阻电容

0R K R n n = n

n

R Cn τ=

C on ＝

4R T on

（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

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

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。

第三章 参数计算

3.1 相关参数

知参数： 直流电动机：

kW P

n

10=,

V U

n

440=,

A I

n

365=,

min /950r n

N

= ，

min /228.0?=r V C

e

，5.1=λ ；

V-M 系统主电路总电阻：Ω=863.0R ； 电枢回路电磁时间常数：

s T

l

028.0= ；

电枢电路总电阻：Ω=0825.0R ； 电枢电路总电感：mH L 0.3= ； 折算至电动机飞轮惯量：2220Nm GD = ； 系统运动部分飞轮转矩相应的机电时间常数：s T

m

383.0= ；

系统测速反馈系数r v min/0158.0?=α ；

系统电流反馈系数A V /274

.0=β ； 触发整流装置的放大系数：40=K

s

；

三项桥式平均时空时间：s T

s

0017.0= ；

电流环滤波时间常数：s T oi

002.0= ； 转速环滤波时间常数：

s T

on

001.0= 。

设计要求：稳态指标无静差；动态指标电流超调量%5%=σ；空载起动到额定转速时的超调量

%10%=σ

n

。

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：

1）整流装置滞后时间常数T s =0.0017s 2）电流滤波时间常数T oi =0.002s

3）电流环小时间常数之和T ∑i = T s + T oi =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：

检查对电源电压的抗扰性能： 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：τi =T l =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K i T ∑i =0.5，因此：

1i I 96.7400667

.05

.05.0-∑===s T K

于是，ACR 的比例系数为

16.2028

.030863.0028.096.74i =???==βτs i I K R K K

4.校验近似条件

电流环截止频率：ωci =K I =74.96 1/S (1)晶闸管整流装置传递函数的近似条件

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

s

s K s W i i i ACR )

1()(ττ+=

197.400667

.0028.0i ==∑T T l ci s s T ω>=?=-16.19900167

.03131ci

s ω<=?=-197.281

313

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/K I 。已取K I T ∑i =0.5则

(2)转速滤波时间常数：T on =0.005s (3)转速环小时间常数：

01434.0001.001334.01n

=+=+=∑on I

T K T 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

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

转速开环增益为：

ci

oi s s T T ω>=?=-135.115005

.000167.01

3113101334.021

i I

==∑T K s

s K s W n n n ASR )1()(ττ+=

s

hT n 0917.001834.05n =?==∑τ

2

2

2n 2N 7.35601834

.0252621-∑=??=+=s T h h K

ASR 的比例系数为：

6

.2201834

.0863.00158.0520383.0228.0274.062)1(n m e n =???????=+=∑RT h T C h K αβ4. 检验近似条件：

转速截止频率为：

(1)电流环传递函数简化条件为:

满足简化条件。

(2)转速环小时间常数近似处理条件为:

满足简化条件。 5.计算调节电阻和电容 取R 0=40K Ω,则

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 退饱和的情况计算超调量。由典型I 型系统动态抗扰性与参数的关系可得

1

117.320917.07.356--=?===

s s K K n N N

cn τω

ωcn

I s T K ω>==-∑1i 3.3500667

.096

.743131cn

I s T K ω>==-1on 8.40005

.096

.743131Ω=Ω?==k k R K R o n n 904406.22F F R C n n

n μτ19.10109000917

.03

=?==F F R C i i

i μτ510510

40005.046

3

=?=??==-

%2.81/max =?C C b ，理想空载时z=0,则

T

T n n C n

n C m

n

b b

b b

n z ∑*

*?-?=??=))((2)(

max max λσ

%10%42.2383

.001384

.01500228.0863

.01362.1%2.812<=?????=

能满足设计要求。

MATLAB仿真电流环不带扰动

电流环带扰动

转速环

无扰动

扰动下

频域特性图

num=[76.786];den=[0.00667 1 0];

sys=tf(num,den);

bode(sys)

margin(sys)

num=[354.442*0.092 354.442];den=[0.0184 1 0 0]; sys=tf(num,den);

bode(sys)

margin(sys)

课程设计体会

这次的电力拖动大作业可谓做的大费周章，无数次翻开课本温习已经学习过的知识，不断点击的鼠标查阅网上的资料，和同学诸多的交流学习，终于完成了这次让我受益匪浅的作业。

上课时听老师讲的时候感觉这次设计也就是简单的带入计算而已，没有理论上的难度，等到没有人辅导自己设计时一个老生常谈的问题又摆在了眼前，眼高手低，理论永远联系不了实际。许多看似简单的计算，往往搞得焦头烂额还不知其所以然，只好再向其他同学请教。很多学习过的公式，往往想不起来，只好再翻开课本看，耽误了思路的继续。唯一值得庆幸的大概就是记住老师说过的几句有用的方法，许多东西我们记不住，但是我知道从哪能找到它，这也是好的。这次网络又帮了我们很大的忙，不断从网站上下载理论知识以及参数计算方法，各种电路分析图形，终于将理论部分完成了。最后结合之前学的MATLAB知识，较为顺利的绘制了仿真图，进行了仿真，最后功夫不负有心人按老师的要求完成了作业，也给自己的学习加上了一个重要的砝码。