2022年直流电机双闭环运动控制系统课程方案.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用 第1章 绪论1.1 运动掌握系统争论背景 电机自动掌握系统广泛应用于机械模具,矿产冶金,石油化工,轻工纺织,军工等与军民企业亲密相关 的行业；这些行业中绝大部分生产机械都采纳电动机作原动机；有效地掌握电机,提高其运行性能,对国民经济,以及电能的合理运用都具有特别重要的现实意义；自从电动机创造到上个世纪 90 岁月,直流电动机几乎是唯独的一种能实现高性能拖动掌握的电动机,直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交,为掌握供应了便利的方式,使得电动机具有优良的起 动,制动和调速性能；尽管近年来直流电动机不断受到沟通电动机及其它电动机的挑战,但至今直流电动机 仍旧是大多数变速运动掌握和闭环位置伺服掌握首选；由于它具有良好的线性特性,优异的掌握性能,高效 率等优点；直流调速仍旧是目前最牢靠,精度最高的调速方法；本次设计的主要任务就是应用自动掌握理论和工程设计的方法对直流调速系统进行设计和掌握,设计出能够达到性能指标要求的电力拖动系统的调剂器,通过在DJDK-1 型电力电子技术及电机掌握试验装置上的调试 , 并应用 MATLAB软件对设计的系统进行仿真和校正以达到满意掌握指标的目的；1.2 课题目前的争论应用现状 近几十年来,电力拖动系统得到了快速的进展；随着新型电力电子器件的创造,为了进一步提高电动机 自动掌握系统的性能,有关争论工作正环绕以下几个方面绽开：1.2.1 常规调速系统介绍 电力电子器件的不断进步,为电机掌握系统的完善供应了物质保证,新的电力电子器件正向高压,大功率,高频化和智能化方向进展；智能功率模块 小,牢靠性更高；<IPM）的广泛应用,使得新型电动机自动掌握系统的体积更传统直流电动机的整流装置采纳晶闸管,虽然在经济性和牢靠性上都有肯定优势,但其掌握复杂,对散 热要求也较高；电力电子器件的进展,使称为其次代电力电子器件之一的大功率晶体管 <GTR）得到了越来越 广泛的应用；由于晶体管是既能掌握导通又能掌握关断的全控型器件,其性能优良,以大功率晶体管为基础 组成的晶体管脉宽调制 <PWM）直流调速系统在直流传动中使用出现越来越普遍的趋势；1.2.2 应用现代掌握理论 在过去,人们感到自动掌握理论的争论进展很快,但是在应用方面却不尽人意；但近年来,现代掌握理 论在电动机掌握系统的应用争论方面却显现了蓬勃进展的兴盛景象,这主要归功于两方面缘由：第一是高性 能处理器的应用,使得复杂的运算得以实时完成；其次是在辨识,参数估值以及掌握算法鲁棒性方面的理论 和方法的成熟,使得应用现代掌握理论能够取得更好的掌握成效；1.2.3 采纳总线技术 现代电动机自动掌握系统在硬件结构上有朝总线化进展的趋势,总线化使得各种电动机的掌握系统有可 能采纳相同的硬件结构；1.2.4 内含嵌入式操作系统的掌握器 当今是网络时代,信息化的电动机自动掌握系统正在静静显现；这种掌握系统采纳嵌入式掌握器,在嵌 入式操作系统的软件平台上工作,掌握系统自身就具有局域网甚至互联网的上网功能,这样就为远程监控和 远程故障诊断及爱护供应了便利；目前已经有人研制胜利了基于开放式自由软件 Linux 操作系统的数字式伺 服系统；1.3 本设计思路 依据本课题的实际情形,宜从以下三个方面入手分析：1直流双闭环调速系统的工作原理及数学模型 2双闭环直流调速的工程设计 3应用 MATLAB软件对设计的系统进行仿真和校正 本课题所涉及的调速方案本质上是转变电枢电压调速；该调速方法可以实现大范畴平滑调速,是目前直流调速系统采纳的主要调速方案；但电机的开环运行性能<静差率和调速范畴）远远不能满意要求；按反馈掌握原理组成转速闭环系统是减小或排除静态转速降落的有效途径；转速反馈闭环是调速系统的基本反馈形 式；可要实现高精度和高动态性能的掌握,不仅要掌握速度,同时仍要掌握速度的变化率也就是加速度；由 电动机的运动方程可知,加速度与电动机的转矩成正比关系,而转矩又与电动机的电流成正比；因而同时对 速度和电流进行掌握,成为实现高动态性能电机掌握系统所必需完成的工作；因而也就有了转速、电流双闭 环的掌握结构；关于工程设计：直流电机调速系统是一个高阶系统, 其设计特别复杂；本设计利用阶次优化的原理对系统的工程设计方法进行了分析；设计电机调速系统时应综合考虑各方面的因素 , 按全局最优的观点正确挑选 合理的阶次 4 ；工程设计方法的基本思路是先挑选调剂器的结构,以确保系统的稳固性,同时满意所需要的 稳态精度；再挑选调剂器的参数,以满意动态性能指标；应用到双环调速系统中,先从电流环入手,按上述 原就设计好电流调剂器,然后把整个电流环看作是转速调剂系统中的一个等效环节,再设计转速调剂器；名师归纳总结 1.4本设计的组成部分第 1 页,共 23 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用 1.4.1 系统的数学模型 分析双闭环调速系统的工作原理,列写双闭环调速系统各环节的传递函数,并画出其动态结构图；1.4.2 经典掌握部分 第一明白双闭环直流调速系统的基本原理,然后应用工程设计方法,分别进行主电路、电流环和转速环 的设计 , 并应用 MATLAB对系统进行仿真；1.4.3 仿真部分运用SIMULINK工具箱对系统进行仿真,获得系统的动态响应曲线及其频率特性曲线；结合曲线对由不同方法设计出的调速系统的性能进行比较争论,从而得到性能指标较为抱负的系统模型；并尝试性地提出改进方案；名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 23 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用 其次章设计系统的数学模型和原理 2.1.1 测定电枢回路的参数2.1.1.1测定电枢回路总电阻RI d, 测出不同的Ud, Up, UD. 测试时,通过测定 Rn,RD,RP得到 R其中Rn晶闸管等效电阻RP平波电抗器等效电阻R 电枢回路的总电阻RD电动机电枢电阻考虑到参数的非线性,应用伏安法测量；通过转变变阻器的阻值,转变为防止因电枢转轴不同心,而影响电刷接触电阻；将电枢转动三次,取测量的平均值；应用公式：2.1.1.2 测定电枢回路的总电感L L= LP+ LD+ LB式中 LP平波电抗器电感LD电动机电枢电感LB变压器漏感 先测 LS=LP+LD, 利用以下公式 : Z=RS+j XS =U d / Id-XS= Z 2- X 2> 1/2LS=XS / 2 f =XS/ 314 再来测定变压器的漏感 LB / 依据体会公式 : L B= KB* UK% /100>* U2/ I d>, / 在三相桥中 LB= 2* L B因此 L=LS + LB 2.1.2 测定电力拖动系统机电时间常数 Tm2.1.2.1 测定电动机的Ce在给定电压下选稳态时试验测量所需数据,因稳态时而故2.1.2.2 测定电动机的飞轮力矩 GD 2使电动机在空载下自由停车 这时 MD=0, M fz=M 0>,其中 M 0为电动机 的空载转矩 .由 M D-M fz=GD 2dn/375dt 得 GD 2=-375M 0 / dn /d t> 375 M 0 /.n /.t> 测 n=fM0> 利用空载损耗 P0=UDI d-RDI 2,得 M0. 测定 n=fM0> 的试验数据并在坐标纸上做出 n=f M0>曲线 2.1.3 测定触发和整流装置的放大倍数 KS在按线性系统规律进行分析和设计时,应当把这个环节的放大系数 KS当作常数,但实际上触发电路和整流电 路都是非线性的,只能在肯定的工作范畴内近似成线性环节；因此,最好应用试验方法测出该环节的输入名师归纳总结 输出特性,即. 设计时,期望整个调速范畴的工作点都落在特性的近似线性范畴内,并有一第 3 页,共 23 页定的余量,调剂放大系数KS可由工作范畴内的特性斜率打算- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用Ud调速工作范畴 Ud UctUct<图 2-1 晶闸管触发与整流的输入输出特性和 KS的测定 ）2.2 双闭环调速系统的工作原理 2.2.1 转速掌握的要求和调速指标 掌握系统性能的要求经量化和折算后可以表达为稳态和动态性能指标；设计任务书中给出了本系统调速 指标的要求；深刻懂得这些指标的含义是必要的,也有助于我们构想后面的设计思路；在以下四项中,前两项属于稳态性能指标,后两项属于动态性能指标）2.2.1.1 调速范畴 D 生产机械要求电动机供应的最高转速和最低转速之比叫做调速范畴,即 <2-12.2.1.2 静差率s 当系统在某一转速下运行时,负载由抱负空载增加到额定值所对应的转速降落,与抱负空载转速之比,称作静差率,即 <2-2）静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳固度的；2.2.1.3 跟随性能指标 在给定信号 R<t ）的作用下,系统输出量 C t >的变化情形可用跟随性能指标来描述；具体的跟随性能指标有以下各项：上升时间,超调量,调剂时间 .2.2.1.4 抗扰性能指标 此项指标说明掌握系统抗击扰动的才能,它由以下两项组成：动态降落,复原时间 .2.2.2 调速系统的两个基本冲突 基本指标的两个冲突即1动态稳固性与静态精确性对系统放大倍数的要求相互冲突；起动快速性与防止电流的冲击对电机电流的要求相互冲突5 ；, 实现转速无静差,解决了第2采纳转速负反馈和PI 调剂器的单闭环调速系统, 在保证系统稳固的条件下一个冲突；但是,假如对系统的动态性能要求较高,例如要求快速启制动,突加负载动态速降小等等,就单 闭环系统就难以满意要求；这主要是由于在单闭环系统中不能完全依据需要来掌握动态过程中的电流和转 矩；无法解决其次个基本冲突；在电机最大电流受限的条件下,期望充分利用电机的答应过载才能,最好是在过渡过程中始终保持电流 为答应的最大值,使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动,到达稳态后,又让电流立刻降低下来,使转 速立刻与负载相平稳,从而转入稳态运行；在单闭环调速系统中,只有电流截止负反馈环节是特地用来掌握名师归纳总结 电流的,但它只是在超过临界电流Idcr 值以后,靠剧烈的负反馈作用限制电流的冲击,并不能很抱负的掌握第 4 页,共 23 页电流的动态波形；带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图2-2a 所示；- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - I dn I dn 个人资料整理仅限学习使用n n 0 Idlt 0 I dlt <a><b> <图 2-2 调速系统启动过程的电流和转速波形）a> 带电流截止负反馈的单闭环调速系统的启动过程b> 抱负快速启动过程对于常常正反转运行的调速系统,尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素；为此,在电机最大电流 转矩 >受限的条件下 , 期望充分地利用电机的过载才能 , 最好是在过渡过程中始终保持电流 转矩 >为答应的最大值 , 使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动 , 到达稳固转速后 , 又让电流立刻降低下来 , 使转矩立刻与负载平稳 , 从而转入稳态运行 . 这样的抱负起动过程波形如图 2-2b 所示 , 起动电流呈方形波 , 而转速是线性增长的；实际上,由于主电路电感的作用,电流不能突变,图 2-2b 所示的抱负波形只能得到近似的靠近,不能完全的实现；到达稳态转速后 , 期望只有转速反馈 , 不再靠电流负反馈发挥主要作用 , 而双闭环系统就是在这样的基础上产生的；2.2.3 调速系统的双闭环调剂原理见图 2-3 ：* Un-UnWASRsUi*-UiWACRsUctT sK s1Ud01/R1Id- IdlR1nSTlsT msCe<图 2-3 双闭环调速系统的原理框图）为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用 , 在系统中设置了两个调剂器 , 分别调剂转速和电流 , 二者之间实行串级连接 . 把转速调剂器的输出当作电流调剂器的输入 , 再用电流调剂器的输出去掌握晶闸管整流器的触发装置；从闭环结构上看,电流调剂环在里面,叫做内环；转速调剂环在外面,叫做外环；这样就形成了转速、电流双闭环调速系统；为了获得良好的动、静态性能,双闭环调速系统的两个调剂器一般都采纳 PI调剂器,转速调剂器 ASR的输出限幅电压是 Unmax,它打算了电流调剂器给定电压的最大值；电流调剂器 ACR的输出限幅电压是 Uimax,它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值；2.2.4 双闭环调速系统的起动过程分析双闭环调速系统起动过程的电流和转速波形是接近抱负快速起动过程波形的；依据转速调剂器在起动过程中的饱和与不饱和状况,可将起动过程分为三个阶段,即电流上升阶段；恒流升速阶段；转速调剂阶段；名师归纳总结 其起动过程波形如图2-4 所示 ；第 5 页,共 23 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用<图 2-4 双闭环调速系统起动时的转速和电流波形）从图 2-4 知, 整个起动过程分为三个阶段：第 I 阶段是电流上升阶段；第 II 阶段是恒流升速阶段；第 III 阶段是转速调剂阶段；有启动三个阶段所示,双闭环调速系统有如下三个特点： 1 ）饱和非线性掌握：随着ASR的饱和和不饱和,整个系统处于完全不同的两个状态；当ASR饱和时,转速环开环；系统表现为恒流电流调剂的单闭环系统,当 速系统,而电流内环就表现为电流随动系统；ASR不饱和时,转速闭环,整个系统是一个无静差调 2 ）准时间掌握：启动过程中主要阶段实第II阶段,即恒流升速阶段；这个阶段属于电流受限制的条件下的最短时间掌握,或称时间最优掌握； 3 ）转速超调：由于采纳了饱和非线性掌握 , 启动过程终止进入第 III 阶段即转速调剂阶段后 , 必需使转速 ASR 的输入偏差电压 U n 为负值,才能使 调剂器退出饱和状态；依据 PI 调剂器的特性,只有使转速超调,ASR退出饱和；2.2.5 转速和电流两个调剂器的作用 转速调剂器和电流调剂器在双闭环调速系统中的作用,可以归纳为1转速调剂器的作用：1）使转速 n 跟随给定电压Um *变化,稳态无静差；2）应付在变化起抗扰作用；3）其输出限幅打算答应的最大电流；2电流调剂器的作用：1）对电网电压波动起准时抗扰作用；2）起动时保证获得答应的最大电流；3）在转速调剂过程中,使电流跟随起给定电压Um *变化；4）当电动机过载甚至于堵转时,限制电枢电流的最大值,从而起到快速的安全爱护最用；假如故障 消逝,系统能够自动复原正常；2.3 双闭环调速系统主电路的数学模型 2.3.1 主电路及其化简 见图 2-5:名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 23 页精选学习资料 - - - - - - - - - <图 2-5 主电路的原理图及化简）个人资料整理仅限学习使用a 三相桥式整流电路的主电路b>等效电路c>化简后的等效电路2.3.2 晶闸管触发和整流装置传递函数2.3.2.1 失控时间 以单相全波纯电阻负载整流电路为例来争论滞后时间的大小；假设在 t1 时刻某一对晶闸管触发导通,掌握角为 1；假如掌握电压 Vct 在 t2 时刻发生变化,但由于晶闸管已经导通,Vct 的转变对它已不起作用,平均整流电压 Vdo1 并不会立刻产生反应,必需等到 t3时刻该组件关断以后,触发脉冲才有可能掌握另外一 对晶闸管；设 Vct2 对应的掌握角为 2,就另一对晶闸管在 t4 时刻才导通,平均整流电压变成Vd02；假设平均整流电压是在自然换相点变化的,就从 Vct 发生变化到 Vd0 发生变化之间的时间 Ts 便是失控时间；本设计采纳三相桥式整流电路,平均失控时间 Ts =1.67ms> ,实际取 1.7ms>2.3.2.2 晶闸管触发和整流装置的传函用单位阶跃函数来表示滞后,就晶闸管触发和整流装置的输入输出为Ud0=KsUct 1t-T s>按拉氏变换的位移定理 , 就传递函数为 2-5>考虑到 Ts 很小 , 忽视其高次项 , 就晶闸管触发和整流装置的传递函数可近似成一阶惯性环节2-6>2.4 双闭环调速系统的电气原理及掌握单元见图 2-8:名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 23 页精选学习资料 - - - - - - - - - +* Un个人资料整理仅限学习使用LBGLLH-GDLSFUi+）GT+UnASR* UiACRUct=CFnIdUd _SBSF D_+<图 28 双闭环调速系统的电气原理图其中GL给定器 ASR转速调速器材SB转速变速器材 GL过流爱护器材LSF零速封锁器 ACR电流调剂器LB电流变送器 CF触发器2.4.1 过流爱护器 GL>、电流变送器 LB> 见图 2-9: b<图 2-9 过流爱护器 GL>、电流变送器 LB>）2.4.2 电流调剂器 ACR> 见图 2-10: 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 23 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用<图 2-10 电流调剂器 ACR>）2.4.3 给定器 GD> 见图 2-12: <图 2-12 给定器 GD>）2.4.4 转速变送器 SB> 见图 2-13: <图 2-13 转速变送器 SB>）2.4.5 转速调剂器 ASR> 见图 2-14: 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 23 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用<图 2-14 转速调剂器 ASR>）2.5 双闭环调速系统的动态结构设计 为了从整体懂得整个双闭环调速系统,此处给出各调剂器和变送器的传递函数；2.5.1 电流调剂器和电流变送器的传递函数2.5.1.1电流调剂器ACR的传递函数* s >- I ds>= Ki is+1> / is<Toi s+1）其中：Uct s > /UnKi=Ri/Ro电流调剂器的比例系数i =RiCi电流调剂器的积分时间常数Toi=0.25RiCoi 电流反馈滤波时间常数 电流反馈系数2.5.1.2 电流变送器LB 的传递函数ns<Tons+1） I d s> / Id s>= v/A> 2.5.2 转速调剂器和转速变送器的传函2.5.2.1转速调剂器ASR的传递函数U i*s> / U n*s> - ns> =K n ns+1> / 其中： Kn=Rn/R0转速调剂器的比例系数n=RnCn转速调剂器的积分时间常数Ton=0.25RnCon转速反馈滤波时间常数 转速反馈系数2.5.2.2转速变送器SB的传递函数2.5.3 双闭环调速系统的动态结构图Uns>/ns>=a <v/rpm ）在单闭环调速系统动态数学模型的基础上,由上述各环节的传递函数,即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图；由于电流检测信号中常含有沟通重量,须加低通滤波,其滤波时间常数Toi 按需要给定；滤波环节可以抑制反馈信号中的沟通重量,但同时也给反馈信号带来延滞；为了平稳这一延滞作用,在给定信号通道中加 入一个相同时间常数 Toi 的惯性环节,称作给定滤波环节；其意义是：使给定信号和反馈信号经过同样的延 滞,使二者在时间上得到恰当的协作,从而带来设计上的便利；同样,由测速发电机得到的转速反馈电压含名师归纳总结 有电机的换向纹波,因此也需要滤波,滤波时间常数由 Ton 表示；依据和电流环一样的道理,也需要在转速给定通道配上时间常数为 Ton 为滤波环节 6 ；所以实际的电路需增加电流滤波、转速滤波、和两个给定滤波第 10 页,共 23 页环节,见图2-16:- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用<图 2-16 双闭环调速系统的动态结构图）名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 23 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用第三章 电流调剂器和转速调剂器的设计3.1 性能指标本章应用经典掌握理论的工程设计方法 , 设计出转速和电流双闭环直流调速系统 , 然后利用现代掌握理论中的线性二次型性能指标最优设计方法 , 设计此调速系统；3.1.1 给定数据<1）被控直流电动机 Pnom=2.8 kw Unom=220 v Inom=15.6 A Nnom=1500 rpm =1.25C m=0.125 kg.m/A <3）电枢回路总电阻 RRn+Rs=RB+R +RN+Rp+RD=2.5 <6）系统时间常数 T l 0.008 s T m=0.25s <8）调剂器最大给定电压 U* nm=U*im=10 v 3.1.2 设计指标性能指标： 1）调速范畴： D>5 2）静差率： S 5% 3）电流超调量 i %5% 4）转速超调量 n%10% 5> 突加负载的动态速降5% 6）复原时间 t.1 秒3.2 工程设计方法的基本思路用经典的动态校正方法设计调剂器必需同时解决自动掌握系统的稳固性、快速性、抗干扰性等各方面相互冲突的静态、动态性能要求；基本思路是,把调剂器的设计过程分为两步：第一步,先挑选调剂器的结构,以确保系统稳固,同时满意所需要的稳态精度；其次步,再挑选调剂器的参数,以满意动态性能指标在挑选调剂器结构时,只采纳少量的典型系统,它的参数与性能指标的关系都已事先找到,具体挑选参数时只须按现成的公式和表格中的数据运算以下就可以了；3.3 ACR 的设计3.3.1 电流环动态结构图的简化设计电流环第一遇到的问题是反电动势产生的交叉反馈作用；它代表转速环输出量对电流环的影响；实际系统中的电磁时间常数 TL 一般远小于机电时间常数 Tm,因而电流的调剂过程往往比转速的变化过程快得多,也就是说,比反电动势 E 的变化快得多；反电动势对电流环来说只是一个变化缓慢的扰动作用,在电流调剂器的调剂过程中可以近似的认为 E 不变,即 E=0；这样,在设计电流环时,可以暂不考虑反电动势变化的动态作用,而将电动势反馈作用断开,从而得到忽视电动势影响的电流环近似结构图；再把给定滤波和反馈滤波两个环节等效地移到环内；Ui * s Toi11ACRUcts Ks1U d0s 1/RI ds sT ls1T sSTois1Ui * s Tois1a Ucts T lsKs/R1Ids ACR1 Tisb名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 23 页精选学习资料 - - - - - - - - - U i * s ACR个人资料整理仅限学习使用 T lsKs/RI ds 1 Tis1c<图 3-1 电流环的动态结构图及其化简）3.3.2 电流调剂器结构的挑选 第一应打算要把电流环校正成哪一类典型系统, 电流环的一项重要作用就是保持电枢电流在动态过程中不超过答应值 , 因而在突加掌握作用时不期望有超调 , 或者超调量越小越好；从这个观点动身 , 应当把电流环校正成典系统；可电流环仍有另一个对电网电压波动准时调剂的作用 , 为了提高其抗扰性能 , 又期望把电流环校正成典系统；一般情形下 , 当掌握对象的两个时间常数之比仍是可以接受的；因此 , 一般多按典系统来设计电流环 6 ；TL/T I 10 时, 典系统的抗扰复原时间本设计由于i% 5%且 TL/T I =23.98/6.7<10；所以按典系统设计, 选 PI 调剂器,其传递函数为 3-1> 式中 Ki电流调剂器的比例系数电流调剂器的超前时间常数；为了让调剂器零点对消掉掌握对象的大时间常数极点,挑选 图 3-2 ：=TL, 就电流环的动态结构图可以化简为U i * s<图 3-2 KI1I ds s Tis）电流环简化成典系统3.3.4 ACR 参数的运算 3.3.4.1 运算时间常数和比例系数 电流调剂器积分时间常数 : I =Tl 电流开环增益 : 要求 i%5%, 应取 因此 K I = 0.5/ Ti电流反馈系数 <3-2 ）于是, ACR 的比例系数 : 3-4> 3.4 ASR 的设计 3.4.1 电流环的等效闭环传递函数 在设计转速调剂器时,可把已设计好的电流环看作是转速调剂系统中的一个环节；为此,需求出它的等效传 递函数：名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 23 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用3-5> 3-6> 近似条件 : 3-7> 3.4.2 转速环的动态结构图及其近似处理用电流环的等效环节代替电流闭环后,整个转速调剂系统的动态结构图如 3-3<a）所示；把给定滤波和反馈滤波环节等效地移到环内,同时将给定信号改为 U *ns>/ ；再把时间常数为 Ton 和 2Ti 的两个小惯性环节合并起来,近似成一个时间常数为 Tn的惯性环节,且 Tn=T on+2TI,就转速环结构图可转化成图 3-3<b）；Un * s Ton11ASRUis /11I ds IdLs Rn s CeT m ss2 T i i s1TonsU n * s ASRa 1I ds I dLs Rns /2 T nsCeT m sbU i * s KNns1 ns s 2 T1nsc<图 3-3 转速环的动态结构图及其近似处理）3.4.3ASR 结构的挑选3.4.3.1 转速调剂环选用典型型系统的缘由1>. 系统在负载扰动作用下,动态速降要小；2>. ST 饱和时,速度环退饱和超调量不大； 3>. 速度环基本上是恒值系统；3.4.3.2 典型型系统参数和性能指标的关系为了分析便利起见,引入一个新的变量 h,令 h= /T=2/ 13-8>名师归纳总结 - - - - - - -h 是斜滤为 -20dB/dec 的中频断的宽度对数坐标 >,称作 “ 中频宽 ” ；由于中频段的状况对掌握系统的动态品质起着打算性的作用,因此h 只是一个很关键的参数；从频率特性上仍可看出,由于T 肯定,转变 就等于转变了中频宽h；在 确定以后,再转变K 相当于是开环对数幅频特性上下平移,从而转变了截止频率第 14 页,共 23 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用c；因此在设计调剂器时,挑选两个参数 h 和 c,就相当于挑选参数 和 K；由 “振荡指标法 ” 中所用的闭环幅频特性峰值 M r 最小准就,对于肯定的 h 值,只有一个确定的 c或K>,可以得到最小的闭环幅频特性峰值 M rmin,这时 c和 1,2之间的关系是 2/ c = 2h/h+1> 3-9> c/ 1 = h+1>/2 3-10> 而 1+ 2 = 2 c/h+1>+2h c/h+1>=2 c因此 c=1/2> 1+ 2>=1/2>1/ +1/T> 3-11> 对应的最小 M 峰值是M rmin =h+1>/h-1> 3-12> 确定了 h 和 c以后 ,可以很简单的运算 和 K；由 h 的定义知 =hT 3-13> 9 3-14> 3.4.4ASR 参数的运算要把转速环校正成典型型系统,ASR也应采纳 PI 调剂器,其传递函数为 3-15> 式中 Kn转速调剂器的比例系数；n转速调剂器的超前时间常数 . 这样 ,调速系统的开环传递函数为 3-16> 其中 ,转速环开环增益上述近似的假定条件如下 K N =K n R/ n CeTm> 3-17> 1> cn 1/5TI> =29.85rad/sec 见3-11> 2>小时间常数近似条件 : 3-18> 3.4.5 转速环的性能指标 3.4.5.1 转速环的跟随性能指标=由于3-19> 3.4.5.2 转速环的抗扰性能指标<1）突加负载的动态速降指标：续 3.4.5.1,有,所以<3-20）名师归纳总结 因此 <3-21）第 15 页,共 23 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用<2）复原时间指标：依据 “ 典型型系统抗扰性能指标与参数关系” 表,而3.5 系统的静态性能指标F 分析3.5.1 近似的 PI 调剂器近似的 PI 调剂器及对数幅频特性如图R 03-4 所示：' R 1C 1UscUsrR 1aL/dB11120lgKPs120lgK'P1b <图 3-4 近似调剂器及对数幅频特性）a>近似调剂器结构图 b> 近似调剂器的对数幅频特性在 R1、C1两端并接一个电阻 R1 /,其值一般为如干节器 ” ；这时调剂器的稳态放大系数更低于无穷大,为式中 KP /=Ri /R0, =R1+R 1>/R 1>>1, 1=R1C1；静态放大倍数 K P /=Ri /R0,动态放大倍数 K P=R i/R0；3.5.2 系统的静态结构图双闭环调速系统的静态结构图如图 3-5 所示 : M ,这样就形成了近似的 PI 调剂器,或称 “准 PI 调K P /=Ri /R0,系统也只是一个近似的无静差调速系统；3-22> 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 23 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用I dRU*+n-K' N+-K' IUKKsUd0-1n>n+CeUASRACR 图 35 双闭环调速系统的静态结构图其中 K N /=R N/R0速度调剂器的静态放大倍数 K I /=RI/R0电流调剂器的静态放大倍数 K S= Ud/ U K=40 =Ufn/n=U gn/n=0.0053v/rpm *=K N / U n, U i=U i*- Id,U