双闭环直流调速系统设计及仿真验证设计.doc
双闭环直流调速系统设计及仿真验证设计 2012年3月6日目录1.背景前言- 3 -2.技术要求- 4 -3.设计步骤- 4 -3.1 静态计算：- 4 -3.2动态计算：- 5 -3.2.1电流调节器（内环）- 5 -3.2.2转速调节器（外环）- 5 -3.3选择ASR- 5 -3.4确定时间常数- 5 -3.5选择调节器参数- 5 -3.6计算调节器电阻和电路- 5 -4.仿真验证- 5 -5.问题说明- 5 -5.1要求说明为什么设计为双闭环，双闭环有什么好处。- 5 -5.2图2中各框分别表示什么环节。- 5 -5.3为什么两个环分别为典和典型系统。- 5 -1.背景前言直流调速系统是传统的调速系统，自世纪年代起至世纪末以前，工业上传动所用电动机一直以直流电动机为唯一方式。它具有稳速精度高、调速比大、响应时间短等特点，宜于在广泛范围内平滑调速，故广泛应用于轧钢、机床、轻工、计算机、飞机传动机构等领域。近年来，交流调速系统发展很快，被科学技术水平较高的西方国家所广泛采用，与直流调速相比，交流调速有本身固有的优点：结构简单、坚固耐用、经济可靠及小动态相应性能好等，还能实现高速拖动，而且电源广泛。但由于直流拖动系统在理论上和时间上都比较成熟，具有良好的起、制动性能，从反馈闭环控制的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础，所以我们应该很好的掌握直流拖动控制系统。但是直流调速系统的设计是一个庞大的系统工程，。对于一个经过大量分析、计算、设计、安装等一系列工作的系统究竟能否一次性调试成功，这关系到已经投入的大量人力、财力、物力是否会浪费的问题。因此，一个直流调速系统在正式投入运行前，往往要进行仿真调试。2.技术要求本设计给出一个小型直流调速系统，其指标及参数为2.1静态精度(转差率), 在电网电压波动±10%，负载变化±20%，静态精度 S5%，电流和转速超调量,振荡次数N<(23)，调速范围D1015；2.2电动机数据额定电流136A，额定电压230V，功率30KW， 额定转速1460转/分，电势转速比 电枢电阻R=0.5,过载系数=1.5,可控硅整流装置KS=40. ，。2.3测速发电机，永磁式，额定数据为电压110V，电流0.045A，转速1900r/min，3.设计步骤转速调节器和电流调节器的参数设计，因为要求静态精度很小，故两个调节器均选为PI调节器，按照参数设计如下：3.1 静态计算：根据调速范围和静差率的要求得到;取测速反馈输出电压为10V, 则转速反馈系数：ASR饱和输出取12V，系统输出最大电流为，则电流反馈系数： ，取0.053.2动态计算：3.2.1电流调节器（内环）三相桥式整流电路平均失控时间：，电流滤波时间常数：。此环设计为典系统，因此系统满足电流环要求超调量小的要求，其动态结构如下：+-ACR 图3 电流环动态结构图其中电流环小时间常数：由其动态结构图知，电流环控制对象是双惯性的，要求校正成典型系统，采用PI调节器。PI调节器传函：，则电流环校正成图4+-图4 校正后的电流环ACR时间常数：又因，取ACR的比例系数为：因此根据以上数据选取参数，取：R0=40K, 取40K 取 取则实际电路图如图4-8所示。其中：D1,D2,W1,W2构成限幅电路。图5 电路环原理图3.2.2转速调节器（外环）在设计转速调节器时，可以把已设计好的电流环当作是转速调节系统中的一个环节，求出其等效传递函数，再用设计电流环相同的方法进行设计。简化后的转速环动态结构图如下图6 转速环的动态结构图3.3选择ASR由于要求抗干扰能力强，应按照典型系统设计，又由于设计要求无静差，ASR需含积分环节。ASR也采用PI调节器，转速校正成典系统后动态结构图如图7：+-图7 校正后的转速环3.4确定时间常数（1） 电流环等效时间常数为0.0074s（2） 转速滤波时间常数为取为0.01s（3） 转速环小时间常数s3.5选择调节器参数根据性能指标选取h=5ASR的超前时间常数转速环开环增益ASR的比例系数为：转速截止频率 3.6计算调节器电阻和电路取R0=20K =KnR0=11.7×40=468, 取70K, =n/=0.087/470=0.185F, 取0.2F,Con=4Ton/R0=4×0.01/40=1F. 取1F实际原理图如图8所示：图8 转速调节器原理图通过计算，最后得出图9所示动态框图。图9直流电动机双闭环调速系统的动态结构图以上要求说明：为什么两个环分别为典和典型系统。4.仿真验证打开matlab软件，在软件中构建仿真框图，如下图所示：图10仿真框图调试完成后，打开SCOPE,可以输出转速曲线图，如下图所示：图11转速曲线图分析上图可以知道：转速稳定值在1470R/MIN附近区域。当电压波动在±10%，负载变化±20%时，转速有相应的变化，变化的差在25R/MIN左右，超调量小于10%，设计成功。5.问题说明5.1要求说明为什么设计为双闭环，双闭环有什么好处。因为单闭环系统不能动态地控制电流。所以使用双闭环。而双闭环能够较好抵抗电流的冲击，保持较好的转速。串联转速调节器和电流调节器可以较好获得所需转速。5.2图2中各框分别表示什么环节。ASR为转速调节器环节；ACR为电流调节器环节；为电力电子变换装置所表示的惯性环节；，为直流电机环节；为转速反馈系数；为电流反馈系数。5.3为什么两个环分别为典和典型系统。电流环跟随电流的给定，要求电流超调量小，因此把系统校正为典型型系统。要实现转速无静差，应在负载揉动作用点之前设置一个积分环节，所以把转速环校正为典型型系统。
