转速、直流双闭环调速系统.docx
转速、直流双闭环调速系统引言：目前，需要高性能可控调速系统的领域多数都采用直流调速系统。转速、电流双闭环调速系统（简称双闭环调速系统）是由单闭环调速系统发展而来的。单闭环调速系统可以实现转速调节无静差，但单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，而用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统，则可以获得近似理想的过渡过程。一、总体设计本系统的电源部分是自制 015V 可调线性电源，系统的给定在 010V 范围内可调。转速调节器ASR 的输入是给定值，输出作为电流调节器ACR 的输入， ACR 输出与锯齿波发生器的输出经比较器，经驱动电路驱动 H 桥。电流环反馈是采用电流互感器转换反馈回电流调节器的输入端，转速环是利用测速发电机与电动机同轴相连进行测速，再反馈至转速调节器的输入端。假定系统产生扰动， 或是外加干扰，或是系统给定改变的扰动，转速环和电流环的输出都发生改变， 锯齿波发生器与其进行比较，输出的 PWM 的占空比相应的会发生改变，起到了调速的功能，转速反馈和电流反馈进行调节，系统趋于稳定。二、硬件系统设计1、电源部分电源部分是利用变压器降压，线性稳压芯片 7815 稳压，输出稳定的 15V 电压。在 7815 的前级和后级分别加上滤波电容，出去杂波扰动。输出给定时，利用可变电阻分压使给定在 010V 之间。原理图如图-1 所示。图-1前级和后级电容分别采用 1F 和 470F，是为了将不同频率段的杂波都滤去， 高频和低频都不会产生干扰。2、转速调节器为了实现转速无静差，在负载扰动作用前必须有一个积分环节，它包含在转速调节器 ASR 中。因为扰动作用点后会有一个积分环节，故转速环开环传递函数共有两个积分环节，所以设计成典型系统，这样系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此，ASR 采用 PI 调节器，其传递函数为：W= Kt s + 1nASRnt sn含给定滤波与反馈滤波的 PI 型转速调节器原理图如图-2 所示：3、电流调节器在设计电流调节器时，首先考虑把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性。其次从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流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，即应选典型型系统，其传递函数为：t s + 1WACR(s) = Kiit si含给定滤波和反馈滤波的模拟式 PI 型电流调节器原理图如图-3 所示：4、锯齿波发生器及比较电路锯齿波电压产生电路包括同相输入迟滞比较器和充放电时间常数不等的积分器两部分。该电路由于电容 C 的充放电途径不相同，使得输出端成为锯齿波电压。锯齿波电压产生电路如图-4 所示：图-45、H 桥及隔离驱动电路可逆 PWM 变换器主电路有多种形式，最长用的是桥式电路，电动机 M 两端电压U AB的极性随全控型电力电子器件的开关状态而改变。可逆PWM 变换器的控制方式有双极式、单级式、受限单级式等多种。隔离器件光耦的使用阻止高压与低压之间的联系，是操作更加安全，也起到保护低压模拟器件的功能。加隔离驱动的双极式控制可逆 PWM 变换器的四个驱动电压波形如图-5 所示：图-5三、系统参数整定一、电流环的设计1、时间常数确定1.1 滞后时间常数T 。1s因为T1=，故平均失控时间T =T=0.0005s。s maxmfs2 s maxå i1.2 电流环小时间常数T。由题目条件可知Toi= 0.001s 。故按小时间常数近似处理，取Tå i= T + Tsoi=0.0015s。2. 选择电流调节器的结构sT0.015根据设计要求：£ 5% ，虽然liT= 10 ，但由于对电流超调量有较0.0015å i严格的要求，对抗扰指标却没有具体要求，因此电流环仍按典 I 型系统设计。因此用 PI 型电流调节器，设计成典 I 型系统时其传递函数为：it s + 13. 选择电流调节器参数WACR(s) = Kit siACR 超前时间常数：t = T = 0.015sil电流环开环增益：要求s£ 5% 时,查表得 K T= 0.5 ,因此i0.50.5I å iK =s -1 = 333.33s -1I于是 ACR 的比例系数为T0.0015å it RiKi = K ×IbKs已知t = 0.015s, R = 8W, K = 4.8, l = 2.is由题目所给条件可知最大允许电流 Idm= 2Inom，则电流反馈系数为：=U *bimIdm=10= 1.35V / A2 ´ 3.7t R带入以上数据有：Ki = KI· i=6.167bK4. 校验近似条件转速环截止频率为 w= KciIs= 333 .33s -1 .4.1 晶闸管装置传递函数近似条件：W£ 1ci3Ts而 1 =3Ts13 ´ 0.0005= 666.67s -1 > Wci，即满足近似条件1TmTl4.2 忽略反电动势对对电流环影响的条件：Wci ³ 31TmTl10.2 ´ 0.015而3= 3 ´=54.77<Wci，即满足近似条件4.3 小时间常数近似处理条件：Wci£ 113T T113T Ts ois oi11而=´= 471.4s -1 > W，即满足近似条件30.0005´ 0.0015. 计算调节器电阻和电容由题目所给条件，调节器输入电阻为 R0oi= 40KW ，各电 阻和电容值计算如下：R = K Rii 0t= 6.173 ´ 40KW = 246.92KW ，取240KW0.015C =i =iRi240 ´103´106 uF = 0.06uF , 取0.06uF4T4 ´ 0.001C=oi =´106 uF = 0.1uF , 取0.1uFoiR040 ´103由以上参数可见，电流环可达到的动态指标为：o % = 4.3% < 5%,满足设计要求。二、转速环的设计1.确定时间常数已知Ton= 0.005s ，由电流环设计可知， Tå i= 0.0015s故转速环小时间常数Tå n2. 选择转速调节器的结构= 2T+ Tå ion= 0.008s由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型 II 型系统设计转速环。故 ASR 选用 PI 调节器，其传递函数为：t s + 13. 选择转速调节器的参数W= Kn ASRnt sn按题目要求并参照课本相关表格，取 h=5，则 ASR 的超前时间：转速环开环增益：t= hTnå n= 5 ´ 0.008s = 0.04s已知：K=h + 1N2h2T2å n=62 ´ 25 ´ 0.0082= 1875s -2b = 1.35, C = 0.12V × min/ r,T = 0.2s, R = 8W,10emT= 0.008s,a =å nU *nmnmax= 0.05(V × r -1 × min) 200于是 ASR 的比例系数为：(h + 1)bC TK =en2haRTm = 6.075å n4. 校验近似条件转速环截止频率为：w= K tcnN n= 1875 ´ 0.04 = 75s -14.1 电流环传递函数简化条件： w£1cn5Tå i而现在11=s -1 = 133.33s -1 > w5T5 ´ 0.0015å icn满足简化条件1132T Tå i on4.2 小时间常数近似条件： w£cn而现在1132T Tå i on12 ´ 0.0015 ´ 0.005= 1 ´= 86.07 > w满足近似条件35. 计算调节器电阻和电容参照课本转速调节器原理图，已知 R0on= 40KW,则R = K Rnn 0t= 6.075 ´ 40KW = 243K , 取240KW0.04C =n =nRn240 ´103´106 uF = 0.17uF , 取0.2uF4T4 ´ 0.005C=on =´106 uF = 0.5uF , 取0.5uFonR06. 校核转速超调量40 ´103参考课本公式有：sn% = (DCDnTlmax %) × 2( - z)nom × å nCn*TbmDC而在本题目当中，有已知条件和课本参考表格选取 h=5,此时max % = 81.2%;Cb又因为是空载启动到转速为额定转速，故负载系数为 z = 0, n* = nIR8 ´ 3.7nom, l = 2而Dnnom= dnom=Ce0.12r / min = 246.67r / min,因此o= 81.2% ´ 2 ´ 2 ´ 246.67 ´ 0.008 = 16% < 20% 即满足设计要求。n2000.27. 过度过程时间当 h 取 5 时，由课本表 2-7 可知， t / T = 8.80 ，故过度过程时间为：vC T n*t » t + ts2v=eR(Idmm- I)dL+ 8.80 ´ Tå n= 0.081 + 8.80 ´ 0.008s = 0.151s < 0.5s 。过载过程时间为： tv四、参考文献= 8.80 ´ Tå n= 8.80 ´ 0.008s = 0.07s < 0.1s.1. 陈伯时主编.电力拖动自动控制系统（第 4 版）.北京：机械工业出版社，20112. 刘树林 程红丽等编著.低频弟子线路.北京：机械工业出版社，20103. 尔桂花窦曰轩编.运动控制系统.北京：清华大学出版社，20024. 钱平主编.交直流传动控制系统.北京.高等教育出版社，20015. 部分参考网上资料五、附录1、系统原理图2、心得体会本次设计直流转速双闭环调速系统，对我有所启发，也检验了自己在课堂上学习知识掌握的深浅。对于本次系统的设计 ，我的感受主要有以下几点：（1） 电流环是典 I 型系统，它所追求的最重要的指标就是跟随性。电流环强调对干扰的快速响应，能够在很短时间内将其克服。另外电流环的自身电路具备滤波作用，能够一定频段的输入和反馈中的噪音。（2） 转速环是典II 型系统，它注重的指标是稳态精度，并在系统抗干扰能力上更加优于典 I 型系统。转速环是系统外环，将主要控制系统的稳态，因此它自身的环节稳态精度就决定了系统的稳态精度。（3） 相对于之前进行的二线制变送器等小型电子系统设计，本次设计的要求更高，它的所有参数整定，器件选择都需要自己去选择，而经验不足这点使得我需要去查跟多的资料，接触更多的计算法则。（4） 经过本次设计，我感到自己理论知识学习得的不够，并没有能很好的吸收课本上的知识，对系统原理级系统细节参数调整的理解还有偏差，下面需要更多的阅读多方面资料，完善自己的知识体系。
