2022年直流双闭环调速系统 .pdf

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1、聂震1310300235 1 一、设计要求1.1 已知条件某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电动机：220V,136A，1460r/min,rVCemin/132.0,允许过载倍数5.1；晶闸管装置放大系数：40sK电枢回路总电阻：5.0R时间常数：sTsTml18.0,03.0电流反馈系数：AV/05.0转速反馈系数：Vmin/V007.01.2 设计要求（1）设计电流调节器，要求电流超调量%5i（2）要求转速无静差，空载起动到额定转速超调量%10n二、理论设计2.1 电流调节器的设计2.1.1 确定时间常数三相桥式电路失控时间取sTs0017.0

2、电流滤波时间常数取sToi002.0电流环小时间常数之和取sTTToisi0037.02.1.2 选择 ACR 的结构因为要求%5i且1011.8ilTT所以设计成典 I 系统，选择 PI 调节器2.1.3 参数的计算ACR超前时间常数sTli03.0名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 12 页 -聂震1310300235 2 要求%5i，选取IiK T=0.5 所以电流开环增益11.1355.0sTKiI则 ACR比例系数为013.1siIiKRKK2.1.4 计算电阻、电容选取040RK则1.013 4040.52iiiRK RKuFRCiii75.0uFRTCi

3、oi2.0400电流环的超调量i%=4.3%5%满足要求电流调节器原理如图所示。+-+IdR0/2R0/2R0/2R0/2RiRbalCiCoiCoiUctUi*电流调节器原理图2.2 转速调节器的设计2.2.1 确定时间常数电流环等效时间常数ssTKiI0074.00037.0221转速滤波时间常数onT=0.01s名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 12 页 -聂震1310300235 3 转速小环时间常数sTKTonIn0174.012.2.2 选择 ASR的结构选用 PI调节器2.2.3 参数计算取 h(中频宽)=5，则 ASR 超前时间常数为shTnn087

4、.0转速开环增益为222N4.39621sThhKnASR 比例系数为7.112)1(nnmeRThTChK2.2.4 计算电阻、电容选取040RK则0468nnRK RK选取470nRKuFRCnnn185.0选取uFCn2.0uFRTConon140%8.31%10%n达到要求。转速调节器的原理图如图所示。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 12 页 -聂震1310300235 4+-+Un*nR0/2R0/2R0/2R0/2R0RbalCnConConUi*转速调节器原理图三、建模及仿真3.1 电流环的设计3.1.1 仿真模型的设计电流环仿真模型ACR内部结构限

5、幅值设置：-10+10 3.1.2 仿真结果调节 PI 参数，观察其对性能的影响，找到合适的参数。KT=0.5时：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 12 页 -聂震1310300235 5 KT=0.5时，电流环无超调量：此时无超调量，上升时间过长。KT=1时，超调量很大：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 12 页 -聂震1310300235 6 此时上升时间短，但是超调量过大。3.2 电流环的设计3.2.1 仿真模型的设计速度环仿真线路图3.2.2 仿真结果名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 12 页 -聂震1

6、310300235 7 空载时波形图在 1s 的时候突加 100的负载的波形图：突加负载波形图1s 时突加负载后，电流有所上升，但是转速由于调节作用，会迅速调节到额定转速，很好的体现了电机的机械特性。3.3 总体设计及分析3.3.1 仿真模型用 MATLAB 的 SUMLINK 模块做的双闭环调速系统仿真模型图如图所示名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 12 页 -聂震1310300235 8 仿真波形和速度环设计时的空载波形相同。3.3.2 波形分析从转速及电流波形中，我们分析可知其起动过程可分三个阶段来分析：第阶段：电流上升阶段：突加给定电压 Un*后，通过两个调

7、节器的控制，使 Ua，Ud，Ud0都上升。由于机电惯性的作用，转速的增长不会很快。在这一阶段中,ASR由不饱和很快达到饱和,而 ACR 不饱和,确保电流环的调节作用.第阶段：是恒流升速阶段：从电流升到最大值开始，到转速升到给定值为止，这是起动过程中的重要阶段。在这个阶段，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定Uim*作用下的电流调节系统，基本上保持恒定。因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增长。第阶段：转速调节阶段：在这阶段开始，转速已达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零。转速超调后，ASR输入端出现负的偏差电压，使他退出饱和状态，其输出电压的给

8、定电压Ui*立即下降，主电流 Id 也因而下降。但在一段时间内，转速仍继续上升。达到最大值后，转速达到峰值。此后，电机才开始在负载下减速，电流Id 也出现一段小于Id0 的过程，直到稳定。在这最后的阶段，ASR和 ACR都不饱和，同时起调节作用。根据仿真波形，我们可以对转速调节器和电流调节器在三闭环直流调速系统中的作用归纳为：1).转速调节器的作用（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 12 页 -聂震1310300235 9 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

9、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（即外环调节器的输出量）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。3.3.3 干扰性分析负载变化对系统的影响空载起动，在 1s 时突加 100 的负载，在 2s 时突减 50 的负载，波形如下由上图可知当突加突减

10、负载时，速度调节器会马上感应负载的变化，速度波形会跟随着发生一定的抖动，但是经过转速和电流双闭环PI 调节器的调节之后，一定时间之内，又重新进入稳态，稳定在给定值工作运行。3.4 上升时间的调节名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 12 页 -聂震1310300235 10 ASR 限幅值为：上限40 下限-100 ASR 积分限幅值为：上限10 下限-10 ACR 限幅值为：上限100 下限-100 ACR 积分限幅值为：上限10 下限-10 ASR 限幅值为：上限10 下限-100 ASR 积分限幅值为：上限10 下限-10 ACR 限幅值为：上限100 下限-10

11、0 ACR 积分限幅值为：上限10 下限-10 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 12 页 -聂震1310300235 11 经两组参数的比较，调节ASR限幅值范围，可以调节系统的上升时间。经过不断的调试，可得找好的幅值范围。最后采用：ASR 限幅值为：上限 10 下限-10 ASR 积分限幅值为：上限10 下限-10 ACR 限幅值为：上限 10 下限-10 ACR 积分限幅值为：上限10 下限-10 3.5 模型的比较电机模型仿真图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 12 页 -聂震1310300235 12 电机参数设定得到的速度波形图如下图：可见两条速度曲线基本重合，说明结构图和电路仿真图结果一样,证明用结构图仿真的到的一系列结果是准确的。四、结论利用 matlab 仿真平台对直流调速系统理论设计与调试使得系统的性能分析过程简单。通过对系统进行仿真，可以准确地了解到理论设计与实际系统之间的偏差，逐步改进系统结构及参数，得到最优调节器参数，使得系统的调试得到简化，缩短了产品的开发设计周期。该仿真方法必将在直流调速系统的设计与调试中得到广泛应用名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 12 页 -