双闭环直流调速系统精.pdf

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1、直流双闭环调速系统设计1 设计任务说明书某晶闸管供电的转速电流双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据为：直流电动机：UN 750V,IN 780A,nN 375rmin，Ra 0.04，电枢电路总电阻 R=0.1,电枢电路总电感L 3.0mH,电流允许过载倍数1.5，折算到电动机轴的飞轮惯量GD 11094.4Nm。晶闸管整流装置放大倍数Ks 75，滞后时间常数Ts 0.0017s电流反馈系数 0.01V2212VA1.5IN12V电压反馈系数 0.032V minrnN滤波时间常数Toi0.002s,Ton0.02s.UnmUimUcm12V；调节器输入电阻RO40K。设计要

2、求：稳态指标：无静差动态指标：电流超调量i 500；空载起动到额定转速时 的转速超调量n1000。目 录1 1 设计任务与分析设计任务与分析.2 2 调速系统总体设计调速系统总体设计.3 3 直流双闭环调速系统电路设计直流双闭环调速系统电路设计.3.1 晶闸管-电动机主电路的设计.3.1.1 主电路设计.3.1.2 主电路参数计算.3.2 转速、电流调节器的设计.3.2.1 电流调节器.3.2.1.1 电流调节器设计.3.2.1.2 电流调节器参数选择.3.2.2 转速调节器.3.2.2.1 转速调节器设计.3.2.2.2 转速调节器参数选择.4 4 计算机仿真计算机仿真.4.1 空载起动.4

3、.2 突加负载.4.3 突减负载5 5 设计小结与体会设计小结与体会.6 参考文献参考文献.2 调速系统总体设计为实现转速和电流两种负反馈分别作用，直流双闭环调速系统中设置了两个调节器,即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR),分别调节转速和电流,即分别引入转速负反馈和电流负反馈。两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。转速调节器ASR 的输出限幅电压Uim决定了电流给定电压的最大值；电流调节器 ACR 的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。由于调速系统的主要被控量是转速,故把转速负反馈组成的环作为外环,以保证电动机的转速准确跟随给定电压,把由电流负反馈组成的环

4、作为内环,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，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。如图 2-1 所示：*电流电流检测检测UiUi给定电压 U UUn*Un*+n n-UnUn速度速度调节器调节器Ui*Ui*-+电流电流调节器调节器UcUc三相集成三相集成触发器触发器三相三相全控桥全控桥UdUd直流直流电动机电动机n转速转速检测检测图 2-1直流双闭环调速系统为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用 PI 调节器。这样构成双闭环直流调速系统。其原理图如图 2-2 所示：图 2-2直流双闭环调速系统原理图直流双闭环调速系统由给定

5、电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，图中还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器 ASR 的输出限幅电压 Uim*决定后了电流给定电压的最大值，电流调节器 ACR 的输出限幅电压 Ucm 限制电压 Ucm 限制了电力电子变换器的最大输出电压 Udm。其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。3 直流双闭环调速系统电路设计3.1 晶闸管-电动机主电路的设计3.1.1 主电路设计晶闸管-电动机调速系统（V-M 系统）主电路原理图如图3-1 所示：图 3-1 V

6、-M 系统主电路原理图图中 VT 是晶闸管可控整流器，它由三相全控桥式整流电路组成，如图3-2 所示：图 3-2三相全控桥式整流电路通过调节触发装置 GT 的控制电压Uc来移动脉冲的相位，即可改变平均整流电压Ud，从而实现平滑调速。3.1.2 主电路参数计算Ud 2.34U2cosUdUN 750V，取 0oU2Ud750V11.21.0 356.13V2.34cos0.92.340.9其中系数 0.9 为电网波动系数，系数1-1.2 为考虑各种因素的安全系数，这里取1.0。电动势系数CeUN RaIN7500.047801.9168V minrnN37530额定励磁下的电动机的转矩系数Cm电

7、磁时间常数TlCeL0.003H 0.03sR0.1机电时间常数GD2RTm375CeCm11094.40.13751.91681.916830 0.0843s3.2 转速、电流调节器的设计转速、电流双闭环调速系统的动态结构图如图3-3 所示：图 3-3直流双闭环调速系统动态结构图由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数Toi按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环

8、节。由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用Ton表示，根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为Ton的给定滤波环节。系统设计的一般原则是：先内环后外环。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。3.2.1 电流调节器3.2.1.1 电流调节器设计1.电流环结构框图的化简在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即E0。这时，电流环如图 3-4 所示。U*i(s)1T0is+1+Ui(s)ACRUc(s)KsUd0(s)1/RTls+1Tss+1T0is+1Id(s)图 3

9、-4 电流环的动态结构框图及其化简（忽略反电动势的动态影响）忽略反电动势对电流环作用的近似条件是 c c 31T Tm mT Tl l式中c-电流环开环频率特性的截止频率。如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成U*i(s)/，则电流环便等效成单位负反馈系统。U*i(s)+T0is+1ACRUc(s)Ks/R(Tss+1)(Tls+1)Id(s)图 3-5 电流环的动态结构框图及其化简（等效成单位负反馈系统）最后，由于Ts 和Toi 一般都比Tl小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为Ti=Ts+Toi查表 1 得，三相桥式电路的平均失控时间

10、为Ts0.0017s，电流滤波时间常数Toi.三相桥式电路的每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（12）Toi=3.33ms，因此取Toi=0.002s电流环小时间常数之和Ti=Ts+Toi=0.0037s。简化的近似条件为11 ci ci 3T Ts sT Toi oi电流环结构图最终简化成图3-6。U*i(s)+ACRUc(s)Ks/R(Tls+1)(Tis+1)Id(s)图 3-6 电流环的动态结构框图及其化简（小惯性环节的近似处理）图2-23c2 电流调节器结构的选择根据设计要求：稳态无静差,超调量i5%，可按典型 I 型系统设计电路调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因

11、此可用PI 型电流调节器其传递函数为：WACR(s)式中Ki 电流调节器的比例系数；Ki(is 1)isi 电流调节器的超前时间常数。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i=Tl则电流环的动态结构图便成为图3-7所示的典型形式，其中K Ki iK Ks sK KI Ii iR RU*i(s)+KIId(s)L/dB-20dB/dec1-s(Tis+1)Ti0ci/s-1-40dB/dec（ab)图 3-7 校正成典型 I型系统的电流环a)动态结构图b)开环对数幅频特性电枢回路电磁时间常数Tl=0.03s。检查对电源电压的抗扰性能：Tl0.038.11，参照典型 I 型系统动态抗

12、Ti0.0037扰性能指标与参数的关系表2，可知各项指标都是可以接受的。3.电流调节器的参数电流调节器超前时间常数：i=Tl=0.03s。电流环开环增益：要求i5%时，按表 3 应取=0.707，KITi 0.5，因此KI0.50.5135.1s0.0037TiKIiR135.10.030.1 0.5404KS750.01ACR 的比例系数为Ki4.检验近似条件1电流环截至频率：wci KI135.1s机电时间常数Tm 0.0843s1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件11196.1s1ci3Ts30.0017s满足近似条件。2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件3满足近似条件。11 3

13、59.65 wciTmTl0.030.08433）电流环小时间常数近似处理条件1111180.8s1 wci3ToiTm30.0020.0017满足近似条件。5.计算调节器电阻和电容含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器如图 3-8 所示：其中Ui为电流给定电压，Id为电流负反馈电压，Uc为电力电子变换器的控制电压。由图 3-8，按所用运算放大器取R0 40k，各电阻和电容值为*Ri KiRo 0.540440 21.6K，取 22K图 3-8 PI 型电流调节器CiiRi0.031.364F，22000Coi4Toi40.002F 0.2FRo40按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指

14、标为i 4.300 500，满足设计要求。3.2.2.2 转速调节器参数选择1.电流环的等效闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。由图 3-7a 可知K KI Is s(T T i is s 1)I Id d(s s)1WWclicli(s s)*K KI IT T i i21U Ui i(s s)/1 s s s s 1s s(T T i is s 1)K KI IK KI I忽略高次项，上式可降阶近似为WWclicli(s s)11s s 1K KI I近似条件可由式 c c min(min(131c c求出,)b ba a1K KI I cnc

15、n 3T T i i式中cn-转速环开环频率特性的截止频率。接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为Ui(s)，因此电流环在转速环中应*等效为1I Id d(s s)WWclicli(s s)*1U Ui i(s s)s s 1K KI I 2.转速调节器结构的选择电流环的等效闭环传递函数为1I Id d(s s)WWclicli(s s)*1U Ui i(s s)s s 1K KI I用电流环的等效环节代电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图3-9 所示。电流环U*n(s)1T0ns+1+IdL(s)Id(s)+-Un(s)ASRU*n(s)11s 1KI-RCeTmsn(s)T0ns

16、+1图 3-9 转速换的动态结构框图及其化简（用等效环节代替电流环）和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成Un(s)/，再把时间常数为 1/KI和T0n的两个小惯性环节合并起来，近似成一个*图2-26转速环的动态结构图及其简化时间常数为的惯性环节。其中电流环等效时间常数12Ti20.0037s0.0074sKI1Ton0.0074+0.02=0.0274sKI则转速环节小时间常数Tn则转速环结构框图可简化为图3-10U*n(s)IdL(s)+-ASRU*n(s)/Tns+1Id(s)+-RCeTmsn(s)图 3-10 转速换的动态结构框图及其化简（等效成单位

17、负反馈系统和小惯性的近似处理）按照设计要求，选用 PI 调节器，其传递函数为W WASRASR(s s)K Kn n(n ns s 1)n ns s式中Kn-转速调节器的比例系数；n-转速调节器的超前时间常数。这样，调速系统的开环传递函数为Wn(s)Kn(ns1)KnR(ns1)nsCeTms(Tns1)nCeTms2(Tns1)K KN N K Kn n R R n n C Ce eT TmmR令转速环开环增益为则K KN N(n ns s 1)WWn n(s s)2s s(T T n ns s 1)不考虑负载绕动时，校正后的调速系统动态结构框图如图3-11U*n(s)+KN(ns1)s2(

18、Tns1)n(s)图 3-11 转速换的动态结构框图及其化简（校正后成为典型型系统）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 的超前时间常数为n hTn50.0274=0.137s转速开环增益KNh 162s159.8422222h Tn25 0.0274ASR 的比例系数Kn4.检验近似条件h1CeTm2hRTn60.011.91680.084311.057250.0320.10.0274转速环截止频率wcnKNnKN 0.137159.84 21.90s1w11）电流环传递函数简化条件为1KI1135.1 63.7s1 wcn3Ti30.0037满足简化条件

19、。2）转速环小时间常数近似处理条件为1KI1135.1 27.4 wcn3Ton30.02满足简化条件。5.计算调节器电阻和电容含给定滤波与反馈滤波的PI 型转速调节器如图 3-12 所示：其中Un为转速给定电压，n为转速负反馈电压，Ui：调节器的输出是电流调节器的给定电压。取R0 40k，则*Rn KnRo11.05740 442.28K，取 443 KCnnRn0.137F 0.31F，4430004Ton 2F，取 2F。Ro图 3-12 PI 型转速调节器Con6.校核转速超调量查表，当h 5时，n 37.6%，不能满足设计要求。应按ASR 退饱和的情况重新计算超调量。7.按 ASR

20、退饱和重新计算超调量过载倍数=1.5，理想空载转速时，z=0查表得，h=5 时，Cmax/Cb=81.2%，则nmaxbmaxNn 2 z 8.5900n1000能满足设计CnCn TmbbC nCnT要求。4 计算机仿真双闭环调速系统的动态结构图图4-1，增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。图 4-1双闭环直流调速系统结构图4.14.1 空载起动空载起动双闭环直流调速系统突加给定电压Un由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于图 4-2。由于在起动过程中转速调节器 ASR 经历了不饱和、饱和、退饱和三种*情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III 三个阶

21、段。第第 I I 阶段（阶段（0 t1）是电流上升阶段）是电流上升阶段。突加给定电压Un后，Uc、Ud0、Id都上升，在Id没有达到负载电流IdL以前，电机还不能转动。当Id IdL后，电机开始起动，由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR 的输入偏差电压*UnUnUn的数值仍较大，其输出电压保持限幅值Uim，强迫电流Id迅速上升。*直到Id Idm，UiUim，电流调节器很快就压制了Id的增长，标志着这一阶段的*结束。在这一阶段中，ASR 很快进入并保持饱和状态，而ACR 不饱和。第第 IIII 阶段（阶段（t1 t2）是恒流升速阶段）是恒流升速阶段，ASR 饱和，转速环相

22、当于开环，在恒值电流给定Uim下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电机的反电动势E 也按线性增长，对电流调节系统来说，*Ud0和Uc也必须基本上按线性增长，E 是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，才能保持Id恒定。当 ACR 采用 PI 调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差*电压UiUimUi必须维持一定的恒值，也就是说，Id应略低于Idm。*第阶段（第阶段（t2以后）是转速调节阶段以后）是转速调节阶段。当转速上升到给定值n n0时，转速调节器 ASR 的输入偏差减小到零，输出维持在限幅值Uim，电机仍在加速，使转速超调。转速

23、超调后，ASR 输入偏差电压变负，开始退出饱和状态，Ui和Id很快下降。但是，只要Id仍大于负载电流IdL，转速就继续上升。直到Id=IdL时，转矩Te TL，则*dn/dt=0，转速 n 才到达峰值（t t3时）。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在t3 t4时间内，Id IdL，直到稳定。如果调节器参数整定得不够好，也会有一段振荡过程。在这最后的转速调节阶段内，ASR 和 ACR 都不饱和，ASR 起主导的转速调节作用，而 ACR 则力图使Id尽快地跟随其给定值Ui。*图 4-2 空载起动特性4.24.2 突加负载突加负载图 4-3突加负载启动4.34.3 突减负载突减负载图 4-4突然减载5 小结与体会通过本次课程设计，首先我对直流双闭环调速系统有了更深的认识，加深了理解，是对课堂所学知识的一次很好的应用。学会了转速、电流双闭环直流调速系统的设计，并能熟练地掌握转速和电流调节器参数的选择和计算，在设计的基础上更加认识到直流双闭环调速系统的应用之广泛。在这里，感谢张老师和王老师的辛勤指导，谢谢！6 参考文献1 陈伯时.电力拖动自动控制系统运动控制系统.北京：机械工业出版社，2003.72 张爱玲，李岚，梅丽凤.电力拖动与控制.机械工业出版社，2003.5