双闭环调速系统ASR和ACR结构及参数设计.pdf

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1、 黑龙江大学 课程设计说明书 学院：机电工程学院 专业：电气工程及其自动化 课程名称：电力拖动自动控制系统 设计题目：双闭环调速系统ASR 和 ACR 结构及参数设计 姓名：xxx 学号：2012xxxx 指导教师：xxxx 成绩：xxxx 双闭环调速系统 ASR 和 ACR 结构及参数设计 一设计目的：掌握用工程设计方法设计双闭环调速系统的转速调节器和电流调节器，加深对双闭环直流调速系统理解。二设计内容：在一个由三相零式晶闸管整流装置供电的双闭环直流调速系统中，已知电动机数据如下：60kW，220V，308A，1000r/min，Ce=min/r,主回路总电阻R=,Ks=35，TL=,Tm=

2、,电流反馈滤波时间常数Toi=,转速反馈滤波时间常数 Ton=,额定转速时的给定电压为 10V,ASR 最大输出限幅值为 8V,ACR 最大输出限幅值为，R0=40k。设计要求：稳态无静差；调速范围 D=10,电流超调量i 5%，电机空载起动到额定转速时的转速超调量n 10%，起动电流限制在 339A 以内。三时间安排：查阅相关资料；按要求设计相关内容，完成设计文本 考核答辩 四参考书目：1.电力拖动自动控制系统（第 3 版）陈伯时主编 机械工业出版社 2.电力电子技术（第 4 版）王兆安 黄俊主编 机械工业出版社 3.自动控制理论 刘丁主编 机械工业出版社 4.电机及拖动基础（第 3 版）顾

3、绳谷主编 机械工业出版社 目录 第一章 绪论 错误!未定义书签。第二章 电流调节器的设计 错误!未定义书签。电流环结构图的简化 错误!未定义书签。电流调节器结构的选择 错误!未定义书签。电流调节器的参数计算 错误!未定义书签。校验近似条件 错误!未定义书签。电流调节器的实现 错误!未定义书签。第三章 转速调节器的设计 错误!未定义书签。电流环的等效闭环传递函数 错误!未定义书签。转速调节器结构的选择 错误!未定义书签。转速调节器的参数计算 错误!未定义书签。检验近似条件 错误!未定义书签。转速调节器的实现 错误!未定义书签。第四章 转速调节器退饱和时转速超调量的计算 错误!未定义书签。结论 错

4、误!未定义书签。参考文献 错误!未定义书签。第一章 绪论 转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。对于采用转速负反馈和 PI 调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流dcrI以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程

5、中，起动电流达到最大值dmI后，受电流负反馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。一、转速、电流双闭环直流调速系统的组成 为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值dmI的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，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。二者之间实行嵌套（或称串级）联接如下图 1-1 所示。图 1-1 转速、电流双闭环直流调速系统结构 ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG测速

6、发电机 TA电流互感器 UPE电力电子变换器 图中，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。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。二、双闭环直流调速系统的电路原理图 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 P I 调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于下图 1-2。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压cU为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图 1-2 双闭环直流调速系统电路原理图 图中表出，两

7、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imU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cmU限制了电力电子变换器的最大输出电压dmU。三、双闭环直流调速系统的稳态结构图 为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如下图1-3。它可以很方便地根据上图的原理图画出来，只要注意用带限幅的输出特性表示 PI 调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的 PI 调节器的稳态特征。图 1-3 双闭环直流调速系统的稳态结构图 转速反馈系数；电流反馈系数 PI 调节器的稳态特征一般存在两种状况，即饱和时输出达到限幅值和不饱和时输出未达到限幅值。当

8、调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI 作用使输入偏差电压在稳态时总是零。四、双闭环直流调速系统的动态结构图 在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结构，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图，如下图1-4所示。图中WASR(s)和WACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流Id显露出来。之后将要进行的典型系统的设计及动态性能指标的计算都是在此图基础上进行的。图

9、 1-4 双闭环直流调速系统的动态结构图 五、两个调节器的作用 经过分析，转速和电流调节器都具有非常重要的作用，归纳如下。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

10、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。六、调节器的工程设计方法 1工程设计方法的基本思路 1）选择调节器结构，使系统典型化并满足稳定和稳态精度。2）设计调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。2.典型系统)1()(TssKsW电流内环1）典型 I 型系统传递函数：式中 T 系统的惯性时间常数；K 系统的开环增益。2）典型型系统传递函数：3选择典型系统的依据 一般来说，在动态性能中典型 I 型系统可以在跟随性能上做到超调量小，但抗扰性能稍差：而典型型系统的超调量相对较大，抗扰性能较好。七、按工程设计方

11、法设计双闭环系统的调节器 1.系统设计对象 图 1-5 双闭环调速系统的动态结构图 双闭环调速系统的实际动态结构图绘于图 1-5，它与前述的图 1-4 不同之处在于增加了滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。其中 oiT 电流反馈滤波时间常数 onT 转速反馈滤波时间常数 2.系统设计原则 从内环开始，逐步向外扩展。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，最后进行转速超调量的校验。)1()1()(2TsssKsW第二章 电流调节器的设计 电流环结构图的简化 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

12、 E0。这样，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影响，也就是说，可以暂且把反电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如下图 2-1所示。忽略反电动势对电流环作用的近似条件是：lmciTT13 （2-1）图 2-1 电流环的动态结构图及其化简 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（图 2-2）。图 2-2 单位负反馈系统 最后，由于 Ts 和 T0i 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 (2-2)简化的近似条件为 (2-3)电流环

13、结构图最终简化成图 2-3。图 2-3 电流环最终简化结构图 电流调节器结构的选择 根据设计要求：稳态无静差，调速范围D=10，电流超调量 i5%，有以下两种方案可供选择：方案一：典型型系统，可使电流无静差，抗扰性能好。方案二：典型 I 型系统，也能使电流无静差，跟随性能好，超调小。从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用 I 型系统就够了。从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在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，应选用典型I 型系统。电流环的控制对象是双惯性型的，要校正

14、成典型 I 型系统，显然应采用 PI型的电流调节器，其传递函数可以写成（2-4）式中 Ki 电流调节器的比例系数；I 电流调节器的超前时间常数。由表 2-1 知，三相零式电路的平均失控时间 TS=。ssKsWiiiACR)1()(oisci131TT 表 2-1 各种整流电路的失控时间（f=50Hz）又已知电流反馈滤波时间常数 Toi=，按小时间常数近似处理，Ti=TS+Toi=+=已知 TL=，易知 m=Ti/TL=，参照表 2-2 的典型 I 型系统动态抗扰性能，知其动态性能不是十分理想，但这不是主要因素，且各项指标都可以接受。表 2-2 典型 I 型系统动态抗扰性能指标与参数的关系（KT

15、=）电流调节器的参数计算 为了使校正后的典型系统为典型I 型系统，应有以下等式成立：（2-5）则必须满足：（2-5）整流电路形式 最大失控时间 Tsmax（ms）平均失控时间 Ts（ms）单相半波 单相桥式（全波）三相半波 三相桥式、六相半波 20 10 6.67 3.33 10 5 3.33 1.67 lTiRKKKisiI)1()1(1)(1(isTsKssKsTsTRKiIiiils）（2-7）所以，电流调节器超前时间常数：=；电流环开环增益：要求i 5%时，按表 2-2，应取5.0iITK，因此 12.860058.05.05.0ssTKiI 电流反馈系数：AVAVIUdLi/024.

16、03398 于是，ACR 的比例系数：222.0024.035012.018.02.86siIiKRKK 校验近似条件 电流环截止频率：sIcisK2.86 1.晶闸管整流装置传递函数的近似条件 11.1960017.03131ssTsci 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 11.79012.012.01313sssTTlmci 满足近似条件。lTi 电流调节器的实现 含给定滤波与反馈滤波的 PI型电流调节器的电路原理图如下图2-4所示。图 2-4 含给定滤波与反馈滤波的 PI 型电流调节器 图中 U*i为电流给定电压，-Id 为电流负反馈电压，Uc电力电子变换器的控制

17、电压。根据运算放大器的工作原理可以推导出以下公式：（2-8）（2-9）（2-10）由图 2-4，按所用运算放大器R0=40k，各电阻和电容值为：0RKRiiK40K，取 9K FFRCiii33.11033.19000012.06,取F 25.010400025.04430FRTCoioiF,取F 按照上面参数，由表 2-3 可知，KT=时超调量为%cn 满足近似条件。2）转速环小时间常数近似处理条件：113.25015.02.863131ssTKonIcn 满足近似条件。nn hT 转速调节器的实现 含给定滤波和反馈滤波的 PI型转速调节器原理图如图 3-3所示，图中nU为转速给定电压，-n

18、 为转速负反馈电压，iU的输出是电流调节器的给定电压。根据运算放大器的特点得出各参数公式如下。0RRKnn （3-11）nnnCR （3-12）ononCRT041 （3-13）图 3-3 含给定滤波与反馈滤波的 PI 型转速调节器 取 R0=40k，由公式（3-11）、（3-12）和（3-13）得：kkRn8.2824007.7，取 285k;FFCn47.010285133.03,取F;FFFCon5.1105.11040015.0463,取F 第四章 转速调节器退饱和时转速超调量的计算 当h=5 时，由表 4-1 查得，n=%，不满足n 10%的条件。实际上，由于表 3-1 是按线性系统

19、算的，而突加阶跃给定时，ASR 饱和，不符合线性系统的前提，应该按 ASR 退饱和的情况重新计算超调量。如果调节器没有饱和限幅的约束，调速系统可以在很大的范围内线性工作，则双闭环系统启动时的转速过渡过程就会产生超调量较大。实际上，突加给定电压后，转速调节器很快进入饱和状态，输出恒定的限幅电压，使电动机在恒流的条件下起动，而转速则按线性规律增长。表 4-1 典型 II 型系统阶跃输入跟随性能指标 h 3 4 5 6 7 8 9 10 tr/T ts/T k%3%2%2%1%1%1%1%1 计算退饱和超调量时，起动过程可按分段线性化的方法处理。当 ASR 饱和时，相当于转速环开环，电流环输入恒定电

20、压imU，如果忽略电流环短暂的跟随过程，其输出量也基本上是恒值 Idm，因而电动机基本上按照恒加速起动。这一阶段完成时有 nnIIdmd,ASR 退饱和后，转速环恢复到线性范围内运行，系统的结构框图如图 4-1 所示。描述系统的微分方程和前面分析线性系统跟随性能时相同，只是初始条件不同了。分析线性系统跟随性能时，初始条件为 n(0)=0,Id(0)=0。讨论退饱和超调时，其初始条件是 n(0)=n,dmdII)0(由于初始条件发生了变化，尽管两种情况的动态结构图和微分方程完全一样，过渡过程还是不同的。图 4-1 ASR 退饱和后系统结构框图 当 ASR 选用 PI 调节器时，上图电流作用点前面

21、的环节可以归纳为)1()1(sTssKnnnn，由于对我们的目的有用的是在稳态转速n以上超调的部分，即只考虑实际转速与给定转速的差值nnn，相应的可以把图 4-1 的坐标原点转移，初始条件换为n(0)=0,dmdII)0(。由于图 4-2 的给定为零，可以不画，而把n的负反馈作用反映到主通道的第一个环节输出量上来，这里不再赘述。图 4-2 以转速超调值n为输出量的结构图 将图 4-2 和讨论典型型系统抗扰性能所用的结构图相比，不难发现它们完全一样，因此可以利用典型型系统抗扰性能指标来计算退饱和超调量。在典型型系统抗扰性能指标中 TFKCb22 （4-1）对比图 4-2 知 meTCRK 2，n

22、TT 而 dLdmIIF （4-2）所以n的基准值是 medLdmnbTCIIRTn)(2 （4-3）令表示电机允许的过载倍数，即 dNdmII （4-4）z表示负载系数，则 dNdLzII （4-5）Nn为调速系统的额定稳态速降，Nn=edNCRI，代入式（4-3）可得 mnNbTTnzn)(2 （4-6）作为转速的超调量n，其基准值应该是n，因此退饱和超调量可以由表 4-2列出的bCCmax数据经基准值换算后求得，即 nnCbCbn)(max=2（bCCmax）mnNTTnnz)(（4-7）根据已知条件，由式（4-4）解得 dNdmII=308339 由公式SdLecKRInCU知：ARn

23、CKUIescdL17518.01000196.0355.6 再由式（4-5）解得 57.0308175dNdLIIz 由表 4-2 查得h=5 时bCCmax=%所以，由式（4-7）解得：%4.512.00266.01000196.018.0308)57.01.1(%2.812n10%所以，能够满足设计要求。表 4-2 典型 II 型系统动态抗扰性能指标与参数的关系 h 3 4 5 6 7 8 9 10 Cmax/Cb tm/T tv/T%结论 本次电力拖动自动控制课程的课设题目为双闭环调速系统ASR和ACR结构及参数设计。通过对双闭环调速系统的整体设计，不仅巩固了课程学习的内容，而且加深了

24、我们对电力拖动这门课程的认识，亲身体会到了它在实际应用中的作用，更加是我们系统的理解了调速系统设计内容、步骤及一些注意事项。电力拖动在生活及生产中应用广泛，无论是离我们最近的代步汽车还是大型工厂里的生产机械都离不开电力拖动的相关知识，作为电力拖动的重要内容，调速系统更加显得重要，而应用最为广泛的双闭环直流调速系统更是其核心内容，它有着相比于单闭环调速系统的绝对的优势。通过对双闭环直流调速系统的实际设计，使我们加深了对其的认知，包括电路原理图的环节组成及电气元器件的种类和连接等等。认知过程中也遇到了一些困难，比如各部分电路如何连接，各部分元件的作用及参数推倒过程等等，但是我们没有就此停滞不前，积极的查阅书籍资料和网络资料，并展开小组讨论，最终基本上解决了所有的问题。参考文献 1.陈伯时.电力拖动自动控制系统（第3 版）.机械工业出版社.2.王兆安 黄俊.电力电子技术（第4 版）.机械工业出版社.3.刘丁.自动控制理论.机械工业出版社.4.顾绳谷.电机及拖动基础（第 3 版）.机械工业出版社.5.胡寿松.自动控制原理简明教程（第二版）.科学出版社.