转速电流双闭环直流调速系统设计.docx

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转速电流双闭环直流调速系统设计

运动控制课程设计

评语：

考勤（10）

守纪（10）

过程（40）

设计报告（30）

答辩（10）

总成绩（100）

专业：

自动化

班级：

姓名：

学号：

指导教师：

2015年07月16日

转速、电流双闭环直流调速系统设计

1.设计目的

一般来说，我们总希望在最大电流受限制的情况下，尽量发挥直流电动机的过载能力，使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动，达到稳态转速后，电流应快速下降，保证输出转矩与负载转矩平衡，进入稳定运行状态。

为实现在约束条件快速起动，关键是要有一个使电流保持在最大值的恒流过程。

根据反馈控制规律，要控制某个量，只要引入这个量的负反馈。

因此采用电流负反馈控制过程，起动过程中，电动机转速快速上升，而要保持电流恒定，只需电流负反馈；稳定运行过程中，要求转矩保持平衡，需使转速保持恒定，应以转速负反馈为主。

故采用转速、电流双闭环控制系统。

2.设计任务

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：

（1）直流电动机：

220V、160A、1460r/min、Ce=r，允许过载倍数λ=；

（2）晶闸管装置放大系数：

Ks=40；

（3）电枢回路总电阻：

R=Ω；

（4）时间常数：

Tl=，Tm=；

（5）电流反馈系数：

β=A；

（6）转速反馈系数：

α=r；

试按工程设计方法设计双闭环系统的电流调节器和转速调节器，并用Simulink建立系统模型，给出仿真结果。

3.设计要求

根据电力拖动自动控制理论，按工程设计方法设计双闭环调速系统：

（1）设计电流调节器的结构和参数，将电流环校正成典型I型系统；

（2）分析电流环不同参数下的仿真曲线；

（3）在简化电流环的条件下，设计速度调节器的结构和参数，将速度环校正成典型II型系统；

（4）分析转速环空载起动、满载起动、抗扰波形图仿真曲线

（5）进行Simulink仿真，验证设计的有效性。

4.设计内容

双闭环直流调速系统的组成 

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图1所示，即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晶闸管整流器的触发装置。

从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。

这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。

因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。

一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。

按照电机理想运行特性，应该在启动过程中只有电流负反馈，达到稳态转速后，又希望只有转速反馈，双闭环调速系统的静特性就在于当负载电流小于最大电流时，转速负反馈起主要作用，当电流达到最大值时，电流负反馈起主要作用，得到电流的自动保护。

图1为双闭环调速系统的动态结构框图。

图1双闭环调速系统的动态结构框图

设计思路

设计转速、电流反馈控制直流调速系统的原则是先内环后外环，从电流环（内环）开始，对其进行必要的变换和近似处理，然后根据电流环的控制要求确定把它校正成哪一类典型系统，再按照控制对象确定电流调节器的类型，按动态性能指标要求确定电流调节器的参数。

电流环设计完成后，把电流环等效成转速环（外环）中的一个环节，再用同样的方法设计转速环。

电流环的设计

时间参数的确定

（1）电枢回路电磁时间常数：

Tl=

=；

（2）电力拖动系统机电时间常数：

（3）整流滤波时间常数：

三相桥式电路的平均失控时间：

Ts=

（4）电流滤波时间常数：

三相桥式电路每个波头的时间是，为了基本滤平波头，应有（1～2）Toi=，因此取Toi=2ms=

（5）电流环小时间常数之和：

按小时间常数近似处理，取 T∑i=Ts+Toi= 

典型系统的选择

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

计算电流调节器的参数 

（1）ACR超前时间常数：

（2）电流环开环增益：

在本设计中，要求

时，应取

，因此，

于是，ACR的比例系数为：

校验近似条件

电流环截止频率：

（1）校验晶闸管整流装置传递函数近似条件为：

，满足近似条件。

（2）忽略反电动势变化对电流环影响的条件为：

，满足近似条件。

（3）校验电流环小时间常数近似处理条件为：

，满足近似条件。

计算调节器电阻和电容

由运算放大器的电路原理可以得出，当调节器输入电阻

时，电流调节器的具体电路参数如下：

；

；

转速环的设计

时间参数的确定

（1）电流环等效时间常数：

（2）转速滤波时间常数：

（3）转速环小时间常数：

按小时间常数近似处理，取

典型系统的选择

为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR 中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型 Ⅱ 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。

由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为

计算转速调节器的参数

按跟随和抗干扰性能较好的原则，取h=5，则

（1）ASR的超前时间常数为：

（2）转速环开环增益：

于是，ASR的比例系数：

检验近似条件

由转速截止频率：

（1）电流环传递函数简化条件：

，满足简化条件。

（2）转速环小时间常数近似条件：

，满足近似条件。

计算调节器电阻和电容

由运算放大器的电路原理可以得出，当调节器输入电阻

时，电流调节器的具体电路参数如下：

；

；

校核转速超调量

由

可得：

当h=5时,

；

因

，能满足设计要求。

5.电流环的仿真

电流环的整体仿真模型

电流环的整体仿真模型见附录A图2所示。

电流环在不同参数时的仿真图形

（1）KT=时，ACR中的PI调节器的传递函数为：

按图2的模型仿真可以得到电流环阶跃响应的仿真输出的波形见附录B图4所示。

其超调量σ=0%，即无超调量。

（2）KT=时，ACR中的PI调节器的传递函数为：

按图2的模型仿真可以得到电流环阶跃响应的仿真输出的波形见附录B图5所示。

其超调量 满足σ≦% 。

（3）KT=1时，ACR中的PI调节器的传递函数为：

按图2的模型仿真可以得到电流环阶跃响应的仿真输出的波形见附录B图6所示。

其超调量 满足σ≦% ，超调大，但是上升时间短。

观察图4、5和图6的仿真曲线，在直流电动机的恒流升速阶段，电流值低于200A,期原因是电流系统受到电动机反电动势的扰动，它是一个线性渐增的扰动量，所以系统做不到无静差，而是略低于最大电流。

6.转速环的仿真

转速环的整体仿真模型

图1转速空载高速启动波形图

图2转速满负载启动波形图

图3转速环抗扰波形图

转速环在不同负载时的仿真图形

（1）空载起动时，阶跃信号Step1的Final value输入设为0，转速环空载高速起动波形图见附录B图7所示。

（2）满载起动时，阶跃信号Step1的Final value设为136，转速环满载高速起动波形图见附录B图8所示。

（3）抗干扰性的测试，将阶跃信号Step1的Step time 设置为1，将Initial value设置为0，将Final value设置为100（或其他1到136均可做干扰），其他设置不变，转速环抗扰波形图见附录B图9所示。

7.心得体会

这次课程设计中，在Matlab仿真上面有很多自己不懂的地方，尤其是simulink各模块的参数设置及抗干扰性的测试时的参数问题。

 本次课程设计让我们对《电力拖动自动控制系统-运动控制系统》的“转速、电流反馈控制直流调速系统”有了更深的理解，对此设计加深了认识。

通过matlab的仿真，使我们对双闭环反馈控制的直流调速系统有了直观的印象。

 通过对系统的设计，让我们对双闭环控制系统各个部分都有所认知。

同时也可以通过课程设计，了解理论知识哪些方面比较薄弱，及时查漏补缺。

附录

附录A

图4转速环的整体仿真模型

图5电流环整体仿真模型

附录B

图6KT=时无超调的仿真结果

图7KT=时电流环的仿真结果

图8KT=时超调量较大的仿真结果