双闭环调速系统设计报告.docx
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双闭环调速系统设计报告
双闭环直流调速系统的仿真与设计
摘要
Abstract
引言
直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一。
广泛地应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中。
它通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速，传统的控制系统采用模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等，在一定程度上满足了生产要求。
直流电动机和交流电动机相比，其制造工艺复杂，生产成本高．维修困难，需备有直流电源才能使用。
但因直流电动机具有宽广的调速范围，平滑的调速特性，较高的过载能力和较大的起动、制动转矩，因此被广泛地应用于调速性能要求较高的场合。
在工业生产中，需要高性能速度控制的电力拖动场合，直流调速系统发挥着极为重要的作用，高精度金属切削机床，大型起重设备、轧钢机、矿井卷扬、城市电车等领域都广泛采用直流电动机拖动。
特别是晶闸管一直流电动机拖动系统，、具有自动化程度高、控制性能好、起动转矩大，易于实现无级调速等优点而被广泛应用。
本文主要是根据三相全波全控整流电路的原理，选择合适的变压器、晶闸管、平波电抗器以及晶闸管保护、触发电路，组成整流电路.
1调速系统总体设计
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
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
限制了电力电子变换器的最大输出电压
。
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。
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。
这样构成的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，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。
直流电动机结构模型推导
基于此模型的到的双闭环调速系统动态结构框图如下所示：
从电枢电流传感器出来的信号通常需进行滤波等处理，图中Gif（s）环节就是用于完成此项功能，他一般为惯性环节积分时间常数为Toi；图中GCP（s）为功率放大环节，它与PWM控制一起可以简化为比例环节比例系数为KCP；从电机速度传感器出来的信号通常还需进行滤波等处理完成该项功能的模块为Gnf（s），它一般为惯性环节，转速滤波时间常数为
；电流调节器ACR一般采用比例积分环节Gi（s）=Li*（Ti*s+1）/Ti*s;速度调节器ASR一般也采用比例积分环节Gn（s）=Ln*（Tn*s+1）/Tn*s;
简化后的双闭环调速系统动态结构框图如下所示：
2.1.1直流电动机特征参数计算
在MATLAB中编入程序如下：
clc
clear
UN=220;IN=55;Ra=;L=;PN=10*10^3;nN=1000;Tm=;%系统参数
KeB=（UN-IN*Ra）/nN
KmB=*KeB%电动势常数与转矩常数
Fm=Tm/（Ra/（KeB*KmB））%含飞轮矩的参数taom（Fm）
Ta=L/Ra%电枢回路电磁时间常数
TLN=PN*60/（nN*pi*2）%额定负载
运行后得到：
电动势常数与磁感应强度的乘积KeB=；转矩常数与磁感应强度的乘积KmB=；含飞轮矩的参数Fm=；电磁回路电磁时间常数=；额定负载=
2.1.2时间常数确定
（1）整流装置滞后时间常数
。
三相桥式电路的平均失控时间
；
（2）电流滤波时间常数T1i。
三相桥式电路每个波头的时间是，为了基本滤平波头，应有
，因此取
；
（3）电流环小时间常数Toi。
按小时间常数近似处理，取
。
（4）转速滤波时间常数
。
根据所用测速发电机纹波情况，一般取5ms-30ms，这儿取Ton=。
已知机电时间常数Tm=，测速发电机的反馈系数Kn=，电流反馈系数Ki=A。
为抵消电流环中的大惯性环节现取Ti=Ta=；
功率放大环节放大系数根据情况取为KCP=60；
带入数据后得到的双闭环调速系统动态结构框图如下所示：
试探法ACR和ASR参数
在similink中绘出调速系统动态结构模型，用试探的方法确定ASR、ACR的参数Ln、Tn、Li使调速系统满足给定的调速要求。
先假设Ln=10，Tn=，Li=运行仿真后得到的系统单位阶跃响应曲线如下图所示：
图中横线分别为终值、终值的%和终值的23%。
保持Tn=，Li=不变将Ln由10变为20和5再次运行仿真，得到响应曲线如下：
图中左端曲线为Ln=20、中间曲线为Ln=10、右端曲线为Ln=5时的系统响应曲线，从图中可以看出Ln变大后系统响应时间变短了，快速性得到了加强，同时使得系统超调量增大。
保持Ln=10，Li=不变将Tn由变为1和再次运行仿真，得到响应曲线如下：
图中左端曲线为Tn=、中间为Tn=1、右端为Tn=的响应曲线，可以看出Tn越大响应时间越短，系统快速性越好，不过会使得系统超调量增大。
保持Ln=10，Tn==不变将Li由变为和再次运行仿真，得到响应曲线如下：
图中左端曲线为Li=、中间为Li=、右端为Li=的响应曲线，可以看出Li变化，响应曲线随之变化不大，不过Li大些时响应不会出现负值的情况。
更据上面的试探思想逐步对Li、Tn、Ln三个参数进行修订，最终发现当Ln=33、Tn=、Li=时系统的单位阶跃响应满足调整时间小于，超调23%以内的要求。
响应曲线如下图所示：
进行数据处理后得到图形如下：
从图中可以看出响应曲线的调节时间为，超调量小于5%，终值为，图中横线分别为终值的正负23%、正负5%。
试探过程中用到的MATLAB程序如下：
clc
plot,'b'）%绘响应曲线
t=0:
:
1;
x=
x1=x*+x%终值的正5%
x2=x*+x%终值的正23%
x3=x-x*%终值的负5%
x4=x-x*%终值的负23%
fori=1:
1:
10001
y（i）=x;
y1（i）=x1;
y2（i）=x2;
y3（i）=x3;
y4（i）=x4;
end
holdon
plot（t,y,'b'）%终值曲线
holdon
plot（t,y1,'g'）%终值的正5%横线
holdon
plot（t,y2,'b'）%终值的正23%横线
holdon
plot（t,y3,'g'）%终值的负5%横线
holdon
plot（t,y4,'b'）%终值的负23%横线
holdon
xlabel（'时间s'）
ylabel（'输出速度r/min'）
axis（[060110]）%局部放大分析
通过程序可以方便的把不通参数值所对应的响应曲线绘于同一图中进行比对，以确定参数的大小调整。
最终得到的速度调节器ASR传递函数为：
Gn（s）=33*+1）/；电流调节器ACR传递函数为：
Gi（s）=*（+1）/
系统闭环带宽
当闭环系统频率特性的幅值W（m）由其初始值M（0）减小到0.707M（0）（或0频率分贝值以下三分贝）时，所对应的频率wb称为带宽频率。
0-wb的频率范围称为系统的带宽。
系统的带宽反映了系统对噪声的滤波特性，同时也反映了系统的响应速度。
带宽越大，瞬态响应速度越快，但对噪声的过滤能力差。
在MATLAB中编写如下程序：
clc
clear
num1=[0];den1=[1];
sys1=tf（num1,den1）;
num2=[*6060];den2=[0];
sys2=tf（num2,den2）;
num3=[2];den3=[1];
sys3=tf（num3,den3）;
sys23=series（sys2,sys3）;
sysi=feedback（sys23,sys1）;
num4=[*3333];den4=[0];
sys4=tf（num4,den4）;
sys4i=series（sysi,sys4）;
num5=[];den5=[0];
sys5=tf（num5,den5）;
sys4i5=series（sys4i,sys5）;
num6=[];den6=[1];
sys6=tf（num6,den6）;
sys=feedback（sys4i5,sys6）;
运行后得到调速系统的闭环传递函数：
sys=
s^4+s^3+s^2+s+7280
---------------------------------------------------------------------
s^6+s^5+s^4+s^3+s^2+s+
在利用MATLAB函数bode（sys）绘出系统的波特图如下：
从图中可以看出，闭环系统频率特性的幅值W（m）由其初始值M（0）=减小到0.707M（0）=（或0频率分贝值以下三分贝）时，所对应的频率wb称为带宽频率720HZ，远大于设计所要求的闭环带宽的要求。
3电路设计
速度调节器电路设计
ASR调节器为PI调节器，即比例微分调节，利用模电中集成运算放大器即可以连接成完成上述功能的电路图。
首先是反向比例运算电路，用PROTEL绘得它的电路原理图如下：
利用虚短、虚断的知识可以求的反向比例运算放大电路的输出电压与输入电压的关系为：
U2=-U1*R3/R1
积分电路，利用电容C代替反向比例运算电路中的电阻R3，由于电容C上电容与电压关系为iC=C*duc/dt，利用‘虚短’和‘虚断’的概念可以求的输出电压U4与输入电压U3关系为：
U4=-1/R4*C
其电路原理图如下：
将反向比例电路与积分电路合并后就得到比例积分（PI）电路原理图如下所示：
基于反向比例电路和积分电路推导出输出与输入电压的关系式为：
U0=-R3/R1*Ui-1/R1*C*
前部分用similink设计的ASR的输入输出关系式该为：
U0=-33*Ui-1/
对应两式可以看出：
R3/R1=33；R1*C=
先取R1=1k，则得到R3=33k，C=
R2为平衡电阻其值取为R1//R3=1k
利用PROTEUS仿真软件，根据原理图带入计算值绘出如下仿真图形：
运行仿真，并用ANALOGUEANALYSIS得到如下图形：
仿真是的输入电压Ui=10mv，从图中可以读得，输出电压从0在很短时间内跳变到330mv，正好和比例环节的放大系数33相对应，可见这时候是比例环节起组要作用；接下来输出电压沿斜线下降，斜线的斜率为也和积分环节的时间常数对应；所以该电路能用于完成ASR的PI调节功能。
三角波发生电路
（201）书
利用PROTEUS绘制的三角波发生电路原理图如下所示：
根据三角波发生电路的工作原理原理设计如下PROTEUS原理图：
运行仿真，并用ANALOGUEANALYSIS得到如下输出电压U1和U2的图形：
图中稳压二极管稳压值为Vz=5由此可得三角波输出幅值为
U2=R6/R5*Vz=1/10*5=500mv，从图形中读得的输出电压值U2幅值也为500mv，理论与仿真结果相符。
、
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