双闭环直流调速系统.doc

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：,,，，电枢电路总电阻R=0.1Ω,电枢电路总电感,电流允许过载倍数，折算到电动机轴的飞轮惯量。
晶闸管整流装置放大倍数，滞后时间常数
电流反馈系数
电压反馈系数
滤波时间常数
；调节器输入电阻。
设计要求：
稳态指标：无静差
动态指标：电流超调量；空载起动到额定转速时的转速超调量。
目 录
1设计任务与分析
2调速系统总体设计
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
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计算机仿真
4.1空载起动
4.2突加负载
4.3突减负载
5设计小结与体会
6参考文献

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。
如图2-1所示：

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-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的控制电压来移动脉冲的相位，即可改变平均整流电压，从而实现平滑调速。
3.1.2主电路参数计算

，取

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
额定励磁下的电动机的转矩系数
电磁时间常数
机电时间常数 s
3.2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DE≈0。这时，电流环如图3-4所示。

图3-4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

式中ωc-------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) /b ，则电流环便等效成单位负反馈系统。

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
T∑i = Ts + Toi
查表1得，三相桥式电路的平均失控时间为，电流滤波时间常数.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（1～2）=3.33ms，因此取=0.002s
电流环小时间常数之和T∑i = Ts + Toi=0.0037s。
简化的近似条件为
电流环结构图最终简化成图3-6。

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）

2电流调节器结构的选择
根据设计要求：稳态无静差,超调量，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，因此可用PI型电流调节器其传递函数为：

式中 Ki — 电流调节器的比例系数；
ti — 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τi=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

（a b)
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：，参照典型I型系统动态抗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：τi=Tl=0.03s。
电流环开环增益：要求时，按表3应取ξ=0.707，，
因此
ACR的比例系数为
4.检验近似条件
电流环截至频率：
机电时间常数
1） 晶闸管整流装置传递函数的近似条件

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

满足近似条件。
3） 电流环小时间常数近似处理条件

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：
其中为电流给定电压，为电流负反馈电压，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，
各电阻和电容值为
KΩ，取22KΩ 图3-8 PI型电流调节器

，

按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，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

忽略高次项，上式可降阶近似为

近似条件可由式求出

式中 wcn ----- 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U*i(s)，因此电流环在转速环中应等效为
2.转速调节器结构的选择
电流环的等效闭环传递函数为

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。

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 U*n(s)/a，再把时间常数为1/KI 和 T0n 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节。
其中电流环等效时间常数
则转速环节小时间常数 0.0074+0.02=0.0274s
则转速环结构框图可简化为图3-10

图3-10转速换的动态结构框图及其化简
（等效成单位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

式中 Kn ---- 转速调节器的比例系数；
t 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

令转速环开环增益为
则
不考虑负载绕动时，校正后的调速系统动态结构框图如图3-11

图3-11转速换的动态结构框图及其化简
（校正后成为典型Ⅱ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，则ASR的超前时间常数为
5×0.0274=0.137s
转速开环增益159.84
ASR的比例系数
4.检验近似条件
转速环截止频率
1）电流环传递函数简化条件为

满足简化条件。
2）转速环小时间常数近似处理条件为

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：

其中为转速给定电压，为转速负反馈电压，：调节器的输出是电流调节器的给定电压。
取，则
KΩ，取443 KΩ
，
图3-12 PI型转速调节器
，取2μF。
6.校核转速超调量
查表，当时，，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退饱和重新计算超调量
过载倍数λ=1.5，理想空载转速时，z=0
查表得，h=5时，△Cmax/Cb=81.2%，则
能满足设计要求。

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
4.1空载起动
双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时，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三个阶段。
第I阶段（）是电流上升阶段。突加给定电压后，、、都上升，在没有达到负载电流以前，电机还不能转动。当后，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的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值，强迫电流迅速上升。直到，，电流调节器很快就压制了的增长，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II阶段（）是恒流升速阶段，ASR饱和，转速环相当于开环，在恒值电流给定下的电流调节系统，基本上保持电流恒定，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，E是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，和也必须基本上按线性增长，才能保持恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，应略低于。
第Ⅲ阶段（以后）是转速调节阶段。当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减小到零，输出维持在限幅值，电机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，开始退出饱和状态，和很快下降。但是，只要仍大于负载电流，转速就继续上升。直到=时，转矩，则dn/dt=0，转速n才到达峰值（时）。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在时间内，，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则力图使尽快地跟随其给定值。

图4-2 空载起动特性
4.2突加负载

图4-3 突加负载启动

4.3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，2003.7
[2] 张爱玲，李岚，梅丽凤.电力拖动与控制.机械工业出版社，2003.5