转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计.doc

《运动控制系统》课程设计
题目:转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计
转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计
1、 设计题目
转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计
2、 设计任务
已知某晶闸管供电得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:160V、120A、1000r/min、Ce=0、136Vmin/r,允许过载倍数λ=1、4
2） 晶闸管装置放大系数:Ks=30
3） 电枢回路总电阻:R=0、4Ω
4） 时间常数:Tl=0、023s,Tm=0、2s,转速滤波环节时间常数Ton取001s
5） 电压调节器与电流调节器得给定电压均为10V
试按工程设计方法设计双闭环系统得电流调节器与转速调节器,并用Simulink建立系统模型,给出仿真结果。
系统要求:
1） 稳态指标:无静差
2） 动态指标:电流超调量σi ≤5%;空载起动到额定转速时超调量σn ≤10%
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得步骤如下:
1） 设计电流调节器得结构与参数,将电流环校正成典型I型系统;
2） 在简化电流环得条件下,设计速度调节器得结构与参数,将速度环校正成典型II型系统;
3） 进行Simulink仿真,验证设计得有效性。
4设计内容
1) 设计思路:
带转速负反馈得单闭环系统,由于它能够随着负载得变化而相应得改变电枢电压,以补偿电枢回路电阻压降得变化,所以相对开环系统它能够有效得减少稳态速降。
当反馈控制闭环调速系统使用带比例放大器时,它依靠被调量得偏差进行控制得,因此就是有静差率得调速系统,而比例积分控制器可使系统在无静差得情况下保持恒速,实现无静差调速。
对电机启动得冲击电流以及电机堵转时得堵转电流,可以用附带电流截止负反馈作限流保护,但这并不能控制电流得动态波形。按反馈得控制规律,采用某个物理量得负反馈就可以保持该基本量基本不变,采用电流负反馈就应该能够得到近似得恒流过程。
另外,在单闭环调速系统中,用一个调节器综合多种信号,各参数间相互影响,难于进行调节器得参数调速。例如,在带电流截止负反馈得转速负反馈得单闭环系统中,同一调节器担负着正常负载时得速度调节与过载时得电流调节,调节器得动态参数无法保证两种调节过程均具有良好得动态品质。
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,双闭环调速系统得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,得到电流得自动保护。
2)双闭环调速系统得组成:
a、 系统电路原理图
图2-1为转速、电流双闭环调速系统得原理图。图中两个调节器ASR与ACR分别为转速调节器与电流调节器,二者串级连接,即把转速调节器得输出作为电流调节器得输入,再用电流调节器得输出去控制晶闸管整流器得触发装置。电流环在内,称之为内环;转速环在外,称之为外环。
两个调节器输出都带有限幅,ASR得输出限幅什Uim决定了电流调节器ACR得给定电压最大值Uim,对就电机得最大电流;电流调节器ACR输出限幅电压Ucm限制了整流器输出最大电压值,限最小触发角α。
b、 系统动态结构图
图2-2为双闭环调速系统得动态结构框图,由于电流检测信号中常含有交流分量,须加低通滤波,其滤波时间常数Toi按需要选定。滤波环节可以抑制反馈信号中得交流分量,但同时也给反馈信号带来了延滞为了平衡这一延滞作用,在给定信号通道中加入一个相同时间常数得惯性环节,称作给定滤波环节。其作用就是:让给定信号与反馈信号经过同样得延滞,使二者在时间上得到恰当得配合,从而带来设计上得方便。
由测速发电机得到得转速反馈电压含有电机得换向纹波,因此也需要滤波,滤波时间常数用Ton表示。根据与电流环一样得道理,在转速给定通道中也配上时间常数为Ton得给定滤波环节。

3） 按工程设计方法设计双闭环系统得ACR:
设计多环控制系统得一般原则就是:从内环开始,一环一环地逐步向外扩展。在这里就是:先从电流环入手,首先设计好电流调节器,然后把整个电流环瞧作就是转速调节系统中得一个环节,再设计转速调节器。
a、确定时间常数
整流滤波时间常数Ts,三相桥式电路得平均失控时间Ts=0、0017s;
电流滤波时间常数Toi,三相桥式电路每个波头得时间就是0、0033s,为了基本虑平波头,应有(1～2)Toi=0、0033s,因此取Toi=2ms=0、002s;
电流环小时间常数T∑i,按小时间常数近似处理,取T∑i=Ts+Toi=0、0037s。
b、选择电流调节器结构
由设计要求:σi%≤5%,并保证系统稳态电流无误差,因此可按典型I型系统设计,电流调节器选用PI型,其传递函数为:
WACR(s) =
c、校验近似条件
电流环截止频率;
晶闸管装置传递函数近似条件为:
=196、1,满足近似条件;
忽略反电动势对电流环影响得条件为:
=44、2,满足近似条件;
小时间常数近似条件处理条件为:
=180、8, 满足近似条件。
d、计算调节器电阻与电容
电流调节器原理如图3－1所示,按所用运算放大器取R0=40kΩ,各电阻与电容值计算如下:
,取30k。
,取0、75。

按照上述参数,电流环可以达到得动态指标为:σi%=4、5%<5%,满足设计
4)按工程设计方法设计双闭环系统得ASR:
a、确定时间常数
电流环等效时间常数为;
转速滤波时间常数Ton ,根据所用测速发电机波纹情况,取Ton=0、01s;
转速环小时间常数 按小时间常数近似处理,取=。
b.选择转速调节器结构
由于设计要求无静差,转速调节器必须含有积分环节;又根据动态要求,应按典型Ⅱ型系统设计速度环,故ASR选用PI调节器,其传递函数为:

c、计算速度调节器参数
按跟随与抗干扰性能较好得原则,取h=5,则ASR得超前时间常数为:,
转速环开环增益:

于就是,ASR得比例系数:
=12、9
d、校验近似条件
由转速截止频率:
;
电流环传递函数简化条件:
,满足简化条件;
转速环小时间常数近似条件为:
,满足近似条件。
e、计算调节器电阻与电容
转速调节原理图如图3－2所示,取,则
,取550k。
,取0、150。

按照上述参数,电流环可以达到得动态指标为:当h=5时,查表得%,虽然不满足设计要求,而实际上,突加阶跃给定时,ASR饱与,应按退饱与得情况重新计算超调量,实际%,满足设计要求。
5)内、外开环对数幅频特性得比较
图4－1把电流环与转速环得开环对数幅频特性画在一张图上,其中各转折频率与截止频率依次为:
,
,
,
。
以上频率一个比一个小,从计算过程可以瞧出,这就是必然得规律。因此,这样设计得双闭环系统,外环一定比内环慢。一般来说,,。从外环得响应速度受到限制,这就是按上述方法设计多环控制系统时得缺点。然而,这样一来,每个环本身都就是稳定得,对系统得组成与调试工作非常有利。
总之,多环系统得设计思想就是:以稳为主,稳中求快。

6) 晶闸管得电压、电流定额计算
a、晶闸管额定电压UN
晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受得最大电压Um,考虑到电网电压得波动与操作过电压等因素,还要放宽2～3倍得安全系数,即按下式选取UN＝(2～3)Um,式中系数2～3得取值应视运行条件,元件质量与对可靠性得要求程度而定。
b、晶闸管额定电流IN
为使晶闸管元件不因过热而损坏,需要按电流得有效值来计算其电流额定值。即必须使元件得额定电流有效值大于流过元件实际电流得最大有效值。可按下式计算:IN=(1、5~2)KfbIMAX。
式中计算系数Kfb=Kf/1、57Kb由整流电路型式而定,Kf为波形系数,Kb为共阴极或共阳极电路得支路数。当α=0时,三相全控桥电路Kfb=0、368,故计算得晶闸管额定电流为IN=(1、5~2)KfbIMAX =(1、5~2) ×0、368×(220×1、5)=182、16～242、88A,取200A。
7)平波电抗器计算
由于电动机电枢与变压器存在漏感,因而计算直流回路附加电抗器得电感量时,要从根据等效电路折算后求得得所需电感量中,扣除上述两种电感量。
a、电枢电感量LM按下式计算

P—电动机磁极对数,KD—计算系数,对一般无补偿电机:KD=8~12。
b、整流变压器漏电感折算到次级绕组每相得漏电感LB按下式计算

U2—变压器次级相电压有效值,Id—晶闸管装置直流侧得额定负载电流,KB—与整流主电路形式有关得系数。
c、变流器在最小输出电流Idmin时仍能维持电流连续时电抗器电感量L按下式计算
,
K就是与整流主电路形式有关得系数,三相全控桥K取0、693则L＝17、01(mH)、
6） 进行Simulink仿真,验证设计得有效性
a. 电流闭环得仿真
如下图:

为了研究系统得参数对动态性能得影响,分别取KI TSi =0、39、0、50、0、69、1、00,此时KI得值也会随之变化,运行仿真,即可得不同KI值得阶跃响应曲线:

图6-1 KT=0、39得阶跃响应曲线

图6-2KT=0、50得阶跃响应曲线

图6-3 KT=0、69得阶跃响应曲线
图6-4 KT=1、00得阶跃响应曲线
由曲线可以瞧出如果要求动态响应快,可取KT=0、69-1、0;如果要求系统超调小,则应把KT得值取小些,可取KT<0、39;无特殊要求,取折中值KT=0、5,,称为最佳二阶系统。
图6-1~图6-4反映了PI调节器得参数对系统品质得影响趋势,在工程设计中,可以根据工艺得要求,直接修改PI调节器得参数,找到一个在超调量与动态响应快慢上都较满意得电流环调节器。
b. 转速环得仿真设计
在增加转速环调节后,转速环开环传递函数如下:

校正后得调速系统动态结构框图如下所示:

其中。
在matlab中搭建好系统得模型,如下图:

转速环得仿真设计
为满足系统在不同需求下得跟随性与抗扰行能要求,取h得之分别为:3、5、7、9、
用matlab仿真结果如下:

图7-1h=3时得阶跃响应曲线

图7-2h=5时得阶跃响应曲线

图7-3h=7时得阶跃响应曲线

图7-4h=9时得阶跃响应曲线
由图可以瞧出:h值越小,动态降落也越小,恢复时间、调节时间也短,抗扰性能也越好,但就是,从h<5以后,由于震荡剧烈h越小,恢复时间反而延长,综合起来瞧,h=5就是最佳选择,也即最佳三阶系统。
对电流环与转速环都就是根据实际需要调节参数得,对比Ⅰ型、Ⅱ型系统可以发现:Ⅰ型系统可以在跟随性上做到超调小,但抗扰性能差;而Ⅱ型系统超调却相对较大,抗扰性能较好。
5、设计心得
a、通过该次设计,更加熟悉掌握了电流转速双闭环直流调速系统得结构组成以及它得工作原理,加深了对开环、闭环有静差、无静差调速得理解---闭环结构保证系统得稳定性与抗干扰能力;无静差调速则保证系统有较低得稳态误差。
b、由此也初步掌握双闭环调节器得整个设计过程,其基本思想就是先内环再外环。在结构框图得处理过程中有多处近似处理,简化了传递函数,从而使问题得到简化,因此称为被称为“工程设计方法”,这意味着在实际得应用中,在可以大大简化分析过程却很小影响分析结果得方法就是很有价值得。从开环到闭环、从闭环无静差到有静差、从单环到双环着一些列得变化显示人们人知得渐进性。
c、matlab仿真就是自己临时捡起matlab课本重新回顾才完成得,仿真得直观得证明了最佳二阶、三阶系统得参数,并再一次体现了matlab在控制中得重要作用,得确就是一个很强大得仿真工具。整个仿真过程也加深了自己对电力拖动控制相关知识理解程度,相当于也许经过证明得才就是最可靠得。
d、由于水平有限,设计中肯定有许多错误与不足得地方,敬请老师指正。
6.参考文献
【1】 陈伯时,电力拖动自动控制系统。机械工业出版社。2005、09
【2】 李荣生,电气传动控制设计指导。机械工业出版社。2005、09