转速电流双闭环调试系统与改进

转速﹑电流双闭环控制直流调速系统

的设计与仿真

专业：电气工程及其自动化

班级：电气1205

成员：国志超、董凯、刘小飞

日期：2015年5月10日

一、 预备知识

1.转速﹑电流双闭环控制直流调速系统介绍

直流调速系统，传统上采用速度和电流的双闭环调速。这是从单闭环自动调速系统发展起来的。采用PI 控制器的单闭环系统，虽然实现了转速的无静差调速，但因其结构中含有电流截止负反馈环节，限制了起制动的最大电流。加上电机反电势随着转速的上升而增加，使电流达到最大值之后迅速降下来。这样，电动机的转速也减小下来，使起动过程变慢，起动时间增长。为了提高生产率和加工质量，要求尽量缩短过渡过程时间。我们希望使电流在起动时始终保持在最大允许值上，电动机输出最大转矩，从而可使转速直线上升过渡过程时间大大缩短。另一方面，在一个调节器的情况下，输入端综合几个信号，各参数互相影响，调整也比较困难。为获得近似理想的起动过程，并克服几个信号在一处的综合的缺点，经研究与实践，出现了转速、电流双闭环调速系统。

2.理想启动过程

对于经常正﹑反转运行的调速系统，尽量缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大允许电流和转矩受限制的条件下，应该充分利用电机的过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形示于下图。这时，起动电流呈方形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。

理想起动过程波形

3. 转速﹑电流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，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,如下图所示。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

t

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。

转速﹑电流双闭环直流调速系统

双闭环直流调速系统电路原理图

二、设计参数

直流电动机

U N=220 v n N=1500 r/min

I N=100 A

Ce= v*min/r

允许过载倍数λ=

晶闸管装置放大系数

K S=50

电枢回路总电阻

R=Ω

时间常数

T L= T s= T m=

转速反馈系数

α= V*min/r

电流反馈系数

β= V/A

三、按工程设计方法设计双闭环系统的调节器

双闭环调速系统的动态结构框图

1.电流调节器的设计

在电流环的设计中，从稳态要求

上看，希望电流无静差，以得到理想

的堵转特性，有右图可以看出，采用

I型系统就可。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

是有太大的超调，以保证电流在动电流环简化图

态过程中不超过允许值，而对电网电

压波动的及时抗扰性知识次要的因素。为此，电流环以跟随性能为主，即应选用

典型I 型系统。

上图表明，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 型电流调节器。

参数计算

1．确定时间常数

① 整流装置滞后时间常数Ts ，

三相桥式电路的平均失控时间：Ts=≈ 电流滤波时间常数oi T ：s T oi 0023.0= ③ 电流环小时间常数之和i T ∑,按小时间常数近似处理，取

s s s T T T oi S i 004.00023.00017.0=+=+=∑

2．选择电流调节器结构

根据设计要求电流超调量%5

s

s k s W i i i ACR ττ)

1()(+=

式中 i k ——电流调节器的比例系数；

i τ——电流调节器的超前时间常数。 检查对电源电压的抗扰性能

5004

.002

.0==∑i T T L 3．计算电流调节器参数

① 电流调节器超前时间常数:s T L i 02.0==τ ② 电流环开环增益：要求

i ≤5%，按表2-2，应取I K i T ∑=，因此

1125004.05

.05.0-∑===

s s

T K i I 于是，ACR 的比例系数为

5.005

.0505

.002.0125=???==

βτS i I i K R K K

4．校验近似条件

电流环截止频率：1125-==s K I ci ω ① 晶闸管整流装置传递函数的近似条件

111251.1960017

.03131-->=?=s s T S 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

1112543.4702

.02.01

313

--<=??=s s T T L m 满足近似条件。

③ 电流环小时间常数近似处理条件

111255.1680023

.00017.01

31131-->=?=s s T T oi S

满足近似条件。

5．计算调节器电阻和电容 取KΩ=400R ，各电阻和电容值为

KΩ=KΩ?==20405.00R K R i i ，取KΩ=20i R

F F R C i

i

i μτ110

2002

.03

=?=

=

， 取uF C i 1= F F R T C oi oi μ23.010400023

.0443

0=??==

，取F C oi μ23.0= 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为%5%3.4<=i σ，满足设计要求。

2. 转速调节器的设计

用电流环的等效环节代替上图中的电流环后，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)(*

s U n

/α，再把时间常数为1/I K 和on T 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为n T ∑的惯性环节，其中

on I

T K T n +=

∑1

则转速环结构框图可简化成下图。

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（见上图）。现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。

参数计算

1. 确定时间常数

① 电流环等效时间常数

I

K 1 由

5.0=∑i I T K

知

s s T K i I

008.0004.0221

=?==∑ ② 转速滤波时间常数on T

s T on 01.0=

③ 转速环小时间常数n T ∑

s T K T on I

n 018.001.0008.01

=+=+=

∑ 2．转速调节器选择结构

按照设计要求，选用PI 调节器，其传递函数为

s

s K W n n n ASR ττ)

1(+=

式中 n K ——转速调节器的比例系数； n τ——转速调节器的超前时间常数。 3．计算转速调节器参数

① 按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR 的超前时间常数为

s hT n n 09.0018.05=?==∑τ

② 由式(4-14)可求得转速环开环增益

K N =

1

2

22237.370018

.052621-∑=??=+s T h h n 于是，由式可得ASR 的比例系数为

867.8018

.05.001.0522

.0133.005.062)1(=???????=+=

∑n m e n RT h T C h K αβ

4．检验近似条件

转速环截止频率

11

33.3309.037.370-=?===

s K K n N N

cn τωω

① 校验电流环传递函数简化条件是否满足

111

33.33926.58004

.01253131---∑>==s s s T K i I

满足简化条件。

② 校验转速环小时间常数近似处理条件是否满足

111

33.3326.3701

.01253131--->==s s s T K on I

满足近似条件。

5．计算转速调节器的电路参数

含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI 型转速调节器原理图如图所示。取

KΩ=400R ，各电阻和电容值计算如下

KΩ=?==68.35440867.80R K R n n ，取KΩ=360n R

F F R C n

n

n μτ25.010

36009

.03

=?=

=

，取F C n μ25.0= F F R T C on on μ1104001

.0443

0=??==

，取F C on μ1= 6．校核转速超调量

当h=5时，查表2-6得%6.37=n σ,不能满足%10≤n σ。实际上，表2-6是按线性系统计算的超调量，而突加阶跃给定时，ASR 饱和，不符合线性系统的前提，具有饱和非线性特性。所以，应按ASR 退饱和的情况重新计算超调量。 三. 按退饱和超调量的计算方法计算转速超调量n σ

设理想空载起动时0=z ，当5=h 时，查表2-7得：

%2.81max

=?b

C C min 94.375133

.05

.0100r C RI n e dN N =?==

? 则

%10%83.72.0018

.0150094.3755.12%2.81)(2*max <=????=?-?=

∑m

n N b n T T n n z C C λσ 能满足设计要求。

四、 仿真结构框图

仿真波形图

1.空载启动

由仿真波形可以看出，利用转速电流双闭环（PI调节器）调速系统的性能还是十分优越的，具体表现在：

○1波形稳定，转速稳定在额定转速1500r/min，无静差；电流稳定在额定电流100A，无静差；

○2超调量小，空载起动时理论算出超调量为%，实际测得波形最大转速约1620 r/min，超调量为（1620-1500）/1500*100%=8%，基本与理论值相同，也满足超调小于10%的要求。

○3调节时间短，由图可看成调节时间约为秒。

2.额定负载起动

当电机加额定负载起动时，可以看出系统的稳定性依旧良好，波形稳定，与空载起动相比超调量减小，调节时间加长。

原因：超调量减小是由于：转速超调后，ASR进入退饱和状态，I d很快下降，但只要I d大于I dL，转速就继续上升，加入额定负载后，负载电流I dL增大，所以I d降至I dL 的时间缩短，转速上升减少，所以超调量降低

加入额定负载，电机启动时间加长，调节时间也会相应加长，由图可看出约为秒

3过载启动

当加大I dL至130A时（额定电流100A，过载系数λ=）时，系统过载起动，可以看出转速稳定在1500r/min，电流起动时为130A，起动完成后稳定在100A，超调量较额定负载时减小，调节时间增长，原因同上。

4、扰动影响

○1空载起动，1秒时加额定负载

可以看出1秒时存在调节过程，最终结果符合预期，转速电流均稳定，且与额定值无静差。

○2空载起动，2秒时加超极限负荷（I dL=170A）

允许过载倍数为倍，也就是说负荷电流最大为150A ,超过这个值将超出电机的承受能力，电机带不动负荷，会被负荷转矩逐渐制动直至反转，这种状态是不允许出现的。

由图可以看出当负荷超过电机允许最大负荷电流时，电机电流最大只能达到150A，并稳定，电机转速逐渐下降至反转，直到负载转矩等于励磁转矩与摩擦转矩之和，电机反向稳定（理论上，实际中不允许出现）。

五、

对系统的改进

双闭环调速系统具有良好的稳态和动态性能，结构简单，工作可靠，他是一种性能很好，应用最广的调速系统。然而由于转速调节采用PI调节器，超调必然存在。在某些不允许超调或对动态抗扰性能要求很高的地方，就显得无能为力。

解决这一问题的一个简单有效的方法就是在转速调节器上增设转速微分负反馈，这个环节可以抑制甚至消灭超调，同时大大降低动态速降。

带转速微分负反馈的转速调节器

简化后的结构框图

1+τdn s

参数计算

dn dn

R C

τ=

0dn dn dn

T R C

=

选定

odn on

T T

== 则只要求出

dn

τ，则微分电容和微分电阻就可求出。按《电力拖动自动控制系统》中的工程设计方法，当0

σ=时，得

τdn=066

.0

018

.0

6

22

1

h

2

4

n

=

?

=

+

+

∑

T

h

系统仿真结构图

转速微分负反馈环节

仿真波形图

与原系统对面可以明显发现，系统的超调量得到明显抑制，几乎消灭了超调，但是调节时间略有加长，由增加至约为1s，这是由于ASR退饱和过程增长，但总体来说电机性能得到提高。

同时，我们注意到电流调节过程中略有波动，但稳定后平稳，考虑到加入了微分环节，出现震荡是难免的，而且震荡很小，对稳定性也没有影响，可以忽略。

额定负载起动对比

与空载起动时的对比结果一致，主要是大大抑制了超调，不再赘述。

抗扰性

与原系统比较可以看出，加入转速微分负反馈环节后，系统的抗扰性能较加入前也有一定提升，调节过程更为平缓，转速下降变小，但同时可以看出，电流调节会出现震荡，这是微分环节的特性，不过震荡较小，也不影响电流稳定后的平稳性。

综上，我们可以看出，加入微分环节后对系统的稳定性几乎没有影响，但对超调的抑制大大加强，提高了电机的性能，唯一不利的是增大了调节时间，不过从仿真结果看增加并不十分明显，整体而言还是对系统的一种良好改进。

六设计总结

在本次设计中，我们对转速、电流双闭环直流调速系统的组成、数学模型、静特性和动态性能有了总体的认识，并对调节器的工程设计方法有了深刻的理解，从而才具备了清晰的设计思路来完成本次设计。对工程设计方法进行了解后，结合教材所学内容，就可以对设计方案进行选择。在对转速环和电流环作了相应的简化后，依据设计所需要的静特性与动态性能确定系统的型别及选用的调节器类型。通过对电力拖动自动控制系统的学习，我们了解到了单闭环系统在运用中存在一些缺点和不足，为了弥补这个不足，我们引入了转速﹑电流双闭环系统，它是通过转速负反馈和电流负反馈两个环节分别起作用来设计的，进而达到我们所期望的效果。其次，我们在双闭环的基础上，又加上了转速微分环节，使系统的性能得到进一步提升，也是我们通过合作讨论得出来的成果。

通过这次设计，运用理论上所掌握的知识来独立发现问题、思考问题、解决问题的能力，在这次课程设计中我们又一次重新学习了MATLAB及系统的控制仿真，使我们对MATLAB有了进一步的了解和认识。同时也对比例积分调节器的功能有了进一步的认识，使我们各方面的能力都有了很大的提高。