v-m双闭环直流调速系统

引言 (1)

1.双闭环直流调速系统介绍 (2)

1.1闭环调速系统的组成 (2)

1.2转速﹑电流双闭环直流调速系统的组成 (2)

1.3 起动过程分析 (5)

2设计ACR和ASR的电路并计算参数 (8)

2.1电流环设计 (8)

2.1.1确定时间常数 (9)

2.1.2选择电流调节器结构 (9)

2.1.3选择电流调节器参数 (9)

2.1.4 校验近似条件 (10)

2.2转速环动态结构图及简化： (11)

2.2.1 确定时间常数 (12)

2.2.2 选择转速调节器结构 (12)

2.2.3 选择转速调节器参数 (12)

2.2.4 校验近似条件 (14)

3.系统仿真 (15)

3.1 电流环的仿真设计 (15)

3.2 转速环的仿真设计 (15)

3.3 双闭环直流调速系统的仿真设计 (17)

4.设计心得： (19)

参考资料 (20)

引言

在工业生产中，许多生产机械为了满足生产工艺要求，需要改变工作速度：例如，金属切削机床，由于工件的材料、被加工的尺寸和精度的要求不同，速度就不同。另外轧钢机，因为轧制品种和材料厚度的不同，也要求采用不同的速度。

生产机械的调速方法可以采用机械的方法取得，但是机械设备的变速机构较复杂，所以在现代电力拖动中，大多数采用电气调速方法。电气调速就是对机械的电动机进行转速调节，在某一负载下人为地改变电动机的转速。

直流电动机具有良好的起动、制动性能，适宜在较大范围内调速．在许多需要高性能可控电力拖动领域中得到广泛的应用。近年来交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它是交流拖动控制系统的基础，所以应该很好地掌握直流调速系统。

目前，转速﹑电流双闭环控制直流调速系统是性能很好﹑应用最广泛的直流调速系统。我们知道采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足需要。所以需要引入转速﹑电流双闭环控制直流调速系统，本文着重研究其控制规律﹑性能特点和设计方法。首先介绍转速﹑电流双闭环调速系统的组成，接着说明该系统的静特性和动态特性，最后用工程方法设计转速与电流两个调节器。

在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，首先要具有较高的机电能量转换效率；其次应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此，调速技术一直是研究的热点。

1.双闭环直流调速系统介绍

1.1闭环调速系统的组成

根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。

调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统可以大大减少转速降落。

图1 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图

上图为带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图。在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机TG ，从而得出与被调量转速成

正比的负反馈电压n U ，与给定电压*

n U 相比较后，得到转速偏差电压n U ，经过

放大器A ，产生控制电压c U 输入到电力电子变换器UPE 中，用来控制电动机转速n 。图中，UPE 是由电力电子器件组成的变换器，它的输入端接三相交流电源，输出为可控的直流电压d U 。

1.2转速﹑电流双闭环直流调速系统的组成

采用PI 调节器组成速度调节器ASR 的单闭环调速系统，既能得到转速的无静差调节，又能获得较快的动态响应。从扩大调速范围的角度来看，他已基本满

足一般生产机械对调速的要求。但是对于系统的快速启动、突加负载动态速降等，单闭环系统还不能满足要求。有些生产机械经常处于正反转工作状态，为了提高生产率，要求尽量缩短启动、制动和反转过度过程的时间，当然可用加大和过渡过程中的电流，即加大动态转矩来实现，但电流不能超过晶闸管和电动机的允许值。为了解决这个矛盾，可以采用电流截止负反馈环节。它与转速负反馈调速系统结合在一起，可以专门用来控制电流。但它只能是在超过临界电流dcr I 值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，由于电流截止负反馈只能限制最大电流，电动机转矩也随电流的减小而下降，使启动加速过程变慢，启动的时间也比较长，带电流截止负反馈的单闭环调速系统启动过程的波形如图2a 所示。为了提高生产率和加工质量，要求大量缩短其过渡过程的时间。我们希望能充分利用电动机所允许的过载能力，使启动时的电流保持在最大允许值上，电动机输出最大转矩，从而转矩可直线迅速上升，到达稳态转速后，迫使电流迅速下降，使转矩与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形示于图2b 。其中b 比a 中调节时间要小，为了能实现在允许条件下最快启动，依照反馈控制规律，采用转速、电流双闭环调速系统能够达到上述要求。 d I n

dL I dm I n

dL I

0 t

a ）带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程

I n

d

I

dm

n

I

dL

0t

b）理想的快速起动过程

图2直流调速系统起动过程的电流和转速波形

为了实现转速和电流的调节作用，在系统中设置了两个调节器，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。两者之间实行串级连接,转速和电流双闭环调速系统如图2.3所示。从图中可看出，本系统具有两个反馈回路，称为双闭环。其中一个只由电流调节器ACR及电流检测反馈环节构成的电流环，另一个是由转速调节器ASR和转速检测反馈环节构成的速度环。从结构上分析知道，转速环包围电流环，故又称电流环为内环，称转速换为外环。在电路中ASR 和ACR实行串级连接，即由ASR控制ACR，而ACR又控制触发电路，图中ASR和ACR均采用比例积分（PI）调节器，其输入和输出均采用限幅电路。

图3 转速﹑电流双闭环直流调速系统

ASR—转速调节器ACR—电流调节器TG—测速发电机

TA—电流互感器UPE—电力电子变换器

*

n

U —转速给定电压 n U —转速反馈电压 *i U —电流给定电压 i U —电流反馈电压

1.3 起动过程分析

双闭环直流调速系统突加给定电压gn

U 由静止状态起动时，转速调节器输出电压

gi

U 、

电流调节器输出电压

k

U 、可控整流器输出电压

d

U 、电动机电枢电流

a

I 和转速n 的动态响

应波形过程如图4所示。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Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个阶段。

图4 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形

第一阶段是电流上升阶段。当突加给定电压

gn

U 时，由于电动机的机电惯性

较大，电动机还来不及转动（n=0），转速负反馈电压0

=fn U ，这时，

fn gn n U U U -=?很大，使ASR 的输出突增为gio U ，ACR 的输出为ko U

，可控整流器的输出为do U ，使电枢电流a I 迅速增加。当增加到L

a I I ≥（负载电流）时，

s

L g e k K R I n C U ∑+=

电动机开始转动，以后转速调节器ASR 的输出很快达到限幅值gim U

，从而使电

枢电流达到所对应的最大值am I （在这过程中d k U

U ,的下降是由于电流负反馈所

引起的），到这时电流负反馈电压与ACR 的给定电压基本上是相等的，即

am

fi gim I U U β=≈ （1-3）

式中，β——电流反馈系数。

速度调节器ASR 的输出限幅值正是按这个要求来整定的。

第二阶段是恒流升速阶段。从电流升到最大值am I

开始，到转速升到给定值为止，这是启动过程的主要阶段，在这个阶段中，ASR 一直是饱和的，转速负

反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统表现为恒流调节。由于电流a

I

保持恒定值am I

，即系统的加速度dt dn /为恒值，所以转速n 按线性规律上升，

由n

C R I U e am d +=∑知，d U 也线性增加，这就要求k U 也要线性增加，故在启动过程中电流调节器是不应该饱和的，晶闸管可控整流环节也不应该饱和。 第三阶段是转速调节阶段。转速调节器在这个阶段中起作用。开始时转速

已经上升到给定值，ASR 的给定电压gn U 与转速负反馈电压fn U

相平衡，输入偏

差n

U ?等于零。但其输出却由于积分作用还维持在限幅值gim U ，所以电动机仍在

以最大电流am I

下加速，使转速超调。超调后，0,0n fn U U ，使ASR 退出饱

和，其输出电压（也就是ACR 的给定电压）gi U 才从限幅值降下来，d

k U U 与也

随之降了下来，但是，由于a

I 仍大于负载电流L I ，在开始一段时间内转速仍继续上升。到L a I I ≤时，电动机才开始在负载的阻力下减速，知道稳定（如果系统的动态品质不够好，可能振荡几次以后才稳定）。在这个阶段中ASR 与ACR 同时发挥作用，由于转速调节器在外环，

ASR 处于主导地位，而ACR 的作用则力图使a I

尽快地跟随ASR 输出gi U 的变化。

稳态时，转速等于给定值g n ，电枢电流a I

等于负载电流L I ，ASR 和ACR 的输入偏差电压都为零，但由于积分作用，它们都有恒定的输出电压。ASR 的输出电压为

L

fi gi I U U β== （1-4）

ACR 的输出电压为

（1-5）

由上述可知，双闭环调速系统，在启动过程的大部分时间内，ASR 处于饱

和限幅状态，转速环相当于开路，系统表现为恒电流调节，从而可基本上实现理想过程。双闭环调速系统的转速响应一定有超调，只有在超调后，转速调节器才能退出饱和，使在稳定运行时ASR发挥调节作用，从而使在稳态和接近稳态运行中表现为无静差调速。故双闭环调速系统具有良好的静态和动态品质。

综上所述，双闭环调速系统的起动过程有以下三个特点：

（1）饱和非线形控制：随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态，在不同情况下表现为不同结构的线形系统，只能采用分段线形化的方法来分析，不能简单的用线形控制理论来笼统的设计这样的控制系统。

（2）转速超调：当转速调节器ASR采用PI调节器时，转速必然有超调。转速略有超调一般是容许的，对于完全不允许超调的情况，应采用其他控制方法来抑制超调。

（3）准时间最优控制：在设备允许条件下实现最短时间的控制称作“时间最优控制”，对于电力拖动系统，在电动机允许过载能力限制下的恒流起动，就是时间最优控制。但由于在起动过程Ⅰ、Ⅱ两个阶段中电流不能突变，实际起动过程与理想启动过程相比还有一些差距，不过这两段时间只占全部起动时间中很小的成分，无伤大局，可称作“准时间最优控制”。采用饱和非线性控制的方法实现准时间最优控制是一种很有实用价值的控制策略，在各种多环控制中得到普遍应用。

2设计ACR 和ASR 的电路并计算参数

按照“先内环后外环” 的设计原则，从内环开始，逐步向外扩展。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 。

图5 双闭环调速系统动态结构图

2.1电流环设计

电流环动态结构图及简化：

图6 电流环动态结构简化图

U *n

α

U ct

-I dL

n

U d0

U n

+ -

- β

- U i

W ASR (s)

W ACR (s) K s T s s+1

1/R T l s+1

R T m s

U *i

I d

1/C e +

E

-11U K U d0(s )+

U i (s )

ACR

/R

T l s+*i (s )

U c (s )

s T s s+1I d (s )

β

T 0i s+1

1

T 0i s+1

则电流环结构图最终简化成图7

+

-

ACR

U c (s )

βK s /R

(T l s+1)(T ∑i s+1)

I d (s )

U *i (s )

β

图2-23c

图7 小惯性环节的近似处理

2.1.1确定时间常数

根据已知数据得 ，三相桥式晶闸管整流电路的平均后时间0.0017sT ，取电流反馈滤波时间常数，可得电流环的小时间常数为0.002oiT ，可得电流环的小时间常数为

s s s T T T i i o s 0037.0002.00017.0=+=+=∑

2.1.2选择电流调节器结构

109.180037

.007

.0>==∑i T T l

但由于对电流超调量有较严格要求，而抗扰指标却没有具体要求，因此电流环仍按典型I 型系统设计。电流调节器选用PI 调节器，其传递函数为

s

s K S W i i i

ACR ττ1

)(+= 2.1.3选择电流调节器参数

积分时间常数：

s T l i 07.0==τ

为满足δi %≤5%，取电流环开环增益K I 为：

1114.135)

0037.02(121--∑=?==

s s T K i I

电流调节器比例系数K I 为：

27.384

.37218.085

.207.014.135=???==S i I

i K R K K βτ 取调节器的输入电阻R0=20K ，则电流调节器的各参数为：

Ω

Ω?==k k R K R o i i 62,2027.3取

F F R C i i

i μμτ1,13.110621007.03

6取=??==

F F F R T C i oi oi μμμ47.0,4.010

2010002.04435

取=???==

根据上述参数可以达到的动态指标为：

%5%3.4%≤=i δ 故能满足设计要求。

2.1.4 校验近似条件

电流环截至频率：

114.135-==s K I ci ω

晶闸管装置传递函数近似条件为：

s

ci T 31

≤

ω 又有：

ct s s s T ω>=?=--111.1960017

.03131

故该近似条件满足。 小时间常数近似处理条件为：

)/(13

1

oi s ci T T ≤ω

则

ct oi s s s T T ω>=?=--118.180)002.00017.0/(131)/(13

1

故该近似条件满足。

2.2转速环动态结构图及简化：

图8用等效环节代替电流环的转速环的动态结构图

最后简化图

图9 等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理的转速环结构框图

n (s )

+

- U n (s )

ASR C e T m s

R U *n (s ) I d (s )

α T 0n s+1 1 T 0n s+1

U *n (s )

11

1+s K I

β

+

-

I dL (s )

2.2.1 确定时间常数

为故转速反馈系数因αα,*

nom n n U =

r V r V n U nom n min/0067.0min/1500

10*

===α

电流环的等级时间常数为 0.0074s 。取转速反馈滤波时间常数 0.01s ，转速环的时间常数为：

s s s T T T on i n 0174.001.00074.02=+=+=∑∑

2.2.2 选择转速调节器结构

设计要求中虽然允许系统有静差，转速调节器的稳态放大系数很大，因此转速调节器如采用比例调节器，将很难满足稳定性要求。为此，转速调节器采用近似PI 调节器，按典型II 型系统进行设计。可证明，当近似PI 调节器的稳态放大系数很大时，其传递函数可表示为

s

s K

S W n n ASR ττ1

)(+= 2.2.3 选择转速调节器参数

按跟随性能和抗扰性能较好的原则选择h=5，求出转速超调量δ%和过渡过程时间ts 。如果能够满足设计要求，则可根据所选的h 值计算有关参数；否则要改变h 值重新进行计算，直到满足设计要求为止。 当h=5时，ASR 退饱和超调量为：

∞→∑?-?=x m

n mon b n Z T n T n z C C lim )(2%)(

%*m ax

λδ

式中λ为电动机允许过载系数，按题意λ =2.1；z 为负载系数，设为理想空载起动，则z=0;

e

nom mon m n mon

b C R

I n T T n z C =??-=∑,)(2λ 当h=5时，%2.81%)(

max

=?b

C C 故起动到额定转速，即n = 1500时，退饱和超调量为δ=9.2%小于10%，满足设计要求。

空载起动到额定转速的过渡过程中，由于在大部分时间内ASR 饱和而不起调节作用，使过渡过程时间ts 延长，ts 可表示为 ts=t0+t2, 其中t2为恒流升速时间，t0是退饱和超调过渡过程时间.

s

s I R n T C t nom nom m e 31.05.171.285.21500

162.0132.02=????==

λ

退饱和超调过渡过程时间等于动态升速的回复时间。当h=5时，

s T s t n 135,0,8.80==∑但恢复时间是按误差为计b C %5算的。这里

，min /4.170/,222r T C RT I TN K C m e n nom b ===∑λ故min /5.8%5r C b =。这就是说，转速进入8.5r/min 的恢复时间为0.135s 。但这里的恢复时间应按转速进入mon n %5来计算，由于min

/75%5r n mon =，显然所需时间将小于0.135s ，故可忽略

不计，于是t 。可见，能满足设计要求。这样，就可以根据h=5选择转速调节器的参数。

ASR 的时间常数为

s s hT n n 087.00174.05=?==∑τ

转速环开环增益为

2222

4.3960174.0506

2)1(--∑=?=+=

s s T h h K n

n ASR 比例系数为

4.80174

.085.20067.010162.0132.0218.062)1(=??????=+=

∑n m e n RT h T C h K αβ

如去调节器输入电阻Ro=20k ，则

F F R T C F F R C k k R K R n on on n n

n o n n μμμμτ2,210201001.04447.054.010*******.0k 160,168204.83

6

3

8

取，取取=???===??==Ω

Ω=Ω?==

2.2.4 校验近似条件

转速环截止频率为

1

11

5.43087.04.396--=?===

s s K K n N N

cn τωω

电流闭环传递函数简化条件为现,51

i

cn T ∑≤

ω cn i s T ω>=?=-∑11-1.54s 0037

.05151 故满足该简化条件。 小时间常数近似处理条件为：

)2/(13

1

on i cn T T ∑≤

ω 故满足该简化条件。

cn on i cn s s T T ωω>=??=≤--∑1175.38)01.00037.02/(13

1)2/(131

3.系统仿真

3.1 电流环的仿真设计

校正后电流环的动态结构框图经过化简和相关计算，在matlab中搭建好系统的模型，如下图：

图10 电流环的仿真模型

图11 电流环的仿真结果

3.2 转速环的仿真设计

校正后电流环的动态结构框图经过化简和相关计算，在matlab中搭建好系统的模型，如下图：

图112 转速环的仿真模型

图13 转速环的仿真结果

3.3 双闭环直流调速系统的仿真设计

图12 V-M双闭环直流调速系统图

图13 双闭环的仿真结果

4.设计心得

这次电力拖动自动控制系统历时一个星期，在整整一个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

1.学习是没有止境的。在做这个课程设计之前，我一直以为自己的理论知识学的很好了。但是在完成这个设计的时候，我总是被一些小的，细的问题挡住前进的步伐，让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。并且我在做设计的过程中发现有很多东西，我都还不知道。其实在计算设计的时候，基础是一个不可缺少的知识，但是往往一些核心的高层次的东西更是不可缺少。

2.多和同学讨论。我们在做课程设计的工程中要不停的讨论问题，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向，并且这样也是为了方便最后程序和在一起。讨论不仅是一些思想的问题，他还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的人处理问题要快一些。

3.多改变自己设计的方法。在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题。