双闭环直流调速系统的设计

信息科学与工程学院课程设计2010-2011 学年第二学期课程名称：双闭环直流调速系统的设计班级：学号：姓名：指导教师：2011 年6月双闭环直流调速系统的组成结构与原理双闭环调速系统是建立在单闭环自动调速系统上的，实际的调速系统除要求对转速进行调整外, 很多生产机械还提出了加快启动和制动过程的要求,这就需要一个电流截止负反馈系统。

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行嵌套连接。

即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晶闸管整流器的触发装置。

从闭环结构上看，电流环在里面称内环；转速环在外面称外环。

这就构成了转速、电流双闭环调速系统。

原理：电动机在启动阶段①突加给定电压*n U ，d I 随着上升，当d dl I I ≥后电机开始转动,转速调节器的输入端存在偏差信号*n nn U U U ∆=-,经放大后输出的电压保持为限幅值*im U ,使d I 迅速上升到*,d dm i im I I U U ≈≈，转速调节器工作在开环状态。

② 电动机以最大电流恒流加速启动。

电动机的最大电流(堵转电流)可以通过整定转速调节器的输出限幅值来改变。

③在电动机转速上升到给定转速*0n n =后, 转速调节器输入端的偏差信号减小到近于零,但其输出由于积分作用，是转速超调，转速调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。

对负载引起的转速波动,转速调节器输入端产生的偏差信号将随时通过转速调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压,使整流桥输出的直流电压相应变化,从而校正和补偿电动机的转速偏差。

·采用转速电流双闭环的理由在要求较高的调速系统中，一般有两个基本要求：一是能够快速启动制动；二是能够快速克服负载、电网等干扰。

通过分析发现，如果要求快速起动，必须使直流电动机在起动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩，即最大的恒定允许电枢电流，当电枢电流保持最大允许值时，电动机以恒加速度升速至给定转速，然后电枢电流立即降至负载电流值。

如果要求快速克服电网的干扰，必须对电枢电流进行调节。

以上两点都涉及电枢电流的控制，所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量，组成转速、电流双闭环调速系统。

而且转速、电流双闭环直流调速系统在突加给定下的跟随性能、动态限流性能和抗扰动性能等，都比单闭环调速系统好。

·工程设计方法：① 先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳态精度。

② 在选择调节器的参数，以满足动态性能的要求。

在选择调节器的结构时，只采用少量的典型系统调节器的具体设计某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路电路基本数据如下：1）直流电动机：220V ，136A ，1460r/min, 0.132min e C V r =⋅,允许过载倍数 1.5λ=2)晶闸管装置放大系数Ks=40;3)电枢回路总电阻R=0.5Ω;4)时间常数：电磁时间常数Tl=0.03s; 机电时间常数Tm=0.18s;5)电流反馈系数0.05V Aβ=6)调节器输入电阻R0=20Ω;7)转速反馈系数0.007minV rα=⋅设计要求：设计电流调节器，要求电流超调量%5%iσ≤，转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量10%nσ≤。

试按工程设计方法设计转速调节器，并校验转速超调量的要求能否得到满足。

电流环的设计（1）确定时间常数①整流装置滞后时间常数；Ts=0.0017s。

②电流滤波时间常数: Toi=0.002 s（三相桥式电路每个波头是时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有Toi=3.33ms，因此取Toi=2ms=0.002s）。

③按小时间常数近似处理。

i s oi 0.0037T T T∑=+= (Ts和Toi一般都比Tl 小得多,可以当作小惯性群近似地看作是一个惯性环节)（2）选择电流调节器结构根据设计要求：iσ%≤5%，可按典型Ⅰ型设计电流调节器。

电流环控制对象是双惯性型的,所以把电流调节器设计成PI型的.检查对电源电压的抗扰性能:0.038.110.0037liT sT s∑==（3）计算电流调节器的参数ACR超前时间常数i i 0.03sTτ==；电流环开环时间增益:要求%5%i σ≤时，应取0.5I i K K ∑= ，因此10.50.5135.10.0037I i K s T s-∑=== 所以，ACR 的比例系数: 135.10.030.5 1.013400.05I i i s K R K K τβ⨯⨯===⨯（4）校验近似条件电流环截止频率: 1135.1I ci K s ω-==①晶闸管装置传递函数近似条件： sT 31i c <ω 即 1.1351.1960017.03131>=⨯=s T s 满足近似条件； ② 忽略反电动势对电流环影响的条件：,13l m ci T T ≥ω 即13340.82ci s ω-==< 满足近似条件； ③ 小时间常数近似处理条件：oi s ci T T 131≤ω，即11180.83ci s ω-=> 满足近似条件； ④按所用运算放大器取0R =40k Ω，各电阻和电容值为0 1.0134040.52i i R K R k k ==⨯Ω=Ω，取40k Ω30.030.754010ii i C F F R τμ===⨯，取0.75F μ 30440.0020.24010oi oi T C F F R μ⨯===⨯，取0.2F μ含滤波环节的PI 型电流调节器按上述参数，电流环可以达到的动态指标为： 4.3%5%i σ=<，也满足设计要求。

转速环的设计1）确定时间常数①电流环等效时间常数s 0074.00037.0221i 1=⨯==∑T K ②转速滤波时间常数Ton=0.01s③转速环小时间常数近似处理10.00740.010.0174n on IT T s s s K ∑=+=+= 2）选择转速调节器结构按跟随和抗扰性能都能较好的原则,在负载扰动点后已经有了一个积分环节,为了实现转速无静差,还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节,因此需要Ⅱ 由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型Ⅱ型系统—选用设计PI 调节器。

3）选择调节器的参数=h =50.0174s=0.087s n n T τ∑⨯转速开环增益： K 22222216396.42250.0174N n h s s h T --∑+===⨯⨯ ASR 的比例系数：()160.050.1320.1811.72250.0070.50.0174e m n n h C T K h R T βα∑∑+⨯⨯⨯===⨯⨯⨯⨯（4）近似校验转速截止频率为：111396.40.08734.5Ncn N n K K s s ωτω--===⨯=①电流环传递函数简化条件为1163.7cn s ω--==> 满足简化条件②转速环小时间常数近似处理条件为1138.7cn s ω--==> 满足近似条件（5）计算调节器电阻和电容，根据图所示，取040R k =Ω，则：011.740468n n R K R k k ==⨯Ω=Ω 取470k Ω 630.0870.1851047010n n n C F F R τ-===⨯⨯ 取uF 2.0 30440.0114010on on T C F F R μ⨯===⨯ 取1F μ含滤波环节的PI 型转速调节器（6）检验转速超调量当h=5时，%6.37n =σ,不能满足要求.按ASR 退饱和的情况计算超调量: %,2.81%max =∆b C Cmax *2()N n n b mC n T z C n T σλ∑∆∆=- 1360.50.01740.132281.2% 1.58.31%10%14600.18n σ⨯=⨯⨯⨯⨯=<，满足设计要求。

小结：转速负反馈环为外环，其作用是保证系统的稳速精度；电流负反馈环为内环，其作用是实现电动机的转距控制，同时又能实现限流以及改善系统的动态性能。

转速、电流双闭环直流调速系统在突加给定下的跟随性能、动态限流性能和抗扰动性能等，都比单闭环调速系统好。

双闭环能够快速启动制动，能够快速克服负载、电网等干扰。

如果对系统的动态性能要求较高，如果要求快速起制动，突加负载动态速降小等，单闭环系统就难以满足要求。

这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照要求来控制动态过程的电流或转矩。

另外，在单闭环调速系统中,电网电压扰动的作用点离被调量较远,调节作用受到多个环节的延滞,因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些单闭环调速系统的动态抗干扰性较差，当电网电压波动时，必须待转速发生变化后，调节作用才能产生，因此动态误差较大。

就目前来看，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。

电流转速双闭环调速电路，因其具有极高的调速范围、很好的动静态性能及抗扰性能，在调速领域得到广泛的应用。

如直流调速和直流电机的软起动。

它还应用到造纸、挤塑、印染及其他直流调速领域。

而且双闭环直流调速系统因其具有动态响应快、抗干扰能力强等优点，所以在现代化工业生产中得到越来越广泛的应用，来实现生产的制动调速即提高工艺产品的质量。

在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动场合，仍然广泛采用直流调速系统。

目前，发达国家应用的先进电气调速系统几乎完全实现了数字化，双闭环控制系统已经普遍的应用到了各类仪器仪表，机械重工业以及轻工业的生产过程中。

随着全球科技日新月异的发展，双闭环控制系统总的发展趋势也向着控制的数字化，智能化和网络化发展。

而在我们国内，双闭环控制也已经经过了几十年的发展时期，目前已经基本发展成熟，但是目前的趋势仍是追赶着发达国家的脚步，向着数字化发展。