双闭环直流调速系统调节器设计教材

课程设计任务书信息工程与自动化学院学院自动化专业10 年级学生姓名：_11 _______课程设计题目：______ 双闭环直流调速系统调节器设计_________课程设计主要内容：根据要求完成调节器的计算与工程设计，实现1、稳态：无静差；2、动态指标：电流超调<5%;转速超调<10%;、振荡次数N<2次。

并绘制相关电路原理图。

电机参数及指标要求：设计一个双闭环直流电动机调速系统，整流装置采用三相桥式电路，电动机参数：U N=220V,P N=500Kw,l dN=760A,n N=375r/min,Ce=1.82V.min/r,过载倍数入=1.5，整流装置放大系数Ks= 75,电枢回路总电阻R= 0.14 欧，时间常数TI=0.031s,Tm=0.112s,电流反馈滤波时间常数Toi=0.002s, 转速反馈滤波时间常数Ton二0.02s，要求实现稳态无静差，电流超调量。

i %< 5%,空载起动到额定转速时的转速超调量（T n%w 10%,取转速调节器和电流调节器的饱和值为12V,输出限幅值为10V,额定转速时转速给定Un*10V。

设计指导教师（签字）：张寿明教学基层组织负责人（签字）：__________________________ 2013年12月10日摘要：双闭环直流调速控制系统有较好性能，因而得到广泛应用。

在实际应用中，选定电动机后，其参数是不可变的，只能通过改变双闭环直流调速系统内环电流调节器和外环的转速调节器的参数来提高整个系统的性能。

建立系统的数学模型，分别按二阶最佳和三阶最佳设计方案，采用PI 控制算法，对电流调节器和转速调节器进行设计，对所建立的模型在Matlab6 ．5的环境下进行仿真，试验证明此设计是可行的。

: 关键字: 双闭环；直流调速系统；调节器注：本系统设计由课本P95习题及运控大作业提供数据及初步模型目录第一章课程设计任务--------------------------------------------------- 误！未定义书签。

一、设计内容---------------------------------------------------未定义书签。

二、电机参数及指标要求-----------------------------------------------未定义书签。

三、摘要-------------------------------------------------------------------------------- 3第二章设计过程--------------------------------------------------- 5一、系统组成原理图------------------------------------------------- 5二、稳态结构图和静特性----------------------------------------------- 6三、电流调节器的设计----------------------------------------------- 6四、转速调节器的设计----------------------------------------------- 7第三章MATLAB 仿真 ---------------------------------------------------- 8一、主电路的建模与仿真参数设置------------------------------------------- 8二、结果与分析------------------------------------------------- -10第四章硬件设计--------------------------------------------------- 12、主电路形式的确定-------------------------------------------------------------------- -13 、控制电路形式的确定----------------------------------------------- 13第五章结束语------------------------------------------------------------------------------ 14 第六章参考文献---------------------------------------------------------------------------- -15错误！错误！第二章：设计过程一、系统组成原理图直流电机具有良好的起制动性能，易于在较广范围内平滑调速，在许多高性能可控电力拖动系统中得到了比较广泛的应用，如龙门刨床、高层楼梯高精度机床等。

特别是晶闸管直流电动机调速系统，具有自动化程度高、控制性能好、起动转矩大，易于实现无级调速等优点。

本文以双闭环调速系统为例，建立双闭环调速系统，并以提高系统稳定性、快速响应及带负载的能力为目标研究。

再因电机本身复杂，加上电压反馈、电流反馈、PI校正器设计，整个调速过程、参数选择都须花大量时间。

本文利用工程设计方法和采用Matlab建立电机可视化模型，对整个调速过程进行动态仿真和系统分析。

电流环是由电流调节器ACF和电流负反馈环节组成的闭合回路，二者之间实行串级连接，其主要作用是通过电流检测元件的反馈作用稳定电流；转速环是由转速调节器ASRA转速负反馈环节组成的闭合回路，其主要作用是通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差。

从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。

这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

ASF和AC均采用带有限幅作用的比例积分（PI）放大器。

注：图中：U*n、Un—转速给定电压和转速反馈电压U*i、Ui —电流给定电压和电流反馈电压ASR-转速调节器ACR-电流调节器TG-测速发电机TA—电流互感器UPL电力电子变换器、稳态结构图和静特性双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。

双闭环直流调速系统的动态结构框图如图 2.3所示。

图中W (s) ASR和W(s) ACR分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。

为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流Id显露出来。

如国二2稳态结构图实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。

因此，对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。

三、电流调节器的设计对电流环，可以校正成典I系统，也可以校正成典型II型系统，应根据生产机械的要求而定。

一般对抗扰性能要求不是特别严格时，采用典I系统设计即可。

现将电流环校正成典I系统。

在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压*Ui变化，对电网电压波动起及时抗扰作用；起动时保证获得允许的最大电流，使系统获得最大加速度起动；当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起大快速的安全保护作用。

当故障消失时，系统能够自动恢复正常。

1、 确定时间常数：电流环小时间常数之和 Ti =T s +Toi =0.0037s 。

2、 选择电流调节器的结构因为d i <=5%并保证稳态电流无静差，可以按照典型 I 型系统设计调节器，电流环控制对 象是双惯性型的，因此可选用PI 型电流调节器，传递函数为：A7(沸+1」iiS由已知可得］=如100.00877V/A ，X I N 1.5汉760T q =T sT oi=0.0017 0.002 = 0.0037s ,.i =T^0.031s ，而 K I =0・5°5： 135.1s 」，0.0037（三）校验近似条件电流环截止频率--c ^ K I =135.1s ‘ ,晶闸管装置传函的近似条件忽略反电动势影响的近似条件3匚工 =： ___________ 1____ 茫50 91S A<© i ，满足条件。

VmT l\ 0.112 X 0.031ci查表得込％ =4.3% ：：： 5%，满足要求。

四、转速调节器的设计135.1 0.031 0.14K i0.891 “ … Ks - 0.891，28.757。

75 0.00877 ■i0.031故K1 3T S1 3 0.0017满足条件。

小时间常数近似处理条件1 1 3 ,1 13 7.0017 0.002:180.8s>' 'ci ，满足条件。

图2.4电涼环面化结构用I系统，也可以校正成典II系统，应根据生产机械的要求而定，大对速度环，可以校正成典多数调速系统的速度环都按典II系统进行设计。

现将速度环校正成典II系统.1、确定时间常数：参数已知。

2、典型I型系统，选择PI 调节器, WASR(S) K n( n S - 1)n S3、转速调节器参数计算:按照跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5,由已知可得-U^m1° :-0.0267Vn375min/ r -T on，而「J /。

.…林，K I■T O n = 0.0074 =0.02 70274S。

h取5, 则.n =hT筲=5 0.0274 = 0.137s。

K N2^= 2 25 6).02742：396*故K n _(h 1 厂C e T m一2h：RT=n6 0.00877 1.82 0.112& 10.49，2 5 0.0267 0.14 0.0274K n 10.490.137其它已知数据则代入电流环相应框图中。

（三）校验近似条件转速环截止频率• ©二K N .n=396.4 0.137 =54.3s」1 K I =1 135.1 3\T〒一3' 0.0037 :“ 63.7s .，满足条件。

Ci小时间常数近似处理条件I； 1 135.1： 27.40s」cn3「0.02:76.554。

电流环传函的简化条件满足条件。

760 0.14—182—0.0274 : 9.29% ::: 10%，满足条件。

查表得二n%=2 81.2% 1.5375 0.112第三章MATLAB仿真一、主电路的建模与仿真参数设置：(1)三相对称交流电压源的建模和参数设置。

首先从SimPow system ／Electrica1 Source 路径下提取一个交流电压源模块(AC VoltageSource),再用复制的方法得到三相电源的另外2个电压源模块，并将模块标签分别改为4相，B相，0相，按照图3连接成三相电压源。

然后将A相交流电源参数设置如下：交流峰值相电压取125V2V初相位设置成0。