双闭环直流调速系统的设计_毕业设计

转速电流双闭环直流调速系统设计

1. 已知参数

有一专转速电流双闭环直流调速系统，主电路采用三相桥式整流。已知电动

机参数为：P

N =500KW，U

N

=750V，I

N

=760A，n

N

=375r/min电动势系数Ce=1.82V·min/r，

电枢回路总电阻R=0.14Ω,允许电流过载倍数λ=1.5，触发整流环节的放大倍数Ks=75,电磁时间常数Tl=0.031,机电时间常数Tm=0.012S,电流反馈滤波时间常数Toi=0.002S，转速反馈滤波时间常数Ton=0.02S。设调节器输入输出电压U*nm=Uim=Uom=10V,调节器输入电阻Ro=40KΩ。

2.设计指标

稳态无静差，电流超调量σi ≤5%；空载起动到额定转速时的转速超调量σn ≤10%。

3. 设计要求

1）运用调节器工程设计法设计ASR和ACR,达到系统的设计指标，得到ASR和ACR 的机构与参数。电流环设计为典1系统，并取参数KT=0.5，转速换设计为典2系统；

2）用MATLAB对上述设计的直流双闭环调速系统进行仿真，给出仿真结果；

3）设计出上述设计的直流双闭环调速系统的完整硬件实现原理图，原理图采用Protel软件画图；

4）说明原理图实现上诉直流调速系统的原理；

5）给出原理图每个元件的型号和值，并说明选择依据；

6）系统控制部分可以采用模拟电路或者微处理器实现。若采用微处理器实现，要说明软件实现流程以及核心软件的算法；

7）整个设计报告采用A4纸打印，标题采用宋体四号，正文采用宋体小四。

设计内容

一. 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析

1. 双闭环直流调速系统的动态数学模型

双闭环直流调速系统的动态结构图，如图1所示。图中)

(s

W

ASR 和)

(s

W

ACR

分

别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。

图2双闭环直流调速系统的动态结构图

2. 起动过程分析

双闭环直流调速系统突加给定电压*

n

U由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于图2。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图中标明的I、II、III三个阶段。

第I 阶段（1~0t ）是电流上升阶段。突加给定电压*n U 后，c U 、0d U 、d

I 都上升，在d I 没有达到负载电流dL I 以前，电机还不能转动。当dL d I I ≥后，电机开始起动，由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR 的输

入偏差电压n n n U U U -=?*的数值仍较大，其输出电压保持限幅值*im U ，强迫电

流d I 迅速上升。直到dm d I I ≈，*im i U U ≈，电流调节器很快就压制了d I 的增长，

标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR 很快进入并保持饱和状态，而ACR 不饱和。

第II 阶段（21~t t ）是恒流升速阶段，ASR 饱和，转速环相当于开环，在恒

值电流给定*im U 下的电流调节系统，基本上保持电流d I 恒定，因而系统的加速度

恒定，转速呈线性增长。与此同时，电机的反电动势E 也按线性增长，对电流调节系统来说，E 是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，0d U 和c U 也必须基本上按线性增长，才能保持d I 恒定。当ACR 采用PI 调节器时，要使其输出量

按线性增长，其输入偏差电压i im i U U U -=?*必须维持一定的恒值，也就是说，d

I 应略低于dm I 。

图2双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形

n

O

O

t

t I dm I dL

I d n * I II III

t 4 t 3 t 2 t 1

第Ⅲ阶段（2t 以后）是转速调节阶段。当转速上升到给定值0*n n =时，转

速调节器ASR 的输入偏差减小到零，输出维持在限幅值*im U ，电机仍在加速，使

转速超调。转速超调后，ASR 输入偏差电压变负，开始退出饱和状态，*i U 和d I 很快下降。但是，只要d I 仍大于负载电流dL I ，转速就继续上升。直到d I =dL I 时，转矩L e T T =，则dn/dt =0，转速n 才到达峰值（3t t =时）。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在43~t t 时间内，d I dL I <，直到稳定。如果调节器参数整定得不够好，也会有一段振荡过程。在这最后的转速调节阶段内，ASR 和ACR 都不饱和，ASR 起主导的转速调节作用，而ACR 则力图使d I 尽快地跟随其给定值*i U 。

双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：饱和非线性控制；转速超调；准时间最优控制。

3. 动态抗扰性能分析

一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。

1、抗负载扰动

负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR 来产生抗负载扰动的作用。

图3 抗负载扰动

2、抗电网电压扰动

电网电压变化对调速系统也产生扰动作用。双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节。

图4 抗电网电压波动

4. 转速和电流两个调节器的作用

1. 转速调节器的作用

(1)转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压

*

U变化,

n

稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。

(2) 对负载变化起抗扰作用。

(3) 其输出限幅值决定电机允许的最大电流。

2. 电流调节器的作用

(1) 作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧

跟随其给

U（即外环调节器的输出量）变化。

定电压*

i

(2) 对电网电压的波动起及时抗扰的作用。

(3) 在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。

(4) 当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作

用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。

二.ASR 和ACR 的工程设计：

1.ACR 的设计和校验：

1.确定时间常数

已知s T s 0017.0=，s T oi 002.0=，所以电流环小时间常数

oi s i T T T +=∑=0.0017+0.002=0.0037S 。

2. 选择电流调节器的结构

因为电流超调量%5≤i σ，并保证稳态电流无静差，可按典型Ι系统设计电流调节器，电流环控制对象是双惯性型的，故可用PI 型电流调节器()()s

K s W i i i ACR ττ1s +=。 3. 电流调节器参数计算：

电流调节器超前时间常数τi=l T =0.031s ，又因为设计要求电流超调量%5≤i σ，且有i I T K ∑?=0.5，

所以I K =i T ∑5.0=11.1350037

.05.0-=S ， β=N I 5.110=760

5.110?=0.0088 所以ACR 的比例系数 βτ???=s i I i K R K K =89.00088

.07514.0031.01.135≈??? 4.校验近似条件

电流环截止频率ci W =I K =135.11-S 。

晶闸管整流装置传递函数的近似条件：

11.1960017

.03131-=?=S T s >ci W ，满足条件。 忽略反电动势变化对电流环动态影响条件：

ci l m W S T T <≈??=?-191.50031

.0112.01313，满足条件。 电流环小时间常数近似处理条件：

=??i s T T 131ci W S >=?-18.180002

.00017.0131，满足条件。 5.计算调节器的电阻和电容

运算放大器的0R =40Ωk ，

有0R K R i i ?==0.89?40=35.6Ωk ，取35Ωk ，

F k R C i i

i μτ9.035031.0≈Ω

==，取1F μ， F k R T C oi oi μ2.040002.0440=Ω

?==，取0.2F μ。查得%5%3.4<=n σ 故()()s s K s W i i i ACR ττ1+=

=()s s 031.01031.089.0+，其结构图5所示：

图5 电流调节器

2.ASR 的设计和校验：

1. 确定时间常数：

有,5.0=?∑i I T K 则s s T K i I

0074.00037.0221=?==∑。 已知转速环滤波时间常数on T =0.02S ，故转速环小时间常

s T K T on I

n 0274.002.00074.01=+=+=∑ 2.选择转速调节器结构：

按设计要求，选用PI 调节器()()s

s K s W n n n ASR ?+=

ττ1 3.计算转速调节器参数：

按跟随和抗干扰性能较好原则，取H=5,则ASR 的超前时间常数为：s hT n n 137.00274.05=?==∑τ，

转速环开环增益 22222284.1590274.052621--∑=??=+=

s S T h h K n N 。 因为=α03.037510≈，所以ASR 的比例系数为： ()392.100274.014.0027.052112.082.10088.0621≈???????=?+=∑n

m

e n RT h T C h K αβ 4.检验近似条件 转速环截止频率为332.1137.072.91≈?=?==n N N cn K W K W τ1-S

电流环传递函数简化条件为:

cn i I W s T K >==-∑17.630037

.01.1353131，满足条件。 转速环小时间常数近似处理条件为：

cn on I W s T K >≈=-14.2702

.01.1353131，满足近似条件。 5.计算调节器电阻和电容：

取0R =40Ωk ，

则Ω=?=?=k R K R n n 68.41540392.100，取415Ωk 。

F k R C n n

n μτ33.0415137.0=Ω

==，取0.3F μ。

F k R T C on μ24002.0440on =Ω

?==，取2F μ。 故()()()s

s s s K s W n n n ASR 137.01137.0392.101+=?+=ττ。其结构图如6所示：

图6 转速调节器

6.校核转速超调量：

由H=5，查得%10%6.37>=n σ，不满足设计要求，应使ASR 退饱和重 计算n σ。设理想空载Z=0，H=5时，查得b

C C m ax ?=81.2%，所以： n σ=2（b C C max ?）（z -λ）m n N T T n n ∑*??=%10%29.9112

.00274.037582.114.07601.5%2.812<≈????? 可以满足设计要求.

三.MATLAB 的仿真：

1.电流环仿真设计：校正后电流环的动态结构框图成了如图7的典型形式：

其中

R K K K i s i I τβ=

图7 校正后电流环动态结构

在matlab 中搭建好系统的模型，如图8所示：

图8 电流环系统模型

仿真结果如下图9所示：

图9 电流环仿真结果

2.转速环的仿真设计：

在增加转速环调节后，转速环开环传递函数如下：

)

1()1()(n 2n N n ++=∑s T s s K s W τ 校正后的调速系统动态结构框图如图10所示：

其中m

e n n N T C R K K βτα=

图10 校正后电压环动态结构

在matlab 中搭建好系统的模型，如图11所示：

图11电压环系统模型

仿真结果如下图12所示：

图12 电压环仿真结果

3.双闭环仿真设计：

双闭环直流调速系统的动态结构框图如图13所示：

图13双闭环直流调速系统动态结构

在matlab中搭建好系统的模型，如图14所示：

图14双闭环系统模型

仿真结果如下图15所示：

图15-1双闭环仿真结果(转速)

图15-2 双闭环仿真结果(电流)

四.电路原理图设计及说明：

图16为转速、电流双闭环调速系统的原理图。图中两个调节器ASR和ACR 分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。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的输出限幅什U

im

决定了电流调节器ACR

的给定电压最大值U

im ，对就电机的最大电流；电流调节器ACR输出限幅电压U

cm

限制了整流器输出最大电压值，限最小触发角α。

图16 转速、电流双闭环调速系统的原理图

1.转速给定电路设计：

转速给定电路主要由滑动变阻器构成，调节滑动变阻器即可获得相应大小的给定信号。转速给定电路可以产生幅值可调和极性可变的阶跃给定电压或可平滑调节的给定电压。其电路原理图如图17所示。

图17 转速给定电路原理图

2.转速检测电路设计：

转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号，滤除交流分量，为系统提供满足要求的转速反馈信号。转速检测电路主要由测速发电机组成，将测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号，经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系统。其原理图如图18所示。

图18 转速检测电路原理图

3.电流检测电路设计：

电流检测电路的主要作用是获得与主电路电流成正比的电流信号，经过滤波整流后，用于控制系统中。该电路主要由电流互感器构成，将电流互感器接于主电路中，在输出端即可获得与主电路电流成正比的电流信号，起到电气隔离的作用。其电路原理图如图19所示。

图19 电流检测电路原理图

五.设计心得：

双闭环调速系统起动过程的电流和转速波形是接近理想快速起动过程波形的。按照ASR在起动过程中的饱和情况，可将起动过程分为三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。从起动时间上看，Ⅱ阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速起动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是转速必超调。在双闭环调速系统中，ASR的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态时无静差，其输出限幅决定允许的最大电流。ACR的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压波动。

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的结构组成以及它的工作原理，加深了对开环、闭环有静差、无静差调速的理解---闭环结构保证系统的稳定性与抗干扰能力；无静差调速则保证系统有较低的稳态误差。

由此也初步掌握双闭环调节器的整个设计过程，其基本思想是先内环再外环。在结构框图的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”，这意味着在实际的应用中，在可以大大简化分析过程却很小影响分析结果的方法是很有价值的。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的变化显示人们人知的渐进性。

matlab仿真是自己临时捡起matlab课本重新回顾才完成的，仿真的直观的体现了matlab在控制中的重要作用，的确是一个很强大的仿真工具。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的才是最可靠的。

由于水平有限，设计中肯定有许多错误和不足的地方，敬请老师指正。

六.参考文献：

1.陈伯时，电力拖动自动控制系统。机械工业出版社。第四版

2.华成英，童诗白主编，模拟电子技术基础，第四版，北京：高等教育出版社，2006.5

3.史乃，汤蕴繆编著，电机学，北京：机械工业出版社，2001.4

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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涉密论文按学校规定处理。

作者签名：日期：年月日

导师签名：日期：年月日

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：（签名）单位：（盖章）

年月日