[毕业设计精品]双闭环直流调速系统动.doc

摘 要直流双闭环调速系统的性能很好，具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动系统中得到了广泛的应用。直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 分别调节转速和电流。本文简单介绍了一下双闭环直流调速系统的结构组成，且在本课设要求下进行了电流调节器和转速调节器的理论计算与设计。在理论计算的前提下进行了系统仿真，且简单分析了该系统在突加负载和电机磁场减半扰动情况下的系统调节过程。关键词：直流双闭环 电流调节器 转速调节器 扰动目 录摘 要I1双闭环系统组成结构介绍12双闭环系统的设计12.1系统初始条件12.2电流调节器的设计22.2.1电流反馈系数的计算及时间常数的确定22.2.2电流调节器结构的选择22.2.3电流调节器参数的计算22.2.4校验近似条件32.2.5电流调节器基本结构32.2.6调节器电阻和电容的计算32.3转速调节器的设计42.3.1转速反馈系数的计算及时间常数的确定42.3.2转速调节器结构的选择42.3.3转速调节器参数的计算42.3.4校验近似条件42.3.5电流调节器基本结构52.3.6调节器电阻和电容的计算52.3.7校核转速超调量62.3.8按ASR退饱和重新计算超调量63系统仿真63.1双闭环直流调速系统动态结构框图63.2系统仿真图的设计63.3系统空载启动过程分析73.4稳定运行后电动机突加1/3额定负载93.5稳定运行后电机磁场突然减半运行情况104小结与体会11参考文献12直流双环系统的设计及仿真分析1 双闭环系统组成结构介绍直流双闭环调速系统中设置了两个调节器，即转速调节器和电流调节器，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。两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环, 以保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 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，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。如图1-1所示：图1-1 转速、电流双闭环直流调速系统为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。这样构成的双闭环直流调速系统。2 双闭环系统的设计2.1 系统初始条件双闭环调速系统，其整流装置采用三相桥式全控整流电路。系统基本数据如下：直流电动机：Unom=220V ，Inom=136A ，nnom=1460r/min ，允许过载倍数，额定转速时的给定电压调节器，饱和输出电压。时间常数：TL=0.03s，Tm=0.18s，晶闸管装置放大倍数：KS=40，电枢回路总电阻：R=0.5。2.2 电流调节器的设计2.2.1 电流反馈系数的计算及时间常数的确定（1）电流反馈系数 （2）确定时间常数1）三相桥式电路的平均失控时间为。2）电流滤波时间常数。三相桥式电路每个滤头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，取。3）电流环小时间常数之和。2.2.2 电流调节器结构的选择根据设计要求：稳态无静差,超调量，可按典型I型系统设计电路调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器其传递函数为：检查对电源电压的抗扰性能：，参照典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表格，可知各项指标都是可以接受的。2.2.3 电流调节器参数的计算电流调节器超前时间常数：。电流环开环增益：要求，应取，因此于是，ACR的比例系数为 2.2.4 校验近似条件电流环截止频率：（1）晶闸管整流装置作传递函数的近似条件 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 满足近似条件。（3）电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件。2.2.5 电流调节器基本结构含给定滤波和反馈滤波的模式PI型电流调节器原理图如图2-1所示。根据运算放大器的电路原理，可以导出 图2-1 PI型电流调节器 2.2.6 调节器电阻和电容的计算由图1-2，按所用运算放大器去，各电阻和电容为 ，取 ， 取0.75 ，取 按照上述参数计算，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。2.3 转速调节器的设计2.3.1转速反馈系数的计算及时间常数的确定（1）电压反馈系数 （2）确定时间常数1）电流环等效时间常数。又，故 2）转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取。3）电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取2.3.2 转速调节器结构选择按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为2.3.3 转速调节器参数计算按跟随和抗扰性能都较好的原则，取，则ASR的超前时间常数为转速开环增益 ASR的比例系数为 2.3.4 校验近似条件转速环截止频率：（1）电流环传递函数简化条件为满足简化条件。（2）转速环小时间常数近似处理条件为满足简化条件。2.3.5转速调节器基本结构含给定滤波和反馈滤波的模式PI型转速调节器原理图如图2-2所示。根据运算放大器的电路原理，可以导出 图2-2 PI型转速调节器2.3.6 调节器电阻和电容的计算取，则，取，取，取2.3.7 校核转速超调量当时，不能满足设计要求。应按ASR退饱和的情况重新计算超调量。2.3.8 按ASR退饱和重新计算超调量过载倍数 空载启动 能满足设计要求。3 系统仿真3.1 双闭环直流调速系统动态结构框图在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制系统结构，即可会出双闭环直流调速系统的动态结构图，如图3-1所示。 图3-1 双闭环系统动态结构图 U*na Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E图中和分别别是转速调节器和电流调节器的传递函数。本系统采用PI调节器，则有 3.2 系统仿真图的设计根据双闭环直流调速系统动态结构图，加入本系统初始条件及其计算结果，即可绘出双闭环系统结构图如图3-2所示：图3-2 双闭环系统仿真结构图3.3 系统空载启动过程分析我们知道，设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想启动过程，因此在分析双闭环直流调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的启动过程。双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态启动时，转速和电流的动态过程如下图。图3-3 双闭环直流调速系统空载启动过程转速波形图3-4 双闭环直流调速系统空载启动过程电流波形从仿真图中我们可以看出，在启动过程中转速调节器经历了不饱和，饱和和退饱和三种情况，整个过程分为三个阶段。第一阶段突加给定电压后电枢电流上升，当电枢电流小于额定电流时，电机不能转动。当电枢电流大于额定电流，电机开始转动，由于电机惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器的输入偏差电压的数值相当大，其输出电压有限幅值决定，强迫电枢电流迅速上升。待到电枢电流等于最大过载电流时，电流调节器就开始限制电枢电流上升，标志这一阶段结束。进入第二阶段后，ASR始终饱和，转速环相当于开环，系统成为在恒定电流给定下的电流调节系统，基本上保持电枢电流恒定，因而转速线性增长。于此同时，带年纪的反电动势也按线性增长，对电流调节系统来说，反电动势是一个线性增长的扰动量，为了克服它的扰动，和也按线性增长以保持电枢电流恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出按线性增长，其输入偏差电压值必须维持一定的恒值，也就是说，电枢电流应略低于最大负载电流。第三阶段直到电枢电流等于负载电流，两者转矩相等，速度恒定达到峰值。3.4 稳定运行后电动机突加1/3额定负载带空载启动稳定后，调节负载电流为1/3额定电流，观察双闭环系统电流转速波形如下：图3-5 突加负载转速波形图3-6 突加负载电流波形突加负载以后，电枢电流迅速上升，直到电枢电流略等于1/3最大负载电流，此后电流调节器很快抑制电枢电流的增长。由于电机惯性作用，转速下降不是很快，由转速负反馈的作用下稳定后转速又达到额定转速，此时电枢电流为1/3额定电流，电磁转矩为1/3额定转矩。3.5 稳定运行后电机磁场突然减半运行情况从电机数学模型中我们可以知道，当电机磁场减半之后，扩大四倍，减小一半，于是我们将新的参数投入仿真结构模型中去，运行后转速和电流波形如下图。图3-7 磁场突然减半转速波形图3-8 磁场突然减半电流波形电机磁场突然减半后，扩大四倍，缩小一倍，同时负载电流扩大一倍，于是电机转速突然下降一半（从仿真结构图可以看出），此时转速调节器进入饱和状态，电流调节器起主要调节作用，于是电流开始迅速上升达到最大过载值且稳定不变，于是转速开始迅速上升，待到转速上升到额定值时，电流开始下降，此时转速调节器起作用限制转速继续上升，待到电流稳定到1/3额定电流时，转速不变且在转速调节器的作用下稳定在额定转速下稳定运行。4 小结与体会此次课设中，我们对双闭环直流调速系统进行了转速和电流调节器的设计，同时对所设计的参数进行了要求验证。在理论计算的前提下，我们还对该系统进行了MATLAB仿真，从仿真结果中可以看出，转速各项指标达到了很高的要求。紧接着我们从仿真结构图进行了突加负载和电机磁场突然减半测试，从得出的电压电流波形中可以看出，转速调节器和电流调节器具有很好的调节作用，在很小一段时间后，电压电流都达到了稳定，且转速不存在稳差。可以说，此次课设既是对所学知识的一次复习，更是对所学知识的一次合理应用和升华。同时通过此次课设，我们认识到双闭环直流调速系统的各项优越性，其使系统快速，安全，稳定。各项动态性能较单闭环系统都有了很高的提高。电力拖动自动控制系统是一门运动控制系统的基础课，在实际中有着重要的广泛的应用，本次课程设计大大的巩固了我的知识基础，提高了我的学习兴趣。此次课程设计是我认识到明确了设计任务,详细的分析了设计情况,制定设计的具体方案的重要性。总之，以这次课程设计为契机，我将更加深入地学习电力拖动自动控制系统，并注重对Matlab的使用，为提高综合能力而努力。参考文献1 陈伯时.电力拖动自动控制系统运动控制系统.北京：机械工业出版社，2003.72 李发海，王岩.电机拖动基础.第3版.清华大学出版社，2005.83 杨荫福，段善旭，朝泽云.电力电子装置及系统.北京：清华大学出版社，20064 洪乃刚，电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真【M】.北京：机械工业出版社，2006：163-167