双闭环直流调速系统分析

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1、摘要直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，在电气传动中应用广泛。本次课设要求设计直流双闭环调速系统的转速调节器和电流调速器，分别调节转速和电流，合理的选择调节器的结构和参数，使系统满足动态、稳态性能指标的要求。除此以外，还要使用MATLAB对双闭环系统进行仿真，绘制直流调速系统稳定运行时转速环突然断线的仿真框图，仿真得出起动转速，起动电流，直流电压，ASR、ACR输出电压的波形，并对结果进行分析。关键词：直流调速系统 双闭环 ASR ACR1 双闭环直流调速系统分析双闭环直流调速系统一般采用PI调节器，以获得良好的静、动态性能，其电路原理如图1所示。 图1 双闭环直流

2、调速系统原理图为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构框图，如图2所示。因为设计要求系统在负载和电网电压的扰动下稳态无静差，所以电流、转速调节器均使用PI调节器。 图2 双闭环调速系统稳态结构框图应用工程方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器。按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外扩展。在双闭环系统中，应该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3 双闭环调速系统动态结构框图 双闭环调速系统的实际动态结构框图如图1所示，由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响调节器的输入，需加低通滤波。这

3、样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同的延时，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向横波，因此也需要滤波，滤波时间常数用表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为的给定滤波环节。2 电流调节器的设计2.1 初始条件不可逆的生产设备，采用双闭环调速系统，其整流装置采用三相桥式全控整流电路

4、。系统基本数据如下：直流电动机：=220V, =136A，=1460r/min，=0.132Vmin/r，允许过载倍数=1.5；时间常数=0.03S, =0.18S；晶闸管装置放大倍数：=40;电枢回路总电阻：R=0.5；电流反馈系数：=0.049V/A(10V/1.5)，取=0.5；转速反馈系数：=0.0068Vmin/r(10V/)，取=0.007。2.2 确定时间常数整流装置滞后时间常数。流装置用的是三相桥式全控整流电路的平均失控时间=0.0017s。电流滤波时间常数。三相桥式电路每个波头的时间是3.3s，为了基本滤平波头，应有（12）=3.33ms，因此取=2ms=0.002s。电流环

5、小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取=+=0.0037s。2.3 选择电流调节器结构根据设计要求5%，并保证稳态电流无差，可按典型型系统设计电流调节器。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： （2-1）检查对电源电压的抗扰性能： （2-2）由式（2-2）可知，系统抗扰性能，各项指标都是可以接受的。2.4 计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：=0.03s。电流超调量，则应取，因此 （2-3）于是，ACR的比例系数为 （2-4）2.5 校验近似条件电流环截止频率：晶闸管整流装置传递函数的近似条件 （2-5）满足近似条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

6、 （2-6）满足近似条件。电流环小时间常数近似处理条件 （2-7）满足近似条件。2.6 计算调节器电阻和电容由图4，按所用运算放大器取，各电阻和电容值为 ，取40 ，取0.75 ，取0.2 图4 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器 图5 校正成典型型系统的电流环动态结构框图按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为=4.3%5%,满足设计要求。3 转速调节器的设计3.1 确定时间常数电流环等效时间常数 。因为已取，则 （3-1）转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取=0.01s。转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取 （3-2）3.2 选择转速调节器结构 图6 转速环动

7、态结构框图按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为 （3-3）3.3 计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5,则ASR的超前时间常数为 （3-4）由式 （3-5）可求得转速环开环增益于是，由式 （3-6）可得ASR的比例系数为3.4 检验近似条件转速环截止频率为 （3-7）电流环传递函数简化条件为 （3-8）满足简化条件。转速环小时间常数近似处理条件为 （3-9） 满足近似条件。3.5 计算调节器电阻和电容 图7 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器根据图7，取，则 ，取470 , 取0.2 ，取13.6 校核转速超调量当h=5时， ，由式 （3-10） 可得，满足设计要

8、求。4 系统MATLAB仿真为了对直流双闭环系统稳定运行时转速环突然断线进行MATLAB仿真，需先绘制直流调速系统稳定运行时转速环突然断线的仿真框图。 图8 有ACR限幅时直流调速系统仿真框图仿真框图绘制完毕后，输入计算所得数据到相应的元件，并在转速环设置断线开关。有ACR限幅时，仿真框图如图8所示。仿真得出的起动转速，起动电流波形如图9所示。转速环断线前，电流波动后稳定，转速波动后稳定。转速环突然断线后，电流突然增大后沿曲线减小，然后稳定，幅值稍有增大，而转速则因为转速环断线，沿曲线增大后稳定。仿真得出的直流电压的波形如图10所示。转速环断线前，电压波动后稳定，转速环突然断线后，直流电压突然

9、增大后稳定，幅值稍有增大。 9有ACR限幅时，起动电流、转速波形图10 有ACR限幅时，直流电压的波形仿真得出的ASR、ACR输出电压的波形如图11所示。转速环断线前，ASR、ACR输出电压幅值都较小，转速环断线后，ASR、ACR输出电压幅值都明显增大。图11 有ACR限幅时，ASR、ACR输出电压波形无ACR限幅时，直流调速系统仿真框图如图12所示。图12 无ACR限幅时直流调速系统仿真框图仿真得出的起动转速，起动电流波形如图13所示。转速环断线前，电流波动后稳定，转速波动后稳定，与有ACR限幅时相同。转速环突然断线后，电流突然增大后沿曲线减小至稳定值，幅值比有ACR时稍有增大。而转速则沿抛

10、物线迅速增大至5000r/min左右，幅值明显增大。图13 无ACR限幅时，起动电流、转速波形图14 无ACR限幅时，直流电压的波形仿真得出的直流电压的波形如图14所示。转速环断线前，电压波动后稳定，转速环突然断线后，直流电压沿抛物线迅速增大然后稳定，幅值明显增大。图15 无ACR限幅时，ASR、ACR输出电压波形仿真得出的ASR、ACR输出电压的波形如图15所示。转速环断线前，ASR、ACR输出电压与有ACR限幅时相同。转速环断线后，ASR输出电压波形与有限幅时相同，而ACR输出电压的波形则是沿抛物线增大，与有限幅时相比，所花时间更长，且幅值稍有减小。通过对比直流双闭环调速系统稳定运行时转速

11、环突然断线，有ACR限幅和无ACR限幅时起动转速，起动电流，直流电压，ASR、ACR输出电压的波形，我们可以知道，ACR限幅值对转速环突然断线后，起动转速、起动电流、直流电压的突然增大有一定的限制作用，更好的保证了系统的安全性。5 总结体会通过这次对双闭环调速系统电流调节器和速度调节器的设计以及对设计过程中遇到的问题的思考，有效的提高了我对双闭环调速系统的认识和理解，切实的提高了我选择与设计调节器的能力，补全了我的不足。不仅如此，通过这次课程设计，我们不仅掌握了双闭环调速系统的控制方法，提高工程设计能力，还让我们有机会将课堂上所学的理论知识运用到实际中。并通过对知识的综合利用，进行必要的分析比较，从而进一步验证了所学的理论知识。同时，课程设计中采用MATLAB对双闭环系统进行仿真，绘制仿真框图，仿真得出起动转速，起动电流，直流电压，ASR、ACR输出电压的波形，也让我们对MATLAB的应用有了更好的了解。参考文献1陈伯时.电力拖动自动控制系统M .北京：机械工业出版社，20032李发海.电机拖动基础.北京：清华大学出版社，20053杨荫福.电力电子装置及系统. 北京：清华大学出版社，20064杨兴姚.电动机调速的原理及系统.北京：水利电力出版社，20035张德丰.MATLAB控制系统设计与仿真.北京：电子工业出版社，2009