创新性实验(双闭环直流调速系统电路研究)解析

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1、创新性实验研究报告开课学期 2011 至2012 学年2_学期提交时间2012 年 7 月 12 日一、实验摘要直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动 领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。该系统中设置了电流检测环节、 电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者 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，从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起 动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速

2、线性变化，迅速达到给定值； 稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的 电枢电流以平衡负载电流。该方案主要由给定环节、ASR、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了电流调节器ACR和转速调节器ASRo电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环；转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成转速环，称为双闭环调速系统。因转速环包围电流环，故称电流环为内环，转速环为外环。在电路中，ASR和ACR串联，即把ASR的输出当做ACR的输入，再由ACR得输出去控制晶闸管整流器

3、的触发器。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节 器一般都采用具有输入输出限幅功能的PI调节器，且转速和电流都采用负反馈闭环。二、实验目的(1) 加深理解直流调速系统的工作原理。(2)加深理解直流调速系统与相应的触发电路和调节器之间的关系。(3)学会灵活使用综合实验台，熟悉创新性实验报告的撰写方法。三、实验场地及仪器、设备和材料:实验室，运动控制系统实验台，matlab软件，计算机四、实验内容目AH) TA5转速电流双闭环直流调速系统的结构ASR转速调节器ACR电流调节器TG测速发电机TA 电流互感器UPE电力电子变换器双闭环直流调速系统电路原理图其中LM表示限幅作用。因此转速调节器A

4、SR的输出限幅电压 U*im决定了电流给定电压的最大值。电流调节器ACR勺输出限幅电压 3m限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm双闭环的稳态结构图和静特性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图如图。注意用带限幅的输出特性表示PI调节器双闭环直流调速系统的稳态结构图Ct转速反馈系数；P 电流反馈系数分析静特性。即转速和电流或转矩的稳态关系。其关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征。它的特性一般存在两种状况：*1 ) ASR饱和一一输出达到限幅值 Uim,转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。除非有反 向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输

5、入和输出间的联系，相当于使该调节环开 环。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时I d = U im = I dm最大电流I dm是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。而上式所描述的静 特性是上图中的AB段，它是垂直的特性。这样的下垂特性只适合于n n0 ,则Un U* n ,ASR将退出饱和状态。*2 ) ASR不饱和一一输出未达到限幅值 Uim当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳态时总是零。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，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不 饱和两种情况。转速调节器不饱和，也就是，双闭

6、环调速系统在稳态工作中两个调节器都不饱和时，各变量之间的关系对于ASR有Un 叫= n(4-1)对于ASR启U i = Ufi = B 1 dL(4-2)式中Ob 转速和电流反馈系数.由此我们找到稳态工作点Udo Cen IdRCeUn* 二 IdLRU ct = (4-3)KSKSKSSSS由(2-1)式可得这是静特性的水平特性，与此同时, 说，CA段静特性从理想空载状态的*C Un Cnino由于 QASR不饱和,(4-4)U*i U* im ,从上述第二个关系式可知:Id Idl后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电

7、压保持限幅值 Uim,强迫电流Id迅速上升直到，Id = Idm, Ui = Uim电流调节器很快就压制Id 了的增长，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-般不饱和。第II阶段 恒流升速阶段(t1-t2)在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流Uim给定下的电流调节系统，基本上保持电流Id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，Ud0和Uc也必须基本上按线性增长， 才能保持Id恒定。当AC麻用PI调节器时，要使其输出

8、量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，Id应略低于Idm,恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。第 III阶段转速调节阶段(t2-t3). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值Uim ,.一 . . . .一 . .- .- 一 . . . * .所以电机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，Ui和1d很快下降。但是，只要1d仍大于负载电流 I dl,转速就继续上升。直到1d = I dl

9、时,转矩Te = TL，则dn/dt = 0，转速n才到达峰值（t =t3时）。在这最后的转速调节阶段内，ASR和ACRTB不饱和，AS砒主导的转速调节作用，而 ACRM力图使Id尽快地跟*随其给定值Ui ,或者说，电流内环是一个电流随动子系统。典型II型系统阶跃输入跟随性能指标（按 Mrmin准则确定关系时）h345678910CT52.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%tr /T2.42.652.853.03.13.23.33.35ts /T12.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20k32211111典型II型系统

10、动态抗扰性能指标与参数白勺关系h345678910CMAX /CB tm/T tv/T72.2%2.4513.6077.5%2.7010.4581.2%2.858.8084.0%3.0012.9586.3%3.1516.8588.1%3.2519.8089.6%3.3022.8090.8%3.4025.85由表中数据可见，一般来说，h值越小，Omax/Cb也越小，tmf口tv都短，因而抗扰性能越好，这个趋势与跟随性能指标中超调量与h值的关系恰好相反，反映了快速性与稳定性的矛盾。当hT2s(Hs + 1)(T2s + 1)TP T2相近s(Ts + 1)(T2s+1)Tp T2都很小(T1S+1

11、)(T2s + 1)(t3S-T1) T2 T3s(Ts +1)调 节 器Kpi(询s + 1)4sKpi(7s+1) %s(%S+1)(f2 +1) TSKpi(%s + 1) %sKpi(%s+1) %s参 数 配 合T1 =hT% = hT2认为：11T1 =hT (或 hT2)G=hTz(或 T1)% =h(T#T2)询5十月）认为：11T1s+1 T1s田T1s+1T1s校正成典型II型系统的几种调节器选择双闭环调速系统的动态结构图电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。其中Toi电流反馈滤波时间常数；Ton转速反馈滤波时间常数。综上所述，转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系

12、统中的作用及它们之间的毓可以分别归纳如下：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变化，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。其输出限幅值决定电机允许的最大电流。有关参数的计算(均按照常规的数据来看)基本数据直流电动机：264W、220V、1.2A、1600r/min、Ra=5.2Q, La=6.6mH晶闸管装置放大系数：Ks=40电枢回路总电阻：R=9+1.2+0.2=10.4 Q电流反馈系数：B=005V/A (10V/1.5IN)转速反馈系数：a =0.00G5Vmin/v (10V/nN)设

13、计要求静态指标：无静差动态指标：电流超调量bi%05%空载启动到而定转速时的转速超调量(rn%c 10%参数计算Ur =2 341ccos：1 .因为UN=230V, a的整定范围在30150之间，由公式UD2 cos知当a =30时UD取得最大值，由此计算得 U2=113.50Vo2 .由 Ea =UN TRa fen有 Ce=0.1290oTR_ GD2_3 .由 m -CeCT *375-有 Tm=0.4825s。L =0.693 2_l4 .由Idmin 有 L=16.46mH。由 T *有 Tl=0.0091s。系统设计1.电流环的设计(1)确定时间常数。整流装置滞后时间常数Ts,三

14、相桥式整流电路的平均失控时间 Ts=0.0017so电流滤波时间常数Toi,三相桥式电路每个波头的时间是 3.33ms,为了基本滤平波头，应有(12) Toi=3.33ms,因此取Toi=2ms=0.002s 电流环小时间常数 T2 i,按小时间常数近似处理，取 T2 i=Ts+ Toi=0.0037s。(2)确定电流环设计成何种典型系统。根据设计要求 ai% 5%而且Tl/T Ni=0.0091/0.0037=2.460.。17 -(兀，所以满足近似条件。2)校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足:ci -3, TT、Imll现在cii-3tt-(018而无时 /5.27 s,8ci

15、 ,满足近似条件。现在3)13校验小时间常数的近似处理是否满足条件:1TSToi = 3 * 0.00170.002= 180.78 sci ,满足近似条件。按照上述参数，电流环满足动态设计指标要求和近似条件。2.转速环的设计(1)确定时间常数。电流环等效时间常数为2Tg =0.0074S；转速滤波时间常数Ton,根据所用测速发动 机纹波情况，取Ton =0.01S；转速环小时间常数Ton按小时间常数近似处理，取TZon = 2TS +Ton = 0.0174S。(2)确定将转速环设计成何种典型系统。I设计要求，应按典型口型系统设计转速环。(3)转速调节器的结构选择。转速调节器选用、S 1WA

16、SR(S)=Kn n由于设计要求转速环无静差，转速调节器必须含有积分环节;PI型，其传递函数为,ns(4)选择转速调节器参数。按跟随和抗干扰性能都能较好的原则取h=5,贝U又根据动态ASR超前时间常数 转速环开环增益为Kn三 h2T 2* W 尺5 )0.0174 2=396.4 s 2 -Kn于是，ASR的比例系数为(h 1) |.C eTm6 0.1395 0.1290 0.48252h RTX -25 0.0069 18 0.0174-24.11(5)计算转速调节器的电路参数。转速调节器原理图如图4.10所示，按所用运算放大器，取R0=40KQ ,各电阻和电容值计算如下：Rn =KnR0

17、 =24.11 40K =964.4K，1MCn = on/Rn =(0.087/1M) 106 = 0.087uFCon= 4Ton /Ro =1uF(6)cn校验近似条件。转速环截止频率Kn =Kn/ n =34.5s“1cn 1)校验电流环传递函数简化条件是否满足:5T、二 54.1s,现在 5T，5 0.00372）校验小时间常数近似处理是否满足cn，满足简化条件。1cn,满足近似条件。Cmax =81.2%3)校验转速超调量。当 h=5时，CkbnN -INR/C =47.8 1.8/ 0.1290 = 667.0r/min叩 N N e,内此 =( Cmax ) 2( , -Z)

18、：n*NCkbn667.00.0174= 81.2%2 1.5： : ： 4.04% ：；： 10%能满足设计要求。设计完成的控制系统如图所示。14500.4825设计完成的双闭环控制系统 触发电路选择与校验 选用集成六脉冲触发器电路模块。从产品目录中查得晶闸管的触发电流为1GT 250mA,触发电压VGT 3V 。由已知条件可以计算出*U nm = - nmax = 0.007 1000 - 7VUm - I dm =0.05 209 -10.45VUcCen ：IdR 0.115 1000 209 0.6Ks40=7.304V因为Uc斗304丫，Vgt 4V ,所以触发变压器的匝数比为Kg

19、U7.304c =2.43VGT3取3:1 o设触发电路的触发电流为 250mA ,则脉冲变压器的一次侧电流只需大于BVceo =45V,Icm =300mA ceo, cm250/3=83.3mA即可。这里选用 3DG12B作为脉冲功率放大管，其极限参数触发电路需要三个互差 120。，且与主电路三个电压 里用三个单相变压器接成三相变压器组来代替，并联成压为380V,变压比为380/30=12.7 o系统调试本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件 法有两种，一是以控制系统的传递函数为基础，使用U、V、W同相的同步电压，故要设计一个三相同步变压器。这 DY型。同步电压二次侧取 30V,

20、一次侧直接与电网连接，电MATLAB ,使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究。另外一种是面向控制系统电气原理结构图，使用Power System工具箱进行调速系统仿真的新方法。系统的建模与参数设置转速、电流双闭环直流调速系统的主电路模型主要由交流电源、同步脉冲触发器、晶闸管直流桥、平波电抗器、直流 电动机等部分组成。采用面向电气原理结构图方法构成的双闭环系统仿真模型如图所示。勒裾电ifASR同步附中整出目模城域霹美洲由a.*gABbc npiutsMJBhckfl.CR曲3国向耀肺蹴用势善UniuWEal .Bri.dge.

21、1r.TL襁后Dull转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型转速、电流双闭环系统的控制电路包括：给定环节、ASR、ACR、限幅器、偏置电路、反相器、电流反馈环、速度反馈环等，因为在本次设计中单片机代替了控制电路绝大多数的器件，所以在此直接给出各部分的参数，各部分参数 设置参考前几章各部分的参数。本系统选择的仿真算法为ode23tb,仿真Start time设为0, Stop time设为2.5。系统仿真结果的输出及结果分析00. 20. 40. 6 0. 811. 21. 41.61.8217401450110870580290D -290Q 0. 20.4 0. 6 0. 811.2 1.4

22、1.61,824D302D100T iiDME； offset 0双闭环直流调速系统的电流和转速曲线五、实验结果与分析启动过程的第一阶段是电流上升阶段，突加给定电压, ASR的输入很大，其输出很快达到限幅值，电流也很快上 升，接近其最大值。第二阶段，ASR饱和，转速环相当于开环状态， 系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统, 电流基本上保持不变，拖动系统恒加速，转速线形增长。第三阶段，当转速达到给定值后。转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零，但是由于积分作用，其输出还很大，所以出现超调。转速超调后，ASR输入端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进入线性调节阶段，使转速保持恒定，实际

23、仿真结果基本上反映了这一点。六、实验结论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仿真图所示。由于在启动过程中 转速调节器 ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。从启动 时间上看，第二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启动，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是无静差，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的波动。通过仿真可知：启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起 主要作用，调节启动电流保持最大，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用， 使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随电流外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。七、指导老师评语及得分:签名:八、中心意见签名：年 月日