雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)講訴

1、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其仿真班 級(jí)：自動(dòng)化2班學(xué)號(hào): xxxxxxxx姓名: xxxxxx指導(dǎo)教師： xxxxxx設(shè)計(jì)時(shí)間：2014年6月23日目 錄一、冃U言 31. 課題研究的意義 32. 課題研究的背景 3二、總體設(shè)計(jì)方案 31. MATLAB 仿真軟件介紹 32. 設(shè)計(jì)目標(biāo) 43. 系統(tǒng)理論設(shè)計(jì) 54. 仿真實(shí)驗(yàn) 95. 仿真波形分析 13三、心得體會(huì) 14四、參考文獻(xiàn) 16一、前言1. 課題研究的意義從七十年代開始，由于晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的高效、無噪音和快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)而得 到廣泛應(yīng)用。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)就是一個(gè)典型的系統(tǒng)，該系統(tǒng)一般含晶閘管可控整流 主電路、移相控制電路、轉(zhuǎn)速電流

2、雙閉環(huán)調(diào)速控制電路、以及缺相和過流保護(hù)電路等。 直流調(diào)速是現(xiàn)代電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中發(fā)展較早的技術(shù)。就目前而言，直流調(diào)速系統(tǒng) 仍然是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要形式，在許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、紡織、造紙等 需要高性能調(diào)速的場(chǎng)合得到廣泛的應(yīng)用。且直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于 在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng) 用。由于直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，而且從控制的角度來看，它 又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。所以加深直流電機(jī)控制原理理解有很重要的意義。2. 課題研究的背景電力電子技術(shù)是電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展的最重要的助推器，電力電機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展

3、，促使了電機(jī)控制技術(shù)水平有了突破性的提高。從20世紀(jì)60年代第一代電力 電子器件-晶閘管(SCR)發(fā)明至今,已經(jīng)歷了第二代有自關(guān)斷能力的電力電子器件-GTR、GTOMOSFE第三代復(fù)合場(chǎng)控器件-IGBT、MCT等,如今正蓬 勃發(fā)展的第四代產(chǎn)品-功率集成電 路(PIC)。每一代的電力電子元件也未停頓，多年來其結(jié)構(gòu)、工藝不斷改進(jìn)，性能有了飛 速提高，在不同應(yīng)用領(lǐng)域它們?cè)诨ハ?競(jìng)爭，新的應(yīng)用不斷出現(xiàn)。同時(shí)電機(jī)控制技術(shù)的發(fā) 展得力于微電子技術(shù)、電力電 子技術(shù)、傳感器技術(shù)、永磁材料技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和 微機(jī)應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展成就。正是這些技術(shù)的進(jìn)步使電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)在近二十多年 內(nèi)發(fā)生了天翻地覆的變化。3

4、注意什么問題二、總體設(shè)計(jì)方案1.MATLAB仿真軟件介紹本設(shè)計(jì)所采用的仿真軟件是MATLABMATLAB!美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、 數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLABS用非常之廣泛！ MATLA的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指 令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用 C,FORTRA等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLA也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)， 使MATLA成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。主要的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)為： 高效的數(shù)值計(jì)算及符號(hào)計(jì)

5、算功能，能使用戶從繁雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算分析中解脫出來； 具有完備的圖形處理功能，實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和編程的可視化； 友好的用戶界面及接近數(shù)學(xué)表達(dá)式的自然化語言，使學(xué)者易于學(xué)習(xí)和掌握； 功能豐富的應(yīng)用工具箱（如信號(hào)處理工具箱、通信工具箱等），為用戶提供了大 量方便實(shí)用的處理工具。2.設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)一個(gè)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，利用晶閘管供電，整流裝置采用三相橋式電路，調(diào) 速范圍D=10,靜差率 5%穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量 5%電流脈動(dòng)系數(shù) Si 10%啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速退飽和超調(diào)量n 10%系統(tǒng)具有過流、過壓、過載和缺相保護(hù)，觸發(fā)脈沖有故障封鎖能力。直流電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)：額定功率29.92KW 額定電壓220V,額定

6、電流136A,額定轉(zhuǎn)速 1460r/m， Ce=0.132Vmin/r，允許過載倍數(shù) =1.5。晶閘管裝置放大系數(shù)：Ks=40電樞回路總電阻：R=1時(shí)間常數(shù)：機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.18s，電磁時(shí)間常數(shù)Tl =0.03s電流反饋系數(shù)：=0.05V/A轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：=0.007v min/r轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù)：Ton =0.005s，Toi =0.005s總飛輪力矩： gD =2.5N.mh=53. 系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)：在雙閉環(huán)系統(tǒng)中應(yīng)該首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)內(nèi)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。這樣的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的靜態(tài)和穩(wěn) 態(tài)性能，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，設(shè)計(jì)和調(diào)試方便，達(dá)

7、到本課程設(shè)計(jì)的要求。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖：圖1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)Ts :三相電路的平均失控時(shí)間Ts=0.0017s（ 3-1）電流濾波時(shí)間常數(shù)Toi :Toi=0.005s（ 3-2）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和T i :按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取為：T i=Ts+Toi=0.0067s（3-3）3.2選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求i 5%并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用 PI電流調(diào)節(jié)器，它的傳遞函數(shù)為:Ki( is 1)(3-4)Wacr(S)=is檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：0.030.0

8、0674.48(3-5)符合典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，并且各項(xiàng)性能指標(biāo)都是可以接受的 電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：i =Tl =0.03s。(3-6)電流環(huán)開環(huán)增益：要求i 5%是按書1表2-2，應(yīng)取KiT i=0.5，因此:Ki0.50.006774.63(3-7)于是，ACR勺比例系統(tǒng)為:Ki心iKsR1.12(3-8)電流環(huán)截至頻率：Ki c 74.63(3-9)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似的條件為:13Ts13 0.0017196.1sci(3-10)忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的近似條件為:3 弟門 3 0.01s1 0.1s94.87sci(3-11)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為:3

9、TsToi30.0017s 0.002s180.8sci(3-12)按所用的運(yùn)算放大器取得R0 40K各電容和電阻值為:KiRRo、RiCiToi4RoCoi(2-13)Ri=40k(2-14)按照上面計(jì)算所得的參數(shù)，電流環(huán)內(nèi)環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為i =4.3%5%滿足課題所給要求。3.3速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)1/Ki。取KT i=0.5，貝U：1Ki2 0.00670.0134(3-15)轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton。根據(jù)所用測(cè)速發(fā)電機(jī)波紋情況，取:(3-16)Ton =0.005s。轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)T n。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取:KiT on0.0184(3-17)3.4選擇

10、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為:WASR (S)=Kn(nS+1) nS(3-18)按跟隨性能和抗擾性能都較好的原則，現(xiàn)取h=5,則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為:i=hT n=5 0.0274=0.137s(3-19)并且求得轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益為:Kn =h+12h2T n262 25 (0.0274)2159.84s2(3-20)則可得ASR的比例系數(shù)為:Kn= (h+1) CeTm6 3 0.113 0.115 6n 2h RT n 2 25 0.005 9.5 0.0274(3-21 )3.5校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速截止頻率為：cn Kn kn n 159.84 0.137 21.

11、9s 11( 3-22)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為：1 Ki3135.13 ,3 ； 0.03763.7scn(3-23)轉(zhuǎn)速環(huán)外環(huán)的小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為:(3-24)3.6計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容 按所用的運(yùn)算放大器取R=40k o各電容和電阻值為:RnKnR0 15.6 40K625K(3-25)Cn 0.1370.22 FRn625K(3-26)3.7校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，由書1可以查得：n =37.6%,這并不能滿足課題所給要求。實(shí)際上，由 于表2-6是按線性系統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)， ASR已經(jīng)飽和，不符合如今系統(tǒng)的 前提要求，所以應(yīng)該按 ASF退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。如下

12、：CmaxHb2CmaxCbCbnN T n*nTm1.2 9.5 0 1130 02742 81.2% 2.10.1134.2% 10%1600 0.1 (3-27)滿足課題所給要求。4. 仿真實(shí)驗(yàn)：為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋，如圖2所示。ASR轉(zhuǎn)速逓“需ACR電說調(diào)節(jié)器TG測(cè)速發(fā):電肌TA屯泡丘怡粘ITE 電h電f變換器圖2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2中，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控 制電力電子變換器UPE從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外

13、邊， 稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)綜上所述，采用轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)能更好的完成本題的設(shè)計(jì)要求，現(xiàn) 采用轉(zhuǎn)速，電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖3所示：用MATLA的SUMLIN模塊做的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖如圖4所示:圖4雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖雙閉環(huán)系統(tǒng)仿真波形及分析：ASR輸出限幅值U mIdl 1.5*3*1.25.4VUcACR輸出限幅值Cen IdR 0.113*16001.2*9.5Ks306.41V(4-1)(4-2)調(diào)節(jié)限度器1將ASR輸出限幅值的Upper Limit和Lower Limit進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)?？傻玫缴仙龝r(shí)間最大的波形（tr=7.7s

14、限幅值=3.8V）和上升時(shí)間最小（tr=o.7s限幅值=14V）的波形。上升時(shí)間最大波形如圖 5所示：上升時(shí)間最小波形如圖6所示:圖6雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)上升時(shí)間最小波形圖經(jīng)過雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)上升時(shí)間最大波形與雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)上升時(shí)間最小波形對(duì)比可知：限幅值越大上升時(shí)間tr越小，限幅值越小上升時(shí)間tr越大；同時(shí)tr值越大，超調(diào) 越??；tr值越小，超調(diào)越大。在符合設(shè)計(jì)要求的情況下，經(jīng)過多次的參數(shù)調(diào)整，得到一組較好的調(diào)節(jié)參數(shù)，如表1和圖7所示：晶閘管放大系數(shù)Ks機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm電磁時(shí)間常數(shù)Tl電流反饋系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)允許過載倍數(shù)300. 1s0.01s3V/A0.005vmi n/ r1.5T onToiC

15、eRtrASR限幅值0.02s0.002s0.113Vmi n/r9.52s6.1VACRASRACR限幅值nKiKiKnKn8.7V0.137s0.1431135.1 S15.62159.84 SRiCiRnCni6K1.75F550K0.22F0.01s表1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)由此可得：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)采用 PI調(diào)節(jié)規(guī)律，它不同于P調(diào)節(jié)器的輸出量總是正 比與其輸入量，PI調(diào)節(jié)器它的輸出量在動(dòng)態(tài)過程中決定于輸入量的積分，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)， 輸入為零，輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，是由它后面的環(huán)節(jié)的需要來決定的。5. 仿真波形分析從波形中，我們分析可知其起動(dòng)過程可分三個(gè)階段來分析：第I階段：電流上升階段。

16、突加給定電壓Un*后，通過兩個(gè)調(diào)節(jié)器的控制，使 Ua, Ud, UdO都上升。由于機(jī)電 慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不會(huì)很快。在這一階段中，ASR由不飽和很快達(dá)到飽和，而ACR 不飽和,確保電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用.第U階段：是恒流升速階段。從電流升到最大值開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值 n*為止，這是起動(dòng)過程中的重要階段。 在這個(gè)階段，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定 Uim*作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持恒定。因而拖動(dòng)系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線 性增長。第川階段：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在這階段開始，轉(zhuǎn)速已達(dá)到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓平衡，輸入偏差 為零。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸

17、入端出現(xiàn)負(fù)的偏差電壓，使他退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓的 給定電壓Ui*立即下降，主電流Id也因而下降。但在一段時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。達(dá) 到最大值后，轉(zhuǎn)速達(dá)到峰值。此后，電機(jī)才開始在負(fù)載下減速，電流Id也出現(xiàn)一段小于IdO的過程，直到穩(wěn)定。在這最后的階段，ASR和ACR都不飽和，同時(shí)起調(diào)節(jié)作用。根據(jù)仿真波形，我們可以對(duì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的作 用歸納為：1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用 PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差。 對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。 其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。2 電流調(diào)

18、節(jié)器的作用 作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨其給 定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。 對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。 在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中，保證獲得電機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過程 當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦 故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。這個(gè)作用對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說是十分重要的。三、心得體會(huì)經(jīng)過這次課程的設(shè)計(jì)，使我明白了一門課程設(shè)計(jì)對(duì)學(xué)好該門課程的重要性。同時(shí)也 感覺到自己在實(shí)踐動(dòng)手能力方面的缺陷與不足， 因此我將會(huì)在以后的學(xué)習(xí)和工作中不斷 來加強(qiáng)這方面的鍛煉。這次課程設(shè)計(jì)的時(shí)間雖說是短暫的，但在這幾天中我學(xué)會(huì)了不少的東西，首先對(duì)直 流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有了更深的認(rèn)識(shí)，加深了理解，是對(duì)課堂所學(xué)知識(shí)的一次很好的應(yīng)用。 通過這次課程設(shè)計(jì)，我不僅在知識(shí)上有了進(jìn)一步的鞏固和提高，在求學(xué)和研究的心態(tài)上 也有不小