雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、1運(yùn)運(yùn) 動(dòng)動(dòng)控控制制期期中中作作業(yè)業(yè) - 轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 電氣與控制工程學(xué)院 自動(dòng)化 1003 班 王義10060503232轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1. 已知參數(shù)已知參數(shù)有一專轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，主電路采用三相橋式整流。已知電動(dòng)機(jī)參數(shù)為：pn=500kw，un=750v，in=760a，nn=375r/min 電動(dòng)勢(shì)系數(shù)ce=1.82vmin/r，電樞回路總電阻 r=0.14,允許電流過(guò)載倍數(shù) =1.5，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大倍數(shù) ks=75,電磁時(shí)間常數(shù) tl=0.031,機(jī)電時(shí)間常數(shù) tm=0.012s

2、,電流反饋濾波時(shí)間常數(shù) toi=0.002s，轉(zhuǎn)速反饋濾波時(shí)間常數(shù) ton=0.02s。設(shè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓 u*nm=uim=uom=10v,調(diào)節(jié)器輸入電阻 ro=40k。2.2.設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)指標(biāo) 穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差，電流超調(diào)量 i 5%；空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n 10%。3.3. 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求1）運(yùn)用調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì) asr 和 acr,達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，得到 asr 和acr 的機(jī)構(gòu)與參數(shù)。電流環(huán)設(shè)計(jì)為典 1 系統(tǒng)，并取參數(shù) kt=0.5，轉(zhuǎn)速換設(shè)計(jì)為典 2 系統(tǒng)；2）用 matlab 對(duì)上述設(shè)計(jì)的直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真，給出仿真結(jié)果；3）設(shè)計(jì)出上述設(shè)計(jì)的直流雙閉環(huán)調(diào)速系

3、統(tǒng)的完整硬件實(shí)現(xiàn)原理圖，原理圖采用protel 軟件畫(huà)圖；4）說(shuō)明原理圖實(shí)現(xiàn)上訴直流調(diào)速系統(tǒng)的原理；5）給出原理圖每個(gè)元件的型號(hào)和值，并說(shuō)明選擇依據(jù)；6）系統(tǒng)控制部分可以采用模擬電路或者微處理器實(shí)現(xiàn)。若采用微處理器實(shí)現(xiàn)，要說(shuō)明軟件實(shí)現(xiàn)流程以及核心軟件的算法；7）整個(gè)設(shè)計(jì)報(bào)告采用 a4 紙打印，標(biāo)題采用宋體四號(hào)，正文采用宋體小四。設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)內(nèi)容一一. .雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分析1.1. 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖 1 所示。圖中和)(swasr3分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

4、器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。)(swacr圖 2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2.2. 起動(dòng)過(guò)程分析起動(dòng)過(guò)程分析雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的*nu動(dòng)態(tài)過(guò)程示于圖 2。由于在起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 asr 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程就分成圖中標(biāo)明的 i、ii、iii 三個(gè)階段。圖2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形 n oottidm idl id n* iiiiiit4 t3 t2 t1 4第第 i i 階段（階段（）是電流上升階段）是電流上升階段。突加給定電壓后，、10t*nucu0du都上升，在沒(méi)有達(dá)到負(fù)載電流以前，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。

5、當(dāng)后，dididlidldii電機(jī)開(kāi)始起動(dòng)，由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器asr 的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值，nnnuuu*imu強(qiáng)迫電流迅速上升。直到，電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了的didmdii*imiuu di增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，asr 很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而 acr 不飽和。第第 iiii 階段（階段（）是恒流升速階段）是恒流升速階段，asr 飽和，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)，在21 tt恒值電流給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定，因而系統(tǒng)的加*imudi速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。與此同時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì) e 也按線性增長(zhǎng)，對(duì)

6、電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，e 是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服它的擾動(dòng)，和0du也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持恒定。當(dāng) acr 采用 pi 調(diào)節(jié)器時(shí)，要cudi使其輸出量按線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，iimiuuu*也就是說(shuō)，應(yīng)略低于。didmi第第階段（階段（以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段以后）是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，轉(zhuǎn)2t0*nn 速調(diào)節(jié)器 asr 的輸入偏差減小到零，輸出維持在限幅值，電機(jī)仍在加速，*imu使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，asr 輸入偏差電壓變負(fù)，開(kāi)始退出飽和狀態(tài)，和*iu很快下降。但是，只要仍大于負(fù)載電流，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到=dididlidi時(shí)，轉(zhuǎn)矩，則dn/

7、dt=0，轉(zhuǎn)速 n 才到達(dá)峰值（時(shí)） 。此后，電動(dòng)dlilett 3tt 機(jī)開(kāi)始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在時(shí)間內(nèi)，直到穩(wěn)定。43 ttdidli如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會(huì)有一段振蕩過(guò)程。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，asr 和 acr 都不飽和，asr 起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而 acr 則力圖使盡快地跟隨其給定值。di*iu雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程有以下三個(gè)特點(diǎn)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程有以下三個(gè)特點(diǎn)：飽和非線性控制；轉(zhuǎn)速飽和非線性控制；轉(zhuǎn)速5超調(diào)；準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制超調(diào)；準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。3.3. 動(dòng)態(tài)抗擾性能分析動(dòng)態(tài)抗擾性能分析一般來(lái)說(shuō)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動(dòng)態(tài)性能。對(duì)于調(diào)

8、速系統(tǒng)，最重要的動(dòng)態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。1 1、抗負(fù)載擾動(dòng)、抗負(fù)載擾動(dòng)負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 asr 來(lái)產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。圖 3 抗負(fù)載擾動(dòng)2 2、抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)、抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)電網(wǎng)電壓變化對(duì)調(diào)速系統(tǒng)也產(chǎn)生擾動(dòng)作用。雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過(guò)電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)。 圖 4 抗電網(wǎng)電壓波動(dòng)64.4. 轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用1.1. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用(1) 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,*nu穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果

9、采用 pi 調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。(2) 對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。(3) 其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。2.2. 電流調(diào)節(jié)器的作用電流調(diào)節(jié)器的作用(1) 作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過(guò)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。*iu(2) 對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾的作用。(3) 在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)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(guò)程。(4) 當(dāng)電機(jī)過(guò)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(lái)說(shuō)是十分重要的。二二.asr.asr 和和 acracr 的工程設(shè)計(jì)：的工程設(shè)

10、計(jì)：1.acr1.acr 的設(shè)計(jì)和校驗(yàn)：的設(shè)計(jì)和校驗(yàn)：1.確定時(shí)間常數(shù)已知，所以電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)sts0017. 0stoi002. 0=0.0017+0.002=0.0037s。oisittt2. 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)因?yàn)殡娏鞒{(diào)量，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)靜差，可按典型 系統(tǒng)設(shè)計(jì)電%5i流調(diào)節(jié)器，電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，故可用 pi 型電流調(diào)節(jié)器。 skswiiiacr1s73. 電流調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算： 電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù) i=0.031s，又因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求電流超調(diào)量lt，且有=0.5，%5iiitk所以=，ikit5 . 011 .1350037. 05 . 0s=0.00885 . 110

11、7605 . 110所以 acr 的比例系數(shù) =siiikrkk89. 00088. 07514. 0031. 01 .1354.校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率=135.1。ciwik1s晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件：，滿足條件。11 .1960017. 03131stsciw忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響條件： ，滿足條件。cilmwstt191.50031. 0112. 01313電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：，滿足條件。istt131ciws18 .180002. 00017. 01315.計(jì)算調(diào)節(jié)器的電阻和電容運(yùn)算放大器的=40，0rk有=0.89 40=35.6，取 35，0rkr

12、iikk，取 1，fkrciii9 . 035031. 0f，取 0.2。查得fkrtcoioi2 . 040002. 0440f%5%3 . 4n8故=，其結(jié)構(gòu)圖 5 所示： sskswiiiacr1ss031. 01031. 089. 0 圖 5 電流調(diào)節(jié)器2.asr2.asr 的設(shè)計(jì)和校驗(yàn)：的設(shè)計(jì)和校驗(yàn)：1. 確定時(shí)間常數(shù)：有則。, 5 . 0iitksstkii0074. 00037. 0221已知轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)=0.02s，故轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常ontstktonin0274. 002. 00074. 012.選擇轉(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 sskswnnnasr1

13、3.計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)：按跟隨和抗干擾性能較好原則，取 h=5,則 asr 的超前時(shí)間常數(shù)為：，shtnn137. 00274. 05轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益 。22222284.1590274. 052621ssthhknn因?yàn)?，所?asr 的比例系數(shù)為：03. 0375109392.100274. 014. 0027. 052112. 082. 10088. 0621nmenrthtchk4.檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為332. 1137. 072. 91nnncnkwkw1s電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為:，滿足條件。cniiwstk17 .630037. 01 .1353131轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處

14、理?xiàng)l件為：，滿足近似條件。cnoniwstk14 .2702. 01 .13531315.計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容：取=40，0rk則，取 415。krkrnn68.41540392.100k，取 0.3。fkrcnnn33. 0415137. 0f，取 2。fkrtcon24002. 0440onf故。其結(jié)構(gòu)圖如 6 所示： sssskswnnnasr137. 01137. 0392.10110 圖 6 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器6.校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量：由 h=5，查得，不滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)使 asr 退飽和重%10%6 .37n計(jì)算。設(shè)理想空載 z=0，h=5 時(shí)，查得=81.2%，所以：nbccmax=2（） （

15、）=nbccmaxzmnnttnn%10%29. 9112. 00274. 037582. 114. 07601.5%2 .812可以滿足設(shè)計(jì)要求.三三.matlab.matlab 的仿真：的仿真：1.1.電流環(huán)仿真設(shè)計(jì)電流環(huán)仿真設(shè)計(jì)：校正后電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖成了如圖 7 的典型形式：其中rkkkisii圖 7 校正后電流環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)在 matlab 中搭建好系統(tǒng)的模型，如圖 8 所示： 圖 8 電流環(huán)系統(tǒng)模型仿真結(jié)果如下圖 9 所示：11圖 9 電流環(huán)仿真結(jié)果2.2.轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真設(shè)計(jì)：轉(zhuǎn)速環(huán)的仿真設(shè)計(jì)：在增加轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)后，轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)如下：) 1() 1()(n2nnnstssksw校

16、正后的調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖 10 所示：其中mennntcrkk圖 10 校正后電壓環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)在 matlab 中搭建好系統(tǒng)的模型，如圖 11 所示：圖 11 電壓環(huán)系統(tǒng)模型仿真結(jié)果如下圖 12 所示：12圖 12 電壓環(huán)仿真結(jié)果3.3.雙閉環(huán)仿真設(shè)計(jì)：雙閉環(huán)仿真設(shè)計(jì)：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖 13 所示：圖 13 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)在 matlab 中搭建好系統(tǒng)的模型，如圖 14 所示：圖 14 雙閉環(huán)系統(tǒng)模型仿真結(jié)果如下圖 15 所示：13 圖 15-1 雙閉環(huán)仿真結(jié)果(轉(zhuǎn)速)圖 15-2 雙閉環(huán)仿真結(jié)果(電流)四四. .電路原理圖設(shè)計(jì)及說(shuō)明：電路原理圖設(shè)計(jì)及說(shuō)明：

17、圖 16 為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。圖中兩個(gè)調(diào)節(jié)器 asr 和 acr分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器，二者串級(jí)連接，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。電流環(huán)在內(nèi)，稱之為內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外，稱之為外環(huán)。兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸出都帶有限幅，asr 的輸出限幅什 uim決定了電流調(diào)節(jié)器 acr的給定電壓最大值 uim，對(duì)就電機(jī)的最大電流；電流調(diào)節(jié)器 acr 輸出限幅電壓14ucm限制了整流器輸出最大電壓值，限最小觸發(fā)角 。 圖 16 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖1.1.轉(zhuǎn)速給定電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速給定電路設(shè)計(jì)：轉(zhuǎn)速給定電路主要由滑動(dòng)變阻器構(gòu)成，調(diào)節(jié)滑

18、動(dòng)變阻器即可獲得相應(yīng)大小的給定信號(hào)。轉(zhuǎn)速給定電路可以產(chǎn)生幅值可調(diào)和極性可變的階躍給定電壓或可平滑調(diào)節(jié)的給定電壓。其電路原理圖如圖 17 所示。 圖 17 轉(zhuǎn)速給定電路原理圖2.2.轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路設(shè)計(jì)：轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路的主要作用是將轉(zhuǎn)速信號(hào)變換為與轉(zhuǎn)速稱正比的電壓信號(hào)，濾除交流分量，為系統(tǒng)提供滿足要求的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)。轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路主要由測(cè)速發(fā)電機(jī)組成，將測(cè)速發(fā)電機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)同軸連接，測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出端即可獲得與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波整流之后即可作為轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)反饋回系統(tǒng)。其原理圖如圖 18 所示。15 圖 18 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路原理圖3.3.電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)：電流檢測(cè)

19、電路的主要作用是獲得與主電路電流成正比的電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波整流后，用于控制系統(tǒng)中。該電路主要由電流互感器構(gòu)成，將電流互感器接于主電路中，在輸出端即可獲得與主電路電流成正比的電流信號(hào)，起到電氣隔離的作用。其電路原理圖如圖 19 所示。 圖 19 電流檢測(cè)電路原理圖五五. .設(shè)計(jì)心得：設(shè)計(jì)心得：雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形是接近理想快速起動(dòng)過(guò)程波形的。按照 asr 在起動(dòng)過(guò)程中的飽和情況，可將起動(dòng)過(guò)程分為三個(gè)階段，即電流上升階段、恒流升速階段和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。從起動(dòng)時(shí)間上看，階段恒流升速是主要的階段，因此雙閉環(huán)系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了電流受限制下的快速起動(dòng)，利用了飽和非線性控制方法，達(dá)到“準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制” 。帶 pi 調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還有一