雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì).

1、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì).直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目： 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 1101班 姓 名： 孔令慧 學(xué) 號(hào)： 4 指導(dǎo)教師： 佟維妍 起止日期：2014年6月16日2014年6月22日1目 錄設(shè)計(jì)概述2第一章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)4 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)4 兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用5第二章 整體電路分析7電流環(huán)設(shè)計(jì)7 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)7 典型i型系統(tǒng)介紹8 典型型系統(tǒng)介紹9 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)10 電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)10校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量10第三章 參數(shù)計(jì)算11 相關(guān)參數(shù)11 主要參數(shù)計(jì)算11 電流環(huán)參數(shù)計(jì)算11 轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)的計(jì)算13mat

2、lab仿真16課程設(shè)計(jì)體會(huì)20設(shè)計(jì)概述雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是目前直流調(diào)速系統(tǒng)中的主流設(shè)備，具有調(diào)速范圍寬、平穩(wěn)性好、穩(wěn)速精度高等優(yōu)點(diǎn)。在理論和實(shí)踐方面都是比較成熟的系統(tǒng)，在電力拖動(dòng)領(lǐng)域中發(fā)揮著及其重要的作用。由于直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速是各種電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，本人就直流電機(jī)調(diào)速進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究，從直流電機(jī)的基本特性到單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，再進(jìn)行雙閉環(huán)直流電機(jī)設(shè)計(jì)方案的研究，用實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，并用所學(xué)的matlab進(jìn)行仿真，分析了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法中由于忽略和簡(jiǎn)化造成的誤差。在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)選擇與參數(shù)設(shè)計(jì)需從動(dòng)態(tài)校正的需要來(lái)解決，設(shè)計(jì)每個(gè)調(diào)節(jié)器是，都必須先求

3、該閉環(huán)的原始系統(tǒng)開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性，再根據(jù)性能指標(biāo)確定校正后系統(tǒng)的預(yù)期特性，對(duì)于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)，盡量縮短啟、制動(dòng)過(guò)程的時(shí)間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此，在電機(jī)最大允許電流和轉(zhuǎn)矩受到限制的條件下，應(yīng)該充分利用電機(jī)的過(guò)載能力，最好是在過(guò)渡過(guò)程中始終保持電流為允許的最大值，是電力拖動(dòng)系統(tǒng)以最大的加速度啟動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)，立即讓電流降下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而裝入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，需要設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，即把轉(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)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上

4、看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 第一章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖1-1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)asr轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 acr電流調(diào)節(jié)器 tg測(cè)速發(fā)電機(jī) ta電流互感器 upe電力電子變換器圖中，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)。 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu) 若采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，則可以近似在電機(jī)最大電流、轉(zhuǎn)矩受限的條件下，充分利用電機(jī)的允許過(guò)載能力，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動(dòng)，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后

5、，又可以讓電流迅速降低下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，此時(shí)起動(dòng)電流近似呈方形波，而轉(zhuǎn)速近似是線性增長(zhǎng)的，這是在最大電流、轉(zhuǎn)矩受到限制的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過(guò)程。采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)聯(lián)接，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在起動(dòng)過(guò)程中只有電流負(fù)反饋，而它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋不同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，只靠轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能。所以選用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用 p i 調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速

6、系統(tǒng)的電路原理圖示于圖1-2。圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓uc為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。 圖1-2 雙閉環(huán)直流調(diào)速速系統(tǒng)電路原理圖 +-+-mtg+-+-rp2nu*nr0r0ucuitalidriciud+-r0r0rncnasracrlmgtvrp1unu*ilmmtgupe 兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用電流調(diào)節(jié)器的選擇：圖1-2表明，電流環(huán)的控制對(duì)象是雙慣性型的，要校正成典型 i 型系統(tǒng)，顯然應(yīng)采用pi型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫(xiě)成 為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對(duì)消，選擇則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖1-3所

7、示的典型形式，其中 圖1-2 小慣性環(huán)節(jié)近似處理圖1-3 動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的選擇為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 asr 中，現(xiàn)在在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型 型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時(shí)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能好的要求。 由此可見(jiàn)，asr也應(yīng)該采用pi調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為第二章 整體電路分析電流環(huán)設(shè)計(jì)(1)確定時(shí)間常數(shù)1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)t。2）電流濾波時(shí)間常數(shù)t。3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和t。（2）選擇電流調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求5%，并保證無(wú)靜差，可按典型i型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器

8、。（3）計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)（4）效驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止頻率：k 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(jì)(1) 確定時(shí)間常數(shù) 1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)。 2）轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)t。 3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)t。（2）選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用pi調(diào)節(jié)器。（3）計(jì)算轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器參數(shù)（4）校驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率= 1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件 2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)（5）計(jì)算電阻電容 c（6）校驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量 典型i型系統(tǒng)介紹典型i型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。圖2-1其傳遞函數(shù)為其中，時(shí)間常數(shù)t在實(shí)際系統(tǒng)中往往是控制對(duì)象本身固有的，能夠由調(diào)節(jié)器改變的只有開(kāi)環(huán)增益k，也就是說(shuō)k是唯一的待定參數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)，需要按照性能指標(biāo)選擇參

9、數(shù)k的大小。 典型的i型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其對(duì)數(shù)幅頻特性的中頻段以 20 db/dec 的斜率穿越 0db 線，只要參數(shù)的選擇能保證足夠的中頻帶寬度，系統(tǒng)就一定是穩(wěn)定的，且有足夠的穩(wěn)定裕量。典型i型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系如表2-1。典型i型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系如表2-2表2-1 典型i型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表2-2典型i型系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 典型型系統(tǒng)介紹典型型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示。圖 2-3 典型型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖其傳遞函數(shù)為 在典型ii型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)式中。與典型 i 型系統(tǒng)相仿，時(shí)間常數(shù)t也是控制對(duì)象固有的。所不同的是，待定的

10、參數(shù)有兩個(gè):k和 ，這就增加了選擇參數(shù)工作的復(fù)雜性。為了分析方便起見(jiàn)，引入一個(gè)新的變量 ，令 典型ii型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系如表2-3 表2-3 典型ii型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)模擬式轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電路如圖2-4圖2-4 含給定濾波與反饋濾波的pi型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)模擬式電流調(diào)節(jié)器電路下圖圖2-5 含給定濾波與反饋濾波的pi型電流調(diào)節(jié)器校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)系統(tǒng)突加階躍給定時(shí)，asr不飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按asr退飽和的情況計(jì)算超調(diào)量。第三章 參數(shù)計(jì)算 相關(guān)參數(shù)知參數(shù)：直流電動(dòng)機(jī)：, ， ；v-m系統(tǒng)主電路總電阻： ；電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)：

11、 ；電樞電路總電阻： ；電樞電路總電感： ； 折算至電動(dòng)機(jī)飛輪慣量： ；系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分飛輪轉(zhuǎn)矩相應(yīng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)： ；系統(tǒng)測(cè)速反饋系數(shù) ；系統(tǒng)電流反饋系數(shù) ；觸發(fā)整流裝置的放大系數(shù)： ；三項(xiàng)橋式平均時(shí)空時(shí)間： ；電流環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)： ；轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時(shí)間常數(shù)： 。 設(shè)計(jì)要求：穩(wěn)態(tài)指標(biāo)無(wú)靜差；動(dòng)態(tài)指標(biāo)電流超調(diào)量；空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的超調(diào)量。 主要參數(shù)計(jì)算 電流環(huán)參數(shù)計(jì)算1 確定時(shí)間常數(shù)：1）整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)ts=2）電流濾波時(shí)間常數(shù)toi=3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和ti = ts + toi =2.選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求i%=5，并保證穩(wěn)態(tài)電流無(wú)差，可以按典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控

12、制對(duì)象是雙慣性的，因此可用pi型電流調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為：檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能： 參照典型i型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能，各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。3. 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：i=tl=。電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求i%=5時(shí)，按照典型i型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系，應(yīng)取kiti=，因此：于是，acr的比例系數(shù)為4.校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：ci=ki= 1/s(1)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件滿足近似條件。(2)忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響條件滿足近似條件。(3)電流環(huán)小慣性時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件滿足近似條件。按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為i%=

13、%<5，按照典型i型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系，滿足設(shè)計(jì)條件。 轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)的計(jì)算1.定時(shí)間常數(shù)(1)電流環(huán)時(shí)間常數(shù)1/ki。已取kiti=則(2)轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)：ton=(3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)：2. 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用pi調(diào)節(jié)器，器傳遞函數(shù)為3.計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則取h=5，則asr得超前時(shí)間常數(shù)為轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益為：asr的比例系數(shù)為：4. 檢驗(yàn)近似條件：轉(zhuǎn)速截止頻率為：(1) 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為:滿足簡(jiǎn)化條件。(2)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為:滿足簡(jiǎn)化條件。5.計(jì)算調(diào)節(jié)電阻和電容取r0=40k,則6.轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)系統(tǒng)

14、突加階躍給定時(shí)，asr不飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按asr退飽和的情況計(jì)算超調(diào)量。由典型i型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性與參數(shù)的關(guān)系可得，理想空載時(shí)z=0,則能滿足設(shè)計(jì)要求。matlab仿真電流環(huán)不帶擾動(dòng)電流環(huán)帶擾動(dòng)轉(zhuǎn)速環(huán)無(wú)擾動(dòng)擾動(dòng)下頻域特性圖num=;den= 1 0;sys=tf(num,den);bode(sys)margin(sys)num=* ;den= 1 0 0;sys=tf(num,den);bode(sys)margin(sys)課程設(shè)計(jì)體會(huì) 這次的電力拖動(dòng)大作業(yè)可謂做的大費(fèi)周章，無(wú)數(shù)次翻開(kāi)課本溫習(xí)已經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)的知識(shí)，不斷點(diǎn)擊的鼠標(biāo)查閱網(wǎng)上的資料，和同學(xué)諸多的交流學(xué)習(xí)，終于完成了這次讓我受益匪淺的作業(yè)。 上課時(shí)聽(tīng)老師講的時(shí)候感覺(jué)這次設(shè)計(jì)也就是簡(jiǎn)單的帶入計(jì)算而已，沒(méi)有理論上的難度，等到?jīng)]有人輔導(dǎo)自己設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)老生常談的問(wèn)題又?jǐn)[在了眼前，眼高手低，理論永遠(yuǎn)聯(lián)系不了實(shí)際。許多看似簡(jiǎn)單的計(jì)算，往往搞得焦頭爛額還不知其所以然，只好再