雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計

1、直流拖動控制系統(tǒng)課程設(shè)計報告題目 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計學(xué)院： 沈陽工業(yè)大學(xué)工程學(xué)院專 業(yè)：電氣工程及其自動化班級：1101班姓 名：孔令慧學(xué)號：120112724指導(dǎo)教師：佟維妍起止日期：2014年6月16日2014年6月22日目錄設(shè)計概述 2.第一章系統(tǒng)總體設(shè)計 3.1.1 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu) 3.1.2 兩個調(diào)節(jié)器的作用 4.第二章整體電路分析 6.2.1 電流環(huán)設(shè)計 6.2.2 轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計 6.2.3 典型 I 型系統(tǒng)介紹 7.2.4 典型H型系統(tǒng)介紹 8.2.5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(xiàn) 9.2.6 電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn) 9.2.7 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 9.第三章 參數(shù)計算 1.0.3.1 相關(guān)參數(shù) 1.

2、0.3.2 主要參數(shù)計算 1.0.3.2.1 電流環(huán)參數(shù)計算 1.03.2.2 轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)的計算 1.2MATLAB 仿真1.5.課程設(shè)計體會 1.9.設(shè)計概述雙閉環(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。 在理論和實踐方面都是比較成熟的系統(tǒng)， 在電力 拖動領(lǐng)域中發(fā)揮著及其重要的作用。由于直流電機雙閉環(huán)調(diào)速是各種電機調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)， 本人就直流電機調(diào)速 進行了比較系統(tǒng)的研究， 從直流電機的基本特性到單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)， 再進行雙閉 環(huán)直流電機設(shè)計方案的研究，用實際系統(tǒng)進行工程設(shè)計，并用所學(xué)的MATLABS行仿真，分析了雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工程設(shè)計方法

3、中由于忽略和簡化造成的誤差。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)計需從動 態(tài)校正的需要來解決， 設(shè)計每個調(diào)節(jié)器是， 都必須先求該閉環(huán)的原始系統(tǒng)開環(huán)對 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， 對于經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運動 的系統(tǒng)，盡量縮短啟、制動過程的時間是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此，在電機 最大允許電流和轉(zhuǎn)矩受到限制的條件下， 應(yīng)該充分利用電機的過載能力， 最好是 在過渡過程中始終保持電流為允許的最大值， 是電力拖動系統(tǒng)以最大的加速度啟 動，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時，立即讓電流降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而裝入 穩(wěn)態(tài)運行。在設(shè)計過程中， 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分

4、別起作用， 需要設(shè)置兩個 調(diào)節(jié)器， 分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流， 二者之間實行串級連接， 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 測速發(fā)電機 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

5、環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。1.1系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)若采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，則可以近似在電機最大電流、轉(zhuǎn)矩受限的條件下， 充分利用電機的允許過載能力，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又可以讓電流迅速降低下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載相平衡，從而轉(zhuǎn) 入穩(wěn)態(tài)運行，此時起動電流近似呈方形波，而轉(zhuǎn)速近似是線性增長的，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過程。采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者 之間實行串級聯(lián)接，這樣就可以實現(xiàn)在起動過程中只有電流負(fù)反饋，而它和轉(zhuǎn)速 負(fù)反饋不同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)

6、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、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都米用 P I調(diào) 節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖示于圖 1-2。圖中標(biāo)出了兩 個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓 UC1.2兩個調(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)可以寫成Wacr(S)Ki( iS 1)iSTi為了讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)

7、圖便成為圖1-3所示的典型形式，其中KiKiKsiRi圖1-2小慣性環(huán)節(jié)近似處理6 -圖1-3動態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的選擇為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)，它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中，現(xiàn)在在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)，因 此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典型n型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為WASR Kn（ nS 1）第二章整體電路分析2.1電流環(huán)設(shè)計(1) 確定時間常數(shù)1)整流裝置滯后時間常數(shù)Ts2) 電流濾波時間常數(shù)Toi。3) 電流環(huán)小時間常數(shù)之和T(2) 選擇

8、電流調(diào)節(jié)機構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求i 5%并保證無靜差，可按典型(3) 計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)(4) 效驗近似條件I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器電流環(huán)截止頻率：ci K|2.2轉(zhuǎn)速環(huán)設(shè)計(1)確定時間常數(shù))電流環(huán)等效時間常數(shù)1°K|)轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時間常數(shù)T ON °)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)T(2) 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)機構(gòu)按照設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器(3) 計算轉(zhuǎn)速環(huán)調(diào)節(jié)器參數(shù)(4) 校驗近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率cn二=Kn n1 )電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件-K3 ”T2 )轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)1(5) 計算電阻電容RnKnRoCn - C on 二 4T°RnRo(6) 校驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量2.3典型I型系統(tǒng)介紹

9、典型I型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示Ks(Ts + 1)圖2-1其傳遞函數(shù)為其中，時間常數(shù)T在實際系統(tǒng)中往往是控制對象本身固有的，能夠由調(diào)節(jié)器改變的只有開環(huán)增益K,也就是說K是唯一的待定參數(shù)。設(shè)計時，需要按照性能 指標(biāo)選擇參數(shù)K的大小。典型的I型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，其對數(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2-27；Ti111m -石坊51030ACq55.5433.218.5%12.9o2.S3

10、,43.84.0tJT14.721,728,730.4表2-1典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系參數(shù)關(guān)系KT0.25039050,691.0阻尼比歹100.80.7070.60.5超調(diào)量b0%1.5%4-3%9.5%L6.3%上升吋間CO4.773.371AT峰值時間fpg3.3T6：1T4.7T3.IT相角穩(wěn)定裕度了76.5°69.9"65.5*59.2 °51.8 *截止頻率%0.243/T0.367/T0.455/70.7S6/7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2.4典型H型系統(tǒng)介紹典型U型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示。圖2-3典型

11、n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)的開環(huán)傳遞函數(shù)式中。與典型I型系統(tǒng)相仿，時間常數(shù)T也是控制對象固有的。所不同的是，待定的參數(shù)有兩個: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，引入一個新的變量，令典型II型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系如表2-3h4567391072.2%77.5° yR1.2rto88.1° q&9.6° b9OlH°o2 T2 452.702.853003.153.255303 40tj T13.6010.45&帥12.9516.8519 KO22.SU25.K5表2-3典型II型系統(tǒng)動態(tài)

12、抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系2.5轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實現(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)器略Cn lb2.6電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)模擬式電流調(diào)節(jié)器電路下圖1>圖2-5含給定濾波與反饋濾波的 PI型電流調(diào)節(jié)器2.7校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)系統(tǒng)突加階躍給定時，ASR不飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按 ASR 退飽和的情況計算超調(diào)量。第三章 參數(shù)計算3.1 相關(guān)參數(shù)知參數(shù)：直 流 電 動 機 ： Pn 10kW , Un 440V , In 365A, nN 950r / min ， Ce 0.228V / r min， 1.5 ；V-M系統(tǒng)主電路總電阻：R 0.863;電

13、樞回路電磁時間常數(shù)： Tl 0.028s ； 電樞電路總電阻： R 0.0825 ； 電樞電路總電感： L 3.0mH ； 折算至電動機飛輪慣量： GD2 20Nm2 ； 系統(tǒng)運動部分飛輪轉(zhuǎn)矩相應(yīng)的機電時間常數(shù)：Tm 0.383s ；系統(tǒng)測速反饋系數(shù) 0.0158v min/r ； 系統(tǒng)電流反饋系數(shù) 0.274V/A ； 觸發(fā)整流裝置的放大系數(shù)： Ks 40 ； 三項橋式平均時空時間： Ts 0.0017s ； 電流環(huán)濾波時間常數(shù)： Toi 0.002s ； 轉(zhuǎn)速環(huán)濾波時間常數(shù)： Ton 0.001s 。設(shè)計要求：穩(wěn)態(tài)指標(biāo)無靜差；動態(tài)指標(biāo)電流超調(diào)量 % 5%；空載起動到額 定轉(zhuǎn)速時的超調(diào)量 n

14、% 10% 。3.2 主要參數(shù)計算3.2.1 電流環(huán)參數(shù)計算1) 整流裝置滯后時間常數(shù)Ts=0.0017s2) 電流濾波時間常數(shù)Toi =0.002s3)電流環(huán)小時間常數(shù)之和 Te i = Ts + Toi =0.00667s2. 選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求cr%=5%，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可以按典I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)衛(wèi)檢查對電源電壓的抗擾性能：ti動態(tài)抗擾性能，各項指標(biāo)都是可以接受的。3. 計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)°.°284 197、0 00667參照典型I型系統(tǒng)為：、 Ki( is 1)WACR (s)

15、iS電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：i=T =0.028s。電流環(huán)開環(huán)增益：要求 d%=5%時，按照典型I型系統(tǒng)動態(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KiTE i=0.5，因此：Ki0.50.50.0066774.96s于是，ACR勺比例系數(shù)為KiK, iR74.96 °.°28 0863 2.16Ks30 0.0284.校驗近似條件電流環(huán)截止頻率:3 ci=K=74.96 1/S(1)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件13Ts3 0.00167 199'6sci滿足近似條件。(2)忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響條件28.97s 1 ci0.3831 02028滿足近

16、似條件(3)電流環(huán)小慣性時間常數(shù)近似處理條件1 _1_3 TsT。：/o=h=115.35sci滿足近似條件。按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)為(r%=4.3%<5%，按照典型I型系統(tǒng)動態(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)計條件。轉(zhuǎn)速環(huán)參數(shù)的計算1. 定時間常數(shù)(1)電流環(huán)時間常數(shù)1/Ki。已取KITEi=0.5則1 2T i 0.01334 Ki轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)：Ton=0.005s(3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)：1KiTon0.01334 0.001 0.014342. 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，器傳遞函數(shù)為WASR (S)Kn( nS 1)3.

17、計算轉(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得超前時間常數(shù)為hT n 5 0.018340.0917s轉(zhuǎn)速開環(huán)增益為:Kn2h2T262 25 0.0183孑356.7sASR的比例系數(shù)為:Kn(h 1) CeTm2h RT6 0.274 0.228 0.03832 5 0.0158 0.863 0.0183422.64.檢驗近似條件: 轉(zhuǎn)速截止頻率為：KncnKn n 356.7 0.0917s132.7s(1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為174.963 】0.0066735.3scn滿足簡化條件(2)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為174.963 1 0.00540.8sc

18、n滿足簡化條件。5.計算調(diào)節(jié)電阻和電容取 F0=40KQ ,則R, KnRo 22.6 40k904k0.0917 廠 3廠 900 10310.19 FCi4 0.005 F 3廠 40 1035 10 65 F6.轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)系統(tǒng)突加階躍給定時,ASR不飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況計算超調(diào)量。由典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性與參數(shù)的關(guān)系可得Cmax'Cb 81.2% ,理想空載時Z=0,則maxCbnb n2(maxCT）（z) nb Tjnn T m能滿足設(shè)計要求136 0.8632 81.2% 1.2 0.22815000.013840.3832.42%10%m

19、a>2oMATLAB 仿真電流環(huán)不帶擾動TI *如下4Gth鄉(xiāng)A* J關(guān) MfilecisfcziEx L s.皿 一 臨rL1Jg.raiTai|l 如田期滋 PTTSfuler FenalignFend '*73戊冋 Fen?Twsfsr F:rfl- rfsijakrarii心田3；U£B1 加 IParslE" rcn'ii.z、b：0 FcrWHE卜 snsiet ：:il0663rOJKJ&tifrsnritFcti-ScjueSt si I轉(zhuǎn)速環(huán)對EQI.刖M.卜嚴(yán).I MlliHfa.i無擾動擾動下頻域特性圖num=76.786;de n=0.00667 1 0;sys=tf( nu m,de n);bode(sys)margi n(sys)Hnrianu