雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計要點

1、課程設(shè)計任務(wù)書信息工程與自動化學院學院 自動化 專業(yè) 10 年級學生姓名：_11課程設(shè)計題目：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計課程設(shè)計主要內(nèi)容：根據(jù)要求完成調(diào)節(jié)器的計算與工程設(shè)計，實現(xiàn) 1、穩(wěn)態(tài)：無靜差；2、 動態(tài)指標：電流超調(diào)5%;轉(zhuǎn)速超調(diào)10%;、振蕩次數(shù)N2次。并繪制 相關(guān)電路原理圖。電機參數(shù)及指標要求：設(shè)計一個雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路，電動機參數(shù)：UN=220V, PN=500Kw,ldN=760A,nN=375r/min,Ce=1.82V.min/r,過載倍數(shù)入=1.5，整流裝置放大系數(shù)Ks= 75,電樞回路總電阻R= 0.14 歐，時間常數(shù)TI=0.031s,

2、Tm=0.112s,電流反饋濾波時間常數(shù) Toi=0.002s, 轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)Ton二0.02s，要求實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無靜差，電流超調(diào)量。i % 5%,空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 （T n%w 10%,取轉(zhuǎn)速調(diào) 節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的飽和值為12V,輸出限幅值為10V,額定轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)速 給定 Un*10V。設(shè)計指導教師（簽字）：張壽明教學基層組織負責人（簽字）：2013年12月10日 摘要： 雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)有較好性能，因而得到廣泛應(yīng)用。在實際應(yīng)用中， 選定電動機后， 其參數(shù)是不可變的， 只能通過改變雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié) 器和外環(huán)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的參數(shù)來提高整個系統(tǒng)的性能。 建立系

3、統(tǒng)的數(shù)學模型， 分別按 二階最佳和三階最佳設(shè)計方案，采用 PI 控制算法，對電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器進行 設(shè)計，對所建立的模型在 Matlab6 5的環(huán)境下進行仿真， 試驗證明此設(shè)計是可行的。 : 關(guān)鍵字 : 雙閉環(huán)；直流調(diào)速系統(tǒng)；調(diào)節(jié)器注：本系統(tǒng)設(shè)計由課本P95習題及運控大作業(yè)提供數(shù)據(jù)及初步模型17目錄第一章 課程設(shè)計任務(wù) 誤！未定義書簽。錯誤！錯誤！一、設(shè)計內(nèi)容 未定義書簽。二、電機參數(shù)及指標要求 未定義書簽。三、摘要 3第二章 設(shè)計過程 5一、系統(tǒng)組成原理圖 5二、穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性 6三、電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計 6四、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計 7第三章 MATLAB 仿真 8一、主電路的建模與仿真參數(shù)

4、設(shè)置 8二、結(jié)果與分析 -10第四章 硬件設(shè)計 12、主電路形式的確定 -13、控制電路形式的確定 13第五章 結(jié)束語 14第六章 參考文獻 -15第二章：設(shè)計過程一、系統(tǒng)組成原理圖直流電機具有良好的起制動性能，易于在較廣范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多高性能可控電力拖動系統(tǒng)中得到了比較廣泛的應(yīng)用，如龍門刨床、高層樓梯高精度機床等。特別是晶閘管直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，具有自動化程度高、控制性能好、起動轉(zhuǎn)矩大，易于實現(xiàn)無級調(diào)速等優(yōu)點。本文以 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)為例，建立雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，并以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、快速響應(yīng)及帶負載的能力為 目標研究。再因電機本身復雜，加上電壓反饋、電流反饋、PI校正器設(shè)計，整個調(diào)速過程、參

5、數(shù)選擇都須花大量時間。本文利用工程設(shè)計方法和采用Matlab建立電機可視化模型，對整個調(diào)速過程進行動態(tài)仿真和系統(tǒng)分析。電流環(huán)是由電流調(diào)節(jié)器 ACF和電流負反饋環(huán)節(jié)組成的閉合回路，二者之間實行串級連接，其主要作用是通過電流檢測元件的反饋作用穩(wěn)定電流；轉(zhuǎn)速環(huán)是由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASRA轉(zhuǎn)速負反饋環(huán)節(jié)組成的閉合回路，其主要作用是通過轉(zhuǎn)速檢測元件的反饋作用保持轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，最終消除轉(zhuǎn)速偏 差。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。ASF和AC均采用帶有限幅作用的比例積分 （PI）放大器。注：圖中：U*n、Un轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓U*i、

6、Ui 電流給定電壓和電流反饋電壓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UPL電力電子變換器、穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)或零極點模型為基礎(chǔ)的系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.3所示。圖中W (s) ASR和W(s) ACR分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，在電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把 電樞電流Id顯露出來。如國二2穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對靜特性來 說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。三、電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計對電流環(huán)，可以校正成典I系

7、統(tǒng)，也可以校正成典型II型系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)機械的要求而定。一般對抗擾性能要求不是特別嚴格時，采用典I系統(tǒng)設(shè)計即可?，F(xiàn)將電流環(huán)校正成典I系統(tǒng)。在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓*Ui變化，對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用；起動時保證獲得允許的最大電流，使系統(tǒng)獲得 最大加速度起動；當電機過載甚至于堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，從而起大快速的安全保護 作用。當故障消失時，系統(tǒng)能夠自動恢復正常。圖2.4電涼環(huán)面化結(jié)構(gòu)用1、確定時間常數(shù)：電流環(huán)小時間常數(shù)之和 Ti =T s +Toi =0.0037s 。2、選擇電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)因為d i =5%并保證穩(wěn)態(tài)電流無靜差，可以按照典型 I型系統(tǒng)設(shè)計調(diào)節(jié)器，電

8、流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可選用PI型電流調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)為：A7(沸+ 1iiS由已知可得=如 100.00877V/A，XI N1.5漢760Tq =Ts Toi =0.0017 0.002 = 0.0037s ,135.10.031 0.14Ki0.891“ Ks -0.891，28.757。75 0.00877i0.031.i =T0.031s，而 Ki =055： 135.1s，0.0037故K（三）校驗近似條件電流環(huán)截止頻率-c Ki =135.1s ,晶閘管裝置傳函的近似條件13Ts13 0.0017滿足條件。忽略反電動勢影響的近似條件3匚工 =：1 茫50 91sa ci，

9、滿足條件。查表得込 =4.3% ： 5%，滿足要求。四、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計對速度環(huán)，可以校正成典I系統(tǒng)，也可以校正成典II系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)機械的要求而定，大多數(shù)調(diào)速系統(tǒng)的速度環(huán)都按典II系統(tǒng)進行設(shè)計?，F(xiàn)將速度環(huán)校正成典II系統(tǒng).1、確定時間常數(shù)：參數(shù)已知。2、典型I型系統(tǒng)，選擇PI調(diào)節(jié)器,WASR(S)Kn( nS - 1)nS3、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計算:按照跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5,由已知可得-Um1 :- 0.0267VnN 375min/ r-Ton，而J /。.林，KiTOn= 0.0074 =0.02 70274S。h取5,則.n =hT筲=5 0.0274 = 0.137s。

10、Kn2= 2 25 6).02742 ：396*故Kn_(h 1 廠 CeTm一 2h：RT=n6 0.00877 1.82 0.112& 10.49，2 5 0.0267 0.14 0.0274Kn10.490.137:76.554。其它已知數(shù)據(jù)則代入電流環(huán)相應(yīng)框圖中。（三）校驗近似條件轉(zhuǎn) 速環(huán)截 止頻率 二KN .n =396.4 0.137 =54.3s電流環(huán)傳函的簡化條件1 Ki =1135.13T 一 3 0.0037:“ 63.7s.，滿足條件。Ci小時間常數(shù)近似處理條件I；1 135.1 ： 27.40scn30.02滿足條件。760 0.14查表得二n%=2 81.2% 1.5

11、 182 0.0274 : 9.29% : 10%，滿足條件。3750.112第三章MATLAB仿真一、主電路的建模與仿真參數(shù)設(shè)置：(1) 三相對稱交流電壓源的建模和參數(shù)設(shè)置 。首先從 SimPow system Electrica1 Source路徑下提取一個交流電壓源模塊 (AC VoltageSource),再用復制的方法得到三相電源的另外 2個電壓源模塊，并將模塊標簽分別改為 4相，B相， 0相，按照圖3連接成三相電壓源。然后將 A相交流電源參數(shù)設(shè)置如下：交流峰值相電壓取125V2V初相位設(shè)置成0。、頻率為50 Hz，其他為默認值。c相則除了將初相位與 A相設(shè)置成互差120。 外，其他

12、參數(shù)與A相相同，由此可得到三相對稱交流電源。(2) 晶閘管整流橋的建模和參數(shù)設(shè)置。首先從 SimPowersvstem ，Power Electronics 中選取 “UniversalBridge ”( 通用變換器橋 ) 模塊，將該模塊的標簽改為“晶閘管整流橋”。使用該模塊時，A B c均選擇為輸入端，D(為輸出端；“ g(pulse) ”端接受來自外部模塊的觸發(fā)信號，緩沖電阻R =0 . 1 MI2，緩沖電容c、內(nèi)電阻 R 、內(nèi)電感等參數(shù)采用默認設(shè)置即可。(3) 同步脈沖觸發(fā)器的建模和參數(shù)設(shè)置。通常，工程上將觸發(fā)器和晶閘管整流橋作為 1個整體來研究，所以，在此處討論同步觸發(fā)器。同步脈沖觸發(fā)

13、器包括同步電源和6脈沖觸發(fā)器 2部分，其圖標如圖 4(a) 中所示，其中 alpha_deg 是移相控制角信號輸入端；AB, BC CA是同步線電壓的輸入端；Block為觸發(fā)器的開關(guān)信號：當Block為“ 0”時，開放觸發(fā)器；當 Block 為“1”時，封鎖觸發(fā)器。封裝后的子系統(tǒng)圖中，即為觸發(fā)器 控制信號, In2 即為觸發(fā)器的開關(guān)輸入信號, outl 端口輸出脈沖信號。同步 6脈沖觸發(fā)器參數(shù)設(shè)置 的同步電壓頻率為60 Hz，脈沖寬度為10。，如再勾選了“ Double pulsing ”，觸發(fā)器就能給出 間隔 60。的雙脈沖信號。(4) 平波電抗器的建模和參數(shù)設(shè)置。首先從SimPowersy

14、stem / Elements中選取“ Series RLC Branch ”模塊，并將模塊標簽改為“平波電抗器”，然后打開平波電抗器參數(shù)設(shè)置對話框，將平波電抗器的電感值設(shè)為5 mH。(5) 直流電動機的建模和參數(shù)設(shè)置。首先從SimPowersystem / maehines中選取“ DCMachine ”模塊，并將模塊標簽改為“直流電動機”。其中：“ F+”和“ F”為直流電動機的勵磁繞組；“A+”和“ A”為電樞繞組；TL端口接恒轉(zhuǎn)矩負載；m為直流電動機模塊的輸出信號，其輸出參數(shù)選擇為轉(zhuǎn)速n、電樞電流， 勵磁電流， 電磁轉(zhuǎn)矩 4個信號。 一般來說， 如果不指定直流電動機額定參數(shù)的話， 可以

15、采用默認設(shè)置。當建模和仿真參數(shù)設(shè)置完成后，即可開始進行仿真。相關(guān)元件參數(shù)如下:通過查表可得Uf =220， |:0.088816 門，f =30A， J = 500kg m2， Ra = U N - C1 N60 f P = nN,19.1 CeU nL a 2pn nInU f 220：0W1257H，5J333LM，60Ce I - 2 二Laf1 f：0.579618H，Tl=13215.29 N m。2 二二、結(jié)果及分析經(jīng)過參數(shù)合理范圍內(nèi)的調(diào)試，得出系統(tǒng)仿真模型圖:細紇10.W1TwrwwI 口也的| IUEC I仿真結(jié)果分析：由此圖可知，振蕩次數(shù) N2,且滿足空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)

16、速超調(diào)量d n % 10%，但電流超調(diào)量d i %超了。，不滿足電流超調(diào)量 d i %a %腳弟&跖單煉沖輸入）包丑舊芾器氓|u |1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器仙晶徵it棗動電路 tfiot）?階+ Ro Rd枷5 I樸禺a(chǎn)匹VDl|Zr p rUseUsbUaIPI結(jié)束語首先，特別鳴謝張壽明老師的耐心教導。這次課程設(shè)計的結(jié)果，基本實現(xiàn)了雙閉環(huán)晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，達到了低超調(diào)，快速達到額定轉(zhuǎn)速并無靜差，硬件設(shè)計比較合理，能夠達到工業(yè)要求，同時設(shè)計了保護電路，使實際 應(yīng)用時不會出現(xiàn)安全問題。其次，通過這次設(shè)計，我基本上掌握了直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計。具體的說，第一，了解了調(diào)速的發(fā)展史的同時，進一步了解了交

17、流調(diào)速系統(tǒng)所蘊涵的發(fā)展?jié)摿?，掌握了這一方面未來的發(fā)展動態(tài)；第二，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成以及其靜態(tài)、動態(tài)特性；第三，ASR ACR（速度、電流調(diào)節(jié)器）為了滿足系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)指標在結(jié)構(gòu)上的選取，包括其參數(shù)的計算；第四， 直流電動機數(shù)學模型的建立，參數(shù)的計算；第六，運用MATLAB仿真系統(tǒng)對所建立的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行的仿真，與此同時，進一步熟悉了MATLAB的相關(guān)功能，掌握了其使用方法。第七，學會了使用protel和proteus等軟件對系統(tǒng)電路圖進行仿真與繪制；第八，在整個設(shè)計過程中， 遇到很多問題，同時到最后也都得到解決，也要感謝同學們和老師的幫助。總之，在設(shè)計過程中，我不僅學到了以前從未接觸過的新知識，而且學會了獨立的去發(fā)現(xiàn)，面對，分析，解決新問題的能力，不僅學到了知識，又鍛煉了自己的能力，使我受益非淺。參考文獻1 陳伯時 . 電力拖動自動控制系統(tǒng) . 機械工業(yè)出版社， 20022 鄒伯敏 . 自動控制理論 . 機械工業(yè)出版社 20033 章燕申 ,袁曾任 .控制系統(tǒng)的設(shè)計與實踐 .清華大學出版社 ,1992.34 王兆安 ,黃俊.電力電子技術(shù) . 機械工業(yè)出版社， 20025 張柳芳 , 王彥輝 . 速度和電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 . 新探平頂山師 專,2000.5 周淵深交直流調(diào)速系統(tǒng)與 MATLAB仿真