1、直流拖動控制系統課程設計報告題 目： 雙閉環直流調速系統設計 學 院： 沈陽工業大學工程學院 專 業： 電氣工程及其自動化 班 級： 1101班 姓 名： 孔令慧 學 號： 120112724 指導教師： 佟維妍 起止日期：2014年6月16日2014年6月22日目 錄設計概述2第一章 系統總體設計41.1 系統電路結構41.2 兩個調節器的作用5第二章 整體電路分析72.1電流環設計72.2 轉速環設計72.3 典型I型系統介紹82.4 典型型系統介紹92.5 轉速調節器的實現102.6 電流調節器的實現102.7校核轉速超調量10第三章 參數計算113.1 相關參數113.2 主要參數計算

2、113.2.1 電流環參數計算113.2.2 轉速環參數的計算13MATLAB仿真16課程設計體會20設計概述雙閉環直流調速系統是目前直流調速系統中的主流設備，具有調速范圍寬、平穩性好、穩速精度高等優點。在理論和實踐方面都是比較成熟的系統，在電力拖動領域中發揮著及其重要的作用。由于直流電機雙閉環調速是各種電機調速系統的基礎，本人就直流電機調速進行了比較系統的研究，從直流電機的基本特性到單閉環調速系統，再進行雙閉環直流電機設計方案的研究，用實際系統進行工程設計，并用所學的MATLAB進行仿真，分析了雙閉環調速系統的工程設計方法中由于忽略和簡化造成的誤差。在雙閉環直流調速系統中，轉速和電流調節器的

3、結構選擇與參數設計需從動態校正的需要來解決，設計每個調節器是，都必須先求該閉環的原始系統開環對數頻率特性，再根據性能指標確定校正后系統的預期特性，對于經常正反轉運動的系統，盡量縮短啟、制動過程的時間是提高生產率的重要因素。為此，在電機最大允許電流和轉矩受到限制的條件下，應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，是電力拖動系統以最大的加速度啟動，到達穩定轉速時，立即讓電流降下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而裝入穩態運行。在設計過程中，為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，需要設置兩個調節器，分別調節轉速和電流，二者之間實行串級連接，即把轉速調節器的輸出當作電流調

4、節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發裝置從閉環結構上看，電流調節環在里面，叫內環；轉速環在外面，叫外環。這樣就形成了轉速、電流雙閉環調速系統。 第一章 系統總體設計圖1-1 轉速、電流雙閉環直流調速系統結構ASR轉速調節器 ACR電流調節器 TG測速發電機 TA電流互感器 UPE電力電子變換器圖中，把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環結構上看，電流環在里面，稱作內環；轉速環在外邊，稱作外環。這就形成了轉速、電流雙閉環調速系統。1.1 系統電路結構 若采用雙閉環調速系統，則可以近似在電機最大電流、轉矩受限的條件下，充分

5、利用電機的允許過載能力，使電力拖動系統盡可能用最大的加速度起動，到達穩態轉速后，又可以讓電流迅速降低下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩態運行，此時起動電流近似呈方形波，而轉速近似是線性增長的，這是在最大電流、轉矩受到限制的條件下調速系統所能得到的最快的起動過程。采用轉速電流雙閉環調速系統，在系統中設置了兩個調節器，分別調節轉速和電流，二者之間實行串級聯接，這樣就可以實現在起動過程中只有電流負反饋，而它和轉速負反饋不同時加到一個調節器的輸入端，到達穩態轉速后，只靠轉速負反饋，不靠電流負反饋發揮主要的作用，這樣就能夠獲得良好的靜、動態性能。所以選用轉速電流雙閉環系統結構為了獲得良好的靜、動態

6、性能，轉速和電流兩個調節器一般都采用 P I 調節器，這樣構成的雙閉環直流調速系統的電路原理圖示于圖1-2。圖中標出了兩個調節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Uc為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。 圖1-2 雙閉環直流調速速系統電路原理圖 +-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE1.2 兩個調節器的作用電流調節器的選擇：圖1-2表明，電流環的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型 I 型系統，顯然應采用PI型的電流調節器，其傳遞函數可以寫成 為了

7、讓調節器零點與控制對象的大時間常數極點對消，選擇則電流環的動態結構圖便成為圖1-3所示的典型形式，其中 圖1-2 小慣性環節近似處理圖1-3 動態結構圖轉速調節器的選擇為了實現轉速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環節，它應該包含在轉速調節器 ASR 中，現在在擾動作用點后面已經有了一個積分環節，因此轉速環開環傳遞函數應共有兩個積分環節，所以應該設計成典型 型系統，這樣的系統同時也能滿足動態抗擾性能好的要求。 由此可見，ASR也應該采用PI調節器，其傳遞函數為第二章 整體電路分析2.1電流環設計(1)確定時間常數1）整流裝置滯后時間常數T。2）電流濾波時間常數T。3）電流環小時間常數之

8、和T。（2）選擇電流調節機構根據設計要求5%，并保證無靜差，可按典型I型系統設計電流調節器。（3）計算電流調節器參數（4）效驗近似條件 電流環截止頻率：K2.2 轉速環設計(1) 確定時間常數 1）電流環等效時間常數。 2）轉速環濾波時間常數T。 3）轉速環小時間常數T。（2）選擇轉速調節機構按照設計要求，選用PI調節器。（3）計算轉速環調節器參數（4）校驗近似條件轉速環截止頻率= 1）電流環傳遞函數簡化條件 2）轉速環小時間常數（5）計算電阻電容 C（6）校驗轉速超調量2.3 典型I型系統介紹典型I型系統的結構圖如圖2-1所示。圖2-1其傳遞函數為其中，時間常數T在實際系統中往往是控制對象本

9、身固有的，能夠由調節器改變的只有開環增益K，也就是說K是唯一的待定參數。設計時，需要按照性能指標選擇參數K的大小。 典型的I型系統結構簡單，其對數幅頻特性的中頻段以 20 dB/dec 的斜率穿越 0dB 線，只要參數的選擇能保證足夠的中頻帶寬度，系統就一定是穩定的，且有足夠的穩定裕量。典型I型系統動態抗擾性能指標與參數的關系如表2-1。典型I型系統跟隨性能指標和頻域指標與參數的關系如表2-2表2-1 典型I型系統動態抗擾性能指標與參數的關系表2-2典型I型系統跟隨性能指標和頻域指標與參數的關系2.4 典型型系統介紹典型型系統的結構圖如圖2-2所示。圖 2-3 典型型系統的結構圖其傳遞函數為

10、在典型II型系統的開環傳遞函數式中。與典型 I 型系統相仿，時間常數T也是控制對象固有的。所不同的是，待定的參數有兩個:K和 ，這就增加了選擇參數工作的復雜性。為了分析方便起見，引入一個新的變量 ，令 典型II型系統動態抗擾性能指標與參數的關系如表2-3 表2-3 典型II型系統動態抗擾性能指標與參數的關系2.5 轉速調節器的實現模擬式轉速調節器電路如圖2-4圖2-4 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調節器2.6 電流調節器的實現模擬式電流調節器電路下圖圖2-5 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調節器2.7校核轉速超調量當系統突加階躍給定時，ASR不飽和，不符合線性系統的前提，應該按ASR退飽

11、和的情況計算超調量。第三章 參數計算3.1 相關參數知參數：直流電動機：, ， ；V-M系統主電路總電阻： ；電樞回路電磁時間常數： ；電樞電路總電阻： ；電樞電路總電感： ； 折算至電動機飛輪慣量： ；系統運動部分飛輪轉矩相應的機電時間常數： ；系統測速反饋系數 ；系統電流反饋系數 ；觸發整流裝置的放大系數： ；三項橋式平均時空時間： ；電流環濾波時間常數： ；轉速環濾波時間常數： 。 設計要求：穩態指標無靜差；動態指標電流超調量；空載起動到額定轉速時的超調量。3.2 主要參數計算 電流環參數計算1 確定時間常數：1）整流裝置滯后時間常數Ts=0.0017s2）電流濾波時間常數Toi=0.0

12、02s3）電流環小時間常數之和Ti = Ts + Toi =0.00667s2.選擇電流調節器的結構根據設計要求i%=5，并保證穩態電流無差，可以按典型系統設計電流調節器。電流環控制對象是雙慣性的，因此可用PI型電流調節器。其傳遞函數為：檢查對電源電壓的抗擾性能： 參照典型I型系統動態抗擾性能，各項指標都是可以接受的。3. 計算電流調節器參數電流調節器超前時間常數：i=Tl=0.028s。電流環開環增益：要求i%=5時，按照典型I型系統動態跟隨性能指標和頻域指標與參數的關系，應取KiTi=0.5，因此：于是，ACR的比例系數為4.校驗近似條件電流環截止頻率：ci=KI=74.96 1/S(1)

13、晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件滿足近似條件。(2)忽略反電動勢變化對電流環動態影響條件滿足近似條件。(3)電流環小慣性時間常數近似處理條件滿足近似條件。按照上述參數，電流環可以達到的動態跟隨性能指標為i%=4.3%<5，按照典型I型系統動態跟隨性能指標和頻域指標與參數的關系，滿足設計條件。 轉速環參數的計算1.定時間常數(1)電流環時間常數1/KI。已取KITi=0.5則(2)轉速濾波時間常數：Ton=0.005s(3)轉速環小時間常數：2. 選擇轉速調節器結構按照設計要求，選用PI調節器，器傳遞函數為3.計算轉速調節器參數按跟隨和抗擾性能都較好的原則取h=5，則ASR得超前時間常數為

14、轉速開環增益為：ASR的比例系數為：4. 檢驗近似條件：轉速截止頻率為：(1) 電流環傳遞函數簡化條件為:滿足簡化條件。(2)轉速環小時間常數近似處理條件為:滿足簡化條件。5.計算調節電阻和電容取R0=40K,則6.轉速超調量當系統突加階躍給定時，ASR不飽和，不符合線性系統的前提，應該按ASR退飽和的情況計算超調量。由典型I型系統動態抗擾性與參數的關系可得，理想空載時z=0,則能滿足設計要求。MATLAB仿真電流環不帶擾動電流環帶擾動轉速環無擾動擾動下頻域特性圖num=76.786;den=0.00667 1 0;sys=tf(num,den);bode(sys)margin(sys)num=354.442*0.092 354.442;den=0.0184 1 0 0;sys=tf(num,den);bode(sys)margin(sys)課程設計體會 這次的電力拖動大作業可謂做的大費周章，無數次翻開課本溫習已經學習過的知識，不斷點擊的鼠標查閱網上的資料，和同學諸多的交流學習，終于完成了這次讓我受益匪淺的作業。 上課時聽老師講的時候感覺這次設計也就是簡單的帶入計算而已，沒有理論上的難度，等到沒有人輔導自己設計時一個老生常談的問題又擺在了眼前，眼高手低，理論永遠聯系不了實際。許多看似簡單的計算，往往搞得焦頭爛額還