1、 轉速電流雙閉環直流調壓調速系統課程設計報告題 目 轉速電流雙閉環直流調壓調速系統學 院 電子信息工程學院 專 業 自動化 學生姓名 XXXXXXX 學 號 XXXXXXXXXXX 年級 2011 級指導教師 譚健敏 職稱 講師 2014年 11月 10 日 轉速電流雙閉環直流調壓調速系統的設計摘要：在現代工業的發展中,在調速領域中, 直流調速系統，特別是雙閉環直流調速系統發揮著極為重要的作用。雙閉環調速系統是由單閉環自動調速系統發展而來的。它通過轉速和電流兩個調節器分別引入轉速負反饋和電流負反饋，并構成雙閉環系統；動靜態性能好，抗擾性能佳。速度調節及抗負載和電網擾動，采用雙PI調節器，可獲得

2、良好的動靜態效果。本設計主要采用三相全控橋式整流電路對直流電機供電，并采用工程設計的方法來計算調節器的相關參數；從而電流環設計成典型I型系統，速度環設計成典型型系統。 關鍵詞：調速系統；雙閉環；工程設計目 錄第一章 系統設計參數要求11.1 主要技術參數11.1.1 系統性能要求11.1.2 他勵直流電動機參數11.2 晶閘管電動機系統主電路21.2.1 整流變壓器容量的選擇21.2.2 晶閘管器件的選擇2第二章 系統總體設計32.1 雙閉環系統32.2 系統電路結構圖32.3 穩態結構圖42.4 三相橋式整流電路5第三章 按工程設計方法設計轉速、電流反饋控制直流調速系統的調節器53.1 電流

3、調節器的設計53.2 轉速調節器的設計8第四章 調節器參數計算94.1 電流調節器參數計算94.1.1 確定時間常數94.1.2 選擇電流調節器結構94.1.3 計算電流調節器參數94.1.4 校驗近似條件94.1.5 計算調節器的電阻電容104.2 轉速調節器參數計算104.2.1 確定時間常數104.2.2 選擇轉速調節器結構104.2.3 計算轉速調節器參數104.2.4 檢驗近似條件114.2.5 計算調節器電阻和電容114.2.6 校核轉速超調量11第五章 調速系統的仿真125.1 電流環系統的仿真125.1.1 電流環的仿真模型125.1.2 電流環的仿真結果125.1.3 電流環

4、的仿真說明145.2 轉速環系統的仿真155.2.1 轉速環的仿真模型155.2.2 轉速環的仿真結果155.2.3 電流環的仿真說明16第六章 結 論17參考文獻18附 錄19I成都學院課程設計報告第1章 系統設計參數要求1.1 主要技術參數1.1.1 系統性能要求1) 穩態無靜差；2) 調速范圍：；3) 靜差率： ；4) 起動時電流超調量：；5) 在額定轉速時的轉速超調量： ；6) 動態速降：；7) 振蕩次數：次；8) 控制參數：； ；9) 電流反饋濾波常數:；10) 轉速反饋濾波常數:；11) 電流過載倍數： ；12) 電流反饋系數：；13) 轉速反饋系數：；1.1.2 他勵直流電動機參

5、數1）額定電壓：；2）額定電流：；3) 額定轉速：；4) 電勢系數：5) 電磁時間常數：；6) 機電時間常數：；7) 電樞回路總電阻：；1.2 晶閘管電動機系統主電路1）晶閘管整流電路方案選則三相橋式整流電路；2）晶閘管裝置的放大系數：；1.2.1 整流變壓器容量的選擇根據選擇的電機參數中，所以可以得到三相橋式電路帶電阻負載時候 因為橋式整流二次側無直流分量，它的一次測和二次側容量相等為： 再根據變壓器的輸出按照80%計算則變壓器應該選擇。1.2.2 晶閘管器件的選擇在三相全控整流電路中，流過晶閘管電流的有效值為：,晶閘管承受的最大反向電壓為：；考慮到安全因素的影響，所以：晶閘管的額定電壓為：

6、 晶閘管的額定電流為： 選擇晶閘管為KP 200型；KP200型晶閘管的相關參數如圖1-1所示圖1-1 晶閘管的相關參數第2章 系統總體設計2.1 雙閉環系統為了使轉速和電流兩種負反饋分別起作用，系統中設置兩個調節器，分別引入轉速負反饋和電流負反饋以調節電流和轉速。如圖2-1，把轉速調節器的輸出作為電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制電力電子變換器UPE。電流環在里面，稱作內環；速度環在外面，稱作外環。這就形成了轉速、電流反饋控制直流調速系統。圖2-1 轉速、電流反饋控制直流調速系統原理圖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-電力電子調節器

7、 Un*-轉速給定電壓 Un-轉速反饋電壓 Ui*-電流給定電壓 Ui-電流反饋電壓2.2 系統電路結構圖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圖2-2 雙閉環直流調速速系統電路原理圖為了獲得良好的靜、動態性能，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如圖2-2。圖中標出了兩個調

8、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為正電壓的情況標出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。2.3 穩態結構圖 轉速調節器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定的最大值，電流調節器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓，當調節器飽和時，飽和的調節器暫時隔斷了輸入和輸出間的關系，相當于使該調節環開環。當調節器不飽和時，PI調節器工作在線性調節狀態，其作用是使輸入偏差電壓在穩態時為零。為了實現電流的實時控制和快速跟隨，則希望電流飽和器不要進入飽和狀態，因此，對于靜特性來說，只有轉速調節器飽和與不飽和兩種情況。圖2-3 雙閉環直流調速系統的穩態結構圖2.4 三相橋式

9、整流電路第三章 按工程設計方法設計轉速、電流反饋控制直流調速系統的調節器用工程用工程設計方法來設計轉速、電流反饋控制直流調速系統的原則是先內環后外環先從電流環（內環）開始，對其進行必要的變換和近似處理，然后根據電流環的控制要求確定把它校正成哪一類典型系統，再按照控制對象確定電流調節器的類型，按動態性能指標要求確定電流調節器的參數。電流環設計完成后，把電流環等效成轉速環（外環）中的一個環節，再用同樣的方法設計轉速環。圖3-1 雙閉環直流調速系統的動態結構圖3.1 電流調節器的設計反電動勢與轉速成正比，它代表轉速對電流環的影響。一般情況下，系統的電磁時間常數遠小于機電時間常數，因此，轉速的變化往往

10、比電流變化慢得多。對電流環來說，反電動勢是一個變化較慢的擾動，在按動態性能設計電流環時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態影響（如圖3-2）。可以證明，忽略反電動勢對電流環作用的近似條件是：由于一般都比小得多，可以當作小慣性群而近似地看作一個慣性環節，其時間常數為圖3-2 電流環的動態結構圖則可以講電流環的結構圖簡化（圖3-3），簡化的近似條件為圖3-3 小慣性環節近似處理電流環的控制對象是兩個時間常數大小相差較大的雙慣性型的控制對象，如果采用PI型的電流調節器，其傳遞函數可以寫成 在一般情況下，希望電流超調量，可選，則 再 根據 得到 含給定濾波和反饋濾波的模擬PI型電流調節器原理圖（圖3-4）

11、圖3-4 含給定濾波和反饋濾波的PI型電流調節器 根據運算放大器的電路原理，可以得出 按典型I型系統設計的電流環的閉環傳遞函數為 化簡可得到近似條件 根據圖3-1，電流環的輸入量，因此電流環在轉速環中應等效為電流的閉環控制改造了控制對象，把雙慣性環節的電流環控制對象近似地等效成只有較小時間常數的一階慣性環節，加快了電流的跟隨作用，這是內環控制的一個重要功能。3.2 轉速調節器的設計用電流環的等效環節代替圖3-1中的電流環后，整個轉速環控制系統的動態結構如圖3-5圖3-5 轉速環的動態結構圖為了實現轉速無靜差，在負載擾動點之前必須含有一個積分環節。它應該包含在轉速調節器ASR中，由于擾動點后面已

12、經有一個積分環節，因此轉速開環傳遞函數應有兩個積分環節，按典型型系統設計。ASR采用PI調節器，其傳遞函數為這樣，調速系統的開環傳遞函數為令轉速環開環增益為則則 至于中頻寬應選擇多少，要看動態性能的要求，無特殊要求時，一般選擇為好。含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調節器原理類似于電流調節器的（圖3-4）所以轉速調節器參數與電阻和電容的關系為 第四章 調節器參數計算4.1 電流調節器參數計算4.1.1 確定時間常數 因為選擇的三相橋式電路的平均失控時間 ；電流環小時間常數之和，按小時間常數近似處理，取 。4.1.2 選擇電流調節器結構 根據設計要求，并保證穩態電流無差，按典型I型系統設計電流調節

13、器。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：，參看典型I型系統動態抗擾性能，各項指標都可以接受的。4.1.3 計算電流調節器參數 電流調節器超前時間常數：； 電流環開環增益：按照要求應取 ，因此 于是，ACR的比例系數為： 4.1.4 校驗近似條件 電流環截止頻率： ；1） 校驗晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件： 滿足近似條件2） 校驗忽略反電動勢變化對電流環動態影響的條件： 滿足近似條件3） 效驗電流環小時間常數近似處理條件： 滿足近似條件4.1.5 計算調節器的電阻電容按照所用運算放大器取 ，各電阻和電容值計算如下： 取 取 取4.2 轉速調節器參數計算4.2.1

14、 確定時間常數1） 電流環等效時間常數 ,已經取 ，則 2） 轉速環小時間常數 ；按小時間常數近似處理，取 4.2.2 選擇轉速調節器結構按照設計要求，選用PI調節器，其傳遞函數為： 4.2.3 計算轉速調節器參數 按照跟隨和抗擾性能都比較好的原則，取 ，則 ASR的超前時間常數為： 轉速環開環增益可求的為： ASR的比例系數可求的為： 4.2.4 檢驗近似條件 轉速環截止頻率為: 1) 電流環傳遞函數簡化條件 滿足簡化條件 2）轉速環小時間常數近似處理條件 滿足近似條件4.2.5 計算調節器電阻和電容按照所用運算放大器取 ，各電阻和電容值計算如下： 取 取 取4.2.6 校核轉速超調量當時，

15、查表可得并不能滿足設計要求。實際上由于表格3是按線性系統計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統的前提，應該按照ASR退飽和的情況重新計算超調量。 當時，查表可得； ； 帶入相關的數據算的 能滿足設計要求第5章 調速系統的仿真5.1 電流環系統的仿真 仿真過程中的其它基本參數按照相關的規定設置：根據設計額定的轉速給定為10V，所以Step模塊的階躍值設為10，Integrator模塊的積分飽和值設為10和-105.1.1 電流環的仿真模型圖5-1 電流環的仿真模型5.1.2 電流環的仿真結果圖5-2 仿真結果圖圖5-3 仿真結果圖圖5-4 仿真結果圖5.1.3 電流環的仿真說明圖5

16、-2 按照 ，PI調節器的傳遞函數為 設置參數；圖5-3 按照 ，PI調節器的傳遞函數為 設置參數；圖5-4 按照 ，PI調節器的傳遞函數為 設置參數；從波形圖中可以得出圖5-3相比于圖5-2可以得到在無超調的情況，但是上升時間很長；圖5-3相比于圖5-4上升的時間很短，但是超調量很大；所以可以根據圖5-2、圖5-3、圖5-4的波形，觀察PI參數對跟隨性能指標的影響趨勢，找到符合工程要求的更合適的參數。5.2 轉速環系統的仿真5.2.1 轉速環的仿真模型圖5-5 轉速環的仿真模型5.2.2 轉速環的仿真結果圖5-6 空載啟動波形圖圖5-7 滿載電流啟動波形圖5.2.3 電流環的仿真說明圖5-6

17、 按照 PI調節器的傳遞函數為 ，空載情況下設置參數；圖5-7 按照 PI調節器的傳遞函數為 ，負載電流為136A情況下設置參數；圖5-6、圖5-7均在電流環按照 ，PI調節器的傳遞函數為 設置參數；第6章 結 論在本次課程設計中翻閱了以前的課本，以及以前的作業計算本進行了參考計算設計；此次設計時候發現很多公式不熟悉，無法從腦海中直接調用，只能不斷的翻閱書籍查找，以及一些概念，不得不在網上查找相關的資料。尤其是指導老師譚健敏老師所給的設計指導思想，要求在每一步，每一個器件參數的選取，尤其是實際的器件需要查找市場相應的型號規格，不能根據計算值隨便的選取，應該結合市場提供的產品和計算值相結合。公式

18、的選擇都要做到有理有據，要有實際的參數，和可行性；這些方法和思想不但幫助完成了課程設計，還教會了我們在以后的工程設計的相關工作中要做到嚴禁，不能馬虎憑感覺辦事。從課程設計中得到，轉速的退飽和超調量與穩態轉速有關，當按照線性系統計算和按照退飽和過程計算時，超調量的值卻不一樣；在設計電流環的時候，忽略反電動勢的條件下，可以滿足系統的要求，得出反電勢對電流環影響可以不計，在轉速環中，卻不能忽略反電動勢的影響，只是在實際的設計中考慮到反電動勢的影響會使超調量更加小，所以忽略對系統的影響不是很大。在工程設計中，分別對電流環和轉速環的轉折頻率以及截止頻率的比較，可以得到設計的外環響應比內環慢，這樣有利于系

19、統的穩定，以及系統的調試，但是不能有利的達到快速性的指標。在使用MATLAB的仿真中，因為工程設計是在一定的近似條件下得到的，所以仿真的結果可能存在不足，這就要根據實際情況對部分的仿真參數進行適當的修正。參考文獻1 阮毅，陳伯時電力拖動自動控制系統運動控制系統 M4版北京：機械工業出版社，20092 張德豐，雷曉平，周燕MATLAB基礎與工程應用 M北京：清華大學出版社，20113 譚健敏運動控制系統課程設計指導書 成都大學電子信息工程學院自動化系，20134 王兆安，劉進軍電力電子技術 M5版北京：機械工業出版社，20095 彭鴻才電機原理及拖動 M2版北京：機械工業出版社，2007附 錄表格1：晶閘管整流器的失控時間表整流電路形式最大失控時間平均失控時間單相半波2010單相橋式（全波）105三相半波6.673.33三相橋式3.331.67表格2：典型I型系統動態跟隨性能指標和