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1、.转速电流双闭环不可逆直流调速系统设计摘要电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，石油，纺织，军工等行业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电机，提高其运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。20世纪90年代前的大约50年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的起动，制动和调速性能。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。因为它具有良好的线性特性，优异的
2、控制性能，高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。本次设计的主要任务就是应用自动控制理论和工程设计的方法对直流调速系统进行设计和控制，设计出能够达到性能指标要求的电力拖动系统的调节器，通过在DJDK-1型电力电子技术及电机控制试验装置上的调试,并应用MATLAB软件对设计的系统进行仿真和校正以达到满足控制指标的目的。 . . . 目录摘要I目录II第一章、双闭环调速系统的工作原理及数学模型11.1、数学模型的参数给定11.1.1、电枢回路的电磁时间常数TL11.1.2、电力拖动系统机电时间常数Tm11.1.3、触发和整流装置的放大倍数KS21.2、双闭环调速系统的工作原理2
3、1.2.1、转速控制的要求和调速指标21.2.2、调速系统的两个基本矛盾31.2.3、调速系统的双闭环调节原理51.2.4、双闭环调速系统的起动过程分析51.2.5、转速和电流两个调节器的作用61.3、双闭环调速系统主电路的数学模型71.3.1、主电路71.3.2、额定励磁下的直流电动机的数学描述71.3.3、晶闸管触发和整流装置传函91.4、调速系统主电路的设计101.4.1、整流变压器的计算101.4.2、晶闸管组件的计算与选择112.4.3、主电路的过电压和过电流保护111.4.4、平波电抗器的参数计算121.5、双闭环调速系统的电气原理及控制单元131.5.1、过流保护器(GL)、电流
4、变送器(LB)131.5.2、电流调节器(ACR)131.5.3、零速封锁器(LSF)131.5.4、给定器(GD)131.5.5、转速变送器(SB)131.5.6、转速调节器(ASR)131.5.7、锯齿波触发器(CF)141.6、双闭环调速系统的动态结构图141.6.1、电流调节器和电流变送器的传函141.6.2、转速调节器和转速变送器的传函141.6.3、双闭环调速系统的动态结构图15第二章、按工程设计方法设计双闭环调速系统的电流调节器和转速调节器162.1、设计要求162.1.1、基本数据（其中包括铭牌数据和测试数据）162.1.2、设计指标172.2、工程设计方法的基本思路172.3
5、、电流调节器的设计172.3.1、电流环动态结构图的简化172.3.2、确定电流环的时间常数182.3.3、电流调节器结构的选择192.3.4、电流调节器参数的计算202.3.5、校验近似条件202.3.6、电流环的动态性能指标212.4、转速调节器的设计222.4.1、电流环的等效闭环传递函数222.4.2、转速环的动态结构图及其近似处理222.4.3、转速调节器结构的选择232.4.4、转速调解器参数的计算242.4.5、转速环的性能指标262.5、系统的静态综合及静态性能指标282.5.1、近似的PI调节器282.5.2、系统的静态结构图29第三章、调速系统性能指标的数字仿真303.1、
6、基于工程设计法的数字仿真303.1.1、双闭环调速系统的动态结构图303.1.2、时域分析30课程设计体会31参考文献32第一章、双闭环调速系统的工作原理及数学模型1.1、数学模型的参数给定1.1.1、电枢回路的电磁时间常数TL TL=0.176ms1.1.1.1、电枢回路总电阻R R0.221.1.1.2、电枢回路的总电感LL39.22mH1.1.2、电力拖动系统机电时间常数TmTm=0.127s1.1.2.1、电动机的Ce Ce=0.138 Vminr1.1.3、触发和整流装置的放大倍数KSKs=221.2、双闭环调速系统的工作原理1.2.1、转速控制的要求和调速指标生产工艺对控制系统性能
7、的要求经量化和折算后可以表达为稳态和动态性能指标。设计任务书中给出了本系统调速指标的要求。深刻理解这些指标的含义是必要的，也有助于我们构想后面的设计思路。在以下四项中，前两项属于稳态性能指标，后两项属于动态性能指标。1.2.1.1、调速范围D生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，即 （1-1）1.2.1.2、静差率s 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落，与理想空载转速之比，称作静差率，即 （1-2）静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的。1.2.1.3、跟随性能指标 在给定信号R（t）的作用下，系统输出量C(t)的变化情况可用
8、跟随性能指标来描述。具体的跟随性能指标有下列各项：上升时间，超调量，调节时间.1.2.1.4、抗扰性能指标 此项指标表明控制系统抵抗扰动的能力，它由以下两项组成：动态降落，恢复时间。1.2.2、调速系统的两个基本矛盾在理解了本设计需满足的各项指标之后，我们会发现在权衡这些基本指标的两个矛盾，即1、 动态稳定性与静态准确性对系统放大倍数的要求互相矛盾；2、起动快速性与防止电流的冲击对电机电流的要求互相矛盾5。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统,在保证系统稳定的条件下,实现转速无静差，解决了第一个矛盾。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速启制动，突加负载动态速降小等等，则单闭环
9、系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程中的电流和转矩。无法解决第二个基本矛盾。在电机最大电流受限的条件下，希望充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态后，又让电流立即降低下来，使转速马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流Idcr值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图1-1a所示。t0nIdnnIdn
10、Idlt0Idla) b)图1-1 调速系统启动过程的电流和转速波形a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统的启动过程 b) 理想快速启动过程当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。对于经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大电流(转矩)受限的条件下,希望充分地利用电机的过载能力,最好是在过渡过程中始终保持电流(转矩)为允许的最大值,使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动,到达稳定转速后,又让电流立即降低下来,使转矩马上与负载平衡,从而转入稳态运行.这样的理想起动过程波形如图1-1b所示,起动电流呈方形波,而转速是线
11、性增长的。这是在最大电流(转矩)受限的条件下，调速系统所能得到的最快的启动过程。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突变，图2-2b所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全的实现。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后,希望只有转速反馈,不再靠电流负反馈发挥主要作用,而双闭环系统就是在这样的基础上产生的。1.2.3、调速系统的双闭环调节原理见图1-2：图1-2 双闭环调速系统的原理框图为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流,二者之间实行串级连接.把转速调节器的输出当作电流调节器的输
12、入,再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速调节环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的动、静态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器，转速调节器ASR的输出限幅电压是Unmax，它决定了电流调节器给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压是Uimax，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。1.2.4、双闭环调速系统的起动过程分析双闭环调速系统起动过程的电流和转速波形是接近理想快速起动过程波形的。按照转速调节器在起动过程中的饱和与不饱和状况，可将起动过程分为三个阶段，即电流上升阶段；恒
13、流升速阶段；转速调节阶段。从起动时间上看，第二段恒流升速是主要阶段，因此双闭环系统基本上实现了在电流受限制下的快速起动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是起动过程中转速一定有超调。其起动过程波形如图1-3所示。图1-3 双闭环调速系统起动时的转速和电流波形双闭环调速系统有如下三个特点：1、饱和非线性控制：随着ASR的饱和和不饱和，整个系统处于完全不同的两个状态。当ASR饱和时，转速环开环。系统表现为恒流电流调节的单闭环系统，当ASR不饱和时，转速闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环则表现为电流随动系统。在不同情况下，表现为
14、不同结构的现行系统，这就是饱和非线性控制的特征。2、准时间控制：启动过程中主要阶段实第II阶段，即恒流升速阶段。它的特征是电流保持恒定，一般选择为允许的最大值，以便充分发挥电动机的过载能力，使启动过程尽可能更快。这个阶段属于电流受限制的条件下的最短时间控制，或称时间最优控制。3、转速超调：由于采用了饱和非线性控制,启动过程结束进入第III阶段即转速调节阶段后,必须使转速调节器退出饱和状态。按照PI调节器的特性，只有使转速超调，ASR的输入偏差电压Un为负值，才能使ASR退出饱和。这就是说，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速动态响应必然有超调6。1.2.5、转速和电流两个调节器的作用转速调节器和电流调节器在双闭环调速系统中的作用，可以归纳为1转速调节器的作用：1）使转速n跟随给定电压Um*变化，稳态无静差；2）对付在变化起抗扰作用；3）其输出限幅决定允许的最大电流。2电流调节器的作用：1）对电网电压波动起及时抗扰作用；2）起动时保证获得允许的最大电流；3）在转速调节过程中，使电流跟随起给定电压Um*变化；4）当电动机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护最用。如果故障消失，系统能够自动恢复正常7。1.3、双闭环调速系统主电路的数学模型1.3.1、主电路见附图一1.3.2、额定励磁下的直流电动机的数学描述由图2-5中的c)可列出微分方程如下： (
