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1、08 自动化(2)班By GHDNUI双闭环直流电动机数字调速系统设计主要技术数据：直流电动机 Ped=3kW Ued=220v Ied=17.3 ned=1500r/min电枢回路总电阻 R=2.50电动机回路电磁时间常数 TL=0.017s电动机机电时间常数 TM=0.076s电动机电势常数 Ce=0.1352V/rmin)晶闸管装置放大倍数 Ks=53品闸管整流电路滞后时间 Ts=0.0017s速度调节范围 0-1500r/min，速度控制精度 0.1%（额定转速时）电流过载倍数为 1.5 倍。直流电动机的控制电源采用晶闸管装置输入电压为 0-5 伏时可以输出 0-264 伏提供最大 2
2、5 安培输出电流速度检测采用光电编码器（光电脉冲信号发生器）采用双闭环环（速度环和电流环）控制方式计算机则要求采用 51 内核的单片机实现控制1. 分配系统资源，编写系统初始化和主程序模块2. 编写数字调节器软件模块3. 编写 A/D 转换器处理程序模块4. 编写输出控制程序模块5. 其它程序模块 (数字滤波、显示与键盘等处理程序)08 自动化(2)班By GHDNUI双闭环直流调速系统设计框图直流电机的供电需要三相直流电，在生活中直接提供的三相交流 380V 电源，因此要进行整流，则本设计采用三相桥式整流电路变成三相直流电源，最后达到要求把电源提供给直流电动机。如图设计的总框架。三相交流电源
3、 三相桥式整流电路 直流电动机整流 供电双闭环直流调速机驱动电路保护电路双闭环直流调速系统设计总框架转速、电流双闭环直流调速系统ASR-转速调节器 ACR-电流调节器 TG-测速发电机08 自动化(2)班By GHDNUITA-电流互感器 UPE-电力电子变换器 Un*-转速给定电压Un-转速反馈电压 Ui*-电流给定电压 Ui-电流反馈电压双闭环直流调速系统电路原理图双闭环直流调速系统电路原理图直流调速系统常用的直流电源旋转变流机组静止式可控整流器直流斩波器或脉宽调制变换器晶闸管-电动机调速系统( 简称 V-M 系统) 的原理图。通过调节处罚装置 GT的控制电压 来移动触发脉冲的相位，即可改
4、变平均整流电压 ，从而实现cUdU平滑调速。和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不进在经济性和可靠性上都很大提高，而且在技术性能上也现实出较大的优越性。08 自动化(2)班By GHDNUIVM 系统原理电流调节器的设计(假定 )5%i在设计电流环时,因 T1 比 Tm 小得多,故电流的调节过程比转速的变化过程快得多,因此在电流调节器快速调节过程中,可以认为反电动势 E 基本不变。这样在设计电流环时,可以暂时不考虑反电动势 E电流环的动态结构图变化的影响而得到图所示的电流环近似动态结构图。为了使电流环稳态上做到无静差以获得理想的堵转特性,动态上保持电动机电枢电流的不超调 ,保证
5、系统的跟随性。把电流环校正成典型 I 型系统,其传递函数为:式中: Ki,i分别为电流调节器的比例放大系数和时间常数。根据“对消原理”, 为了对消掉控制对象中时间常数较大的惯性环节,以使校正后系统的响应速度加快,取 i=T1;PI调节器的比例放大系数 Ki 取决于系统的动态性能指标。根据“电子最佳调节原理”中的“二阶最佳系统”原理。取 KiTi=05,由此可得:确定时间常数08 自动化(2)班By GHDNUI（1）整流装置滞后时间常数 Ts。由电力拖动自动控制系统课本附表可知，三相桥式电路的平均失控时间 Ts=0.0017s。（2）电流滤波时间常数 Toi。三相桥式电路的每个波头的时间是 3
6、.3ms，为了基本滤平波头，应有（12）Toi=3.3ms ，因此取 Toi=2ms=0.002s。（3）电流环小时间常数之和 。按小时间常数近似处理，取iT。=Ts+oi0.37si（4）电磁时间常数 的确定。由前述已求出电枢回路总电感。l21min.691408.35.ldULKmHI则电磁时间常数 .0.315llLTsR选择电流调节器的结构根据设计要求 ，并保证稳态电流无静差，可按典型 I 型系统设计电5%i流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用 PI 型调节器，其传递函数为()1)iACRsKWs式中 -电流调节器的比例系数；i-电流调节器的超前时间常数。i检查对电源电压的抗
7、扰性能： ,参照附表 6.2 的典型 I 型0.31s=8.467liT系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的，因此基本确定电流调节器按典型 I 型系统设计。计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数： 。=0.31silT电流开环增益：要求 时，取 ，5%i.5IiK因此 10.37IiKsT于是，ACR 的比例系数为08 自动化(2)班By GHDNUI135.0.580.462IiisKR式中 电流反馈系数 ；0/.1.NVI晶闸管专制放大系数 。36s校验近似条件电流环截止频率： 15.ciIK（1） 晶闸管整流装置传递函数的近似条件196.30.17cis sT满足近似条件。（2）
8、 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件111347.80.63.25ciml sTs满足近似条件。（3） 电流环小时间常数近似处理条件11180.730.7.2cisoi sTs满足近似条件。计算调节器电阻和电容按所用运算放大器取 R0=40k ，各电阻和电容值为, 取 1.9403.6iiKk45k，取 3715iiCF0.7F，取 60.20.24oiiTR.按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为 ，满43%5i足设计要求。08 自动化(2)班By GHDNUI转速调节器的设计转速环的动态结构图在转速调节器设计时,可以把已经设计好的电流环作为转速环的控制对象。由此得到转速环的动
9、态结构图如图所示。为了实现转速无静差,提高系统动态抗扰性能,把转速环设计成典型 II 型系统,其传递函数为:式中: Kn,n分别为转速调节器比例放大倍数和时间常数。根据 II 型典型系统参数确定的方法,有 T1=hT2,于是有 n=hTn,其中 h 为中频宽, Tn=Ton+2Ti,根据“调节器最佳整定设计法”,一般取 h=5。然后按典型II 型系统的最小闭环幅频特性峰值 Mrmin 准则,得 :确定时间常数含滤波环节的 PI 型电流调节器08 自动化(2)班By GHDNUI（1）电流环等效时间常数 1/KI。由前述已知， ，则0.5IiKT120.37.4iITssK（2）转速滤波时间常数
10、 ，根据所用测速发电机纹波情况，取 .on =01sonT（3）转速环小时间常数 。按小时间常数近似处理，取10.74.1.74nonITssK选择转速调节器结构按照设计要求，选用 PI 调节器，其传递函数式为(1)nASRKsWs计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取 h=5，则 ASR 的超前时间常数为 =h50.174s=.8nT则转速环开环增益K 22226396.450.17Nnssh可得 ASR 的比例系数为(1).0.222658174emnnCTR式中 电动势常数 ，053.7.3min/NaeUI Vr转速反馈系数 。min1.6.i/NrVrn检验近似条件转速
11、截止频率为08 自动化(2)班By GHDNUI111396.408734.5NcnnKs（1）电流环传递函数简化条件为115.63.730I cni sT 满足简化条件。（2）转速环小时间常数近似处理条件为11135.8.730I cnonKsT满足近似条件。计算调节器电阻和电容取 ，则04Rk，取 08.4352nRKk0K, 取 670.1.4361CFF .25, 取 30.4onT校核转速超调量当 h=5 时，查附表 6.3 典型 型系统阶跃输入跟随性能指标得，不能满足设计要求。实际上，由于附表 6.3 是按线性系统计算的，37.6%n含滤波环节的 PI 型转速调节器08 自动化(2
12、)班By GHDNUI而突加阶跃给定时，ASR 饱和，不符合线性系统的前提，应该按 ASR 退饱和的情况重新计算超调量。计算超调量。设理想空载起动时，负载系数 ， 已知 ， ，0Z53.NIA150/minNnr， ， ， ， 。当5.10.8R.13min/eCVr6mTs.74s时，查得， 而调速系统开环机械特性的额定稳态速降 h%2/maxbmnNbbn TZn *)(*axax式中 电机中总电阻 ；0.58370.95aR调速系统开环机械特性的额定稳态速降；53.0982.1/inNeInrC为基准值，对应为额定转速 。* 50/miN计算得382.174281.%.5.1%806n不
13、能满足设计要求。校核动态最大速降设计指标要求动态最大速降 。在实际系统中， 可定义为810nn相对于额定转速时的动态速降 。maxN由 ，maxaxbCnnr/min 0.1742()25382.16.6bNmTzh=5 时，查附表得 =81.2%，axbCr/min maxax0.81236.57.1bnna57.%.40N08 自动化(2)班By GHDNUI不满足动态最大转速降指标。转速超调的抑制从计算得的退饱和超调量 ，可知不满足动态指标要求，因17.%0n此需加转速微分负反馈。加入这个环节可以抑制甚至消灭转速超调，同时可以大大降低动态速降。在双闭环调速系统中，加入转速微分负反馈的转速
14、调节器原理图如图 6.3所示。和普通的转速调节器相比，在转速反馈环节上并联了微分电容 Cdn 和滤波电阻 Rdn，即在转速负反馈的基础上再叠加一个带滤波的转速负反馈的基础上再叠加一个带滤波的转速微分负反馈信号。含有转速微分负反馈的转速环动态结构框图如下图所示:含有转速微分负反馈的转速环动态结构框图带转速微分负反馈的转速调节器08 自动化(2)班By GHDNUI转速微分负反馈环节中待定的参数是 和 ，其中转速微分时间常数dnCR，转速微分滤波时间常数是以选定， ，只要确定 ，0ndnRC odnonTTdn就可以计算出 和 了。dnR由工程设计方法，近似计算公式得：Nmndn nzTh)(214*设理想空载起动时，负载系数 ， 已知： ， ，0Z50/iNr5.1， ， 。0.58R0.63mTssTn74.382.设计要求动态最大超调 ，取转速超调量为 ， 则 8%4%n*241()mdnnNhz50.415.063.7.582dn s则微分电容 30.61.24dnCFR滤波电阻 .7.9ondTsK再次校核动态速降带转速微分负反馈时，转速微分时间常数相对值0.562.9174dnT又因为设计要求动态最大转速降 ，即8%0max8%10Nn则 。上述已求出动态速降的基准值max1205n 36./inbr所以max120
