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1、第 1 页 共 27 页转速电流双闭环不可逆直流调速系统设计转速电流双闭环不可逆直流调速系统设计摘要：直流电动机调速控制器选用了转速、电流双闭环调速控制电路。在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。控制系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行嵌套联接。确定其结构形式和设计各元部件，并对其参数的计算，包括给定电压、转速调节器、电流调节器、检测电路、触发电路和稳压电路的参数计算然后最后采用MATLAB/SIMULINK 对整个调速系统进行了仿真分析。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
2、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。关键词关键词： 双闭环； 转速调节器；电流调节器第 2 页 共 27 页目 录绪论绪论11、双闭环调速系统的工作原理、双闭环调速系统的工作原理.31.1、双闭环调速系统的工作原理.31.2、双闭环调速系统主电路的数学模型.101.3、转速和电流两个调节器设计的给定参数.122、设计双闭环调速系统的电流调节器和转速调节器、设计双闭环调速系统的电流调节器和转速调节器.132.1、工程设计方法的基本思路.132.2、电流调节器的设计.132.3、
3、转速调节器的设计.163、Simulink 仿真仿真.193.1、电流环的仿真设计.193.2、转速环的仿真设计.193.3、双闭环直流调速系统的仿真设计.20课程设计体会课程设计体会.24参考文献参考文献.25附录附录.26第 1 页 共 27 页绪绪 论论直流调速系统的概述直流调速系统的概述三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调
4、速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从
5、反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。研究课题的目的和意义研究课题的目的和意义在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。双闭第 2 页 共 27 页环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求，需要
6、设计者有扎实的理论基础和丰富的实践经验，而初学者则不易掌握，于是有必要建立实用的设计方法。大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低阶系统近似。若事先深入研究低阶典型系统的特性并制成图表，那么将实际系统校正或简化成典型系统的形式再与图表对照，设计过程就简便多了。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。1、双闭环调速系统的工作原理及数学模型第 3 页 共 27 页11、双闭环调速系统的工作原理、双闭环调速系统的工作原理1.1.1 转速控制的要求和调速指标转速控制的要求和调速指标生产工艺对控制系统性能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
7、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） 调速范围调速范围 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）minmax nnD （2） 静差率静差率 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）%1000nnsnom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。（3） 跟随性能指标跟随性能指标 在给定信号 R（t）的作用下，系统输出量 C(t)的变化情况可用跟随性能指标来描述。具体的跟随性能指标有下列各项：上
8、升时间，rt超调量，调节时间.st（4） 抗扰性能指标抗扰性能指标 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.%maxCvt1.1.2 调速系统的两个基本矛盾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第 4 页 共 27 页的两个矛盾，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。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
9、速降小等等，则单闭环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 1-2a
10、所示。nIdnIdlt0IdlnIdn0t第 5 页 共 27 页a) b)图 1-2 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
11、程波形如图 1-2b 所示,起动电流呈方形波,而转速是线性增长的。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 1-2b 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。1.1.3 调速系统的双闭环调节原理调速系统的双闭环调节原理见图 1-3：(整流电路见附录)第 6 页 共 27 页Un*Un-WASR(s)WACR(s)Ui*Ui
12、-UctUd0 1/1 sTRl1 STKssId-IdlsTRmn Ce1 图 1-3 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
13、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。1.1.4 双闭环调速系统的起动过程分析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第 7 页 共 27 页快速起动，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 1-4
14、所示。图 1-4 双闭环调速系统起动时的转速和电流波形从图 1-4 知,整个起动过程分为三个阶段：第 I 阶段是电流上升阶段。突加给定电压 Un*后,通过两个调节器的控制作用,使Uct、Ud0、Id都上升，当 IdIdL后，电动机开始转动。由于机械惯性作用，转速的增长不会很快，因而转速调节器 ASR 的输入偏差电压Un=Un*-Un数值较大，其输出很快达到限幅值 Uim*，强迫电流 Id迅速上升。当 IdIdm时，UiUim*，电流调节器的作用使 I 不再迅猛增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR 由不饱和很快达到饱和，而 ACR 一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。第 8 页
15、共 27 页第 II 阶段是恒流升速阶段。从电流升到最大值 Idm开始，到转速升到给定值 n*为止，属于恒流升速阶段，是启动过程中的主要阶段。在这个阶段中ASR 始终是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定 Uim*作用下的电流调节系统，基本上保持电流 Id恒定，因而拖动系统的加速度恒定，转速成线性增长。第 III 阶段是转速调节阶段。在这阶段开始时，转速已经达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值 Uim*，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超调。转速超调以后，ASR 的输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出电压及 ACR 的给定电压 Ui*立即从限幅值下来，主电流 Id也因此下降。但是，由于Id仍大于负载电流 IdL，在一段时间内，转速仍继续上升。到 Id=IdL时，转距Te=TL，则 dn/dt=
