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1、任务书1. 设计题目转速、电流双闭环直流调速系统的设计2. 设计任务某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据为：直流电动机：Un=440V,In=365A,nN=950r/min,Ra=0.04Q,电枢电路总电阻R=0.0825Q,电枢电路总电感L=3.0mH,电流允许过载倍数入=1.5,折算到电动机飞轮惯量GD2=20Nm2。晶闸管整流装置放大倍数Ks=40,滞后时间常数Ts=0.0017s电流反馈系数B=0.274V/A(0V/1.5IN)转速反馈系数a=0.0158Vmin/r(10V/nN)滤波时间常数取Toi=0.002s,Ton=0.01sUnm=Um=
2、UCm=15V；调节器输入电阻Ra=40k3. 设计要求(1)稳态指标:无静差(2)动态指标:电流超调量珥5%;采用转速微分负反馈使转速超调量等于0。目录任务书I目录I.I.前言1第一章双闭环直流调速系统的工作原理21.1 双闭环直流调速系统的介绍21.2 双闭环直流调速系统的组成31.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性41.4 双闭环直流调速系统的数学模型51.4.1双闭环直流调速系统的动态数学模型51.4.2起动过程分析6第二章调节器的工程设计92.1调节器的设计原则92.2 I型系统与II型系统的性能比较102.3 电流调节器的设计112.3.1 结构框图的化简和结构的选择112
3、.3.2 时间常数的计算122.3.3 选择电流调节器的结构132.3.4 计算电流调节器的参数132.3.5 校验近似条件142.3.6 计算调节器的电阻和电容152.4 转速调节器的设计152.4.1 转速环结构框图的化简152.4.2 确定时间常数172.4.3选择转速调节器结构172.4.4计算转速调节器参数172.4.5检验近似条件182.4.6 计算调节器电阻和电容19第三章Simulink仿真203.1 电流环的仿真设计203.2 转速环的仿真设计213.3 双闭环直流调速系统的仿真设计22第四章设计心得24参考文献25#前言许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且
4、要求具有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和H调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，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
5、完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止至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值以后，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。在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。随着社会化大生产的不断发展，电力传动装置在现代化工
6、业生产中的得到广泛应用，对其生产工艺、产品质量的要求不断提高，这就需要越来越多的生产机械能够实现制动调速，因此我们就要对这样的自动调速系统作一些深入的了解和研究。本次设计的课题是双闭环晶闸管不可逆直流调速系统，包括主电路和控制回路。主电路由晶闸管构成，控制回路主要由检测电路，驱动电路构成，检测电路又包括转速检测和电流检测等部分。#第一章双闭环直流调速系统的工作原理11双闭环直流调速系统的介绍双闭环(转速环、电流环)直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都
7、能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，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的电流或转矩。在单闭环系统中，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I值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理dcr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-(a)所示。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。n#dmdmdcrd
8、LdLOtOt(a)(b)(a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程(b)理想快速起动过程图1调速系统起动过程的电流和转速波形在实际工作中，我们希望在电机最大电流(转矩)受限的条件下，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(转矩)为允许最大值，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，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形如图1-(b)所示，这时，启动电流成方波形，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起动过程。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条
9、件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值I的恒流过程，按照反馈控制规dm律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程。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，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。1.2双闭环直流调速系统的组成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，如图2所示，即把转速调节器的输出当作电
10、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。该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。图2转速、电流双闭环直流调速系统图中U*n、Un转速给定电压和转速反馈电压；U*i、Uj电流给定电压和电流反馈电压；ASR
11、转速调节器；ACR电流调节器；TG测速发电机；TA电流互感器；UPE电力电子变换器1.3双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性ASRU*i+ACRuUPEUCtdo+Ks-IdRE#图3：双闭环直流调速系统的稳态结构图双闭环直流系统的稳态结构图如图3所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征。一般存在两种状况：饱和一一输出达到限幅值;不饱和一一输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压U在稳太时总是为零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对静特性来说，只有转
12、速调节器饱和与不饱和两种情况。1.转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此，Un*=Un=,xn=,xn0(1_1)Ui*=Ui=PxId(1-2)由式(1-1)可得:U*nn=,U*从而得到静特性曲线的CA段。与此同时，由于ASR不饱和，Ui*im可知IdIdm，这就是说,CA段特性从理想空载状态的Id=0一直延续到1d=Idm。而Idm，一般都是大于额定电流Idn的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。2转速调节器饱和U*这时，ASR输出达到限幅值im，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环
13、调节系统。稳态时：U*im-1-3)I=卩=Iddm其中，最大电流Idm取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度，由上式可得静特性的AB段，它是一条垂直的特性。这样是下垂特性只适合于nn0的情况，因为如果叭，则UnU；，ASR将退出饱和状态。图4双闭环直流调速系统的静特性曲线1.4双闭环直流调速系统的数学模型1.4.1双闭环直流调速系统的动态数学模型双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图5所示。图中ACRW(s)和W(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流ASR反馈,在电动机的动态
14、结构框图中必须把电枢电流I显露出来。dU*n+Wasr(s)WACrG)KkctTs+1pUd01/RdTls+1+dLRTsmn1/CE图5：双闭环直流调速系统的动态结构框图142起动过程分析双闭环直流调速系统突加给定电压Ugn由静止状态起动时，转速调节器输出电压Ugi电流调节器输出电压Uk、可控整流器输出电压Ud、电动机电枢电流Ia和转速n的动态响应波形过程如图28所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成I、II、III三个阶段。IIII4厶L2图6双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形第一阶段是电流上升阶段。当突加给定电压Ugn时，
15、由于电动机的机电惯性较大，电动机还来不及转动5=0）,转速负反馈电压Ufn0，这时，UnJ-J很大，使ASR的输出突增为Ugio，ACR的输出为Uko，可控整流器的输出为Udo，使电枢电流Ia迅速增加。当增加到Ia-IL（负载电流）时，电动机开始转动，以后转速调节器ASR的输出很快达到限幅值Ugm，从而使电枢电流达到所对应的最大值Iam（在这过程中Uk，Ud的下降是由于电流负反馈所引起的），到这时电流负反馈电压与ACR的给定电压基本上是相等的，即U-U=BI）gimfiam（13）式中，卩电流反馈系数。速度调节器ASR的输出限幅值正是按这个要求来整定的。第二阶段是恒流升速阶段。从电流升到最大值Iam开始，到转速升到给定值为止，这是启动过程的主要阶段，在这个阶段中，ASR直是饱和的，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统表现为恒流调节。由于电流Ia保持恒定值Ia
