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1、双闭环直流调速系统 课程设计姓名：车阿龙专业：自动化班级： 1130202学号： 201130020202指导老师： 钱敏目录1设计目的及意义32工作原理42.1 双闭环直流调速系统的组成与原理 42.2 双闭环直流调速系统的静特性分析 52.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图 72.4 双闭环直流调速系统的数学模型 72.5 调节器的具体设计82.6 速度环的设计102.7 双闭环直流调速系统仿真 123方案设计与论证144系统硬件设计 154.1 主电路154.2 控制电路 154.3 驱动电路144.4 反馈和保护电路 165系统调试176心得体会18参考文献191 设计目的及意义本设计
2、从直流电动机的工作原理入手，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用 Simulink 对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统, 采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、电流双闭环直流调速系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。应掌握转速、电流双闭环直流调速系统的基本组成及其静特性；从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调节器的作用；应用工程设计方法解决双闭环调速
3、系统中两个调节器的设计问题，等等。通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。2工作原理2.1 双闭环直流调速系统的组成与原理图2.1双闭环直流调速系统的原理图电动机在启动阶段，电动机的实际转速（电压）低于给定值， 速度调节器的输入端存在一个偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态，速度调节器的输出 电压作为电流给定值送入电流调节器 ，此时则以最大电流给定 值使电流调节器输出移相信
4、号，直流电压迅速上升，电流也随即 增大直到等于最大给定值,电动机以最大电流恒流加速启动。 电动机的最大电流（堵转电流）可以通过整定速度调节器的输出 限幅值来改变。在电动机转速上升到给定转速后，速度调节器 输入端的偏差信号减小到近于零，速度调节器和电流调节器退 出饱和状态，闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动，速度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电流 调节器来修正触发器的移相电压 ，使整流桥输出的直流电压相 应变化，从而校正和补偿电动机的转速偏差。另外电流调节器的 小时间常数，还能够对因电网波动引起的电动机电枢电流的变 化进行快速调节，可以在电动机转速还未来得及发生改变时，迅
5、速使电流恢复到原来值,从而使速度更好地稳定于某一转速下 运行。2.2 双闭环直流调速系统的静特性分析分析静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征，一般使存 在两种状况：饱和一输出达到限幅值，不饱和一输出未达到限 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，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和，换句话说， 饱和的 调节器暂时隔断了输入和输出的联系，相当于使该调节 环开环。当调节器不饱和时，PI入作用使输入偏差电压A U在 稳态时总为零。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，对于静特性来说，只有转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
6、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 n no(2-1)Ui Ui Id(2-2)由第一个关系式可得：n (2-3)从而得到图2.2所示静特Tt曲线的CA段。与此同时，由于 ASR不饱和，Ui Uim可知Id I dm,这就是说，CA段特性从 理想空载状态的Id =0 一直延续到Idm Id。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)转速调节器饱和这时，ASR输出达到限幅值Um ,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 静差的单电流闭环调节系统。稳态时：Id 5 Idm(2-4)其中
7、，最大电流1dm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n n。的情况，因为如果n n。，则Un Un ,ASR将退出饱和状态。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于 I dm时表现为转速 无静差，这时，转速负反馈起主要的调节作用，但负载电流达到 I dm时，对应于转速调节器的饱和输出 Um*,这时，电流调节器起主 要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护 这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。 然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，因此， 静特性的两段实际上都略有
8、很小的静差，见图2.2中虚线。图2.2双闭环直流调速系统的静特性2.3 双闭环直流调速系统的稳态结构图首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图2-6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在稳态时总是为零图2.3双闭环直流调速系统的稳态结构框图实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态 的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两 种情况。2.4 双闭环直流调速
9、系统的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 动态结构电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动 机的动态结构框图中必须把电枢电流 Id显露出来。绘制双闭环直流调速系统的动态结构框图如下：ToiSM图2.4双闭环直流调速系统的动态结构框图2.5 调节器的具体设计本设计为双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式全 控整流电路基本数据如下:1）晶闸管装置放大系数Ks=30;2）电枢回路总电阻 R=0.18Q;3）时间常数：电磁时间常数 T1=0.012s;4）机电时间常数Tm=0.12s;5）调节器输入电阻R0=20Q
10、 ;设计指标：1）静态指标：无静差；2）动态指标：电流超调量 5%;空载起动到额定转速时的转速超调量 % 15% 0计算反馈关键参数:心里 0.015 V r(3-1)nn1000(rmin).*0026V AUim 12(3-2)工 1.5 305(1)确定时间常数整流装置滞后时间常数；Ts=0.0022s 0电流滤波时间常数： Toi=0.002 s (三相桥式电路每个波头是时间是 3.3ms,为了基 本滤平波头，应有 Toi=3.33ms,因止匕取 Toi=2ms=0.002s)。按 小时间常数近似处理。T i Ts Toi 0.0042(Ts和Toi 一般者B比 Tl小得多，可以当作小
11、惯性群近似地看作是一个惯性环节 )(2)选择电流调节器结构根据设计要求：，w5%且Tl0.012l2.86 10T j 0.0042可按典型I型设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性 型的,所以把电流调节器设计成PI型的.检查对电源电压的抗扰性能：Tl0.012s3.24 10Ti 0.0037s(3)选择电流调节器的参数AC砒前时间常数Ti 0.012s；电流环开环时间增益：lx 0.50.5Ki-T 0.0037s i1135.1s 1(3-3)ACR勺比但J系数：KiKiiR 135.10.012 0.18Ks30 0.0260.37(3-4)(4)校验近似条件电流环截止频率：ci =K
12、i=135.1S-11）品闸管装置传递函数近似条件:ci1(3-5)13Ts196.1 135.13 0.0017s(3-6)满足近似条件;2）忽略反电动势对电流环影响的条件:ci TmTl满足近似条件;(3-7)179.06s ci(3-8)3）小时间常数近似处理条件:113 TsToi(3-9)ci161.69s电流环可以达到的动态指标为:ci(3-10)% 4.3% 5% ,也满足设计要求2.6速度环的设计1）确定时间常数（1）电流环等效时间常数12T 2 0.0037 0.0074sK1i(3-11)(2)转速滤波时间常数 Ton=0.014s(3)转速环小时间常数近似处理T n 2T
13、 i Ton0.0074 0.0140.0214s(3-12)2)选择转速调节器结构按跟随和抗扰性能都能较好的原则,在负载扰动点后已经有了一个积分环节，为了实现转速无静差,还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节，因此需要R由设计要求，转速调节器必 须含有积分环节，故按典型R型系统一选用设计 PI调节器。典型n型系统阶跃输入跟随性能指标见附录表三。3)选择调节器的参数n hT n 50.0214 0.107s(3-13)转速开环增益:h 1K N2_ 22h T n512F2262 .03 s50.0214(3-14)ASR的比例系数:h 1 CeTmKn2h RT n6 0.026 0.2 0
14、.122 5 0.015 0.18 0.02146.48(3-15)(4)近似校验迎KcnK N n1转速截止频率为:262.03 0.107s 1 28.03s 1(3-16)电流环传递函数简化条件:- 54.05s 1 cn(3-17)5T i 5 0.0037(5)检验转速超调量当h=5时，n 37.6% ,不能满足要求.按ASR退饱和的情况计算超调量:C-m% 81.2%, nnCb1dR 305 0.18Ce0.2274.5rmin .,潴足设计要求。2.7双闭环直流调速系统仿真双闭环直流调速系统的电流环仿真图如图2.5所示:图2.5 双闭环调速系统的电流环仿真图仿真结果如下：图蓝线为电机转速曲线，绿线为电机电流曲线。加电流启动时电流环将电机速度提高，并且保持为最大电流，而此时速度环则不起作用，使转速随时间线性变化，上升到饱和状态。进入稳态运行后，转速换起主要作用，保持转速的稳定。3方案设计与论证主电路模块原理框图图3.1双闭环直流调速系统电路图主电路模块的主要功能是通过 PW般换器得到可调的直流 电压，为直流电动机供电；检测模块包括转速、电流和温度的 检测，转速和电流检测为系统提供转速和电流负反馈的信号； 温度检测的目的是为了保护 PW般换器和电机；键盘、显示与
