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1、课程设计任务书信息工程与自动化学院 学院 自动化 专业 10 年级 学生姓名：11课程设计题目双闭环直流调速系统调节器设计课程设计主要内容：根据要求完成调节器的计算与工程设计，实现1、稳态：无静差；2、 动态指标：电流超调5%；转速超调10%；、振荡次数 N2 次。并绘制 相关电路原理图。电机参数及指标要求: 设计一个双闭环直流电动机调速系统，整流装置采用三相桥式电路电动机参数：U=220V, P =500Kw,I =760A,n =375r/min,Ce=1.82V.min/r,N N dN N过载倍数入=1.5，整流装置放大系数Ks = 75，电枢回路总电阻R = 0.14 欧，时间常数T
2、l=0.031s,Tm=0.112s,电流反馈滤波时间常数Toi=0.002s, 转速反馈滤波时间常数Ton=0.02s,要求实现稳态无静差，电流超调量O i%W5%，空载起动到额定转速时的转速超调量o n%W10%，取转速调 节器和电流调节器的饱和值为 1 2V ，输出限幅值为1 0V ，额定转速时转速 给定 Un*10V。设计指导教师（签字）：张寿明教学基层组织负责人（签字）： 2013 年 12 月 10日摘要：双闭环直流调速控制系统有较好性能，因而得到广泛应用。在实际应用中， 选定电动机后，其参数是不可变的，只能通过改变双闭环直流调速系统内环电流调节 器和外环的转速调节器的参数来提高整
3、个系统的性能。建立系统的数学模型，分别按 二阶最佳和三阶最佳设计方案，采用 PI 控制算法，对电流调节器和转速调节器进行 设计，对所建立的模型在 Matlab65 的环境下进行仿真，试验证明此设计是可行的。: 关键字: 双闭环；直流调速系统；调节器注：本系统设计由课本 P95 习题及运控大作业提供数据及初步模型目录第一章 课程设计任务错误！未定义书签。一、设计内容错误未定义书签。二、电机参数及指标要求错误未定义书签。三、摘要3第二章 设计过程5一、系统组成原理图5二、稳态结构图和静特性6三、电流调节器的设计6四、转速调节器的设计7第三章 MATLAB 仿真 8一、主电路的建模与仿真参数设置8二
4、、结果与分析 -10第四章 硬件设计 12一、主电路形式的确定 -13二、控制电路形式的确定 13第五章 结束语14第六章 参考文献 -15第二章：设计过程一、系统组成原理图直流电机具有良好的起制动性能，易于在较广范围内平滑调速，在许多高性能可控电力拖动 系统中得到了比较广泛的应用，如龙门刨床、高层楼梯 高精度机床等。特别是晶闸管直流电动 机调速系统，具有自动化程度高、控制性能好、起动转矩大，易于实现无级调速等优点。本文以 双闭环调速系统为例，建立双闭环调速系统，并以提高系统稳定性、快速响应及带负载的能力为 目标研究。再因电机本身复杂，加上电压反馈、电流反馈、PI校正器设计，整个调速过程、参数
5、 选择都须花大量时间。本文利用工程设计方法和采用Mat lab建立电机可视化模型，对整个调速过 程进行动态仿真和系统分析。电流环是由电流调节器ACR和电流负反馈环节组成的闭合回路，二者之间实行串级连接，其 主要作用是通过电流检测元件的反馈作用稳定电流；转速环是由转速调节器ASR和转速负反馈环 节组成的闭合回路，其主要作用是通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏 差。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。ASR和ACR均采用带有限幅作用的比例积分(PI)放大器。图1转速和班流观閑环直流调速系统原理图注：图中:U
6、*n、Un转速给定电压和转速反馈电压U*i、Ui电流给定电压和电流反馈电压ASR转速调节器ACR 电流调节器TG测速发电机TA电流互感器UPE 电力电子变换器二、稳态结构图和静特性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2.3所示。图中W (s) ASR和W (s) ACR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。2穗态结构图实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对静特性来 说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。三、电
7、流调节器的设计对电流环，可以校正成典I系统，也可以校正成典型II型系统，应根据生产机械的要求而定。 一般对抗扰性能要求不是特别严格时，采用典I系统设计即可。现将电流环校正成典I系统。在转 速调节过程中，使电流跟随其给定电压*Ui 变化，对电网电压波动起及时抗扰作用；起动时保证获得允许的最大电流，使系统获得 最大加速度起动；当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起大快速的安全保护 作用。当故障消失时，系统能够自动恢复正常。图24电流环简化结构图冷+1)Q+1)1、 确定时间常数：电流环小时间常数之和T i =Ts +Toi =0.0037s。2、选择电流调节器的结构因为i=5%,并保
8、证稳态电流无静差，可以按照典型I型系统设计调节器，电流环控制对象是双惯性型的，因此可选用PI型电流调节器，传递函数为：U * 10由已知可得卩=nm =沁0.00877V / A，九I1.5 X 760NT = T + T = 0.0017 + 0.002 = 0.0037s，S is oiT = T = 0.031s，而 K = 0.5 = 0.5135.1s-1，i lI T 0.0037Si故 k = 4 =皿1 X 0031 X 014 0.891，K i K P 75 X 0.00877tSi(三)校验近似条件0.8910.03128.757。电流环截止频率= K = 135.Ls-
9、1，晶闸管装置传函的近似条件ciI13TS196.1s-1 w ，3 X 0.0017ci满足条件。忽略反电动势影响的近似条件3 二150.91s -iw，满足条件。3 TT 0.0017x0.002cs oi查表得b % = 4.3%o，满足条件。 S i小时间常数近似处理条件丄 K 135.1 X 27.40s-1 ，满足条件。3飞 T 3 0.02cnon760x0.14查表得.n% = 22812%小-IFx罟I 929% 10%，满足条件。第三章 MATLAB 仿真一、主电路的建模与仿真参数设置：(1) 三相对称交流电压源的建模和参数设置 。首先从SimPow sys tem/Ele
10、c trical Source路径下提取一个交流电压源模块(AC Vol tage Source),再用复制的方法得到三相电源的另外2个电压源模块，并将模块标签分别改为4相，B相， C相，按照图3连接成三相电压源。然后将A相交流电源参数设置如下：交流峰值相电压取125V2 V、初相位设置成0。、频率为50 Hz,其他为默认值。c相则除了将初相位与A相设置成互差120。 外，其他参数与A相相同，由此可得到三相对称交流电源。(2) 晶闸管整流桥的建模和参数设置。首先从SimPowersvstem, / Power Electronics 中选取 “UniversalBridge”(通用变换器桥)
11、模块，将该模块的标签改为“晶闸管整流桥”。使用该模块时，A、B、c均选择为输入端，DC为 输出端；“g(pulse) ”端接受来自外部模块的触发信号，缓冲电阻R =0. 1 Ml2，缓冲电容c、 内电阻R、内电感等参数采用默认设置即可。(3) 同步脉冲触发器的建模和参数设置。通常，工程上将触发器和晶闸管整流桥作为1个整体来研究，所以，在此处讨论同步触发器 同步脉冲触发器包括同步电源和6脉冲触发器2部分，其图标如图4(a)中所示，其中alpha_deg是 移相控制角信号输入端；AB，BC，CA是同步线电压的输入端；Block为触发器的开关信号：当Block 为“0”时，开放触发器；当Block为
12、“ 1”时，封锁触发器。封装后的子系统图中，即为触发器 控制信号，In2即为触发器的开关输入信号，outl端口输出脉冲信号。同步6脉冲触发器参数设置 的同步电压频率为60 Hz，脉冲宽度为10。，如再勾选了 “Double pulsing”，触发器就能给出 间隔60。的双脉冲信号。(4) 平波电抗器的建模和参数设置。首先从SimPowersystem/Elements中选取“Series RLC Branch”模块，并将模块标签改为 “平波电抗器”，然后打开平波电抗器参数设置对话框，将平波电抗器的电感值设为5 mH。(5) 直流电动机的建模和参数设置。首先从SimPowersystem/maehines中选取“DC Machine”模块，并将模块标签改为“直流电 动机”。其中：“F+ ”和“F ”为直流电动机的励磁绕组；“A+”和“A ”为电枢绕组；TL端 口接恒转矩负载；m为直流电动机模块的输出信号，其输出参数选择为转速1、电枢电流，励磁 电流，电磁转矩 4个信号。一般来说，如果不指定直流电动机额定参数的话，可以采用默认设置。当建模和仿真参数设置完成后，即可开始进行仿真。相关元件参数如下：通过查表可得 U = 220V , I = 30 A , J = 50
