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1、运动控制系统课程设计题目:转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计？1. 设计题目转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计2. 设计任务已知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 本数据如下：1）直流电动机：160V、120A、1000r/min、C =r，允许过载倍数入二e2）晶闸管装置放大系数：K=30s3）电枢回路总电阻：R二Q4）时间常数：T二，T二，转速滤波环节时间常数T取l mon5）电压调节器和电流调节器的给定电压均为 10V6）试按工程设计方法设计双闭环系统的电流调节器和转速调节器，并用 Simulink 建立系统模型，给出仿
2、真结果。系统要求：1）稳态指标：无静差2）动态指标：电流超调量o W5%;空载起动到额定转速时超调量o 10%in3. 设计要求根据电力拖动自动控制理论，按工程设计方法设计双闭环调速系统的步骤如 下：1）设计电流调节器的结构和参数，将电流环校正成典型I型系统；2）|在简化电流环的条件下，设计速度调节器的结构和参数，将速度环校正成典3）型 II 型系统；4）进行 Simulink 仿真，验证设计的有效性。4. 设计内容1) 设计思路：带转速负反馈的单闭环系统，由于它能够随着负载的变化而相应的改变电枢 电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化，所以相对开环系统它能够有效的减少稳 态速降。当反馈控制闭环调
3、速系统使用带比例放大器时，它依靠被调量的偏差进行控 制的，因此是有静差率的调速系统，而比例积分控制器可使系统在无静差的情况 下保持恒速，实现无静差调速。对电机启动的冲击电流以及电机堵转时的堵转电流，可以用附带电流截止负 反馈作限流保护，但这并不能控制电流的动态波形。按反馈的控制规律，采用某 个物理量的负反馈就可以保持该基本量基本不变，采用电流负反馈就应该能够得 到近似的恒流过程。另外，在单闭环调速系统中，用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影 响，难于进行调节器的参数调速。例如，在带电流截止负反馈的转速负反馈的单 闭环系统中，同一调节器担负着正常负载时的速度调节和过载时的电流调节，调 节器的
4、动态参数无法保证两种调节过程均具有良好的动态品质。按照电机理想运行特性，应该在启动过程中只有电流负反馈，达到稳态转速 后，又希望只有转速反馈，双闭环调速系统的静特性就在于当负载电流小于最大 电流时，转速负反馈起主要作用，当电流达到最大值时，电流负反馈起主要作用， 得到电流的自动保护。2)双闭环调速系统的组成：a. 系统电路原理图图2-1为转速、电流双闭环调速系统的原理图。图中两个调节器ASR和ACR分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把转速调节器的输出作为电 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。电流 环在内，称之为内环；转速环在外，称之为外环。两个调节器
5、输出都带有限幅，ASR的输出限幅什U决定了电流调节器ACRim的给定电压最大值U ,对就电机的最大电流；电流调节器ACR输出限幅电压Uim cm限制了整流器输出最大电压值，限最小触发角a。图21 双闭环调速系统电路原理图b. 系统动态结构图图 2-2 为双闭环调速系统的动态结构框图，由于电流检测信号中常含有交流 分量，须加低通滤波，其滤波时间常数 T 按需要选定。滤波环节可以抑制反馈 oi 信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来了延滞。为了平衡这一延滞作用， 在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其作 用是：让给定信号和反馈信号经过同样的延滞，使二者在时间上得到恰
6、当的配合， 从而带来设计上的方便。由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波， 滤波时间常数用 T 表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道中也配上 on时间常数为 T 的给定滤波环节。ona nTon+1T.电流反馈滤波时间常数T 转速反馈滤波时间常数oi on图22双闭环调速系统的动态结构图3) 按工程设计方法设计双闭环系统的ACR：设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环地逐步向外扩展。在这里是：先从电流环入手，首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看 作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。a. 确定时间常数整流滤波时间常数T ,三相桥式电路
7、的平均失控时间T二；ss电流滤波时间常数T，三相桥式电路每个波头的时间是，为了基本虑平波头,oi应有(12) Toi=,因此取Toi=2ms二;电流环小时间常数T 按小时间常数近似处理，取T二T+T二。Ei,Ei s oib. 选择电流调节器结构(由设计要求：o %W5%，并保证系统稳态电流无误差，因此可按典型I型系统设i计，电流调节器选用PI型，其传递函数为：W (s) = Ki iS1ACRTisc. 校验近似条件电流环截止频率ci二KI二135.1s-1 ；晶闸管装置传递函数近似条件为：1w . 3匚匚二，满足近似条件；ci T Tm l小时间常数近似条件处理条件为：w .=， 满足近似
8、条件。ci 3 TTs Oid计算调节器电阻和电容电流调节器原理如图3 1所示，按所用运算放大器取R=40kQ，各电阻和0电容值计算如下：，取 30k。，取。图3 1含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为：。.%=%5%,满足设计i4）按工程设计方法设计双闭环系统的 ASR：a. 确定时间常数电流环等效时间常数为2Ty . = 0.0074s ；X i转速滤波时间常数Ton，根据所用测速发电机波纹情况，取Ton二；转 速 环 小时 间 常 数 TXn 按 小时 间 常 数 近似处理， 取XnT. = 2T. + Ton = 0.0174s 。XnXib.
9、 选择转速调节器结构由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型II型系统设计速度环，故ASR选用PI调节器，其传递函数为：WASR(S)二 KnT S + 1nT SnC.计算速度调节器参数按跟随和抗干扰性能较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为: t = hT = 5 x 0.0174 = 0.087s ,nX n转速环开环增益：h +1K =396.4s - 2N 2h 2T 2 vXn于是，ASR的比例系数：d. 校验近似条件由转速截止频率：KN3cn = KNxn = 34.5s -1 ；1电流环传递函数简化条件：，满足简化条件；转速环小时间常数近
10、似条件为：，满足近似条件。e计算调节器电阻和电容【转速调节原理图如图3 2所示，取R0 = 40kQ，则，取 550k。，取。图3 2含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为：当 h=5 时，查表得%，虽然不满 足设计要求，而实际上，突加阶跃给定时，ASR饱和，应按退饱和的情况重新计 算超调量，实际%,满足设计要求。5）内、外开环对数幅频特性的比较图 41 把电流环和转速环的开环对数幅频特性画在一张图上，其中各转折 频率和截止频率依次为：_ 270.3s-i10.0174_ 57.51s-1& cn _ 34.51s-i，以上频率一个比一个小，从计算过程可
11、以看出，这是必然的规律。因此，这样设计的双闭环系统，外环一定比内环慢。一般来说，ci _ 100150s-1，cn _ 2050s-1。从外环的响应速度受到限制，这是按上述方法设计多环控制系 统时的缺点。然而，这样一来，每个环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工 作非常有利。总之，多环系统的设计思想是：以稳为主，稳中求快。L/dB +I/ s -1图4 1又闭环系统内环和外环的开环对数幅频特性6) 晶闸管的电压、电流定额计算a.晶闸管额定电压UN晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压Um，考虑到电 网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽23倍的安全系数，即按下式选 取UN= (
12、23) Um，式中系数23的取值应视运行条件，元件质量和对可靠性 的要求程度而定。b.晶闸管额定电流IN为使晶闸管元件不因过热而损坏，需要按电流的有效值来计算其电流额定 值。即必须使元件的额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。可按 下式计算：12)沁。式中计算系数K =Kf/由整流电路型式而定，Kf为波形系数，Kb为共阴极或 fb共阳极电路的支路数。当a=0时，三相全控桥电路K =,故计算的晶闸管额定电 fb流为 I =2)K I =2) XX(220X二，取 200A。Nfb MAX7) 平波电抗器计算由于电动机电枢和变压器存在漏感，因而计算直流回路附加电抗器的电感量时，要从根据等
13、效电路折算后求得的所需电感量中，扣除上述两种电感量。a.电枢电感量L按下式计算MLm =沙mH)P电动机磁极对数，K计算系数，对一般无补偿电机：K=812。DDb.整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感L按下式计算BUK % U 2(片、 LB = KK 2 (mH)B B 100 /dU变压器次级相电压有效值，I晶闸管装置直流侧的额定负载电流，K与2dB整流主电路形式有关的系数。c. 变流器在最小输出电流I时仍能维持电流连续时电抗器电感量L按下式计算dminL二产，d minK是与整流主电路形式有关的系数，三相全控桥K取则L=(mH).7)进行Simulink仿真，验证设计的有效性8)a.电流闭环的仿真如下图：电流环的仿真设计为了研究系统的参数对动态性能的影响，分别取K T =、此时K的值也会随之变I iI化，运行仿真，即可得不同Ki值的阶跃响应曲线：11r!1111ii11 ii 11图6-1 KT=的阶跃响应曲线KT=Q.5Tiwie oltset: 0/图6-2KT=的阶跃响应曲线图6-3 KT=的阶跃响应曲线KT=1 01 o.a O.G n jIllIIii!:ITLI. M n nU. iX.niiIIi ii00.51rime onset 0
