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1、第一章 直流双闭环调速系统原理1.1 系统的组成转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直 流调速系统。采用PI调节的单个转速闭环调速系统可以在保证系统 稳定的前提下实现转速无静差。但是对系统的动态性能要求较高的系 统，单闭环系统就难以满足需要了。为了实现在允许条件下的最快启动，关键是要获得一段使电流保 持为最大值的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反 馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近 似的恒流过程。所以，我们希望达到的控制：启动过程只有电流负反 馈，没有转速负反馈；达到稳态转速后只有转速负反馈，不让电流负 反馈发挥作用。故而采用转速和电流
2、两个调节器来组成系统。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可以在系统中设置 两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负 反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接，如图1-1 所示。把转速 调节器的输出当作电流调节器的输入，再把电流调节器的输出去控制 电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环； 转速换在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。1.2 系统的原理图为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采 用 PI 调节器，这样组成的直流双闭环调速系统原理图如图1-2 所示。 图中ASR为转速调节器，ACR为电流调节器，TG表示测速
3、发电机，TA 表示电流互感器，UPE是电力电子变换器。图中标出了两个调节器出 入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的了控制电压 UC为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还C标出了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出 限幅电压决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅 电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。图 1-2 双闭环直流调速系统电路原理图第二章转速、电流双闭环直流调速器的设计2.1电流调节器的设计2.1.1 电流环结构框图的化简在图2-1点画线框内的电流环中，反电动势与电流反馈的作用互 相交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际上
4、，反电动势与转速成正比， 它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，系统的电磁时间常数 T远小于机电时间常数T ,因此，转速的裱花往往比电流变化慢得多，Lm对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程 中，可以认为反电动势基本不变，即。这样，在按动态性能设计电流 环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，也就是说，可以暂且 把反电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如图2-1所示。 可以证明，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是式中 电流环开环频率特性的截止频率。图2-1 忽略反电动势的动态影响时电流环的动态结构框图如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把
5、给定信号改成，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图2-2所示， 从这里可以看出两个滤波时间常数取值相同的方便之处。图2-2等效成单位负反馈系统时电流环的动态结构框图最后，由于T和T 一般都比T小得多，可以当作小惯性群而近 S OI L似看作是一个惯性环节，其时间常数为则电流环结构框图最终简化成图2-3。简化的近似条件为心）（+i）（%+i）ACR图 2-3 小惯性环节近似处理时电流的动态结构框图2.1.2 电流调节器结构的选择从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由图2-3可以看出，采用型系统就够了。再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电
6、流在动态 过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的 因素。为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型型系统。图 2-3 表明，电流环的控制对象是双惯性的，要校正成典型型系统，显然应采用 PI 型的电流调节器，其传递函数可以写成式中 电流调节器的比例系数； 电流调节器的超前时间常数。为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择则电流环的动态结构框图便成为图2-4 所示的典型形式，其中图 2-4 校正成典型型系统的电流环动态结构框图2.1.3 电流调节器的参数计算1. 确定时间常数1）整流装置滞后时间常数。三相桥式电路的平均失控时间2）电流滤波时间常数。取。3）电流环小
7、时间常数之和。按小时间常数近似处理，取。4) 电磁时间常数、机电时间常数 电动势系数。；2. 选择电流调节器结构 根据设计要求，并保证稳态电流无静差，可按典型型系统设计电 流调节器。电流环控制对象是双惯性的，因此可采用PI型电流调节 器。传递函数为：W (s)二ACR检查对电源电压的抗扰性能：，参照表 2-1 的典型型系统动态抗 扰性能，各项指标都是可以接受的。r tI V -t2110203055.5%33.2%18.5%12.9%T2 83 43.840tJT14 721.728 7304表 2-1 典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系3. 计算电流调节器参数电流反馈系数：电流调节器超前
8、时间常数：。电流环开环增益：要求时，按表 2-2，应取，因此于是，ACR的比例系数为参数关系KT0. 250. 390. 500.691*0阻尼比&LO0. 80. 7070. 60. 5超调量疔0%1. 5%4. 3%9. 5%16. 3%上升时间006. 6T4. 7T3. 3T2. 4T峰值时间tp008. 376. 2T4.1T3.671相角稳定裕度/76. 369. 965. 559. 251. 8截止频率化0. 243/T0. 367/T0. 455/F0. 569/T0.786/T表 2-2 典型型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系4. 校验近似条件电流环截止频率：（1）
9、晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件。（2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 满足近似条件。（3）电流环小时间常数近似处理条件 满足近似条件。5. 计算调节电阻和调节电容 由图2-5，按所用运算放大器取，各电阻和电容值为， 取58取 0.65取 0.1 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要 求。2.1.4 电流调节器的实现 含给定滤波和反馈滤波的模拟式 PI 型电流调节器原理图如图 2-5所示。图中为电流给定电压，为电流负反馈电压，调节器的输出 就是电力电子变换器的控制电压UC。C根据运算放大器的电路原理，可以容易地导出O1一阻I II2-5含给定滤波与
10、反馈滤波的PI型电流调节器Up2.2转速调节器的设计2.2.1电流环的等效闭环传递函数需求出它的电流环经等效后可视作转速换中的一个环节，为此 闭环传递函数。由图2-4可知忽略高次项，可降阶近似为近似条件为式中 转速环开环频率特性的截止频率。接入转速换内，电流环等效环节的输入量应为(S),因此电流环在转速环中应等效为这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近 似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。2.2.2 转速调节器结构的选择用电流环的等效环节代替电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图2-6所示。图2-6用等效环节代替电流环后转速环的动态结构框图把转速给定滤波和反馈
11、滤波环节移到环内，同时将给定信号改成U* (s)/ ,再把时间常数为1/K和T的两个小惯性环节合并起来, n I 0n近似成一个时间常数为的惯性环节,其中则转速环结构框图可化简成图2-7RaASR图2-7等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理后转速换的动态结构框图为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环 节，它应该包含在转速调节器 ASR 中（见图 2-7），现在在扰动作用 点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个 积分环节，所以应该设计成典型II型系统，这样的系统同时也能满 足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR也应该采用PI调节器， 其传递函数为式中
12、转速调节器的比例系数；转速调节器的超前时间常数。 这样，调速系统的开环传递函数为令转速环开环增益为则不考虑负载扰动时，校正后的调速系统动态结构框图如图2-8所示。)1 (S)瓦(G+1)0(爲卢+1)图2-8校正后成为典型系统时转速环的动态结构框图2.2.3 转速调节器的参数计算1. 确定时间常数1）电流环等效时间常数I/% :已取，贝U2）转速滤波时间常数: 根据所用测速发电机纹波情况，取3）转速环小时间常数：按小时间常数近似处理，取2. 选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为3. 计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=3,贝UASR的超前时间常数为转速
13、环开环增益ASR的比例系数为4. 检验近似条件转速环截止频率为1）电流环传递函数简化条件满足简化条件。2）转速环小时间常数近似处理条件为满足近似条件。5. 计算调节器电阻和电容根据图2-9，取，则取424取0.11取 1。6. 校核转速超调量当h=3时，由表2-3查得,，不能满足设计要求。实际上，由于 表2-3是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合 线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况下重新计算超调量。表2-3典型II型系统阶跃输入跟随性能指标h345678910(J52. 6%43. 6%37. 6%33. 2%29. 8%27.2%25. 0%23. 3%订T2. 4
14、02. 652.853. 03. 13. 23. 33. 35tjT12. 1511.659. 5510. 4511. 3012. 2513. 2514. 20k322111117. 按退饱和情况计算转速超调量设理想空载起动时z=0,由已知数据有:，当h=3时，由 表 2-4 查得，代入式，可得能满足设计要求。表 2-4 典型 I 型系统动态抗扰性能指标与参数的关系h34567891072. 2%77. 5%81. 2%84.0%86. 3%88. 1%89. 6%90. 8%2. 452. 702. 853.003. 153. 253. 303.40K/T13. 6010. 45& 80IN 9516. 8519.8022. 8025.852.2.4 转速调节器的实现含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器原理图如图2-9所示, 图中为转速给定电压，为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节 器的给定电压。转速调节器参数与电阻、电容值的关系为第三章 系统仿真本设计运用 Matlab 的 Simu
