双闭环调速系统

§目录§一、设计任务………………………………3二、系统建模………………………………4三、系统设计………………………………8四、系统调试………………………………16五、系统评估………………………………19六、心得体会………………………………22附、原始实验数据清单2一、设计任务双闭环直流不可逆调速系统设计：为了使电动机在起动过程中只有电流反馈，没有转速负反馈，达到稳定转速后，又只有转速负反馈而无电流负反馈，我们可以在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈，二者嵌套相连，电流环在内，转速环在外，形成双闭直流环调速系统。设计时，应由内而外，先确定电流调节器ACR，再确定转速调节器ASR。调速控制系统的一般动态性能指标：跟随性能：超调量（%）反映系统的动态调节稳定性能上升时间tr反映系统的动态调节快速性能调节时间ts反映系统的动态调节过渡周期抗扰性能：动态降落比△Cmax%反映系统扰动引起的最大动态误差恢复时间tr反映系统的动态抗扰调节快速性能1.设计目标性能指标：静态：s%≤5%D=3动态：i%≤5%n%≤10%已知条件：3最大速度给定U*nm=5v最大电流给定U*im=5v最大电枢电流Idm=1.4A电流反馈强度=5v/1.4A速度反馈强度=5v/1450rpm调节器输入电阻R0=20K调节器输入滤波电容C0i=0.224FCon=0.104F2.实验设备（1）．MCL--Ⅲ型电力电子及电气传动教学实验台（容量1.5KW质量150Kg体积1.6×0.75×1.6m3。）（2）．TDS1012型示波器（带宽100MHz,实时采样率1GS/s）（3）．GDM-8145型数字万用表二、系统建模待测参数：1.电动机电枢内阻Ra电势转速系数Ce2.整流电源等效内阻Rn放大系数Ks3.平波电感直流内阻Rd44.电枢回路总电阻R∑=Ra+Rn+Rd电磁时间常数TL机电时间常数Tm（1）确定电枢回路总电阻∑RId/A0.70.80.9Ud/V374247电机静止，调节Uct大小测得电枢回路的总电阻∑R=(Ud2-Ud1)/(Id2-Id1)=50Ω（2）确定电枢内阻Ra、平波电感内阻Rd、变流电源内阻Rn1.电机静止，电枢回路外串限流电阻2.固定控制信号Uct大小，Id≈1A(额定负载热效点)3.使电枢处于三个不同位置（约120°对称）进行三次测量(Ura，Urd，Id)，求Ra，Rd的平均值0°120°240°Ura/V20.5020.2820.35Urd/V12.0412.1412.09Ra=(20.50+20.28+20.35)/3=20.38ΩRd=(12.04+12.14+12.09)/3=12.09ΩRn=∑R-Ra-Rd=17.53Ω5(3)确定电动机电势转速系数Ce1.空载启动电机并稳定运行（Id0大小基本恒定）2.给定两个大小不同的控制信号Uct，测量两组稳定运行时的Ud、n数据n/rpmId/AUd/VUct/V13830.11971.510480.11501.0Ce=(197-150)/(1383-1048)=0.14V/rpm(4)确定整流电源放大系数Ks电机静止，电枢回路外串限流电阻1.分级调节控制信号Uct大小，并保持Id≤1A2.在Ud0有效范围内，测量每一组Uct，Ud，Id，数据应大于10组以上，测量上限不低于最大理想空载整流输出电压Ud0max3.按Ud0=Ud+Id×Rn作出电源输入-输出特性曲线(用Excel生成)4.取线性段3段以上斜率，求其平均值得KsUct/V0.0170.2500.5000.7501.0001.2531.5001.7522.000Ud/V7234380120151176197213Id/A0.010.10.180.300.420.520.600.690.75Uct/V2.2502.5002.7523.0563.2503.5003.7504.0004.220Ud/V227239248258263269274278282Id/A0.800.820.880.900.920.950.980.991.00用EXCEL计算Ud0(图中D为Ud0)，并拟合曲线：6我们小组的每个成员都取了几段斜率，并计算了Ks的值，最后取平均值得：Ks=96（5）确定电枢回路电磁时间常数Tl1.断开电枢回路连线2.使用电感表测量电枢回路总电感量L测得：La=0.671HLd=0.355HL=La+Ld=1.026HTl=L/∑R=1.026/50=0.02052s(6)确定电枢回路机电时间常数Tm1.电机空载，突加给定，并使起动峰值电流达到系统设定最大电流Idm2.记录id波形，由下列公式计算Tm120102ctctddUUUUKs7Id波形：Tm=0.085s三、系统设计设计原则：由内而外，先设计电流调节器ACR，再设计转速调节器ASR。设计步骤：（1）从电流环开始，对其进行必要的变换和近似处理；（2）根据电流环的控制要求确定把它校正成典型I型系统（电流环应以跟随性能为主）；8（3）按照控制对象确定电流调节器的类型；（4）按动态性能指标要求确定电流调节器的参数；（5）将电流环等效成为转速换中的一个环节；（6）用同样的方法设计转速环。系统传递函数结构图：性能指标：静态：s%≤5%D=3动态：i%≤5%n%≤10%已知条件：最大速度给定U*nm=5v最大电流给定U*im=5v最大电枢电流Idm=1.4A电流反馈强度=5v/1.4A速度反馈强度=5v/1450rpm调节器输入电阻R0=20K电枢回路总电阻∑R=50Ω调节器输入滤波电容Coi=0.224FCon=0.104F时间常数Tm=0.085sTl=0.02052s电势转速系数Ce=0.14V/rpm1.设计电流调节器ACR，要求电流超调量i%≤5%（1）确定时间常数1）整流装置滞后时间常数Ts三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s2）电流滤波时间常数ToiToi=R0*Coi/4=0.00112s93）电流环小时间常数之和T∑i=Ts+Toi=0.00282s(2)选择电流调节器的结构设计要求i%≤5%，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计ACR。电流环控制对象是双惯性的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为：Wacr(s)=Ki(tis+1)/tisTl/T∑i=0.02052/0.00282=7.28(3)计算ACR参数ti=Tl=0.02052β=5/1.4=3.57取KIT∑i=0.25,kI=0.25/0.00282=88.7s-1ACR比例系数为：Ki=KIti∑R/Ksβ=88.7*0.02052*50/96*3.57=0.266(4)校验近似条件Wci=KI=88.7s-11）校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件1/3Ts=1/(3*0.0017)=196.1s-1Wci满足近似条件2）校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件3*√（1/Tm*Tl）=3*√(1/0.085*0.0282)=61.28s-1Wci满足近似条件3)校验电流环小时间常数近似处理条件0.266(1/3)*√(1/Ts*Toi)=241.57s-1Wci满足近似条件(5)计算调节器电阻和电容，R0=20kΩRi=Ki*R0=0.266*20=5.32kΩCi=ti/Ri=0.02052/5320=3.86uFCoi=4Toi/R0=4*0.00112/20000=0.224uF2.设计转速调节器ASR，要求n%≤10%已知=5v/1450=0.0034rpm（1）确定时间常数1）电流等效时间常数,取KIT∑i=0.251/KI=4*T∑I=4*0.00282=0.01128102）转速滤波时间常数TonTon=R0*Con/4=0.00052s3）转速环小时间常数T∑n=1/KI+Ton=0.0118s(2)选择电流调节器的结构设计要求i%≤10%，为实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应包含在转速调节器ASR中，由于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，所以可按典型II型系统设计ASR。其传递函数为：Wacr(s)=Kn(tns+1)/tns(3)计算ASR参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，ASR的超前时间常数为：tn=h*T∑n=5*0.0118=0.059转速环开环增益KN=(h+1)/2*h2*T∑n2=6/(2*25*0.01182)=861.82ASR比例系数：Kn=(h+1)CeTm/2hRT∑n=6*3.57*0.14*0.085/(2*5*0.0034*50*0.0118)=12.71(4)校验近似条件转速环截止频率：Wcn=KN/w1=KNtn=50.851）电流环传递函数简化条件：(√（KI/T∑i）)/3=√(88.7/0.00282)）/3=59.12s-1Wcn满足简化条件2）转速环小时间常数近似处理条件：(√（KI/Ton）)/3=(√(88.7/0.00052))/3=137.67s-1Wcn满足近似条件(5)计算调节器电阻和电容，R0=20kΩRn=Kn*R0=12.71*20=254.2kΩCn=tn/Rn=0.059/254200=0.23uFCon=4Ton/R0=4*0.00052/20000=0.104uF11初始方案：根据之前求得的参数Ks、Tm、Tl等，限幅值为+5和-5。ACR的比例系数：Ki=0.266ACR的超前时间常数：ti=0.02052ASR的比例系数：Kn=12.71ASR的超前时间常数：tn=0.059慢慢调节ASR和ACR的参数（双击模块进行参数设置），使得系统达到无静差用simulink构建的结构图：波形图：转速放大图：12σ%=（1490-1450）/1450=2.76%系统无静差电流放大图：最终方案：经小组成员讨论之后，我们决定采用如下方案：波形图：Idm=1.4A,Id=Id0变为Id=Idm/213当Un*=5V时：转速放大图：14σ%=（1500-1450）/1450=3.45%系统无静差电流放大图：当Un*=5/3=1.67V时：15转速放大图：σ%=（540-480）/480=12.5%电流放大图：四、系统调试ASR、ACR的PI参照参数：Ri=5.32kΩRn=254.2kΩCi=3.86uFCn=0.23uFCoi=0.224uFCon=0.104uF调试步骤：1.单元调试整定ACR、ASR的运放输出限幅值（1）将零速封锁器置于“解除”状态；（2）按调节器设置参数Rn、Ri、Cn、Ci将ASR、ACR接成PI调节器；（3）选择有效输入端，加输入电压信号；（4）根据已知给定及Ks曲线调试ASR、ACR的输出信号大小，并调节各自的限幅电位器RP1、RP2，直至输出电压为设定限幅值。2.系统调试电流环整定：16（1）断开电流励磁电源，电枢回路串联限流电阻置于最大值；（2）接通总电源，设定Uct为2.5V，再接通主回路电源，适当减小可调电阻使得Id=Idm/2；（3）测量并调整电流反馈输出信号Ui=2.5V（调整电流反馈系数β）；（4）断开总电源，将Ui接入ACR输入端，并完成电流环全部连线。转速环整定：（1）完成速度环、电流环的完整连线；（2）将测速装置输出信号接入速度变换器输入端，其输出端分别接ASR的输入端和零速封锁器的2端（同时将其1端接入给定信号Un*）；（3）ASR的输入2端接给定信号，输出端接ACR任意有效输入端；（4）接通电机励磁电源，并切除电枢回路串联电阻；（5）将零速封锁器置于封锁状态；（6）加给定信号Un*，电机启动后加入发电负载，当Un*=5V时，同步调节α和负载强度，满足n=nN,Id=IN。电路连线图：系统性能测定：1.静态性能测试：在保证稳定的前提下，在调速范围内，对应Uct=5V和5/3V（即1.67V）时分别测量2条电动机静态性能曲线17（1）Uct=5VId/A1.11.00.90