双闭环直流电机调速系统设计

-1-上海电力学院2016～2017学年《直流调速控制系统设计》电子书院课程课程名称：直流调速控制系统设计课程编号：2600085.01论文题目:双闭环直流电机调速系统设计报告姓名:陈林登学号:20150764论文评语:成绩:任课教师:曹以龙评阅日期:-2-双闭环直流电机调速系统设计报告陈林登（上海电力学院电子与信息工程学院，上海200090）摘要：中文摘要200字左右，应包括目的、方法、结果和结论等要素。此设计利用晶闸管、二极管等器件设计了一个转速、电流双闭环直流调速系统。该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者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，从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。关键词：（小五号宋体）关键词需3~8个；双闭环，晶闸管，转速调节器，电流调节器DesignreportofdoubleclosedloopDCmotorspeedregulationsystemCHENlindeng(SchoolofCommunicationandInformationEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)Abstract:AbstractThisdesignusesthyristor,diodeandotherdevicestodesignaspeedandcurrentdoubleclosedloopDCspeedregulatingsystem.Thesystemsetsupthecurrentdetection,currentregulatorandspeeddetection,speedregulator,acurrentloopandspeedloopthroughtheformerfeedbackcurrentstabilityofthecurrentelement,whichkeepthespeedstablethroughthefeedbackofspeeddetectingdevice,andultimatelyeliminatethespeeddeviation,thusallowingthesystemtoadjustthecurrentandspeedthepurposeof.Whenthesystemstarts,thespeedouterringsaturationdoesnotwork,thecurrentloopplaysamajorrole,regulatethestartingcurrenttomaintainthemaximumspeedlinearchange,toreachagivenvalue;thesteady-stateoperation,thespeednegativefeedbackfromtheouterringplaysamajorrole,sothatthespeedchangeswiththegivenspeedvoltageandcurrentspeedchanges.Theouterringofthearmaturecurrentofmotoradjustmenttobalancetheloadcurrent.Keywords:Doubleclosedloop,thyristor,speedregulator,currentregulator一．直流双闭环调速系统原理图设计1.1系统的组成转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广、性能很好的直流调速系统。采用PI调节的单闭环直流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，如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足要求了。-3-图1理想快速启动过程电流和转速波形如图1所示，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dmI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在系统中起作用，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）连接，如图2所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用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；转速环在外面，称作外环。这就组成了转速、电流双闭环调速系统。1.2双闭环直流调速系统该方案主要由给定环节、ASR、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环；转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成转速环，称为双闭环调速系统。因转速换包围电流环，故称电流环为内环，转速环为外环。在电路中，ASR和ACR串联，即把ASR的输出当做ACR的输入，再由ACR得输出去控制晶闸管整流器的触发器。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具有输入输出限幅功能的PI调节器，且转速和电流都采用负反馈闭环。原理图如下。-4-1.3系统的电路原理图图3直流双闭环调速系统电路原理图为了获得良好的静、动态性能，转速和电路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电路原理图如图3所示。图中ASR为转速调节器，ACR为电流调节器，TG表示测速发电机，TA表示电流互感器，GT是触发电路，UPE是电力电子变换器。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压cU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*imU决定了电流给的电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压cmU限制了电力电子变换器的最大输出电压dmU。二．直流双闭环调速系统调节器设计本设计将运用工程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器。按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外扩展。在双闭环系统中，应该首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统的一个环节，再设计转速调节器。-5-2.1获得系统设计对象根据图3直流双闭环调速系统电路原理图可以方便的绘出系统的稳态结构框图，如图4所示。其中为转速反馈系数，为电流反馈系数。图4直流双闭环调速系统的稳态结构框图在考虑双闭环控制的结构（见图4直流双闭环调速系统的稳态结构框图）的基础上，即可绘出直流双闭环调速系统的动态结构框图，如图5所示。图中()ASRWs和()ACRWs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dI显示出来。图5直流双闭环调速系统的动态结构框图在实际设计过程中，由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可以用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数oiT按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同的延时，使二者在时间上得到恰当的配合，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换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用onT-6-表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为onT的给定滤波环节。所以直流双闭环调速系统的实际动态结构框图应该与图5有所不同，应当增加滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。如图6所示。图6直流双闭环调速系统的实际动态结构框图2.2电流调节器的设计2.2.1电流环结构框图的化简在图6点画线框内的电流内环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际上，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lT远小于机电时间常数mT，因此，转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即0E。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，也就算说，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7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ci——电流环开环频率特性的截止频率。图7忽略反电动势的动态影响时的电流环动态结构框图13cimlTT-7-如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效的移到环内，同时把给定信号改成()iUs，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图8所示。图8等效成单位负反馈系统的电流环动态结构框图最后，由于sT和oiT一般都比lT小的多，可以当作小惯性群而近似的看作是一个惯性环节，其时间常数为：isoiTTT则电流环结构框图最终可以简化成如图9所示。简化的近似条件是图9小惯性环节近似处理的电流环动态结构框图2.2.2电流调节器结构的选择首先考虑把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要求上看，希望电流无静差，可以得到理想的堵转特性，由图9可以看出，采用Ⅰ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因素。为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型Ⅰ型系统。图9的表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型Ⅰ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：113cisoiTT(1)()iiACRiKsWss-8-式中iK——电流调节器的比例系数；i——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ilT则电流环的动态结构框图便成图10所示的典型形式，其中：图10校正成典型Ⅰ型系统的电流环动态结构框图2.2.3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11所示。图中iU为电流给的电压，dI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cU。根据运算放大器的电路原理，可以导出：0iiKRR0iiKRRisiKKKR014oioiTRC-9-2.3转速调节器的设计2.3.1电流环的等效闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环的一个环节，由图10可知，电流环的闭环传递函数()cliWs为忽略高次项，()cliWs可降阶近似为近似条件式中cn——转速开环频率特性的截止频率。接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为()iUs，因此电流环在转速环中应等效成这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似的等效成只有较小时间常数1IK的一阶惯性环节。2.3.2转速调节器的结构选择用电流环的等效代替图6中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构框图如图12所示。图12用等效环节代替电流环后转速环的代替结构框图把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改为()nUs，再把时间常数为1IK和onT的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为nT的惯性环节，其中2(1)()1()1()/1(1)1IidcliiiIiIIKsTsIs