电气传动控制系统课程设计

中国民航大学ElectricDriveControlSystemCourseDesign《电气传动控制系统》课程设计说明书指导老师：张健中国民航大学本科课程设计说明书-1-目录一、设计参数及要求………………………………………………………………………2二、调速的方案选择………………………………………………………………………21、电动机供电方案…………………………………………………………………………22、系统的调速方法…………………………………………………………………………33、调节器的选择……………………………………………………………………………33、确定系统的总体结构……………………………………………………………………4三、双闭环调速系统的稳态分析及稳态参数计算………………………………………61、稳态结构图及静特性……………………………………………………………………72、稳态参数计算……………………………………………………………………………7四、转速、电流双闭环直流调速系统的动态数学模型…………………………………81、直流电机的传递函数……………………………………………………………………82、电力电子变换器的传递函数……………………………………………………………93、双闭环直流调速系统动态结构图……………………………………………………10五、转速、电流双闭环直流调速系统调节器的工程设计………………………………111、电流调节器结构的选择及参数设计…………………………………………………112、转速调节器结构的选择及参数设计…………………………………………………12六、系统的计算机仿真……………………………………………………………………131、利用MATLAB建立双闭环直流调速系统的仿真模型…………………………………132、利用仿真曲线分析系统启动过程……………………………………………………153、利用仿真曲线验证系统性能指标……………………………………………………16七、参考文献………………………………………………………………………………16中国民航大学本科课程设计说明书-2-一、设计参数及要求某双闭环直流调速系统采用晶闸管三相桥式全空整流电路供电，数据如下：直流电动机：VUN48,AIN7.3,min/200rnN，5.6aR，允许过载倍数2；晶闸管装置发达系数8.4sK；电枢回路总电阻8R；电枢回路电磁时间常数msTl5，机电时间常数sTm2.0；电源电压VUs60转速给定的最大电压为VUnm10*；转速调节器输出限幅值VUim10*；电流调节器输出限幅值VUcm10。转速设计要求为：（1）稳态指标：无静差（2）动态指标：电流超调量%5i，空载启动到额定转速时的超调量%10n。（3）利用MATLAB软件进行直流调速控制系统的仿真，要求有仿真曲线及分析结论。二、调速的方案选择1、电动机供电方案静止式可控整流器用大功率开关器件构成可控整流器，以获得可调的直流电压。整流设备一般都是通过变压器与电网连接的，因此其工作频率为工频，初级电压即为交流电网电压。经过变压器的耦合，主电路可以得到一个合适的输入电压，然后采用大功率开关器件进行整流，并通过移相控制以保持输出电压的稳定，可使开关器件在较大的功率因数下运行，故可以得到很高的稳压和稳流精度及很短的动态响应时间。变流主电路和电网之间用变压器隔离,还可以抑制由变流器进入电网的谐波成分,减小电网污染。结合本次设计的的小型直流调速系统的结构、供电质量以及成本等因素，选择由晶闸管构成的相控电源供电。其整流方式有全波整流和半波整流。半波整流利用晶闸管单向导通特性，在输入为标准正弦波的情况下，输出获得仅有正半部分，负半部分则损失掉。全波整流使交流电的两半周期都得到了利用，在输入三相正弦工频交流电的情况下，三相桥式整流输出频率更高，脉动成分低，可获得更高的供电质量。2、系统的调速方法中国民航大学本科课程设计说明书-3-根据反馈控制规律可知，采用某一物理量的负反馈构成闭环控制，可以近似地保持该量恒定不变。采用比例积分调节器的转速负反馈单闭环调速系统，既保证了系统的稳定性，又能实现转速无静差，引入电流截止负反馈环节后，能够限制启动和堵转时的冲击电流。但是系统的动态性能还不能令人满意。这是因为电流截止负反馈只能限制最大电流，系统起动时，随着转速的上升，反馈电压的增加及电机反电动势的增长，会使电枢电流达到最大值后迅速降低下来，电动机转矩亦迅速减小，使起动加速过程变长。对于经常处于起动、制动、反转运行的生产机械，为了提高生产效率和加工质量，要求尽量缩短过渡过程时间。一个比较理想的办法是，在整个起动过程中，充分利用电动机的过载能力，将电枢电流保持在最大允许值上，电动机输出最大转矩，转速直线迅速上升，使过渡过程时间大大缩短，得到理想起动过程。3、调节器的选择积分调节器的优点是实现了稳态无静差，但它的暂态特性却不如比例控制。同样在阶跃输入作用之下，比例调节器可以立即响应，而积分调节器的输出只能是逐渐变化。调速系统一般应具有快与准的性能，满足系统静态无静差，又具有快速响应的特点。实现方法是把比例和积分两种控制结合起来，组成比例积分调节器（PI）。图1理想快速启动过程中国民航大学本科课程设计说明书-4-图4双闭环调速系统的稳态结构图为满足系统需要，调节器采用带有限幅作用的PI调节器，一旦PI调节器饱和，其输出量为恒值，输入量的变化不再影响输出，即饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的关系，相当于使该调节器处于断开起到保护作用。除非有反极性的输入信号使调节器退出饱和。而输出未达限幅时，调节器才起调节作用，使输入偏差电压在调节过程中趋于零，而在稳态时为零。图2(a)是利用二极管钳位的外限幅电路，其中二极管VD1和电位器RP1提供正电压限幅,VD2和电位器RP2提供负电压限幅。调节电位器RP1和RP2可以任意改变正、负限幅值。当Uex达到限幅值后，如果输入信号Ui符号不变，C点的电位不会一直增加。因此当输入信号符号改变时，调节器退饱和时间也不会太长。图2(b)是稳压管钳位的内限幅电路。正限幅电压等于稳压管VST1的稳压值，负限幅电压等于稳压管VST2的稳压值。如果输出电压超过限幅值时，因稳压管导通，对运算放大器产生强烈的反馈作用，使Uex回到限幅值。4、确定系统的总体结构为实现转速和电流两种负反馈分别作用，可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。二者之间实行嵌套联接，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。转速一电流双闭环直流调速系统的结构如图2所示，*nU为转速给定电压，nU为转速反馈电压，*iU为电流给定电压，iU为电流反馈电压，是电枢端电压，cU是控制电压，ASR为转速调节器，ACR为电流调节器，GT为晶阐管触发装置，VT为整流装置，TA为电流互感器，VT为整流装置，M是电动机，TG是测速发电机。两个调节器之间串图3转速、电流双dU闭环直流调速系统原PIpppPPPIKsKKsKKKKsW11111s1ss1)((a)二极管钳位的外限幅电路图2(b)稳压管钳位的内限幅电路中国民航大学本科课程设计说明书-5-图5双闭环调速系统的静特性级联接，转速调节器ASR的输出是电流调节器的输入，电流调节器ACR的输出控制电力电子变换器。从闭环结构上看，转速环是外环，电流环是内环，这就构成了转速一电流双闭环直流调速系统。通过原理图画出其稳态结构框图，如图4所示。三、双闭环调速系统的稳态分析及稳态参数计算1、稳态结构图及静特性双闭环调速系统的静特性如图5所示，图中AC段描述了调节器不饱和时的静特性，调节器ASR处于线性调节状态，电流的大小是从理想空载状态Id=0一直延续到Id=Idm，表现为一条水平的特性。系统所采用的是带限幅的PI调节器。在稳态时，PI调节器的作用使得输入偏差电压U总为零，即图5中AC段。在起动或堵转时，负载电流IdIdm后，图5中AB段，转速调节器ASR饱和，电流调节器起主要调节器作用，系统表现为电流无静差，电流给定值是转速调节器的限幅值，实现过电流的自动保护。若负载电流减小，IdIdm，则使得转速上升，0nn，0n，ASR反向积分，使得ASR调节器推出饱和又回到线性调节状态，结果使系统又回到静特性AC段。2、稳态参数计算双闭环调速系统工作在稳态时，转速变化率为零，故电枢电流等于负载电流，dldII，由ACR得输入0iU推得，转速调节器的输出，即电流调节器的给定电流调节器ACR的输出根据各调节器的给定值和反馈值可以计算出响应的反馈系数dldiiIIUU*sdnesdesdcKRIUCKRInCKUU/*03514.17.321005.0min/20010*max*AVIUrVnUdmimnm中国民航大学本科课程设计说明书-6-图6他励直流电动及在额定励磁下的等效电路图四、转速、电流双闭环直流调速系统的动态数学模型1、直流电机的传递函数图6表示了他励直流电动及在额定励磁下的等效电路，假定主电路电流连续，则主电路电压的微分方程为在额定励磁下忽略摩擦力及弹性变形，电力拖动系统运动的微分方程额定励磁下的电磁转矩定义下列时间常数：——电枢回路电磁时间常数，单位为s——电力拖动系统机电时间常数，单位为s代入微分方程，并整理后得：0()dddldIUERITdt式中，/dLLmITC——负载电流（A）。在零初始条件下，取等式两侧得拉氏变换，得电压与电流间的传递函数（1）电流与电动势间的传递函数为0ddddIURILEdteECn2375eLGDdnTTdtemdTCImddLTdEIIRdt0()1/()()1ddlIsRUsEsTs()()()ddLmEsRIsIsTs（1）（2）2375memGDRTCClLTR中国民航大学本科课程设计说明书-7-图7额定励磁下直流电动机的动态结构图(a)式(1)的结构图(b)式(2)的结构图(c)整个直流电动机的动态结构图2、电力电子变换器的传递函数在分析系统时我们往往把它们当作一个环节来看待。这一环节的输入量是触发电路的控制电压Uc，输出量是理想空载整流电压Ud0。把它们之间的放大系数Ks看成常数，晶闸管触发与整流装置可以看成是一个具有纯滞后的放大环节，其滞后作用是由晶闸管装置的失控时间引起的。下面列出不同整流电路的平均失控时间：表1各种整流电路的平均失控时间（f=50Hz）整流电路形式最大失控时间Tsm/ms平均失控时间Ts/ms单相半波2010单相桥式（全波）105三相全波6.673.33三相桥式，六相半波3.331.67用单位阶跃函数来表示滞后，则晶闸管触发和整流装置的输入输出关系为按拉氏变换的位移定理，则传递函数为由于上式中含有指数函数sTse，它使系统成为非最小相位系统，分析和设计都比较麻烦。为了简化，先将sTse按台劳级数展开，则变成0()dUs+_()Es1/1lRTs()dIs_+()dIs()dLIsmRTs()EsmRTs1/1lRTs1eC+__+0()dUs()dIs()dLIs()Es()ns（a）（b）（c）)(10scsdTtUKUsTscdSseKsUsUsW)()()(0中国民航大学本科课程设计说明书-8-1/1lRTsmRTs1eC1ssKTs()ACRWs()ASRWsnUiUctU0dUdLIdIn____11oiTs1onTs1oiTs11onTs电流环考虑到Ts很小，忽略其高次项，则晶闸管触发和整流装置的传递函数可近似成一阶惯性环节其结构图如图3所示。3、双闭环直流调速系统动态结构图由于电流检测信号中常含有交流分量和检测干扰信号，为了不使它影响到系统的性能，需加低通滤波，其滤波常数iT0按需要选定。但滤波器也给反馈信号带来了延