电流转速双闭环系统的设计

1一、目录摘要…………………………………………………………………………………………………2一、概述…………………………………………………………………………………………2二、设计任务与要求……………………………………………………………………………32.1设计任务……………………………………………………………………………………32.2设计要求……………………………………………………………………………………4三、理论设计…………………………………………………………………………………43.1方案论证…………………………………………………………………………………43.2系统设计……………………………………………………………………………………43.2.1电流调节器设计………………………………………………………………………43.2.2速度调节器设计………………………………………………………………………8四、系统建模及仿真实验……………………………………………………………………134.1MATLAB仿真软件介绍…………………………………………………………………134.2仿真建模…………………………………………………………………………………134.3仿真波形分析……………………………………………………………………………16五、总结与体会………………………………………………………………………………18参考文献…………………………………………………………………………………………192摘要从七十年代开始，由于晶闸管直流调速系统的高效、无噪音和快速响应等优点而得到广泛应用。采用PI调节的单个转速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高，例如要求快速启制动，突加负载动态速降等等，单闭环系统就难以满足需要。这是因为单闭环系统不能随心所欲的控制电流和转矩的动态过程。双闭环直流调速系统是一个典型的系统，该系统一般含晶闸管可控整流主电路、移相控制电路、转速电流双闭环调速控制电路、以及缺相和过流保护电路等．给定信号为0～10V直流信号，可对主电路输出电压进行平滑调节。采用双PI调节器，可获得良好的动静态效果。电流环校正成典型I型系统。为使系统在阶跃扰动时无稳态误差，并具有较好的抗扰性能，速度环设计成典型Ⅱ型系统。根据转速、电流双闭环调速系统的设计方法，用Simulink做了带电流变化率内环的三环直流调速系统进行仿真综合调试，分析系统的动态性能，并进行校正，得出正确的仿真波形图。另外本文还介绍了实物制作的一些情况。关键词：MATLAB直流调速双闭环转速调节器电流调节器干扰一、概述本章主要介绍典型系统的数学模型、参数和性能指标关系，系统结构的近似处理和非典型系统的典型化，速度、电流双闭环直流调速系统工程设计方法。在双闭环调速系统中，电动机、晶闸管整流装置、触发装置都可按负载的工艺要求来选择和设计。根据生产机械和工艺的要求提出系统的稳态和动态性能指标，而系统的固有部分往往不能满足性能指标要求，所以需要设计合适的校正环节来达到。对于调速系统来说，闭环调速比开环调速具有更好的调速性能。而双闭环调速系统又要比单环调速系统具有更好的动态性能和抗扰性能。基本的双环就是转速环和电流环，相应的要运用转速调节器和电流调节器对转速和电流进行调节。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在V-M调速系统中设计两个调节器，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。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；转速环在外边，称作外环，形成转速、电流双闭环调速系统。3自动控制原理中，为了区分系统的稳态精度，按照系统中所含积分环节的个数，把系统分为0型、I型、II型…系统。系统型别越高，系统的准确度越高，但相对稳定性变差。0型系统的稳态精度最低，而III型及III型以上的系统则不易稳定，实际上极少应用。因此，为了保证一定的稳态精度和相对稳定性，通常在I型和II型系统中各选一种作为典型，称为典型I型和II型系统，作为工程设计方法的基础。在此实验中，则是将电流环设计成典型I型，将转速外环设计成典型II型系统，从而实现设计的最优控制。采用PI调节的单个转速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。为了实现在允许条件下的最快起动，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。应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。因此，只有设计成转速、电流双闭环直流调速系统则能满足这个要求。二、设计任务及要求2.1设计任务设计一个转速、电流双闭环直流调速系统，要求利用晶闸管供电，整流装置采用三相桥式电路。直流电动机参数：额定功率25KW，额定电压220V，额定电流136A，额定转速1600r/m，eC=0.132Vmin/r，允许过载倍数=1.5。晶闸管装置放大系数：sK=40电枢电阻：Ra=0.5电枢回路总电阻：2Ra=1Ω时间常数：机电时间常数mT=0.18s，电磁时间常数lT=0.03s电流反馈系数：=0.05V/A转速反馈系数：=0.007vmin/r转速反馈滤波时间常数：onT=0.005s，oiT=0.005s总飞轮力矩：GD2=2.5N.mh=642.2设计要求⑴系统稳态无静差，电流超调量σi≤5%；启动到额定转速时的转速退饱和超调量σn≤10％。⑵系统具有过流、过压保护。三、理论设计3.1方案论证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，逐步向外扩展设计原则（本课题设计先设计电流内环，后设计转速外环,再设计电流变化率内环）。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转速调节系统中的一个内环节，再设计转速调节器。然后在此基础上加入电流变化率内环,这样的系统能够实现良好的静态和稳态性能，结构简单，工作可靠，设计和调试方便，达到本课程设计的要求。现代的电力拖动自动控制系统，除电机外，都是由惯性很小的电力电子器件、集成电路等组成的。经过合理的简化处理，整个系统一般都可以近似为低阶系统，而用运算放大器或数字式微处理器可以精确地实现比例、积分、微分等控制规律，于是就有可能将多种多样的控制系统简化或近似成少数典型的低阶结构。如果事先对这些典型系统作比较深人的研究，把它们的开环对数频率特性当做预期的特性，弄清楚它们的参数与系统性能指括的关系，写成简单的公式或制成简明的图表，则在设计时，只要把实际系统校正或简化成典型系统，就可以利用现成的公式和图表来进行参数计算，设计过程就要简便得多。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。双闭环直流调速系统的结构框图:3.2系统设计3.2.1电流调节器设计1．电流环结构框图的化简在双闭环调速系统中，系统的电磁时间常数lT远小于机电时间常数mT，因此，转速的图3.1双闭环直流调速系统的动态结构图U*nUc-IdLnUd0Un+--+-UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E5RKKKisiI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较慢的扰动，在电流的瞬变过程中,可认为反电动势基本不变，即0E。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。如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成)(*sUi/，则电流环便等效成单位负反馈系统。最后，由于sT和oiT一般比lT小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节。则电流环结构框图最终简化为图3-2。图3-2电流环最终简化动态结构框图2．电流调节器结构的选择首先考虑应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，再从动态要求看，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的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型Ⅰ型系统。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ssKSWiiiACR)1()((3-1)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liT(3-2)则电流环的动态结构框图便成为图3-3所示的典型形式。(3-3)图3-3校正成典型Ⅰ性系统的电流环动态结构框图6图3-4绘出了校正后电流环的开环对数幅频特性。上述结果是在一系列假定条件下得到的。图3-4校正后电流环的开环对数幅频特性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Ts，三相桥式电路的平均失控时间：Ts=0.00167s0.0017s②电流滤波时间常数oiT：sToi005.0③电流环小时间常数之和iT,按小时间常数近似处理，取sssTTToiSi0067.0005.00017.0检查对电源电压的抗扰性能48.40067.003.0iTTL计算电流调节器参数①电流调节器超前时间常数:sTLi03.0②电流环开环增益：要求i≤5%，按附表1，应取IKiT=0.5，因此163.740067.05.05.0ssTKiI（3-3）于是，ACR的比例系数为12.105.040103.063.74SiIiKRKK（3-4）7③代入数据得到电流调节器的传递函数为sssWACR03.0)103.0(12.1)(（4）．校验近似条件电流环截止频率：163.74sKIci①晶闸管整流装置传递函数的近似条件ciSsT11.1960017.03131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ciLmsTT182.4003.018.01313满足近似条件。③电流环小时间常数近似处理条件cioiSTT33.114005.00017.0131131满足近似条件。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3-5所示。图中*iU为电流给定电压,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，可以容易的导出0RRKii(3-5)iiiCR(3-6)oioiCRT041(3-7)根据式3-5，3-6，3-7，取400R，各电阻和电容值为8.444012.10RKRii，取8.44iR8FFRCiii67.0108.4403.03，取uFCi67.0FFRTCoioi5.01040005.04430，取FCoi5.0图3-5含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为%5%3.4i，满足设计要求。3.2.2速度调节器设计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中的一个环节，为此，需求出它的闭环传递函数)(sWcli。由图3-3可知111)1(1)1()()(2*sKsKTsTsKsTsKUSIsWIIiiIiIidcli(3-8)忽略高次项，)(sWcli可降阶近似为111)(SKsWIcli(3-9)9接入电流环等效环节的输入量应为)(*sUi，因此电流环在转速环中应等效为111)()()(*sKsWsUsIIcilid(3-10)2．转速调节器结构的选择及参数计算用电流环的等效环节代替图3-1中的电流环后，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成)(*sUn/，再把时间常数为1/IK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onITKTn1(3