运动控制系统课程设计直流双闭环调速系统设计

武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书1课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：周颖工作单位：自动化学院题目:直流双闭环调速系统设计初始条件：采用晶闸管三相桥式整流,电机参数：mHLRAIVUrnanomnomnom15,2.0,136,220min,/1460，40,5.0,min/132.0seKrrVC，无静差。电流过载倍数为5.1，sTsTni01.0,002.000、0.18mTs。电流超调量i5%，空载起动到额定转速时的转速超调量n10%。要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1．系统原理图设计；2．转速和电流用两个调节器进行调节；3．过程分析，软件设计；4．电流环和转速环结构图绘制；5．仿真曲线绘制时间安排：12月21日-22日查阅资料12月23日-25日方案设计12月28日-29日馔写程设计报告12月30日提交报告，答辩指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书2目录摘要Ⅱ1设计任务11.1初始条件11.2设计任务12直流双闭环调速系统原理图设计22.1系统的组成22.2系统的电路原理图33直流双闭环调速系统调节器设计43.1获得系统设计对象43.2电流调节器的设计53.2.1电流环结构框图的化简53.2.2电流调节器结构的选择73.2.3电流调节器的常数计算73.2.4电流调节器的实现103.3转速调节器的设计103.3.1电流环的等效闭环传递函数103.3.2转速调节器的结构选择113.3.3转速调节器的参数计算133.3.4转速调节器的实现154系统起动过程分析165系统仿真186心得体会19参考文献20武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书3摘要本设计通过分析直流双闭环调速系统的组成，设计出系统的电路原理图。同时，采用工程设计的方法对直流双闭环调速系统的电流和转速两个调节器进行设计，先设计电流调节器，然后将整个电流环看作是转速调节系统的一个环节，再来设计转速调节器。遵从确定时间常数、选择调节器结构、计算调节器参数、校验近似条件的步骤一步一步的实现对调节器的具体设计。之后，再对系统的起动过程进行分析，以了解系统的动态性能。最后用Matlab软件中的Simulink模块对设计好的系统进行模拟仿真，得出仿真波形。关键词：原理图调节器工程设计方法参数整定起动过程仿真武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书4直流双闭环调速系统设计1设计任务1.1初始条件采用晶闸管三相桥式整流，电机参数：mHLRAIVUrnanomnomnom15,2.0,136,220min,/1460，40,5.0,min/132.0seKrrVC，系统无静差。电流过载倍数5.1，电流滤波时间常数0.002oiTs，转速滤波时间常数0.01onTs，0.18mTs，电流超调量5%i，空载启动到额定转速时的转速超调量10%n。1.2设计任务1.设计直流双闭环调速系统的原理图；2.设计电流环和转速环并对其进行调节；3.绘制电流环和转速环结构框图；4.分析系统的启动过程；5.仿真曲线的绘制（选作）武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书52直流双闭环调速系统原理图设计2.1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。图1理想快速启动过程电流和转速波形如题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。武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书6图2转速、电流双闭环直流调速系统2.2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。武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书73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。3.1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武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书8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3.2电流调节器的设计3.2.1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：13cimlTT武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书9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113cisoiTT武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书103.2.2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：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3.2.3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sT。通过表1可得出，三相桥式电路的平均失控时间0.0017sTs。2）电流滤波时间常数oiT。根据初始条件有0.002oiTs。3）电流环小时间常数之和iT。按小时间常数近似处理，取0.0037isoiTTTs。(1)()iiACRiKsWssisiKKKR武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书11表1各种整流电路的失控时间（50fHZ）整流电路形式最大失控时间max()sTms平均失控时间()sTms单相半波单相桥式（全波）三相半波三相桥式、六相半波20106.673.331053.331.674）电磁时间常数lT。已知电枢回路电感15LmH，则：2.选择电流调节器结构根据设计要求5%i，并保证稳态电压无差，按典型Ⅰ型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数：检查对电源电压的抗扰性能：0.030.00378.11liTTss，参照表2的典型Ⅰ型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。表2典型Ⅰ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101.50.05/NVIVA。电流调节器超前时间常数：0.03ilTs。电流开环增益：要求5%i时，按表3，取0.5iKT，因此(1)()iiACRiKsWss150.030.5lLmHTsr10.50.5135.10.0037iKsTs武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书12于是，ACR的比例系数为：表3典型Ⅰ型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系KT0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间rt6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间pt8.3T6.2T4.7T3.6T相角稳定裕度76.3°69.9°65.5°59.2°51.8°截止频率c0.243/T0.367/T0.455/T0.569/T0.786/T4.校验近似条件电流环截止频率：1135.1ciKs1）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