转速、电流双闭环直流调速系统的设计

第六组课程设计任务书1.设计题目转速、电流双闭环直流调速系统的设计2.设计任务某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据为：直流电动机：，，，，48.3min/14201.6220aNNNRrnAIVU电枢电路总电阻4R，电枢电路总电感L168mH，电流允许过载倍数=1.5，折算到电动机轴的飞轮惯量NmGD88.12。晶闸管整流装置放大倍数，40sK，滞后时间常数s0033.0sT电流反馈系数=1.09AV/(NIV5.1/10)转速反馈系数=0.007)/10(min/NnVrV滤波时间常数取s02.0s002.0onoiTT，VUUUcmimnm10**；调节器输入电阻kR4003.设计要求(1)稳态指标:无静差(2)动态指标:电流超调量%5i；采用转速微分负反馈使转速超调量等于0。目录第六组课程设计任务书..........................................1目录.........................................错误!未定义书签。第一章双闭环直流调速系统的工作原理..........................31.1双闭环直流调速系统的介绍...............................31.2双闭环直流调速系统的组成...............................41.3双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性.................61.4双闭环直流调速系统的数学模型...........................81.4.1双闭环直流调速系统的动态数学模型.................81.4.2启动过程分析.....................................8第二章调节器的工程设计.....................................122.1调节器的设计原则.....................................122.2Ⅰ型系统与Ⅱ型系统的性能比较.........................132.3电流调节器的设计.....................................132.3.1结构框图的化简和结构的选择.....................142.3.2电流环的设计...................................152.4转速调节器的设计....................................182.4.1结构框图的化简和结构的选择.....................182.4.2转速环的设计...................................20第三章Simulink仿真.........................................233.1电流环的仿真设计.....................................233.2转速环的仿真设计.....................................233.3双闭环直流调速系统的仿真设计.........................24总结.........................................................27参考文献.....................................................28第一章双闭环直流调速系统的工作原理1.1双闭环直流调速系统的介绍目前，需要高性能可控电力拖动的领域都采用直流调速系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流Idcr值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图1-1（a）所示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。b)理想的快速起动过程IdLLntIdOIdma)带电流截止负反馈的单闭环调速系统图1-1直流调速系统起动过程的电流和转速波形IdLntIdOIdmIdcr在实际工作中，我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形如图1-1（b）所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm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就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。1.2双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即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晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做环；转速环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。图中U*n、Un—转速给定电压和转速反馈电压；U*i、Ui—电流给定电压和电流反馈电压；ASR—转速调节器；ACR—电流调节器；TG—测速发电机；TA—电流互感器；UPE—电力电子变换器TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPEL-MTG+图1-2.转速、电流双闭环直流调速系统结构ASR—转速调节器ACR—电流调节器TG—测速发电机TA—电流互感器UPE—电力电子变换器内环外环图1-3双闭环直流调速系统电路原理图++-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd++-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE1.3双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性双闭环直流系统的稳态结构图如图４所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征。一般存在两种状况：饱和——输出达到限幅值；不饱和——输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳太时总是为零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。1．转速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此，nUUnnn0（1-1）IUUdii（1-2）图1-4双闭环直流调速系统的稳态结构图—转速反馈系数;—电流反馈系数Ks1/CeU*nUcIdEnUd0Un++-ASR+U*i-RACR-UiUPE由式（1-1）可得：nUnn0从而得到静特性曲线的CA段。与此同时，由于ASR不饱和，UUimi可知IIdmd，这就是说，CA段特性从理想空载状态的Id=0一直延续到IIdmd。而Idm一般都是大于额定电流Idn的。这就是静特性的运行段，它是一条水平的特性。2．转速调节器饱和这时，ASR输出达到限幅值Uim，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时：IUIdmimd（1-3）其中，最大电流Idm取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度，由上式可得静特性的AB段，它是一条垂直的特性。这样是下垂特性只适合于nn0的情况，因为如果nn0，则UUnn，ASR将退出饱和状态。图1-5双闭环直流调速系统的静特性曲线1.4双闭环直流调速系统的数学模型1.4.1双闭环直流调速系统的动态数学模型双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图5所示。图中WsASR)(和WSACR)(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Id显露出来。图1-6双闭环直流调速系统的动态结构框图1.4.2启动过程分析设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。双闭环直流调速系统突加给定电压*nU由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于图1-7。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个阶段。图1-7双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形第一阶段是电流上升阶段)~0(1t。当突加给定电压Ugn时，由于电动机的机电惯性较大，电动机还来不及转动（n=0），转速负反馈电压0Ufn，这时，UUUfngnn很大，使ASR的输出突增为Ugio，ACR的输出为Uko，可控整流器的输出为Udo，使电枢电流Ia迅速增加。当增加到IdLIdnn*IdmOOIIIIIIt4t3t2t1ttIdLIdnn*IdmOOIIIIIIt4t3t2t1IdLIdnn*IdmOOIIIIIIt4t3t2t1ttIILa（负载电流）时，电动机开始转动，以后转速调节器ASR的输出很快达到限幅值Ugim，从而使电枢电流达到所对应的最大值Iam（在这过程中UUdk的下降是由于电流负反馈所引起的），到这时电流负反馈电压与ACR的给定电压基本上是相等的，即IUUamfigim（1-4）式中，——电流反馈系数。速度调节器ASR的输出限幅值正是按这个要求来整定的。第二阶段是恒流升速阶段)~(21tt。从电流升到最大值Iam开始，到转速升到给定值为止，这是启动过程的主要阶段，在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统表现为恒流调节。由于电流Ia保持恒定值Iam，即系统的加速度dtdn为恒值，所以转速n按线性规律上升，由nCRIUeamd知，Ud也线性增加，这就要求Uk也要线性增加，故在启动过程中电流调节器是不应该饱和的，晶闸管可控整流环节也不应该饱和。第三阶段是转速调节阶段)(2以后t。转速调节器在这个阶段中起作用。开始时转速已经上升到给定值，ASR的给定电压Ugn与转速负反馈电压Ufn相平衡，输入偏差Un等于零。但其输出却由于积分作用还维持在限幅值Ugim，所以电动机仍在以最大电流Iam下加速，使转速超调。超调