MATLAB电流双闭环直流调速系统工程研发Word格式.docx

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3.2.6计算调节器电阻和电容………………………………………….7

3.3速度调节器设计……………………………………………………..8

3.3.1确定时间常数…………………………………………………..8

3.3.2选择转速调节器结构…………………………………………….9

3.3.3检验近似条件…………………………………………………….10

3.3.4计算调节器电阻和电容………………………………………….10

3.3.5校核转速超调量…………………………………………………..10

四.系统建模及仿真实验………………………………………………….11

4.1MATLAB仿真软件介绍………………………………………………..11

4.2仿真建模及实验……………………………………………………..11

4.3双闭环仿真实验……………………………………………………13

4.4仿真波形分析………………………………………………………16

4.4抗扰性能分析………………………………………………………17

五.实际系统设计及原理………………………………………………….18

5.1实验过程…………………………………………………………….18

5.11实验内容………………………………………………………….18

5.12实验步骤………………………………………………………….18

六.总结与体会…………………………………………………………….18

参考文献…………………………………………………………….18

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、课程设计目的：

机电传动控制课程设计，是将机电传动控制系统理论课程的相关内容有结合起来，使学生受到完整的设计过程训练，使学生对电子、电机电气控制的设计过程有全面的了解，使学生掌握机电工程设计的基本方法，提高其分析问，题和解决实际工程问题的能力，培养学生的工程观念，将整个课程内容有机而系统地结合起来。

通过多分部协调控制长网纸机电气传动系统的设计训练，应建立起电机传，动控制系统较完整的概念，包括自动控制系统的组成环节、信号传递、设计、计算以及仿真；

掌握自动控制系统静态设计方法、动态校正方法；

1、掌握直流电机调速控制系统的设计，掌握数学模型建立方法。

2、初步掌握MATLAB软件的使用，及在Simulink功能模块中构建模型图的方法。

3、掌握计算机辅助设计在运动控制系统的应用。

二、设计任务及要求

2.1设计任务及主要技术参数

压光分布传动电机选择的直流电动Z-62参数：

励磁方式为复励，励磁电流0.965A，极对数为2，额定功率13KW，额定电压230V，额定电流47.8A，额定转速1450r/m，Ce=0.132Vmin/r，允许过载倍数=1.5。

电枢电阻：

Ra=0.5,电枢回路总电阻：

2Ra=1Ω，要求转速调节器和电流调节器的最大输入电压为10V”用公式β=10V/λ*额定电流=0.14v/A,α=10V/额定转速=0.007vmin/s。

晶闸管装置放大系数：

Ks=40

时间常数：

机电时间常数Tm=0.18s，电磁时间常数Tl=0.03s

转速反馈滤波时间常数：

Ton=0.005s，

电流反馈滤波时间常数：

Toi=0.005s

总飞轮力矩：

GD=2.5N.m

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。

2.2设计指标

调速范围D=10，静差率S≤5%稳态无静差，电流超调量σi≤5%,

电流脉动系数Si≤10%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、过载和缺相保护；

3．课程设计主要内容

3.1控制方案设计

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电流调节器的设计

3.2.1电流环结构框图的化简

在图3.1中的电流环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给工作带来麻烦。

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远小于机电时间常数Tm，因此，转速变化往往比电流变化慢的多，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，可以认为反电动势基本不变，即ΔE≈0。

这样，在按动态性能设计电流环是，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，也就是说，可以暂且把反电动势作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如图3.2（a）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ωci—电流开环频率特性的截止频率。

如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地转移到环内，同时把给定信号改成，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图3.2（b）所示，从这里可以看出两个滤波时间常数取值相同的方便之处。

最后，由于Ts和Toi一般比小得多，可以当做小惯性群而近似地看做是一个惯性环节，其时间常数为=+则电流环结构框图最终化简成图3.2（c）简化的近似条件是≥ωci

图3.2（a）

图3.2（b）

图3.2（c）

（a）忽略反电动势的动态影响（b）等效成单位负反馈系统（c）小惯性环节近似处理

3.2.2、电流调节器结构的选择

从稳态要求上来看，希望电流无静差，希望得到理想的堵转特性，由图3.2（c）可以看出，采用典Ι型系统就够了。

由图3.2（c）表明，电流控制对象是双惯性的，要校正成典Ι型，显然采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成

=

3.2.3确定时间常数

（1）整流装置滞后时间常数。

按书表1-2，三相电路的平均失控时间：

=0.0017s

（2）电流滤波时间常数。

=0.005s

（3）电流环小时间常数之和。

按小时间常数近似处理，取为：

=+=0.0067s

3.2.4、选择电流调节器结构

根据设计要求5%，并保证稳态电流无差，可按典型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电流调节器，它的传递函数为：

检查对电源电压的抗扰性能：

Tl/T∑i=0.03s/0.0067=4.48，参照表2-3的典Ι型系统的抗扰性能，各项指标都可以接受。

3.2.5、计算电流调节器参数

电流调节器超前时间常数：

==0.03s。

电流环开环增益：

要求5%是按书表2-2，应取=0.5，因此：

KI=0.5/T∑i=0.5/0.0067=74.63

于是，ACR的比例系统为：

Ki=KIR/Ksβ=74.63×

0.03×

1/40×

0.05=2.23/2=1.15

3.2.6校验近似条件

电流环截至频率：

KI=ωci=74.63

晶闸管整流装置传递函数近似的条件为：

忽略反电动势对电流环动态影响的近似条件为：

电流环小时间常数近似处理条件为：

3.2.7计算调节器电阻和电容

按所用的运算放大器取得。

各电容和电阻值为：

、Ri=KiR0=1.15×

40=46k

Ci=τi/Ri=74.63/46=1.62

Coi=4TOi/R0=4×

0.005/R0=0.5uf

按照上面计算所得的参数，电流环内环可以达到的动态跟随性能指标为=4.3%<

5%,满足课题所给要求。

电流比例积分器结构图

3.3速度调节器设计

转速调节器的设计类似电流调节器的设计过程，其详细过程参阅文献[1]的第80页到83页，以下仅给出转速环的动态结构框图的化简及传递函数。

如图二（a），即为未经化简的转速环的动态结构框图。

和电流环一样，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，再把时间常数为和的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中=+

则转速换结构框图可简化成图二（b）所示。

校正后的转速环的动态结构框图如下图二（c）所示。

（a）

（b）

（c）

图3.3转速环的动态结构框图及其简化

（a）用等效环节代替电流环（b）等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理（c）校正后成为典型Ⅱ型系统

3.3.1确定时间常数

（1）电流环等效时间常数。

取=0.5，则：

1/KI=1/74.63=0.0134

（2）转速滤波时间常数。

根据所用测速发电机波纹情况，取：

=0.005s。

（3）转速环小时间常数。

按小时间常数近