双闭环调速系统ASR和ACR结构及参数设计Word文档下载推荐.docx

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5.1遇到的问题.............................................................................................16

5.2学习收获.................................................................................................16

第六章.参考书目...............................................................................................17

第一章

1.1双闭环调速系统介绍

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。

采用转速负反馈和PI调节器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，例如：

要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。

这是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。

在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值Idcr以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。

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，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，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。

1.2双闭环调速系统的实际动态结构框图

图1-1双闭环调速系统的动态结构框图

双闭环调速系统的实际动态结构框图如图1-1。

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，需要加低通滤波。

这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要选定，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，使得二者在时间上恰好的配合。

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的给定滤波环节。

1.3设计原则

本次课程设计为应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系统中的一个环节，再设计转速调节器。

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，以得到理想的堵转特性，所以采用Ⅰ型系统就够了。

再从动态上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用下时有太大的超调，以保证电流在动态过程不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素。

因而电流环应以跟随性能为主，即应选择典型Ⅰ型系统。

对于转速环，由于要求满足系统抗干扰性能好、转速无静差，并且系统结构决定将转速环校正成典型Ⅱ系统。

1.4工程设计方法

大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低阶系统近似。

将实际系统校正或简化成典型系统的形式再与图表对照，设计过程就简便多了。

调节器的设计一般分为两步：

1.选择调节器结构,使系统典型化并满足稳定和稳态精度。

2.设计调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。

这样做，就把稳、准、快和抗干扰之间相互交叉的矛盾分成两步来解决。

第一步，先解决主要矛盾，即动态稳定性和稳态精度，然后在第二步中再进一步满足其他动态性能指标。

第二章.电流调节器的设计

2.1确定时间常数

在图2-1点划线框的电流环中，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远小于机电时间常数，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，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，得到的电流环的近似结构框图如图2-1。

图2-1忽略反电动势的动态影响

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，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图2-2。

图2-2等效成单位负反馈系统

1）整流装置滞后时间常数Ts.。

按表2-1，三相桥式电路的平均失控时间。

表2-1各种整流电路的失控时间

整流电路形式

最大失控时间

平均失控时间

单相半波

20

10

单相桥式（全波）

5

三相半波

6.67

3.33

三相桥式、六相半波

1.67

2）电流滤波时间常数Toi。

三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（1~2）Toi=3.3ms,因此取=2ms=0.002s，

3）电流环小时间常数之和。

按小时间常数近似处理，取=0.0037s。

则电流环结构框图最终简化成图2-3。

图2-3小惯性环节近似处理

2.2选择电流调节器结构

图2-3表明，电流环的控制对象是双惯性的，要校正成典型Ⅰ型系统，显然应采用PI型的调节器，其传递函数可以写成

（2-1）

式中--------电流调节器的比例系数

--------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

（2-2）

则电流环的动态结构框图便成为图2-4所以的典型形式，其中

（2-3）

图2-4校正成典型Ⅰ型系统电流环动态结构框图

图2-5绘出了校正后电流环的开环对数幅频特性.

图2-5校正成典型Ⅰ型系统电流环开环对数幅频特性

2.3计算电流调节器的参数

表2-2典型Ⅰ型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系

参数关系

0.25

0.39

0.50

0.69

1.0

阻尼比

0.8

0.707

0．6

0．5

超调量

0%

1.5%

4.3%

9.5%

16.3%

上升时间

6.6

4.7

3.3

2.4

峰值时间

8.3

6.2

3.6

相角稳定裕度

截止频率

由式2-1可以看出，电流调节器的参数是和，其中（电流调节器超前时间常数）=Tl=0.031，待定的只有比例系数，可根据所需的动态性能指标选取。

设计要求电流超调量，由表2-2，可选，，且已知=0.0017+0.002=0.0037s，因此，

电流环开环增益：

双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时。

各变量之间的关系：

已知两个调节器的输入和输出最大值都是，额定转速，额定电流，过载倍数=1.5，则：

转速反馈系数：

电流反馈系数：

由式（2-2）和（2-3），且已知=0.031s，R=0.14Ω，=75，则

电流调节器的比例系数：

2.4校验近似条件

1）检查对电源电压的抗扰性能：

，参照表2-3的典型Ⅰ型系统动态抗扰性能都是可以接受的。

表2-3典型Ⅰ型系统动态抗扰性能指标与参数的关系

电流截止频率：

2）晶闸管整流装置传递函数的近似条件

满足近似条件。

3）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件，已知=0.112s

4）电流环小时间常数近似处理条件

2.5计算调节器电阻和电容

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2-6，图中为电流给定电压，为电流反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压。

根据运算放大器的电路原理，且已知,可以容易地导出：

，取35

，取0.886

，取2

图2-6含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器

按照上述参数：

=35，=0.886，=2，电流环可以达到的动态跟随性能指标为（见下表2-4），满足以上要求。

表2-4典型Ⅰ型系统动态跟随性能指标和频域指标与