电机课设VM双闭环直流调速系统Word文件下载.docx

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摘要

转速、电流双闭环调速系统（简称双闭环调速系统）是由单闭环调速系统发展而来的。

单闭环调速系统可以实现转速调节无静差，但单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，而用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统，则可以获得近似理想的过渡过程。

双闭环直流调速系统具有良好的稳态和动态性能，它已经成为应用非常广泛的一种调速系统。

在该系统中，为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用具有输入、输出限幅电路PI调节器，且转速与电流都采用负反馈闭环。

由于调整系统的主要参量为转速，故将转速环作为主环放在外面，电流环作为副环放在里面，这样可以抑制电网电压扰动对转速的影响。

在双闭环直流调速系统中设置了两个调节器，转速调节器的输出当作电流调节器的输入，电流调节器的输出控制晶闸管整流器的触发装置。

电流调节器在里面称作内环，转速调节器在外面称作外环，这样就形成转速、电流双闭环调速系统

关键字：

双闭环，不可逆，转速环，电流环，PI调节器

V-M双闭环直流调速系统建模与仿真

1方案论证

1.1调速系统组成原理分析

单闭环调速系统用PI调节器实现转速稳态无静差，消除负载转矩扰动对稳态转速的影响，并用电流截止负反馈限制电枢电流的冲击，避免出现过电流现象。

单转速单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电流的动态过程。

由于主电路电感的作用，电流不可能突变，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，采用电流负反馈就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，在达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈作用。

为了使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，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套连接，如图1-1所示。

把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，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。

这就形成了转速,电流反馈控制直流调速系统。

为了获得良好的静，动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。

图1-1转速电流反馈控制直流调速系统原理图

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Un*---转速给定电压

Un---转速反馈电压Ui*---电流给定电压Ui---电流反馈电压

1.2稳态结构图分析

双闭环直流调速系统稳态结构如图1-2所示，两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。

转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm，图中用带限幅的输出特性表示PI调节器的作用。

当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和。

当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是输入偏差电压在稳态时为零。

为了实现电流的实时控制和快速跟随，希望电流调节器不要进入饱和状态，因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和不饱和两种情况。

双闭环直流调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要作用。

当负载电流达到Idm时对应于转速调节器为饱和输出Uim*，这时，电流调节器起主要作用，系统表现为电流无静差，起到过电流的自动保护作用。

图1-2双闭环直流调速系统的稳态结构图

α——转速反馈系数

β——电流反馈系数

图1-3双闭环直流调速系统原理图

1.3调节器作用

1.3.1转速调节器作用

（1）转速调节器是调速系统的主导调速器，它使转速n很快地跟随给定电压Un*变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。

（2）对负载变化起扰动作用。

因为负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动作用。

（3）其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。

1.3.2电流调节器作用

（1）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压Ui*（即外环调节器的输出量）变化。

（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。

增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才反馈回来，因而使抗扰性能得到改善。

（3）在转速过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。

（4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。

一旦故障消失，系统立即自动恢复过程。

1.4V-M系统分析

图1-4晶闸管整流器-电动机调速系统原理图

图1-4绘出了V-M系统的原理图，图中VT是晶闸管整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，改变可控整流器平均输出直流电压Ud，从而实现直流电动机的平滑调速。

晶闸管可控整流器的功率放大倍数在

以上，门极电流可以直接用电子控制；

响应时间是毫秒级，具有快速的控制作用；

运行损耗小，效率高；

使V-M系统获得了优越的性能。

2系统设计

2.1电流调节器的设计

2.1.1确定时间常数

（1）整流装置滞后时间常数Ts。

按下表2-1所示，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.00167s。

表2-1晶闸管整流器的失控时间（f=50Hz）

整流电路形式

最大失控时间

Tsmax（ms）

平均失控时间Ts（ms）

单相半波

单相桥式（全波）

三相半波

三相桥式

20

10

6.67

3.33

5

1.67

（2）电流滤波时间常数Toi。

Toi=0.002s。

（3）电流环小时间常数之和T∑i。

按小时间常数近似处理，

取T∑i=Ts+Toi=0.00167+0.002=0.00367s。

2.1.2选择电流调节器结构

根据课设任务要求

，并保证稳态电流无差，可以按典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，其传递函数为

式中Ki是电流调节器的比例系数；

是电流调节器的超前时间常数。

检查对电源电压的抗扰性能：

≈8.174，各项指标都是可以接受的。

2.1.3计算电流调节器参数

电流调节器超前时间常数：

=Tl=0.03s。

电流环开环增益：

要求

时，应取KIT∑i=0.5，因此

KI=

=136.24

电流反馈系数β，电流调节器限幅值为10V，则

β＝

＝0.049V/A

于是，ACR的比例系数为

Ki=

=1.04

2.1.4校验近似条件

电流环截止频率：

=KI=136.24

（1）校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件

=

≈199.6＞

满足近似条件

（2）校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

≈40.82＜

（3）校验电流环小时间常数近似处理条件

*

≈182.39＞

2.1.5计算调节器电阻和电容

电流调节器原理如图2-2所示，按所用运算放大器取Ro=40K

，各电阻和电容值计算如下：

Ri=KiRo=1.04*40=41.6K

取40K

Ci=

=0.75uF取0.75uF

Coi=

=0.2uF取0.2uF

图2-2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

=4.3%＜5%满足设计要求

2.2转速调节器的设计

2.2.1确定时间常数

（1）电流环等效时间常数

。

已取KIT∑i=0.5，则

=2T∑i=2*0.00367=0.00734s

（2）转速滤波时间常数Ton。

Ton=0.01s

（3）转速环小时间常数T∑n。

按小时间常数近似处理，取

T∑n=

+Ton=0.00734+0.01=0.01734s

（4）转速反馈系数α

由于本系统的限幅值为10V，则

=Unm*/n＝10V/1500r/min＝0.0067Vmin/r

2.2.2选择转速调节器结构

按照设计要求,设计成典Ⅱ型，选用PI调节器，传递函数为

WASR（s）=

式中Kn是转速调节器的比例系数；

是转速调节器的超前时间常数。

2.2.3计算转速调节器参数

按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为

=hT∑n=5*0.01734=0.0867s

转速开环增益为

KN=

=399.1

ASR的比例系数为

Kn=

=12.03

2.2.4检验近似条件

转速环截止频率为

=KN

=399.1*0.0867=34.60

（1）电流环传递函数简化条件

=64.22＞

满足简化条件

（2）转速环小时间常数近似处理条件

≈38.91＞

2.2.5校核转速超调量

理想空载启动时设z=0，已知数据：

，R=0.5

，IN=136A，nN=1500r/min,

Ce=0.132V.min/r,Tm=0.18s,T

n=0.01734s。

当h=5时，由表2-3可知

=81.2%，那么

=2*81.2%*1.5*（136*0.5/0.132）/1500*（0.01734/0.18）=8.68%＜10%

能满足设计要求

表2-3典型Ⅱ型系统动态抗扰性能指标与参数的关系

h

3

4

5

6

7

8

9

10

Cmax/Cb

tm/T

tv/T

72.2%

2.45

13.60

77.5%

2.70

10.45

81.2%

2.85

8.80

84.0%

3.00

12.95

86.3%

3.15

16.85

88.1%

3.25

19.80

89.6%

3.30

22.80

90.8%

3.40

25.85

2.2.6计算调节器电阻和电容

转速调节器原理图如图2-4所示，取Ro=40K

，则

Rn=KnRo=12.03*40=481.2K

，取480K

Cn=

≈0.181uF取0.2uF

Con=

≈1uF取1uF

图2-4含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器

4电气原理总图

5总结与体会

本次课程设计是针对双闭环直流电机调速系统的设计，基于题目所给要求进行分析，对原理加以理解，然后根据所已知的条件设计调节器，最后运用matlab进行仿真。

这次的课程设计历时一周，开始的时候我对ASR和ACR的simulink实现方法不太清楚，通过重新查阅课本和参考书籍还有上网查询后我知道了用类似两个放大器叠加来组成PI调节器的方法，课设的理论分析还算顺利，但是在仿真的过程中碰到了很多问题，开始仿真的时候发现波形图不符合任务要求，于是对照图形检查参数发现是电流环的限幅值设置错误。

改正之后，仿真结果符合设计要求，课程设计圆满结束。

在这次的课程设计过程中，看得最多的还是课本，之外还有图书馆的一些书籍。

通过这次的电机与拖动课程设计，我对该双闭环直流调速系统的结构形式、工作原理及各个器件的作用和设计有了进一步的认识，同时，通过与有共同设计内容的同学交流，分析、整理和研究，加强了自己分析问题解决问题的能力。

此外在使用MATLAB进行仿真的过程中，对理论知识的理解更加具体直观了，同时也熟悉了MATLAB的一些操作。

通过期末考试我原本发现电力拖动自动控制系统内容很简单，但是这次课程设计使我发现真正把理论知识运用到实践上，还是相当复杂的，会利用理论知识去解决实际问题才算是真正掌握了这门学科。

参考文献

[1]阮毅陈伯时《电力拖动自动控制系统-运动控制系统》机械工业出版社2009.

[2]王兆安、刘进军电力电子技术第5版机械工业出版社2009

[3]尔桂花《运动控制系统》清华大学出版社，2002.

[4]李志民《同步电动机调速系统》机械工业出版社，1996.

[5]洪乃刚《电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真》机械工业出版社，2006.