双闭环调速系统ASR和ACR综述.docx
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双闭环调速系统ASR和ACR综述
课程设计说明书
学院：
机电工程学院
专业：
电气工程及其自动化
课程名称：
电力拖动自动控制系统
设计题目：
双闭环调速系统ASR和ACR
构造及参数设计
姓名：
学号：
指导教师：
成绩：
双闭环调速系统ASR和ACR构造及参数设计（5）
一．设计目的：
掌握用工程设计方法设计双闭环调速系统的转速调理器和电流调理器，加深对双闭环直流调速系统理解。
二．设计内容：
有一个转速、电流双闭环直流调速系统，采纳三相桥式全控整流装置供电，已知电动机数据以下：
550kW，750V，780A，375r/min，V·min/r，同意电流过载倍数1.5，主回路总电阻Ω，Ks=75，TL=0.03s,Tm=0.084s,电流反应滤波时间常数Toi=0.002s,转速反应滤波时间常数Ton=0.02s,ASR最大最大给定值和输出限幅值为
12V,ACR最大输出限幅值为
12V。
设计要求：
稳态无静差，动向指标：
电流超调量i≤5%，电
机空载起动到额定转速时的转速超调量n≤10%，ASR按典型Ⅱ型
系统设计，并取ＫＴ＝０.５。
三．时间安排：
6.3—6.4查阅有关资料；
6.4—6.6按要求设计有关内容，达成设计文本
查核辩论
四．参照书目：
1.《电力拖动自动控制系统》（第3版）陈伯时主编机械工业第一版社
2.
《电力电子技术》（第4版）
王兆安黄俊主编
机械工业第一版社
3.《自动控制理论》
刘丁主编
机械工业第一版社
4.
《电机及拖动基础》（第3版）
顾绳谷主编
机械工业第一版社
绪论错误!
不决义书签。
一．调理器的工程设计方法的基本思路2
二．电流调理器的设计3
2.1电流环构造框图的化简3
2.2电流调理器构造的选择4
2.3电流调理器的参数计算5
2.4校验6
2.5计算调理器电阻和电容7
三．转速调理器的设计8
3.1电流环的等效闭环传达函数8
3.2转速环构造的化简和转速调理器构造的选择9
3.3转速调理器的参数的计算11
3.4校验11
3.5计算调理器电阻和电容12
3.6校核转速超调量12
四．转速调理器退饱和时转速超调量的计算13
五．总结16
绪论
在单闭环直流调速系统中，电流截止负反应环节是特意用来控制电流的，但
它只好在超出临界电流值Idcr此后，靠激烈的负反应作用限制电流的冲击，
其实不可以很理想地控制电流的动向波形。
而采纳转速负反应和PI调理器的单闭环
直流调速系统能够在保证系统稳固的前提下实现转速无静差。
可是，假如对系统
的动向性能要求较高，比如：
要求迅速起制动，突加负载动向速降小等等，单闭
环系统就难以知足需要。
为了实现转速和电流两种负反应分别起作用，可在系统中设置两个调理器，
分别调理转速和电流，即分别引入转速负反应和电流负反应。
两者之间推行嵌套
（或称串级）联接以下列图所示。
图中，把转速调理器的输出看作电流调理器的输
入，再用电流调理器的输出去控制电力电子变换器UPE。
从闭环构造上看，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、电流双闭环调速系统。
T
L
A
Ui
V
+
+
U*n
U
-
Uc
Id
ASR
ACR
Ud
M
+
*i+
UPE
M
-
-
Un
-
n
T
G
图1-1转速、电流双闭环直流调速系统构造图
ASR—转速调理器ACR—电流调理器TG—测速发电机
TA—电流互感器UPE—电力电子变换器
1
U*
n
一调理器的工程设计方法的基本思路
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理器。
依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，逐渐向外扩展。
在双闭环系统中，应当第一设计电流调理器，而后把整个电流环看作是转速系统中的一个环节，再设计转速调理器。
双闭环调速系统的实质动向构造图绘于图1-2，它与前述的图1-1不一样之处在于增添了滤波环节，包含电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。
电流内环
-IdL
n
+
+
Ks
-
1/
Id
R
1
1
1
ASR
ACR
T0ns+1
-
T0is+1
-
Tss+1
R
+
Tm
C
Uc
Ud0
Tls+1
s
Ee
Un
U*i
U
i
T0is+1
T0ns+1
图1-2双闭环调速系统的动向构造图
T0i—电流反应滤波时间常数T0n—转速反应滤波时间常数
2
二电流调理器的设计
2.1电流环构造图的简化
1）忽视反电动势的动向影响
在按动向性能设计电流环时，能够暂不考虑反电动势变化的动向影响，即E≈
0。
这时，电流环以下列图所示。
U*i（s）
Uc（s）
Ud0（s）
Id（s）
+
Ks
1/R
1
T0is+1
ACR
Tss+1
Tls+1
-
Ui（s）
T0is+1
图2-1a电流环的动向构造图及其化简
2）等效成单位负反应系统
假如把给定滤波和反应滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成
U*i（s）/，β则电流环便等效成单位负反应系统（图
2-1b）。
U*i（s）
Uc（s）
Ks/R
Id（s）
+
ACR
-
T0is+1
（Tss+1）（Tls+1）
图2-1b
3
3）小惯性环节近似办理
最后，因为Ts和T0i一般都比Tl小得多，能够看作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为
T∑i=Ts+Toi
（2-1）
简化的近似条件为
1
1
ci
3
TsToi
电流环构造图最后简化成图
2-1c。
U*i（s）
Uc（s）
Ks/R
Id（s）
+
-
ACR
（Tls+1）（Tis+1）
图2-1c
2.2电流调理器构造的选择
从稳态要求上看，希望电流无静差，以获得理想的堵转特征，由图2-23c可
以看出，采纳I型系统就够了。
从动向要求上看，实质系统不一样意电枢电流在
突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动向过程中不超出同意值，而对电
网电压颠簸的实时抗扰作用不过次要的要素，为此，电流环应以跟从性能为主，
应采纳典型I型系统。
1）电流调理器选择
图2-1c表示，电流环的控制对象是双惯性型的，要校订成典型I型系统，
明显应采纳PI型的电流调理器，其传达函数能够写成
WACR（s）Ki（is1）
（2-2）
is
为了让调理器零点与控制对象的大时间常数极点抵消，选择
4
i
Tl
（2-3）
则电流环的动向构造图便成为图2-24a所示的典型形式，此中
K
KiKs
（2-4）
I
iR
式中
Ki—电流调理器的比率系数；
τi—电流调理器的超前时间常数。
校订后电流环的构造和特征
a）动向构造图:
Ui（s）
KIId（s）
s（Tis1）
图2--2校订成典型Ⅰ型系统电流环动向构造框图
b）开环对数幅频特征:
L/dB
20dB/dec
1
O
T
i
ci
/s1
40dB/dec
图2-3校订成典型Ⅰ型系统电流环开环对数幅频特征
2.3电流调理器的参数计算
表2-1典型I型系统跟从性能指标和频域指标与参数的关系
5
由式2-2能够看出，电流调理器的参数是
Ki
和i，此中i已选定，待定的只
有比率系数Ki，可依据所需的动向性能指标选用。
设计要求电流超调量
i5%，
由表2-1，KT=
KITi
0.5可选
，，且已知
Ts
Toi
，
Ti
所以电流环开环增益：
KI
135.14s1
Ti
双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调理器都不饱和时。
各变量之间的关系：
UnUn
nn0
Ui
Ui
Id
Idm
已知两个调理器的输入和输出最大值都是
12V
，额定转速nN
375r/min，额
定电流IN780A，过载倍数
1.5，则
转速反应系数：
Un
12
V
min/
r
nN
375
电流反应系数：
Ui
12
V
/
A
IN
1.5780
由式（2-3）和（2-4），且已知TL
0.03s，R
，Ks
75，则
电流调理器的比率系数：
Ki
KITlR
Ks
75
2.4校验
）检核对电源电压的抗扰性能：
TL
，参照表2-2的典型Ⅰ型系
1
Ti
统动向抗扰性能都是能够接受的。
6
表2-2典型Ⅰ型系统动向抗扰性能指标与参数的关系
T1
T
1
1
1
1
5
10
20
30
m
T2
T2
Cmax100%
55.5%
33.2%
18.5%
12.9%
Cb
tm/T
tv/T
电流截止频次：
ci
KI135.14s1
2）晶闸管整流装置传达函数的近似条件
1
3
1
196.1s1
ci
知足近似条件。
3Ts
3）忽视反电动势变化对电流环动向影响的条件，已知
Tm
3
1
3
1
59.76s1
ci
知足近似条件。
TmTL
4）电流环小时间常数近似办理条件
1
1
1
1
180.8s1
ci
知足近似条件。
3
TsToi
3
2.5计算调理器电阻和电容
含给定滤波和反应滤波的模拟式PI型电流调理器原理图如图2-4，图中Ui为
电流给定电压，Id为电流反应电压，调理器的输出就是电力电子变换器的控
制电压Uc。
依据运算放大器的电路原理，且已知R040k,能够简单地导出：
Ki
Ri
Ri
KiR0
40
，取20k
R0
i
RC
i
C
i
i
Tl
106F
F，取
F
i
Ri
Ri
20
103
Toi
1
R0Coi
Coi
4
Toi
4
0.
002
210
7
F
F，取
F
4
R0
40
103
7
Ri
Ci
R0
R0
2
2
Ui
-
A
Uc
+
Coi
+
R0
R0
2
2
Rbal
Id
Coi
图2-4含给定滤波与反应滤波的PI型电流调理器
依照上述参数：
Ri
20k
，Ci
1.5F，Coi
0.2F，电流环能够达到的动
态跟从性能指标为i
4.3%
5%（见表2-1），知足以上要求。
三．转速调理器的设计
3.1电流环的等效闭环传达函数
电流环经化简后可视作转速环中的一个环节，为此需要求出它的闭环传达函
数Wcli（s），由图2-2可知：
KI
Id（s）
s（Tis
1）
1
（3-1）
Wcli（s）
KI
Ti
1
Ui（s）/
s
2
s1
1
1）
KI
KI
s（Tis
忽视高此项，Wcli（s）可降阶近似为：
1
Wcli（s）（3-2）
1
s1
KI
接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为Ui（s），所以电流环在转速环
中应等效为：
1
Id（s）
Wcli（s）
（3-3）
Ui（s）
1
s1
KI
8
这样，本来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，能够近似地等效成
只有较小时间常数1KI的一阶惯性环节。
这表示，电流的闭环控制改造了控制
对象，加快了电流的跟从作用。
3.2转速环构造的化简和转速调理器构造的选择
用电流环的等效环节取代图1-1中的电流环后，整个转速控制系统的动向构造
框图如图3-1所示。
1
IdL（s）
Un（s）
1
Ui（s）
Id（s）
R
n（s）
Tons1
ASR
1s1
CeTms
KI
Tons1
图3-1用等效环节取代电流环
和电流环中同样，把转速给定滤波和反应滤波环节移到环内，同时将给定
信号改成Un（s）/，再把时间常数1/KI和Ton的两个小惯性环节归并起来，近似
成一个时间常数为Tn的惯性环节，此中Tn
1
，则转速环构造框图可化简
Ton
KI
成图3-2。
*
IdL（s）
Un（s）
/
Id（s）
R
n（s）
ASR
Tns
1
CeTms
图3-2等效成单位负反应和小惯性的近似办理
9
为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前一定有一个积分环节，它应当包
含在转速调理器中。
此刻扰动作用点后边已经有了一个积分环节，所以转速环开
环传达函数应共有两个积分环节，所以应当设计成典型Ⅱ系统，这样的系统同时
也能知足动向抗扰性能好的要求。
至于其阶跃响应超调量较大，那么线性系统的
计算数据，实质系统中转速调理器的饱和非线性性质会使超调量大大降低。
因而可知ASR也应当采纳PI调理器，其传达函数为：
WASR（s）
Kn（ns
1）
（3-4）
ns
式中Kn--------转速调理器的比率系数
n--------转速调理器的超前时间常数
这样，调速系统的开环传达函数为：
Wn（s）
Kn（ns1）
R/
KnR（ns1）
ns
CeTms（Tns
1）nCeTms2（Tns1）
KnR
（3-5）
令转速环开环增益KN为：
KN
nCeTm
则
KN（
ns
1）
（3-6）
Wn（s）
1）
s2（Tns
Un（s）
KN（ns
1）n（s）
s2（Tns
1）
图3-3校订后成为典型Ⅱ系统
在典型Ⅱ系统的开环传达函数中，时间常数T是控制对象固定的，待定的参
数有K和。
为了剖析方便，引入一个新的变量h，令
h
T
2
（3-7）
1
10
L/dB
h
40dB/dec
K
g
l
20dB/dec
0
1
2
2
O
T
1
1
c
/s1
1
40dB/dec
图3-4典型Ⅱ系统的开环对数幅频特征和中频宽
3.3转速调理器的参数的计算
已知KT=KITi，Ti
0.0037s，则
电流环等效时间常数：
1
2
0.0074s
2Ti
KI
已知Ton0.02s，则
小时间常数近似办理的时间常数为：
1
Ton
0.020.0274s
Tn
KI
按跟平和抗扰性能都较好的原则，取h5，则
ASR的超前时间常数为：
n
hTn
5
由式可知
转速环开环增益为：
KN
h1
2
5
1
159.84s1
2h2T2n
52
0.02742
由式可知
ASR的比率系数为：
（h1）
CeTm
6
Kn
RTn
25
2h
3.4校验
由式可知
11
转速环的截止频次为：
1）电流环传达函数化简条件
cn
KN
KNn159.840.13721.90s1
1
1
KI
1
63.70s1
cn
知足简化要求。
3
Ti
3
2）转速环小时间常数近似办理条件
1
KI
1
27.4s1
cn
知足近似条件。
3
Ton
3
3.5计算调理器电阻和电容
依据图3-5，已知R040k，则
Kn
Rn
Rn
KnR0
11.0440
，取Rn
440k
R0
nRnCn
Cn
n
107F
0.3114F
Cn
F
Rn
440103
Ton
1
R0Con
Con
4Ton
4
2
106
F
2F，取Con
2
F
4
R0
40
103
Rn
Cn
R0
R0
2
2
Un
-
A
Ui
+
Con
+
R0
R0
2
2
Rbal
nCon
图3-5含给定滤波与反应滤波的PI型转速调理器
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