电机拖动双闭环.docx
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电机拖动双闭环
电力传动自动控制系统课程设计报告
（2012—2013学年第一学期）
题目
系别
专业
班级
学号
姓名
指导教师
完成时间
评定成绩
目录
第一章设计目的3
1.1问题提出3
1.2解决问题3
1.3实现目标要求设计4
1.3.1系统组成4
1.3.2系统动态结构图5
1.3.3启动过程分析5
1.4采用ACR和ASR类型的根据6
1.4.1电流调节器结构的选择6
1.4.2转速调节器的选择6
第二章双闭环工程设计6
2.1系统参数计算6
2.1.1固有参数7
2.1.2预置参数7
2.2电流环设计7
2.2.1确定时间常数7
2.2.2选择电流调节器的结构8
2.2.3电流调节器的参数计算8
2.3转速环设计9
2.3.1确定时间常数9
2.3.2选择转速调节器的结构9
2.3.3转速调节器的参数计算9
2.4系统校验10
2.4.1校验电流环10
2.4.2校验转速环11
2.4.3校验性能指标11
第三章仿真12
3.1电流环仿真12
3.2转速环仿真13
第四章设计总结14
第五章参考文献15
第一章设计目的
1.1问题提出
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。
带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程如图a所示，起动电流达到最大值Idm后，受电流负反馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。
图a）带电流截止负反馈b）理想的快速起动过程
理想起动过程波形如图b所示，这时，起动电流呈方形波，转速按线性增长。
这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。
希望能实现控制：
起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈；
稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。
1.2解决问题
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（ASR）和电流负反馈（ACR）。
1.3实现目标要求设计
1.3.1系统组成
1）、双闭环直流调速系统组成
①双闭环直流调速系统的组成
图中，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、电流双闭环调速系统。
2双闭环直流调速系统的电路原理图
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PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于下图。
图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。
1.3.2系统动态结构图
双闭环调速系统的动态结构图
1.3.3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U*n由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于下图。
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图中标明的I、II、III三个阶段。
双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形
双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：
（1）饱和非线性控制；
（2）转速超调；
（3）准时间最优控制。
1.4采用ACR和ASR类型的根据
1.4.1电流调节器结构的选择
从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由上图可以看出，采用I型系统就够了。
从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。
1.4.2转速调节器的选择
为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型Ⅱ型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。
第二章双闭环工程设计
2.1系统参数计算
某晶闸管供电三相桥。
已知基本参数：
2.1.1固有参数
2.1.2预置参数
2.2电流环设计
2.2.1确定时间常数
（1）整流装置滞后时间常数Ts。
则，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s。
（2）电流滤波时间常数Toi。
三相桥式电路的每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（1~2）Toi=3.3ms，因此取Toi=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。
2.2.2选择电流调节器的结构
根据设计要求，并保证稳态电流无静差，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型调节器，其传递函数为
式中------电流调节器的比例系数；
-------电流调节器的超前时间常数。
检查对电源电压的抗扰性能：
Tl/=0.033/0.0037=8.92,参照表知典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的，因此基本确定电流调节器按典型I型系统设计。
电流环系统的结构图
2.2.3电流调节器的参数计算
电流调节器超前时间常数：
=Tl=0.025s。
电流开环增益：
要求时，取，
因此
因此，ACR的比例系数
故而，我们取R0=20K，则Ri=KiR0=1.24*20=25K
Ci=/Ri=0.025/25000=1uf
Coi=4Toi/R0=4*0.002/20000=0.4uf
2.3转速环设计
2.3.1确定时间常数
（1）电流环等效时间常数1/KI。
由前述已知，，则
（2）转速滤波时间常数，根据所用测速发电机纹波情况，取.
（3）转速环小时间常数。
按小时间常数近似处理，取
2.3.2选择转速调节器的结构
按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数式为
转速环系统的结构图
2.3.3转速调节器的参数计算
按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5，则ASR的超前时间常数为
则转速环开环增益
K
可得ASR的比例系数为
Kn=（h+1）βCeTm/（2hαR）=66.6
式中电动势常数Ce=（Un-InRn）/Nn=（220-6.5*3.7）/1500=0.131。
转速反馈系数α=0.007Vmin/r。
我们取R0为20K，则
Rn=KnRO=66.6*20K=1332KΩ
Cn=/Rn=0.087/1332k=0.065uf
Con=4Ton/R0=4*0.01/20K=2uf
2.4系统校验
2.4.1校验电流环
晶闸管纯滞后简化为小惯性环节的近似条件
135.1=
忽略反电势E时电流环影响条件:
135.1=
电流环小惯性合并处理条件:
135.1=
2.4.2校验转速环
转速环开环放大倍数
电流环的简化条件
34.5=
满足要求:
转速环小损性合并的近似处理条件:
2.4.3校验性能指标
校验额定转速超调量
当h=5,查表3--4,,不满足设计要求,实际上.,表3--4是按线性系统计算,而突加,ASR饱和,不符合线性系统的前提,应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量.
在典型Ⅱ抗扰性指标中，（3-35式）表达的
满足设计要求
第三章仿真
3.1电流环仿真
电流环的仿真模型：
电流环的仿真结果：
3.2转速环仿真
转速环的仿真模型：
转速环的仿真结果：
第四章设计总结
经过本次双闭环直流调速课程设计，培养了我们综合应用所学理论知识解决实际问题能力，并且我们查阅了很多专业资料、工具书或参考书，掌握现代设计手段和软件工具，并能以仿真程序及仿真结果表达其设计思想的能力。
通过这次课程设计还提高我们学习和应用专业知识的能力，而且还在实践过程中锻炼培养正确的设计思想，培养良好的设计习惯，牢固树立事实求是和严肃认真的科学工作态度。
通过学生分组、布置题目，熟悉题目、搜集资料，总体设计，主电路设计，控制电路（调节器）设计，绘制正规系统原理图，整理编写课程设计说明书的步骤我们利用课内时间确定设计方案，完成参数计算等。
并熟练掌握MATLAB/SIMULINK模块和PSCAD/EMTDC软件的使用。
并经指导老师审定后方可进行设计，在分析计算出相关参数的基础上，应用MATLAB/SIMULINK或PSCAD/EMTDC做出正确的仿真结果，最后整理图表、数据，完成课程设计报告。
总之我们通过这次课程设计学到了许许多多。
第五章参考文献
【1】阮毅、陈伯时等，《电力拖动自动控制系统》，机械工业出版社，2009.8[M]
【2】莫正康，《电力电子系统》，机械工业出版社，[M]
【3】户宴如、耿苏燕，《模拟电子技术》，高等教育出版社[M]
【4】黄绍平、李永坚，《基于MATLAB的直流电动机斩波调速系统仿真研究》，工矿自动化[J]
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