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运动控制课程设计

转速电流双闭环直流调速系统

摘要：

转速电流双闭环直流调速系统是利用晶闸管、二极管等器件设计了一个转速、电流双闭环直流调速系统。

该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。

该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。

关键词：

双闭环，晶闸管，转速调节器，电流调节器

前言：

随着社会化大生产的不断发展，电力传动装置在现代化工业生产中的得到广泛应用，对其生产工艺、产品质量的要求不断提高，这就需要越来越多的生产机械能够实现制动调速，因此我们就要对这样的自动调速系统作一些深入的了解和研究。

双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。

它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。

我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。

采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。

但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。

这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。

在单闭环系统中，只有电流截止至负反馈环节是专门用来控制电流的。

但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。

在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。

这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。

这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。

设计的意义

本设计从直流电动机的工作原理入手，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。

然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用Simulink对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。

转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统,采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。

转速、电流双闭环直流调速系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。

应掌握转速、电流双闭环直流调速系统的基本组成及其静特性；从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调节器的作用；应用工程设计方法解决双闭环调速系统中两个调节器的设计问题，等等。

双闭环直流调速系统的介绍

双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。

它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。

我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。

采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。

但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。

这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。

在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。

但它只是在超过临界电流

值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。

带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图1-（a）所示。

当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。

在实际工作中,我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。

这样的理想起动过程波形如图1-（b）所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。

这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。

（a）带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程（b）理想快速起动过程

图1调速系统起动过程的电流和转速波形

实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值

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就能得到近似的恒流过程。

问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。

这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。

双闭环直流调速系统的组成

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图2所示，即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晶闸管整流器的触发装置。

从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。

这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。

因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。

一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。

图2转速、电流双闭环直流调速系统

图中U*n、Un—转速给定电压和转速反馈电压U*i、Ui—电流给定电压和电流反馈电压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

双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性

首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图3所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳太特征。

一般存在两种状况：

饱和——输出达到限幅值；不饱和——输出未达到限幅值。

当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。

当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压

在稳太时总是为零。

图3双闭环直流系统的稳态结构图

实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。

因此，对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。

一、双闭环直流调速系统的数学模型

双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。

双闭环直流调速系统的动态结构框图如图4所示。

图中

和

分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。

为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流

显露出来。

图4双闭环直流调速系统的动态结构框图

二、双闭环直流调速系统两个调节器的作用

1）转速调节器的作用

使转速n跟随给定电压

变化，当偏差电压为零时，实现稳态无静差；

对负载变化起抗扰作用；

其输出限幅值决定允许的最大电流。

2）电流调节器的作用

在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压

变化；

对电网电压波动起及时抗扰作用；

起动时保证获得允许的最大电流，使系统获得最大加速度起动；

当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起大快速的安全保护作用。

当故障消失时，系统能够自动恢复正常。

1.电机转速曲线

在电流上升阶段，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。

此时转速调节器ASR饱和，电流调节器ACR起主要作用。

转速一直上升。

当到达恒流升速阶段时，ASR一直处于饱和状态，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统为恒值电流调节系统，因此，系统的加速度为恒值，电动机转速呈线性增长直至给定转速。

使系统在最短时间内完成启动。

当转速上升到额定转速时，ASR的输入偏差为0，但其输出由于积分作用仍然保持限幅值，这时电流也保持为最大值，导致转速继续上升，出现转速超调。

转速超调后，

极性发生了变化，

，则ASR推出饱和。

其输出电压立即从限幅值下降，主电流也随之下降。

此后，电动机在负载的阻力作用下减速，转速在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。

当突加给定负载时，由于负载加大，因此转速有所下降，此时经过ASR和ACR的调节作用后，转速又恢复为先前的给定值，反映了系统的抗负载能力很强。

2.电机电流曲线

直流电机刚启动时，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。

此时转速调节器ASR饱和，达到限幅值，迫使电流急速上升。

当电流值达到限幅电流时，由于电流调节器ACR的作用使电流不再增加。

当负载突然增大时，由于转速下降，此时转速调节器ASR起主要的调节作用，因此，电流调节器ACR电流有所下降，同启动时一样，当转速调节器ASR饱和，达到限幅值，使电流急速上升。

但是由于电流值达到限幅电流时，电流调节器ACR的作用使电流不再增加。

当扰动取电以后，电流调节器ACR电流又有所增加，此后，电动机在负载的阻力作用下减速，电流也在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。

三、调节器的选择与调整

1.电流调节器设计

从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想堵转特性，可见采用典型的I系统就足够了。

再从动态要求上看，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，而对电网电压的抗扰作用时次要的。

为此电流环以跟随特性为主，应选用典型I系统。

根据设计要求电流超调<5%，并保证稳态电流无差，也应选择典型I系统设计电流调节器。

电流环可以选择PI型电流调节器，其传递函数如下：

WACR（S）=Ki（TiS+1）/（Ti*S）

（1）确定时间常数

1）整流装置滞后时间常数Ts。

查表可得三相全控桥电路平均失控时间Ts=0.0017s。

2）电流滤波时间常数Toi。

由题的三相桥式电路Toi=0.00235s

3）电流环小时间常数之和T∑i=Toi+Ts=0.00405s

（2）电流调节器的结构

根据要求可知选择PI调节器。

（3）流调节器参数

电流调节器时间常数Ti=Tl=0.116s

电流环开环增益：

要求超调<5%时，查表应取KI*T∑i=0.5

所以KI=0.5/T∑i=0.5/0.00405=123.5

于是，ACR的比例系数为：

Ki=KI*Ti*R/（KS*b）=3.6（b=10/（1.5*Ie））

（4）近似条件

电流环截止频率Wci=KI=123.5

①晶闸管整流装置传递函数的近似条件

1/（3*T）=196.1>123.5

满足近似条件

②忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

有公式计算的22.2

满足近似条件

③电流环小时间常数近似处理条件

有公式计算的166.8>Wci

满足近似条件

（5）调节器电容和电阻

按所使用的运算放大器取R0=40K，个电阻和电容值为：

Ri=Ki*R0=144K取150K

Ci=Ti/Ri=0.8UF取1UF

Coi=4*Toi/R0=0.235UF取0.3UF

按照上述参数，电流环可以达到动态跟随性能指标，满足设计要求。

转速调节器电路图如下：

2．转速调节器设计

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，因此转速环开环传函应共有两个积分环节，所以设计成典型Ⅱ型调节系统，这样同时也能满足动态性能要求。

至于其节约响应超调量较大，那是线性系统的计算数据，实际系统中转速调节器的饱和和非线性性质会使超调大大降低。

由以上可知ASR也应该采用PI调节器，其传递函数如下：

WASR（S）=Kn（TnS+1）/TnS

转速环结构图可简化成图如下：

<1>确定时间常数

①电流环等效时间常数1/KI。

由KI*T∑=0.5得

1/KI=2*T∑=0.0081

②转速滤波时间常数Ton=0.00235s

③转速环小时间常数之和T∑n=1/KI+Ton=0.01045s

<2>转速调节器的结构

根据要求可知选择PI调节器。

<3>计算转速调节器参数

按跟随和扰动性能较好的原则，去h=5，则ASR的超前时间常数为

Tn=h*T∑n=0.05

由此可求得转速开环增益为

KN=（h+1）/（2*h*h*T∑n*T∑n）=1098.9

于是，ACR的比例系数为：

Kn=（h+1）*b*Ce*Tm/（2*h*a*R*T∑n）=32.0（a=10/1500=0.007）

<4>校验近似条件

转速环截止频率Wcn=KN*Tn=55.0

①电流环传递函数简化条件为

由公式计算得58.2>Wcn

满足近似条件

②转速小时间常数处理条件

有公式计算得76.4

满足近似条件

<5>计算调节器电容和电阻

由图，按所使用的运算放大器取R0=40K，个电阻和电容值为：

Rn=Kn*R0=1280K取1300K

Cn=Tn/Rn=39.06UF取40UF

Con=4*Ton/R0=0.005UF取0.005UF

按照上述参数，电流环可以达到动态跟随性能指标，满足设计要求。

综上调速系统的稳态结构框图如下图：

设计结论

利用MATLAB的仿真软件，按下图搭建转速电流双闭环直流调速系统的仿真图，进行仿真调试。

表1实验结果表

设定值（转/分）

200

500

1000

15000

2000

2500

3000

3500

测量值（转/分）

182

487

993

1506

1996

2498

3002

3499

利用MATLAB软件得仿真结果如图5所示

图5双闭环可逆直流脉宽调速系统仿真结果

心得体会

在这次课程设计个过程中，我们通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。

而且学会了独立的去发现，面对，分析，解决新问题的能力，不仅学到了知识，又锻炼了自己的能力，使我受益非浅。

而且学会了独立的去发现、分析和解决新问题的能力，不仅学到了知识，又锻炼了自己的能力。

参考文献

[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社，2002；

[2]徐月华,汪仁煌.Matlab在直流调速设计中的应用.广东工业大学,2001.8；

[3]廖晓钟.电气传动与调速系统.中国电力出版,1998；

[4]胡寿松.自动控制原理.科学出版社，2008；

[5] 阮毅陈维钧主编.运动控制系统.清华大学出版社，2006；

[6] 刘锦波张承慧编著.电机与拖动.清华大学出版社，2006；

[7]陈伯时等.双闭环调速系统的工程设计（讲座）.冶金自动化，1983

（1），

（2）；

[8]彭鸿才主编.电机原理及拖动.北京：

机械工业出版社，1996