双闭环直流调速系统结构和参数设计.docx

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双闭环直流调速系统结构和参数设计

三江学院

《运动控制系统》课程设计

院系：

机械工程学院

学号：

12009154014_

姓名：

叶林朋

班级：

109154A

指导老师：

张奔李建民

地点：

L203

日期：

2012-7

一、设计思想2

1.双闭环调速系统的动态结构框图2

2.电流调节器的设计思想2

3.转速调节器的设计思想5

二、设计步骤9

1.电流调节器设计9

2.转速调节器设计12

3.转速调节器退饱和转速超调量计算13

三、总结心得14

四、参考文献15

五、附件16

1.系统仿真模型

2.仿真输出波形曲线图

3.Protel电路原理图

一、设计思想

本文是根据工程设计方法来对ASR和ACR的结构及参数进行设计的。

按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，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。

根据工程设计方法的基本思路我们知道首先应该选择电流调节器的结构。

因

为电流环作为内环，从稳态要求上看，要求电流无静差，以得到理想的堵转特性，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。

所以本文采用典型I型系统。

对于转速环，由于转速环作为外环，主要要求系统抗干扰性能好和转速无静差，所以将转速环设计成典型U系统。

1.双闭环直流调速系统的动态结构框图

un*（s）

1

fJ

ASR

1

1

II-

+

-XX-

ACR

Uc（s）

Ks

Ud0（s）,_

~1/R

R

1

Tons比

1*

1

1

ToiS+l

TsS*

■心*

+

Ts*

Mri*

1；

TmS

Ce

1

I

U「（s）

一E（s）IdL（s）

I—

n（s）

—厂

I电流环Tois41

P

a

T°nS岀

图1-1双闭环调速系统的动态结构框图

上图1-1是双闭环调速系统的实际动态结构框图。

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TOi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Ton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T°n的给定滤波环节

2.电流调节器设计思想

⑴电流环结构框图的化简

在图1-1点划线框的电流环中，反电动势和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，反电动势和转速成正比，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T远小于机电时间常数Tm，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-E0，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1-2。

图1-2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U「（s）厂，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图1-3。

U「（s）

0」

P

ACR

Uc（s）.

Ks/R

Id（s）

Js+1

（TsS+1）（Tis+1）：

图1-3等效成单位负反馈系统

由于Ts和Toi比Ti小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节,其时间常数为：

Tt=TsToi

则电流环结构框图最终简化成下图1-4

图1-4小惯性环节近似处理

⑵电流调节器结构的选择

图1-4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P型的调节器，其传递函数可以写成

WACR（S）

WiS1）

式中Ki——电流调节器的比例系数i电流调节器的超前时间常数

为了让调节器零点和控制对象的大时间常数极点对消，选择=丁

则电流环的动态结构框图便成为图1-5所以的典型形式，其中“醫

Ui（s）

—Ki_ld（S）s（gs+1）

图1-5校正成典型I型系统电流环动态结构框图

下图1-6绘出了校正后电流环的开环对数幅频特性.

图1-6校正成典型I型系统电流环开环对数幅频特性

校验—>©ci3兰％是否满足条件

3TsVsToi3忖i

⑶电流调节器的参数计算

由式Wacr（s）=&（iS°可以看出，电流调节器的参数是Ki和i，其中i已

TiS

选定，待定的只有比例系数Ki，它可根据所需的动态性能指标选取。

计算电流环开环增益：

K^.ci

计算电流调节器的比例系数：

TR

2KsT7

TR

如果实际系统要求的跟随性能指标不同，式K^-ci和Ki丄一可以做相应

2©%

的改变，然后再次校验抗扰性能的指标是否满足。

⑷计算调节器电阻和电容

按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1-7，图中Ui

为电流给定电压，-讥为电流反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的

控制电压Uc

根据运算放大器的电路原理计算

1、

•i二RiCiToiRoCoi是否满

4

足要求。

Ro

2

Ro

2

Ro

2

Coi

C

oi

Ro

2

Rbal

Ci

图1-7含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器

3.转速调节器设计思想

⑴电流环的等效闭环传递函数

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递函

数WUS），由图1-5可知：

K

Wcii（s）

ld（s）

Ui（s）/'■

s（「s1）1

1「IJ』丄$1

s（T〒s1）K|K|

忽略高此项，WUs）可降阶近似为:

Wcii（s）

接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为U「（s），因此电流环在转速环

中应等效为:

ld（s）Wci（iS）

Ui（s）_1

这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数1K|的一阶惯性环节。

⑵转速环结构的化简和转速调节器结构的选择

用电流环的等效环节代替图1-1中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构框图如图1-8所示。

n（s）

图1-8用等效环节代替电流环

和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信

号改成un（s）/〉，再把时间常数1/K|和Ton的两个小惯性环节合并起来，近似成

个时间常数为T-n的惯性环节，其中T筍—-Ton，则转速环结构框图可化简

」」Ki

成图1-9

图1-9等效成单位负反馈和小惯性的近似处理

为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前必须有一个积分环节，它应该包

含在转速调节器中。

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

环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型u系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。

至于其阶跃响应超调量较大，那么线性系统的计算数据，实际系统中转速调节器的饱和非线性性质会使超调量大大降低。

由此可见ASR也应该采用P调节器，其传递函数为：

WASR（S）

gnS1）

■nS

式中Kn转速调节器的比例系数

•转速调节器的超前时间常数

Un（S）

b

Kn（®s+1）

n（s）

2

S（T$s+1）

a

图1-10校正后成为典型H系统

这样，调速系统的开环传递函数为：

Kn（nS1）:

R/-

Kn：

R（nS1）

VVn（S）-

'nSCeTmS（TWS1）

-n

令转速环开环增益Kn

为：

KnGR

Kn；

■n

则WngK^TT

s（TpS+1）

至于中频宽为多少，要看动态性能的要求决定。

⑶转速调节器的参数的计算

转速环开环增益为：

ASR的比例系数为:

⑷校验

Kn

Kn

2h2T

（h1）CeTm

2haRT靳

转速环的截止频率为：

■•cn=KN=KNn

国1

⑸计算调节器电阻和电容

图1-11含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器

TAT

根据图1-11，计算Rn二KnRoCn丄C°n二也是否满足要求

RnRo

最后对转速退饱和超调量进行校核。

下面根据第二步的思想进行具体的步骤设计。

二、设计步骤：

Un=220V,|n=30A，nN=970r.min，电枢回路总电阻R=o.S」，机电时间

常数Tm=0.2s，电枢回路的电感L=15mH。

电枢回路的电磁时间常数TlT=L二0015=0.03s

R0.5

计算电动机电动势系数

计算电流反馈系数

计算转速反馈系数

Ce

Un^R22°-300.^0.2nv.minr

N

nN

970

10

10

10—=0.22

1.5IN1.530

型=0.01

nN970

F面对电流调节器进行设计

整流电路形式

最大失控时间Tsmax/mS

平均失控时间

单相半波

20

10

单相桥式（全波）

10

5

三相半波

6.67

3.33

三相桥式、六相半波

3.33

1.67

Ts/ms

取三相桥式电路的平均失控时间为Ts=0.0017s。

1、确定时间常数

⑴整流装置滞后时间常数Ts。

由下表

整流滤波时间常数Toi。

由条件可知To^0.002s

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二TsToi=0.0037s。

选择电流调节器结构

根据设计要求，并保证稳态电流无差，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的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为

WaCr（SHK^

检查对电流电压的抗扰性能:

=8.11：

：

10

Ti0.0037

Ti

1

1

1

1

5

10

20

30

T2

m」」

T2

ACmaxx100%

Cb

55.5%

33.2%

18.5%

12.9%

tm/T

2.8

3.4

3.8

4.0

tv/T

14.7

21.7

28.7

30.4

参照上表典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的

3、计算电流调节器参数

电流调节器超前时间常数：

.严T|=0.034s。

参数关系KT

0.25

0.39

0.50

0.69

1.0

阻尼比匕

1.0

0.8

0.707

0.6

0.5

超调量

0%

1.5%

4.3%

9.5%

16.3%

上升时间tr

QO

6.6T

4.7T

3.3T

2.4T

峰值时间tp

□0

8.3T

6.2T

4.7T

3.6T

相角稳定裕度

Y

76.3

69.9

65.5

59.2

51.8

截止频率⑷C

0.243/T

0.367/T

0.455/T

0.596/T

0.786/T

电流开环增益：

要求F乞5%时，根据匚％=厂…100%，按上页表应取

di-t2

1_1

3Ts30.0017

=196.078s*

KITi=0.5

因此

K更135.1s'

Ti0.0037

于是，ACR的比例系数为

K^jR135.1^0.03疋0.5门

KiLJ0.25

Ks：

400.22

4、校验近似条件电流环截止频率：

■ci=K|=135.1s

⑴

闸管整流装置传递函数的近似条件

满足近似条件

3二=310.037皿曲

满足近似条件

⑶电流环小时间常数近似处理条件

11

3；0.00170.002

s'

=180.775s」

满足近似条件。

5、计算调节器电阻和电容

可知计算各电阻和电容值，其中&=40k「

Ri二KjR°=0.140k"=4k“取R^4k11

Ci

Ri

0.03

4000

=7.5uF

取Ci=7.5uF

Coi

4Toi

R。

40.002

40000

-0.2uF

取C°i=0.2uF

按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标.=4.3%：

：

：

5%，满足设计

要求。

H下面对转速环的调节器进行设计

1、确定时间常数

1

⑴电流环等效时间常数1/Ki:

有前面的计算可2T、i=20.0037s=0.0074s

Ki

转速环时间常数Tn:

按小时间常数近似处理，取

T°n=0.00740.01=0.0174s

2、选择转速调节器结构

按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数表达式为

W（s）Kn（nS1）

WASR（S）二

TsS

3、计算转速调节器参数

按跟随和抗扰性能都比较好的原则，取h=5,则ASR的超前时间常数为

n=hT\n=50.0174=0.087s

转速开环增益Kn

Kn

2=396.4s二

2h2Tn250.0174

ASR的比例系数Kn

Kn

（h1）'CeTm60.220.2110.2一

642h「RTn250.010.50.0174

4、检验近似条件

由公式K=可得转速环截止频率为

-'on

二Knn=396.40.087=34.5s'

电流环传递函数简化条件为

1J35.1」

3\0.0037s

=63.695s'

on

满足简化条件。

⑵转速环小时间常数近似处理条件为

满足简化条件

5、计算调节器电阻和电容

Ro~2

Un“——

-?

n

Ro

2

+

C

on

Rn=KnR0=64402-2560k1.1

Rn

比m「0.05uF

2560

on

4Ton

40.01

40

mF=1uF

根据左图，有

取Rn=25602

取Cn=0.05uF

取Con-1uF

h

3

4

5

61

7

81

9

10

CF

52.6%

43.6%

37.6%

33.2%:

29.8%

27.2%:

25.0%:

23.3%

tr/T

2.40

2.65

2.85

3.0

3.1

3.2

3.3

3.35

ts/T

12.15

11.65

9.55

10.45

11.30

12.25

13.25

14.20

k

3

2

2

1

1

1

1

1

R。

6、校核转速超调量

当h=5时，由上页表查得，^=37.6%，不能满足设计6汨0%的要求。

实际上，由于上表是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符

合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况计算超调量。

山、下面对转速调节器退饱和时转速超调量的计算

设理想空载启动时z=0，

h

3

4

5

6

7

8

9

10

^Cmax/Cb

72.2%

77.5%

81.2%

84.0%

86.3%

88.1%

89.6%

90.8%

tm/T

2.45

2.70

2.85

3.00

3.15

3.25

3.30

3.40

tv/T

13.60

10.45

8.80

12.95

16.85

19.80

22.80

25.85

由上表查得

仝x=81.2%,

带入；“（孕）』=2（半）（・"）亠学

CbnCbnTm

•:

nN

1dNR

Ce

300.5

0.221

=67.9r/min

67.90.0174

可得二n=281.2%（2-0）2%：

：

10%

9700.2

可以满足设计要求。

三、总结心得

这次课程设计让我对双闭环直流调速系统又有了进一步的熟悉。

之前的一个

读书工程我选择的也是双闭环调速系统的内容，但在读书工程上只是分析和了解了转速超调及退饱和问题，至于具体怎么设计转速环和电流环参数还不特别清楚，刚好此次课程设计又弥补了这一点。

通过课程设计让我真的的感觉到用课本上介绍的工程整定方法确实很方便，使我在设计上不需要反复试凑，减少了一些麻烦，只需要结合给定的参数，或对参数做较少的调整就可以。

通过亲自的设计使我明确了设计的目标和具体步骤，在开始的时候我也不确定电流环是选择I型系统还是选择U型系统，但是根据课本的例题及理论知识：

电流环主要是要有很好的跟随性能，而I型系统刚好可以满足，U型系统有较好的抗扰性能、快速性又很好，所以转速环就选择U型了。

通过对电流环和转速环的设计我发现在设计时两者都是大致遵循：

结构框图化简、调节器结构选择、调节器参数计算、调节器实现、近似条件的检验等步骤，所以再设计时有很多相同点。

在没有设计前对双闭环的一些参数和表示符号总是混淆，但是通过亲自设计、通过自己反复演算，清晰的了解各个参数的关系及来龙去脉和它们的对应关系，现在已经基本上不会

记错了。

这次课程设计使我提高了检索信息，查阅知识的能力，达到了熟悉课本的目的。

四、参考文献

1.《电力拖动自动控制系统》陈伯时•机械工业出版社.

2.《电力拖动控制系统》刘松•清华大学出版社.

3•《电气传动自动化技术手册》天津电气传动研究所•机械工业出版社.

4.《伺服系统》钱平•机械工业出版社.

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