双闭环直流调速系统

直流双闭环调速系统设计1设计任务说明书某晶闸管供电的转速电流双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据为：直流电动机：V U N 750=,A I N 780=,min 375r n N =，04.0=a R ，电枢电路总电阻R=0.1Ω,电枢电路总电感mH L 0.3=,电流允许过载倍数5.1=λ，折算到电动机轴的飞轮惯量224.11094Nm GD =。

晶闸管整流装置放大倍数75=s K ，滞后时间常数s T s 0017.0=电流反馈系数⎪⎭⎫ ⎝⎛≈=N I V A V 5.11201.0β电压反馈系数⎪⎭⎫ ⎝⎛=N n V r V 12min 032.0α 滤波时间常数.02.0,002.0s T s T on oi ==V U U U cm im nm 12===**；调节器输入电阻Ω=K R O 40。

设计要求：稳态指标：无静差动态指标：电流超调量005≤i σ；空载起动到额定转速时的转速超调量0010≤n σ。

调速系统总体设计为实现转速和电流两种负反馈分别作用，直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 分别调节转速和电流, 即分别引入转速负反馈和电流负反馈。

两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。

转速调节器ASR 的输出限幅电压*im U 决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR 的输出限幅电压cm U 限制了电力电子变换器的最大输出电压dm U 。

由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环, 以保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 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 ，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

如图2-1所示：图2-1 直流双闭环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。

这样构成双闭环直流调速系统。

其原理图如图2-2所示：图2-2 直流双闭环调速系统原理图直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，图中还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定后了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制电压Ucm 限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。

其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。

3直流双闭环调速系统电路设计3.1晶闸管-电动机主电路的设计3.1.1主电路设计晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）主电路原理图如图3-1所示：图3-1 V-M系统主电路原理图图中VT是晶闸管可控整流器，它由三相全控桥式整流电路组成，如图3-2所示：图3-2 三相全控桥式整流电路通过调节触发装置GT 的控制电压c U 来移动脉冲的相位，即可改变平均整流电压d U ，从而实现平滑调速。

3.1.2主电路参数计算22.34cos d U U α= V U U N d 750==，取0o α=()V VU U d 13.3560.19.034.27502.1~19.0cos 34.22=⨯⨯=⨯⨯=α其中系数0.9为电网波动系数，系数1-1.2为考虑各种因素的安全系数，这里取1.0。

电动势系数r V n I R U C N N a N e min 9168.137578004.0750⋅=⨯-=-=额定励磁下的电动机的转矩系数e m C C π30=电磁时间常数 s HR L T l 03.01.0003.0=Ω== 机电时间常数0843.0309168.19168.13751.04.110943752=⨯⨯⨯⨯==πme m C C R GD T s3.2转速、电流调节器的设计转速、电流双闭环调速系统的动态结构图如图3-3所示：图3-3 直流双闭环调速系统动态结构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，需加低通滤波。

这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数oi T 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等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。

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on T 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为T的给定滤波环节。

on系统设计的一般原则是：先内环后外环。

在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。

3.2.1电流调节器3.2.1.1电流调节器设计1.电流环结构框图的化简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，即∆E≈0。

这时，电流环如图3-4所示。

式中ωc-------电流环开环频率特性的截止频率。

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*i(s) /β，则电流环便等效成单位负反馈系统。

最后，由于T s 和 T oi 一般都比Tl 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T ∑i = T s + T oi查表1得，三相桥式电路的平均失控时间为0.0017s T s =，电流滤波时间常数oi T .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）oi T =3.33ms ，因此取oi T =0.002s电流环小时间常数之和T ∑i = T s + T oi =0.0037s 。

简化的近似条件为ci ω≤根据设计要求：稳态无静差,超调量5%i σ≤，可按典型I 型系统设计电路调节器。

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：(1)()i i ACR i K s W s sττ+=式中 K i — 电流调节器的比例系数；τi — 电流调节器的超前时间常数。

为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择τi =T l则电流环的动态结构图便成为图3-7所示的典型形式，其中i s I i K K K Rβτ=L /s -1（a b)图3-7 校正成典型I 型系统的电流环a) 动态结构图 b) 开环对数幅频特性电枢回路电磁时间常数 T l =0.03s 。

检查对电源电压的抗扰性能：11.80037.003.0==∑i l T T ，参照典型I 型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表2，可知各项指标都是可以接受的。

3.电流调节器的参数电流调节器超前时间常数：τi =T l =0.03s 。

(s )电流环开环增益：要求5%i σ≤时，按表3应取ξ=0.707，0.5I i K T ∑=， 因此s T K i I 1.1350037.05.05.0===∑ ACR 的比例系数为5404.001.0751.003.01.135=⨯⨯⨯==βτS i I i K R K K 4.检验近似条件电流环截至频率：11.135-==s K w I ci 机电时间常数s T m 0843.0=1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件111196.1330.0017ci s s T sω-==>⨯ 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ci l m w T T 65.590843.003.01313=⨯⨯= 满足近似条件。

3）电流环小时间常数近似处理条件ci m oi w s T T 18.1800017.0002.0131131-=⨯⨯=满足近似条件。

5.计算调节器电阻和电容含给定滤波与反馈滤波的PI 型电流调节器如图3-8所示：其中*i U 为电流给定电压，d I β-为电流负反馈电压，c U 为电力电子变换器的控制电压。

由图3-8，按所用运算放大器取040R k =Ω， 各电阻和电容值为6.21405404.0=⨯==o i i R K R K Ω，取22K Ω 图3-8 PI 型电流调节器F R C iii μτ364.12200003.0===， F F R T C o oi oi μ2.040002.044=⨯==按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为000053.4≤=i σ，满足设计要求。

3.2.2.2转速调节器参数选择1.电流环的等效闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。

由图3-7a 可知2111111Ii d cli *Ii i i I I()()()()/()K s T s I s W s K T U s s s s T s K K β∑∑∑+===++++忽略高次项，上式可降阶近似为11cli I()W s s K ≈+近似条件可由式13c ω≤求出cn ω≤式中 ωcn ----- 转速环开环频率特性的截止频率。

接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为U *i (s )，因此电流环在转速环中应等效为 11d cli *i I()()()I s W s U s s K ββ=≈+2.转速调节器结构的选择 电流环的等效闭环传递函数为111d cli *i I()()()I s W s U s s K ββ=≈+用电流环的等效环节代电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图3-9所示。

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 U *n (s )/α，再把时间常数为1/K I 和 T 0n 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节。

其中电流环等效时间常数s s T K i I0074.00037.0221=⨯==∑ 则转速环节小时间常数 =+=∑on In T K T 10.0074+0.02=0.0274s则转速环结构框图可简化为图3-10)图3-10转速换的动态结构框图及其化简 （等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理）按照设计要求，选用PI 调节器，其传递函数为1n n ASR n ()()K s W s sττ+=式中 K n ---- 转速调节器的比例系数； τ n ---- 转速调节器的超前时间常数。

这样，调速系统的开环传递函数为n n n n n 2n e m n n e m n (1)(1)()(1)(1)R K s K R s W s s C T s T s C T s T s ατατβττβ∑∑++=⋅=++令转速环开环增益为n N n e mK R K C T ατβ=则 211N n n n ()()()K s W s s T s τ∑+=+不考虑负载绕动时，校正后的调速系统动态结构框图如图3-11)图3-11转速换的动态结构框图及其化简（校正后成为典型Ⅱ型系统）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5h =，则ASR 的超前时间常数为==∑n n hT τ5×0.0274=0.137s转速开环增益=⨯⨯=+=-∑222220274.052621s T h h K n N 159.84 ASR 的比例系数()057.110274.01.0032.0520843.09168.101.0621=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=+=∑nme n RT h T C h K αβ4.检验近似条件转速环截止频率1190.2184.159137.0-=⨯===s K w K w N n Ncn τ 1）电流环传递函数简化条件为cn i I w s T K >==-∑17.630037.01.1353131满足简化条件。