双闭环直流调速系统的设计及其仿真

双闭环直流调速系统
的设计及其仿真
班级：自动化
学号：
姓名：
目录
1 前言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1.1 课题研究的意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3
1.2 课题研究的背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3
2 总体设计方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
3 2.1 MATLAB 仿真软件介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2.2 设计目标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
4 2.3 系统理论设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯
5 2.4 仿真实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9
2.5 仿真结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10
3 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯12
4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13
1 前言
1.1 课题研究的意义
现代运动控制技术以各类电动机为控制对象，以计算机和其他电子装置为控制手段，以电力
电子装置为弱电控制强电的纽带，以自动控制理论和信息处理理论为基础，以计算机数字仿真和计算机辅助设计为研究和开发的工具。

直调调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。

就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式，在许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。

且直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。

所以加深直流电机控制原理理解有很重要的意义[1]。

1.2 课题研究的背景
电力电子技术是电机控制技术发展的最重要的助推器, 电力电机技术的迅猛发展
设计一个双闭环直流调速系统，利用晶闸管供电，整流装置采用三相桥式电路，调
速范围 D=10，要求: 静差率；稳态无静差，电流超调量
直流电动机数据：
额定功率： 29.92KW ，额定电压： 220V ，额定电流： 136A ，
额定转速： 1460r/m ， 允许过载倍数： 晶闸管装置放大系数： 电枢回路总电阻： 时间常数： 机电时间常数： 电磁时间常数 :
电流反馈系数：
转速反馈系数：
转速反馈滤波时间常数： ，
h=5
2.3 系统理论设计：
在双闭环系统中应该首先设计电流调节器， 然后把整个电流环看作转速调节系统中 的一个内环节，再设计转速调节器。

这样的系统能够实现良好的静态和稳态性能，结构 简单，工作可靠，设计和调试方便，达到本课程设计的要求。

，电流脉动系数
启动到额定转速时的转速退饱和超调量
[1] [3]。

图1 双闭环直流调速系统的动态结构图2.3.1 电流调节器设计
(1) 确定时间常数
整流装置滞后时间常数：三相电路的平均失控时间
=0.0017s 电流滤波时间常数：=0.002s 电流环小时间常数之和：按小时间常数近似处理，取为：=
0.0037s
(2) 选择电流调节器结构
，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型的，因此可用 PI 电流调节器，它的传递函数为：
检查对电源电压的抗扰性能：
符合典型 I 型系统动态抗扰性能，并且各项性能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：
于是， ACR 的比例系统为：
(4) 检验近似条件
电流环截至频率：
校验晶闸管整流装置传递函数近似的条件为：
根据设计要求
电流环开环增益：要求
时，按表 1，应取 ，因此：
满足近似条件
校验忽略反电动势对电流环动态影响的近似条件为：
满足近似条件
校验电流环小时间常数近似处理条件为：
满足近似条件
(5) 计算调节器电阻电容
按所用的运算放大器取得
各电容和电阻值为：
按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为：
(见表 1)
满足设计要求。

2.3.2 转速调节器设计
1）确定时间常数
电流环等效时间常数取，则：
转速滤波时间常数。

根据所用测速发电机波纹情况，取：
转速环小时间常数。

按小时间常数近似处理，取：
2）选择转速调节器结构
按设计要求，选用PI 调节器，其传递函数为：
3）计算转速调节器参数
按跟随性能和抗扰性能都较好的原则，现取h=5，则ASR的超前时间常数为：并且求得转速环开环增益为：
则可得ASR的比例系数为：
（4）校验近似条件
转速截止频率为：
电流环传递函数简化条件为：
满足简化条件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
按所用的运算放大器取。

则：
各电容和电阻值为：
（6）校核转速超调量
当h=5时，由书1
表3-4 可以查得： ，这并不能满足设计要求。

实际上， 由于表 3-4 是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时， ASR 已经饱和，不符合如今系统 的前提要求，所以应该按 ASR 退饱和的情况重新计算超调量。

ASR 退饱和计算如下：
3-1)
得
满足设计要求 表
典型 型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系
参数关系 KT
阻尼比
超调量
上升时间
峰值时间
相角稳定裕度
截至频率
2.4 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和电流负反馈，如图 2 所示。

当时，由书 1 表 3-5 可以查得 , 代入式（ 3-1 ）
图2 转速、电流双闭环直流调速系统结构
图2 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
综上所述，采用转速，电流双闭环直流调速系统能更好的完成本题的设计要求，现采用转速，电流双闭环直流调速系统进行设计，如图2 所示。

用MATLAB的SUMLINK模块做的双闭环调速系统仿真模型图如图3 所示：
图5 电流环超调量较大的仿真结果
图5是以KT=1.0的关系式按典型I 型系统的设计方法得到了PI 调节器的传递函数为，很快的得到了如图四所示的仿真结果，超调大，但上升时间短
图6 高速启动波形图
图6 中实线表示电流，虚线表示转速，是以转速环的传递函数为，以
电流环的传递函数为得到的仿真结果图，启动时间长，退饱和超调量减
少。

观察图4 和图5 可知，在直流电动机的横流升速阶段，电流值低于额定值，其原因电流调节系统受到电动机反电动势的扰动。

3 结论
通过对双闭环系统的仿真波形的分析，可知其起动过程可分三个阶段来：第Ⅰ阶段：电流上升阶段。

突加给定电压Un*后，通过两个调节器的控制，使Ua，Ud，Ud0都上升。

由于机电惯性的作用，转速的增长不会很快。

在这一阶段中,ASR由不饱和很快达到饱和, 而ACR 不饱和, 确保电流环的调节作用.
第Ⅱ阶段：是恒流升速阶段。

从电流升到最大值开始，到转速升到给定值n* 为止，这是起动过程中的重要阶段。

在这个阶段，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定Uim*作用下的电流调节系统，基本上保持恒定。

因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增长。

第Ⅲ阶段：转速调节阶段。

在这阶段开始，转速已达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零。

转速超调后，ASR输入端出现负的偏差电压，使他退出饱和状态，其输出电压的给定电压Ui* 立即下降，主电流Id 也因而下降。

但在一段时间内，转速仍继续上升。

达到最大值后，转速达到峰值。

此后，电机才开始在负载下减速，电流Id 也出现一段小于Id0 的过程，直到稳定。

在这最后的阶段，ASR和ACR都不饱和，同时起调节作用[4]。

根据仿真波形，我们可以对转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用归纳为：
1．转速调节器的作用
4 参考文献
[1] 阮毅, 陈伯时. 电力拖动自动控制系统——运动控制系统[M]. 第4版. 北京：机械工业出版社，2009:1-10.
[2] 谢卫. 电力电子和电机拖动控制系统仿真[M]. 北京：机械工业出版社，2009:1-25.
[3] 邵雪卷，张井岗. 闭环直流调速系统的研究[J]. 电气电子教学学报，2008，30（1）16-18.
[4] 尹璐. 速度与电流双闭环不可逆直流调速系统分析[J]. 科技情报开发与经
济.2006,16 （7）173-174.
[5] 王鑫，张丽玲. 转速、电流双闭环直流调速系统设计[J]. 科技信息.2010（1）364-365.。