双闭环直流调速系统课程设计

引言

直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。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。并通过Matlab进行系统的数学建模和系统仿真，分析双闭环直流调速系统的特性。

一．设计目的

1．了解自动控制系统学科。

2．学习绘画双闭环直流调速系统的动态和稳态结构框图。

3．掌握双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析。

4．体会参数设计的过程及工程设计方法的基本思路。

5. 利用MATLAB仿真。

二．直流调速系统设计

1.双闭环直流调速系统的组成

为了使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，分别引入

转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者实行嵌套连接，如图一所示。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，电流环在里面称为内环，转速环在外面，称作外环。这就形成了转速，电流反馈控制直流调速系统。

图1 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图

2.双闭环的稳态结构图和静特性

图2 双闭环直流调速系统的稳态结构图

转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压，当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况，电流调节器不进入饱和状态。3.双闭环直流调速系统的动态数学模型

双闭环直流调速系统的动态结构图如图3所示，图中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图中必须把电枢电流Id显露出来。

图3 双闭环直流调速系统的动态结构图

4.双闭环直流调速系统的调速方法

调节转速可以有三种方法：

（1）调节电枢供电电压U；

（2）减弱励磁磁通 ；

（3）改变电枢回路电阻R。

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱励磁磁通虽然能够平滑调速，但调速的范围不大，

往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上做小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以改变电压调速为主。

5.电流环、速度环的设计

5.1 初始条件

某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路，基本数据如下：直流电机参数为：额定电压220V U =,额定电流136I A =；额定转速

n 1460rpm =,0.132min/e V r C =⋅，允许过载倍数 1.5λ=；晶闸管装置放大系数40s K =；

电枢回路总电阻0.5R =Ω；时间常数0.03,0.18l m s s T T ==；电流反馈系数0.05/V A β=；转速反馈系数0.007min/V r α=⋅。

5.2电流调节器的设计 （1）确定时间常数。

电流环小时间常数之和∑

i

T 。按小时间近似处理

s T T T S Oi i 0037.0=+=∑

根据设计要求

%

5≤i σ，并保证稳态电流无差，可将电流环校成典型Ⅰ系统，典型

Ⅰ系统的跟随性较好，超调量较小。设传递函数的形式为：

()()s

s K s W i i i ACR ττ1+=

（2）计算电流调节器的参数

电流调节器的超前时间参数：s T l i 03.0==τ

电流开环增益 ：要求%5≤σ时，应该取5.0=∑i I T K ,因此： 1.13521

=∑

=

i

I T K S T l 03.0= 013.1=i K 03.0=T

根据上述的设计参数，，%5%3.4<=σ 参照表1的典型I 型系统动态抗扰性能，各项指

标都是可以接受的。

2

21T T T T m ==

51 101 201 301 %100max

⨯∆b C C

55.5% 33.2%

18.5%

12.9%

tm / T 2.8 3.4 3.8 4.0

tv / T 14.7 21.7

2

.7

30.4

表1 典型I 型系统动态抗扰性能指标与参数的关系

（3）校验近似条件

电流环截止频率 11.135-==s K I ci ω 1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件

ci

S s s T ω>=⨯=-11960017.031

31

满足近似条件。

2）忽略反电动势对电流环影响的条件

l

m ci T T 1

3

≥ω ，

ci

l m s s

s T T ω<=⨯⨯=-182.4003.018.01

313

满足近似条件。

3） 电流环小时间常数近似处理条件