雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計

1、設(shè)計任務(wù)書某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)， 整流裝置采用三相橋式電路， 基本 數(shù)據(jù)如下：直流電動機： UN 750V ，IN 780A ， nN 375r /min ，Ra 0.04 ，電 樞電阻總電阻R=0.1 ，電樞電路總電感L=3.0mH，電流允許過載倍數(shù)1.5 ,折算到電動機軸的飛輪慣量 GD 2 11094.4Nm2 。晶閘管整流裝置放大倍數(shù) Ks 75 ，滯后時間常數(shù) Ts 0.0017s電流反饋系數(shù) 0.01V / A( 12V /1.5IN )電壓反饋系數(shù)0.032V min/ r( 12V /nN )濾波時間常數(shù)取 Toi 0.002s,Ton 0.02sUn*m Ui*m

2、 Ucm 12V ；調(diào)節(jié)器輸入電阻 Ro 40K 。設(shè)計要求：穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無靜差動態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量(T < 5%采用轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋使轉(zhuǎn)速超調(diào)量等于目錄第一章 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成 1第一節(jié)系統(tǒng)電路原理圖 1第二節(jié) 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 1第三節(jié) 系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖 4第二章 閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計 7第一節(jié)電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計 7第二節(jié)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計 12第三章 系統(tǒng)的仿真 17參考文獻(xiàn) 21第一章雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成第一節(jié)系統(tǒng)電路原理圖轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理圖如圖 1-1所示，圖中兩個調(diào)節(jié)器 ASR 和ACF分別為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器， 二者串級連接，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸 出作為電流調(diào)節(jié)

3、器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā) 裝置。電流環(huán)在內(nèi)，稱之為內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外，稱之為外環(huán)。兩個調(diào)節(jié)器輸出都帶有限幅，ASR的輸出限幅什Um決定了電流調(diào)節(jié)器ACR的給定電壓最大值Um，對就電機的最大電流；電流調(diào)節(jié)器 ACF輸出限幅電壓U cm限制了整流器輸出最大電壓值，限最小觸發(fā)角aL1圖1-1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理第二節(jié) 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 1-2所示，PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài) 特性一般存在兩種狀況：飽和一輸出達(dá)到限幅值，不飽和一輸出未達(dá)到限幅值， 在實際運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達(dá)到飽和狀態(tài)的， 因此對于靜特性來說，只 有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽

4、和兩種狀況。*'d+'上呷十C| X ；* £興圖12雙閉壞盲流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖*轉(zhuǎn)速反饋系熱0 電流反饋系數(shù)卜1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和穩(wěn)態(tài)時，兩個調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓都是零，因此un Un n no*Ui Ui式中，一一轉(zhuǎn)速和電流反饋系數(shù)由第一個關(guān)系式可得Unno從而得到圖1-3靜特性的 CA段。與此同時，由于ASR不飽 和u * u m，從上述第二個關(guān)系式可知：Id Idm。這就是說，CA段靜特性從理想空載狀態(tài)的Id =0 一直延續(xù)到Id = Idm，而Idm 一般都是大于額定電流Idm的。Id這就是靜特性的運行段，圖1-3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性它是水平的特性。

5、2、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時，asr俞出達(dá)到限幅值um，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 穩(wěn)態(tài)時IUJmIddm式中，最大電流Idm是由設(shè)計者選定的，取決于電機的容許過載能力 和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。所描述的靜特性是上圖中的 AB段，它是垂直 的特性。這樣的下垂特性只適合于的 n n。情況，因為如果 n n。，則Un U；, ASF將退出飽和狀態(tài)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中, F列關(guān)系當(dāng)兩個調(diào)節(jié)器都不飽和時，各變量之間有UnUn nnoUiUi Id1 dLUUd0 CenCeU n /1 dL Rc K K上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)

6、工作點上，轉(zhuǎn)速n是由給定電壓U*n決定的；ASR 的輸出量U*i是由負(fù)載電流IdL決定的；控制電壓UC的大小則同時取決于 n和Id,或者說，同時取決于 U*n和IdL。這些關(guān)系反映了 PI調(diào)節(jié)器不同于P調(diào)節(jié)器的特點。比例環(huán)節(jié)的輸出量總 是正比于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器則不然，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān)，而 是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。后面需要 PI調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它 就能提供多少，直到飽和為止。鑒于這一特點，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算與單閉環(huán)有靜差系統(tǒng)完全 不同，而是和無靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計 算有關(guān)的反饋系數(shù)：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)U nmnmax電流反饋系數(shù)

7、Uim1 dm兩個給定電壓的最大值 Unm和U im由設(shè)計者選定，設(shè)計原則如下:U ；m受運算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電源的限制U-m為ASR的輸出限幅值第三節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，考慮雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu), 即可繪出雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖1-4所示：圖1-4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓 U；由靜止?fàn)顟B(tài)啟動時，轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)過程如圖1-5所示。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR經(jīng)歷了不飽和、飽 和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的I、II、川三個階段。第I階段 電流上升的階段（0ti）:突加給定電壓U；

8、m后，Id上升，當(dāng)Id小于負(fù)載電流IdL時，電機還不能轉(zhuǎn)動。當(dāng)Id > IdL后，電機開始起動，由于機電慣性作用，轉(zhuǎn)速不 會很快增長，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出 電壓保持限幅值um，強迫電流Id迅速上升。直到，山二Idm， u* = um電流調(diào)節(jié)器很快就壓制Id 了的增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階 段中，ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而 ACF一般不飽和。第II階段恒流升速階段（t1t2）:在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流 Id恒定，因而系 統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。與此同

9、時，電機的反電動勢 E也按線性增長，對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，E是一個線性漸增的擾動量，為了克服它的擾動， Ud0 和 Uc 也必須基本上按線性增長， 才能保持 Id 恒定。當(dāng) ACR采用 PI 調(diào)節(jié)器時，要使其輸出量按線性增長， 其輸入偏差電壓必須維持一 定的恒值，也就是說， Id 應(yīng)略低于 Idm。第川階段轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（12以后）：當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值 Ui*m ，所以電機仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負(fù)，使它開始退出飽和狀態(tài)，U：和Id很快下降。但是，只要Id仍大于負(fù)載電流IdL，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升

10、。直到Id = IdL 時，轉(zhuǎn)矩Te= Tl，貝U dn/dt = 0 ,轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值（t = t3時）。此后， 電動機開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在一小段時間內(nèi)（tt4 ）， Id< IdL ，直到穩(wěn)定，如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會有一些振蕩過程。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和ACF都不飽和，ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而ACR則力圖使Id盡快地跟隨其給定值 U；，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個電流 隨動子系統(tǒng)。第二章雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的實際動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 2-1所示，在它與圖1-3的不同 之處在于增加了濾波環(huán)節(jié)，包括電流濾波、轉(zhuǎn)速濾波和兩個給定信號的濾波環(huán)

11、 節(jié)。由于電流檢測信號中常含有交流分量，為了不使它影響到調(diào)節(jié)器的輸入， 虛假低通濾波，然而在抑制交流分量的同時，濾波環(huán)節(jié)也延遲了反饋信號的作 用，為了平衡這個延遲作用，在給定信號通道上加入一個同等時間常數(shù)的慣性 環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波， 因此也需要濾波，根據(jù)電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入相同時間 常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。這樣做的意義是，讓給定信號與反饋信號經(jīng)過相同的延 時，是二者在時間上得到恰當(dāng)?shù)呐浜?，從而帶來設(shè)計上的方便。其中Toi為電流反饋濾波時間常數(shù)系統(tǒng)設(shè)計的一般原則： 先內(nèi)環(huán)后外環(huán)”，從內(nèi)環(huán)開始，逐步向外擴(kuò)展。 在這里，首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)

12、器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一 個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。第一節(jié)電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計在經(jīng)過忽略反電動勢的動態(tài)影響，等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，小慣性環(huán)節(jié) 近似處理的簡化后的電流結(jié)構(gòu)框圖如圖 2-2所示。圖2-2簡化后的電流環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖中：T ,為電流環(huán)小時間常數(shù)之和，T , Ts Toi o、時間參數(shù)的確定1、電動機的電動勢系數(shù):Un I d RaC enN750 780 0.043751.9168V min/r2、電機額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù):30CmCe301.916818.3134Nm/A3、電樞回路電磁時間常數(shù):LR4、電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)：TGD2R3.0mH0.111094

13、.40.03s0.1m 375CeCm 375 1.9168 18.31340.08431s5、整流濾波時間常數(shù)：三相橋式電路的平均失控時間Ts=0.0017s&電流濾波時間常數(shù)：三相橋式電路每個波頭的時間是0.0033s，為了基本慮平波頭，應(yīng)有（12） Toi=0.0033s，因此取T oi =2ms=0.002s7、電流環(huán)小時間常數(shù)之和：按小時間常數(shù)近似處理，取TE=Ts+Toi=0.0037so二、典型系統(tǒng)的選擇：從穩(wěn)態(tài)要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉(zhuǎn)特性，采用I型 系統(tǒng)就夠了。從動態(tài)要求上看，實際系統(tǒng)不允許電樞電流在突加控制作用時有太大的 超調(diào)，以保證電流在動態(tài)過程中

14、不超過允許值， 而對電網(wǎng)電壓波動的及時抗擾 作用只是次要的因素，為此，電流環(huán)應(yīng)以跟隨性能為主，應(yīng)選用典型I型系統(tǒng)。圖2-2表明，電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)， 顯然應(yīng)采用PI型的電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成WACR ( S)心(iS 1)iS式中：Ki 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)i 電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)為了讓調(diào)節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇i Ti，則電流環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖2-3a所示的典型形式，其中Ki圖2-3b給出了校正后電流環(huán)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性。*貿(mào)卩諮+1a)圖2-3校正成典型I型系統(tǒng)的電流環(huán)a）動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 b ）開環(huán)對數(shù)幅頻特性三、計算電流調(diào)

15、節(jié)器的參數(shù)1、ACR超前時間常數(shù)：i Tl 0.03s四、校驗近似條件KiK|iRKs煤1 °.03 °0.540475 0.01電流環(huán)截止頻率ciKI 135.1 1s 12、電流環(huán)開環(huán)增益：在本設(shè)計中，要求c i%<5%寸，應(yīng)取K|T i 0.5，因此：心 0505135.1 1/sT i 0.0037s于是，ACM比例系數(shù)為:1、晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件為:1 wci=196.1 1s3Ts滿足近似條件。2、忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件為：1s滿足近似條件。3、小時間常數(shù)近似條件處理條件為:1Wci -31s滿足近似條件。五、電流調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)含給定濾波和反饋

16、濾波的模擬式電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖2-4所示。圖中：U*為電流給定電壓I d為電流負(fù)反饋電壓Uc電力電子變換器的控制電壓圖2-4含給定濾波與反饋濾 波的PI型電流調(diào)節(jié)器則由運算放大器的電路原理可以得出，當(dāng)調(diào)節(jié)器輸入電阻Ro 40K 時, 電流調(diào)節(jié)器的具體電路參數(shù)如下：Ci0.03Ri321 1061.364 10 F1.428 F，取 1.42 FCoi4ToiR04 0.023"40 100.2 10 6 F0.2 F，取 0.2 F第二節(jié)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋采用轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋，即在轉(zhuǎn)速反饋電路上加 一個帶濾波的轉(zhuǎn)速微分環(huán)節(jié)，在轉(zhuǎn)速變化過程中，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和轉(zhuǎn)速微分

17、負(fù)反 饋兩個信號一起與未定信號U；相抵，將在比普通雙閉環(huán)系統(tǒng)更早一些的時刻 達(dá)到平衡，開始退飽和，提前進(jìn)入了線性閉環(huán)系統(tǒng)的工作狀態(tài)， 從而使轉(zhuǎn)速超 調(diào)量減小。在將電流環(huán)簡化后，可將電流環(huán)視作轉(zhuǎn)速環(huán)中的一個環(huán)節(jié)， 在經(jīng)過忽略高 次項降階處理，并等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性的近似處理后的帶轉(zhuǎn)速微分 負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如圖2-5所示。圖2-5帶轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖中：T n為轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)之和,T ndn為轉(zhuǎn)速微分時間常數(shù)-、未加入微分環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的設(shè)計(1)時間常數(shù)的確定：1、電流環(huán)等效時間常數(shù):2T i 2 0.0037s0.0074s2、轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)Ton=0.0

18、2s ；3、轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)：按小時間常數(shù)近似處理，取T n 2T i Ton0.0074s 0.02S 0.0274s(2)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)：為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，在負(fù)載擾動作用點前面必須有一個積分環(huán)節(jié)， 它應(yīng) 該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中，現(xiàn)在在擾動作用點后面已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié)， 因此轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應(yīng)共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應(yīng)該設(shè)計成典型 n型系 統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見，ASR也應(yīng)該采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為Wasr(S)Kn( 2 1ns式中：Kn 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)n 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)這樣轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖2-6所示的典型形式

19、，其中Knn CeTm和)/(£)圖2-6校正后成為典型U型系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速環(huán)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖(3) 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)：按跟隨和抗干擾性能較好的原則，取 h=5,則1、ASR的超前時間常數(shù)為:2、轉(zhuǎn)速環(huán)開環(huán)增益:n hT n5 0.0274s0.137sKn2h2T2625 0.02742159.838s于是，ASF的比例系數(shù)：Kn(h 1) CeTm2h RT6 0.。1 僥168 O.°84311.0610 0.032 0.1 0.0274(4) 檢驗近似條件： 由轉(zhuǎn)速截止頻率:Kncn1Kn n 159.8 0.137s 121.8926s1、電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件cn5T2、

20、轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似條件為:5T1s5 0.03754.1s滿足近似條件。(5) 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容： 含給定濾波和反饋濾波的PI轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖2-34所示,圖中：U；為轉(zhuǎn)速給定電壓n為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓U *為調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓則由運算放大器的電路原理可以得出,當(dāng)調(diào)節(jié)器輸入電阻R。40K時,電流調(diào)節(jié)器的具體電路參數(shù)如下:RnKnR011.06 40 k442.4 k取 442 kCn0.31，取 0.3 FCon4Ton 4 0蘭 10610R040，取2 F(6) 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量按式(2-91),因此n%Cmax(_Cr=81.2%;而81.2%)?2(n nom2 1.5z)InRCe40.69nnomjn780Tm1.91680140.69r/min嗨 8.59%3