1、轉速電流雙閉環直流調壓調速系統課程設計報告題目轉速電流雙閉環直流調壓調速系統學院電子信息工程學院專業自動化學生姓名秋涼學號222222222222年級2010級指導教師一葉職稱高空工人2013年12月29日轉速電流雙閉環直流調壓調速系統的設計摘要 ：隨著現代工業的發展，在調速領域中， 雙閉環控制的理念已經得到了越來越廣泛的認同與運用。 相對于單閉環系統中不能隨心所欲的控制盒轉矩的動態過程的弱點，雙閉環控制則很好的彌補了這個缺陷，雙閉環控制可實現轉速和電流的兩種負反饋的分別作用，從而獲得良好的靜、動態特性。 其良好的動態性能主要體閑在其抗負載擾動以及抗電網電壓擾動之上。正是由于雙閉環調速的眾多優

2、點，所以在此有必要對其最優化設計進行深入的探討和研究。關鍵詞：調速系統；轉速環；電流環目錄1 調速控制系統的總體設計 -11.1系統設計應注意的問題 -11.2穩態結構圖 -22 系統參數 -62.1參數要求 -62.2電流調節器的參數計算 -62.2.1確定時間常數 -62.2.2電流調節器的結構選擇 -62.2.3電流調節器的參數計算 -72.2.4校驗近似條件 -72.2.5調節器電阻和電容的計算 -72.3轉速調節器的參數計算 -82.3.1確定時間常數 -82.3.2轉速調節器的結構 -82.3.3轉速調節器的參數計算 -82.3.4檢驗近似條件 -92.3.5調節器電阻和電容的計算

3、 -92.3.6校核轉速超調量 -93轉速、電流反饋控制直流調速系統的調節器設計- 113.1電流調節器的設計 -113.2轉速調節器的設計 -153.3轉速調節器退飽和時轉速超調量的計算-183.4轉速、電流反饋控制直流調速系統的仿真- 203.4.1電流環的系統仿真 -213.4.2轉速環的系統仿真 -224總結-25參考文獻-26致謝 -27成都大學電子信息工程學院課程設計1 調速控制系統的總體設計1.1系統設計應注意的問題（1）對于經常正、反轉運行的調速系統，縮短起、制動過程的時間是提高生產率的重要因素。（2）在起動（或制動）過渡過程中， 希望始終保持電流 （電磁轉矩）為允許的最大值，

4、使調速系統以最大的加（減）速度運行。（ 3）當到達穩態轉速時，最好使電流立即降下來，使電磁轉矩與負載轉矩相平衡，從而迅速轉入穩態運行。I dnI dmnI dL0t-I dm圖 1-1時間最優的理想過渡過程起動電流呈矩形波， 轉速按線性增長。 這是在最大電流 （轉矩）受限制時調速系統所能獲得的最快的起動（制動）過程。1成都大學電子信息工程學院課程設計轉速、電流反饋控制直流調速系統原理圖如圖1-1 所示。TAUiII dUn*Ui *ACRUcMASRUPEUdUnnnTG圖 1-2 轉速、電流反饋控制直流調速系統原理圖ASR-轉速調節器 ACR-電流調節器 TG- 測速發電機TA-電流互感器

5、UPE-電力電子調節器Un*- 轉速給定電壓Un-轉速反饋電壓Ui*-電流給定電壓 Ui- 電流反饋電壓在系統中設置兩個調節器，分別引入轉速負反饋和電流負反饋以調節轉速和電流。把轉速調節器的輸出當作電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制電力電子變換器UPE。從閉環結構上看，電流環在里面，稱作內環；轉速環在外邊，稱作外環。形成了轉速、電流反饋控制直流調速系統（簡稱雙閉環系統）。1.2穩態結構圖轉速調節器 ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定的最大值，電流調節器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓，當調節器飽和時，輸出達到限幅值，輸入量的變化2成都大學電子信息工程學院課程設計

6、不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調節器退出飽和；當調節器不飽和時， PI 調節器工作在線性調節狀態，其作用是使輸入偏差電壓在穩態時為零。對于靜特性來說， 只有轉速調節器飽和與不飽和兩種情況，電流調節器不進入飽和狀態。IdU iRASRACRI dRnU n *U i*U cU d0E 1K sCeU n圖 1-3 雙閉環直流調速系統的穩態結構圖 轉速反饋系數 電流反饋系數（ 1） 轉速調節器不飽和兩個調節器都不飽和，穩態時，它們的輸入偏差電壓都是零。*U nn n0nU n*U nn0U i*U iI dI dI dLI dm（2）轉速調節器飽和ASR輸出達到限幅值時， 轉速外環呈開環狀態

7、， 轉速的變化對轉3成都大學電子信息工程學院課程設計速環不再產生影響。雙閉環系統變成一個電流無靜差的單電流閉環調節系統。穩態時 I dU im*I dmnn0AB0CIdNIdmId圖 1-4 雙閉環直流調速系統的靜特性AB段是兩個調節器都不飽和時的靜特性，Id<Idm, n=n0 。BC段是 ASR調節器飽和時的靜特性，Id=Idm, n<n0 。在負載電流小于Idm 時表現為轉速無靜差，轉速負反饋起主要調節作用。當負載電流達到Idm 時，轉速調節器為飽和輸出U*im，電流調節器起主要調節作用，系統表現為電流無靜差。采用兩個 PI 調節器形成了內、外兩個閉環的效果。當 ASR處于

8、飽和狀態時， Id=Idm ，若負載電流減小， Id<Idm ，使轉速上升， n>n0， n<0，ASR反向積分，使 ASR調節器退出飽和。4成都大學電子信息工程學院課程設計各變量的穩態工作點和穩態參數計算雙閉環調速系統在穩態工作中，當兩個調節器都不飽和時，各變量之間有下列關系：U n*U nnn0U i*U iI dI dLUd 0Cn IdR C U*/IdLRU ceenK sK sK s根據各調節器的給定與反饋值計算有關的反饋系數：U nm*轉速反饋系數nmaxU電流反饋系數I*imdm5成都大學電子信息工程學院課程設計2 系統參數2.1參數要求某晶閘管供電的雙閉環直

9、流調速系統，整流裝置采用三相橋式電路，基本數據如下：直流電動機： 220V，136A， 1460r/min ，Ce=0.132Vmin/r ，允許過載倍數 =1.5 ；晶閘管裝置放大系數：Ks=40；電樞回路總電阻： R=0.5；時間常數： Ti=0.03s ， Tm=0.18s；電流反饋系數： =0.05V/A （ 10V/1.5IN ）。轉速反饋系數 =0.07Vmin/r （ 10V/nN），要求轉速無靜差，空載起動到額定轉速時的轉速超調量n10%。設計電流調節器，要求電流超調量i5%2.2電流調節器的參數計算2.2.1確定時間常數整流裝置滯后時間常數Ts=0.0017s 。電流濾波時間

10、常數Toi=2ms=0.002s。電流環小時間常數之和，按小時間常數近似處理，取Ti=Ts+Toi=0.0037s 。2.2.2電流調節器的結構選擇要求 i 5%，并保證穩態電流無差，按典型I 型系統設計電流調節6成都大學電子信息工程學院課程設計器。用 PI 型電流調節器。檢查對電源電壓的抗擾性能：Tl0.038.11T i0.00372.2.3電流調節器的參數計算電流調節器超前時間常數：i=Ti=0.03s 。電流環開環增益：取KiT i=0.5 ，K I0.50.5135.1T i0.0037ACR的比例系數為K iK I i R135.1 0.03 0.5K s401.0130.052.

11、2.4校驗近似條件電流環截止頻率 ci=KI=135.1s-1（1）校驗晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件11196.13Ts30.0017（2）校驗忽略反電動勢變化對電流環動態影響的條件311340.82TmTl0.18 0.03（3）校驗電流環小時間常數近似處理條件1111180.8ci3TsToi30.0017 0.0022.2.5調節器電阻和電容的計算取R0 40k7成都大學電子信息工程學院課程設計RiK i R01.0134040.52kCii0.030.75 10 6 F 0.75 FRi40 103Coi4T0i40.0020.2 10 6F 0.2 FR0401032.3轉速調節

12、器的參數計算2.3.1確定時間常數（1）電流環等效時間常數。取KITi=0.5 ，則12T i20.00370.0074sK I（2） 轉速濾波時間常數。取Ton=0.01s。（3）轉速環小時間常數。按小時間常數近似處理，取T n10.0074 0.01 0.0174sTonK I取 40k取 0.75 F取 0.2 F2.3.2轉速調節器的結構選用 PI 調節器，WASR ( s)K n ( ns1)ns2.3.3轉速調節器的參數計算取 h=5，則 ASR的超前時間常數為n hT n 5 0.0174 0.087s轉速環開環增益K Nh 16396.4 s 22h2T n22 52 0.01

13、7428成都大學電子信息工程學院課程設計ASR的比例系數為(h 1) CeTm6 0.05 0.132 0.18K n11.72h RT n2 5 0.007 0.5 0.01742.3.4檢驗近似條件轉速環截止頻率為cnK NK N n 396.4 0.087 34.5s 11（ 1）電流環傳遞函數簡化條件1K I1135.163.7 s 13T i30.0037cn滿足簡化條件（ 2）轉速環小時間常數近似處理條件1K I1135.138.7 s 13Ton30.01cn滿足簡化條件2.3.5調節器電阻和電容的計算取R040kRnK n R0 11.740 468k取 470kCnn0.08

14、70.18510 6 F 0.185 FRn470103取 0.2 FCon4Ton40.011 106R040103F 1 F取 1F2.3.6校核轉速超調量當 h=5 時，n%=37.6%，不能滿足設計要求。實際上，由于是按線性系統計算的，而突加階躍給定時， ASR飽和，不符合線性系統的前提，應該按 ASR退飽和的情況重新計算超調量。9成都大學電子信息工程學院課程設計按退飽和超調量的計算方法計算當 h=5 時，Cmax / Cb81.2%CmaxnbC maxnNT nn % (%)2(%)(z)TmCbn*Cbn*1360.50.0174281.2%1.50.13210%14608.31

15、%0.18滿足設計要求10Un*(s)1Tons 1成都大學電子信息工程學院課程設計3 轉速、電流反饋控制直流調速系統的調節器設計用工程設計方法來設計轉速、電流反饋控制直流調速系統的原則是先內環后外環。先從電流環（內環）開始，對其進行必要的變換和近似處理，然后根據電流環的控制要求確定把它校正成哪一類典型系統，再按照控制對象確定電流調節器的類型，按動態性能指標要求確定電流調節器的參數。電流環設計完成后，把電流環等效成轉速環（外環）中的一個環節，再用同樣的方法設計轉速環。E(s)IdL(s)*(s)Uc(s)Ud0(s)n(s)Ui1/RId(s)R1ASR1ACRKsTois 1Tss 1Tls

16、 1TmsCe電流環Tois1Tons 1圖 3-1雙閉環調速系統的動態結構圖Toi 電流反饋濾波時間常數；Ton 轉速反饋濾波時間常數3.1電流調節器的設計反電動勢與電流反饋的作用相互交叉，給設計工作帶來麻煩。11成都大學電子信息工程學院課程設計轉速的變化往往比電流變化慢得多，對電流環來說，反電動勢是一個變化較慢的擾動，在按動態性能設計電流環時，可以暫不考慮反電動勢變化的動態影響。忽略反電動勢對電流環作用的近似條件是ci31TmTl式中 ci 電流環開環頻率特性的截止頻率。Ui*(s)1Uc(s)KsUd0(s)1/RId(s)Tois+1ACRTss+1Tls+1Tois+1(a)圖 3-

17、2 電流環的動態結構圖及其化簡(a) 忽略反電動勢的動態影響把給定濾波和反饋濾波同時等效地移到環內前向通道上，再把給定信號改成ui*( s)，則電流環便等效成單位負反饋系統。Ui*(s)Uc(s)Id(s)Ks/RTois+1ACR(Tls+1)(Tis+1)(b)圖 3-3 電流環的動態結構圖及其化簡(b ）等效成單位負反饋系統Ts 和 T0i一般都比 Tl 小得多，可以近似為一個慣性環節，其時間常數為 Ti = Ts + Toi12成都大學電子信息工程學院課程設計簡化的近似條件為11ci3TsToiU i * (s)Id (s) K s/RACRs+1)(T ls+1)( T i(c)圖

18、3-4電流環的動態結構圖及其化簡(c ）小慣性環節近似處理電流調節器選擇： PI 型的電流調節器，WACR ( s)K i (i s1)i sKi - 電流調節器的比例系數； i -電流調節器的超前時間常數。電流環開環傳遞函數K i (i s1)K s / RWopi (s)i s(Tl s 1)(T i s1)因為 Ti>>T i ，選擇 i= Ti，用調節器零點消去控制對象中大的時間常數極點，K iK s/ RK IWopi (s)1)s(T i s 1)i s(T i si 5%，選 § =0.707 ，KI T i =0.5，則1K Ici2T iTl RRTl)

19、K i2K s(2K s T iT i13成都大學電子信息工程學院課程設計U i* (s)K II d (s)s(T i s+1)(a)L /dB-20dB/dec1T i0ci/s -1-40dB/dec(b)圖 3-5 校正成典型 I 型系統的電流環（ a）動態結構圖(b ）開環對數幅頻特性模擬式電流調節器電路RiCiU* iR0R022UeR0Coi R0A-Id22CoiRbal圖 3-6含給定濾波與反饋濾波的PI 型電流調節器U*i電流給定電壓； Id電流負反饋電壓；Uc 電力電子變換器的控制電壓。按典型型系統設計的電流環的閉環傳遞函數為K II d ( s)s(T i s1)1Wc

20、li ( s)K IT i1U i* (s) /s211)K Is 1s(T i sK I14成都大學電子信息工程學院課程設計采用高階系統的降階近似處理方法，忽略高次項，可降階近似為1Wcli ( s)1s 1K I降價近似條件為1K IcnT i3式中， cn轉速環開環頻率特性的截止頻率。電流環在轉速環中等效為1(s)Wcli (s)I dU i* (s)1s 1K I電流的閉環控制把雙慣性環節的電流環控制對象近似地等效成只有較小時間常數的一階慣性環節加快了電流的跟隨作用，這是局部閉環（內環）控制的一個重要功能。3.2轉速調節器的設計IdL(s)*(s)1U*(s)1/Id(s)Rn(s)U

21、niTons+1ASRK1I s+1CeTmsTons+1(a)圖 3-7 轉速環的動態結構圖及其簡化(a) 用等效環節代替電流環15成都大學電子信息工程學院課程設計IdL(s)Un* (s)Id(s)n(s)ASR/RTns+1CeTms(b)圖 3-8 轉速環的動態結構圖及其簡化(b) 等效成單位負反饋系統和小慣性的近似處理把轉速給定濾波和反饋濾波環節移到環內，同時將給定信號改成 U*n(s)/a,把時間常數為 1 / KI和 Ton 的兩個小慣性環節合并1TnTonK I轉速環的控制對象是由一個積分環節和一個慣性環節組成， IdL(s) 是負載擾動。系統實現無靜差的必要條件是：在負載擾動

22、點之前必須含有一個積分環節。轉速開環傳遞函數應有兩個積分環節，按典型型系統設計。ASR采用 PI 調節器K n (n s1)WASR ( s)n sKn 轉速調節器的比例系數；n 轉速調節器的超前時間常數。調速系統的開環傳遞函數為RK n (n s 1)K n R( n s 1)Wn ( s)sC T s(Ts 1)C T s2(Ts 1)nnnne me m16成都大學電子信息工程學院課程設計令轉速環開環增益KN為K n RK NCeTmn則Wn ( s)K N (n s1)s2 (Tn s1)U n* (s)n(s)K N (ns+1)s2(T ns+1)(c)圖 3-9 轉速環的動態結構

23、圖及其簡化 (c) 校正后成為典型型系統無特殊要求時，一般以選擇 h=5 為好。n hT(h 1) CeTmnK n2h RT nh1K NR nC n2h2T 2n模擬式轉速調節器電路U * nR0R022U * iAConR0R0-n22C onRbal圖 3-10含給定濾波與反饋濾波的PI 型轉速調節器U*n 轉速給定電壓； n 轉速負反饋電壓；17成都大學電子信息工程學院課程設計U*i電流調節器的給定電壓。3.3轉速調節器退飽和時轉速超調量的計算當轉速超過給定值之后，轉速調節器ASR由飽和限幅狀態進入線性調節狀態，此時的轉速環由開環進入閉環控制，迫使電流由最大值 Idm 降到負載電流

24、Idl。ASR 開始退飽和時，由于電動機電流Id仍大于負載電流Idl，電動機繼續加速，直到Id< Idl時，轉速才降低。這不是按線性系統規律的超調，而是經歷了飽和非線性區域之后的超調，稱作“退飽和超調” 。假定調速系統原來是在Idm 的條件下運行于轉速n* ；在點 O 突然將負載由 Idm 降到 Idl，轉速會在突減負載的情況下，產生一個速升與恢復的過程；突減負載的速升過程與退飽和超調過程是完全相同的。n I dnnmaxn*0' IdmI dL0 t0t2t圖 3-11 ASR 飽和時轉速環按典型II 型系統設計的調速系統起動過程18成都大學電子信息工程學院課程設計I dl (

25、s)U n* (s)I d (s)n (s)K n( ns+1)Rns(T n s+1)C eT m s(a)圖 3-12調速系統的等效動態結構圖(a) 以轉速 n 為輸出量只考慮穩態轉速n* 以上的超調部分，n=n-n* ，坐標原點移到O點，Idl(s)0KI d(s)I d(s)Rn(s)n(ns+1)ns+1)C T sns(Te m(b)圖 3-13調速系統的等效動態結構圖(b ）以轉速超調值為輸出量初始條件則轉化為n(0)0,I d (0)I dm-Idl(s) (s+1) -Id(s)Id(s)Rn(s)Kn nCeTmsns(T ns+1)(c)圖 3-14調速系統的等效動態結構

26、圖(c) 圖 (b) 的等效變換把 n 的負反饋作用反映到主通道第一個環節的輸出量上19成都大學電子信息工程學院課程設計來，得圖 (c) ，圖中 Id 和 IdL 的+、- 號都作了相應的變化。圖 (c) 和討論典型 II 型系統抗擾過程所用的圖完全相同。可以利用給出的典型 II 型系統抗擾性能指標來計算退飽和超調量在典型 II型系統抗擾性能指標中，C的基準值是K 2RCb2FK 2TCeTmT T n n 的基準值是T nnb 2(z) nN TI dN Rm2RT n ( I dm I dL )nNnbCeCeTm作為轉速超調量 n%，其基準值應該是n* ，退飽和超調量可以由數據經基準值換

27、算后求得，即n % (Cmax%)nb2(CmaxnNT nCbn*Cb%)(z)*Tmn 電動機允許的過載倍數，I dmI dNz負載系數， I dLzI dN3.4轉速、電流反饋控制直流調速系統的仿真工程設計是在一定的近似條件下得到的，再用MATLAB仿真軟件進行仿真，可以根據仿真結果對設計參數進行必要的修正和調整。20成都大學電子信息工程學院課程設計考慮到反電動勢變化的動態影3.4.1電流環的系統仿真響圖 3-15電流環的仿真模型圖 3-16電流環的仿真結果21成都大學電子信息工程學院課程設計在直流電動機的恒流升速階段，電流值低于200A，其原因是電流調節系統受到電動機反電動勢的擾動。KT0.53.4.2轉速環的系統仿真圖 3-17轉速環的仿真模型圖 3-18轉速環空載高速起動波形圖22成都大學電子信息工程學院課程設計ASR調節器傳遞函數為11.7134.48s雙擊階躍輸入模塊把階躍值設置為10圖 3-19轉速環滿載高速起動波形圖把負載電流設置為136，滿載起動。23成都大學電子信息工程學院課程設計圖 3-20轉速