1、轉速電流雙閉環控制直流調速系統的設計與仿真專業：電氣工程及其自動化班級：電氣 1205 成員：國志超、董凱、劉小飛日期：2015年5月10日一、 預備知識1.轉速電流雙閉環控制直流調速系統介紹直流調速系統，傳統上采用速度和電流的雙閉環調速。這是從單閉環自動調速系統發展起來的。采用PI控制器的單閉環系統，雖然實現了轉速的無靜差調速，但因其結構中含有電流截止負反饋環節，限制了起制動的最大電流。加上電機反電勢隨著轉速的上升而增加，使電流達到最大值之后迅速降下來。這樣，電動機的轉速也減小下來，使起動過程變慢，起動時間增長。為了提高生產率和加工質量，要求盡量縮短過渡過程時間。我們希望使電流在起動時始終保

2、持在最大允許值上，電動機輸出最大轉矩，從而可使轉速直線上升過渡過程時間大大縮短。另一方面，在一個調節器的情況下，輸入端綜合幾個信號，各參數互相影響，調整也比較困難。為獲得近似理想的起動過程，并克服幾個信號在一處的綜合的缺點，經研究與實踐，出現了轉速、電流雙閉環調速系統。2.理想啟動過程對于經常正反轉運行的調速系統，盡量縮短起、制動過程的時間是提高生產率的重要因素。為此，在電機最大允許電流和轉矩受限制的條件下，應該充分利用電機的過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流為允許的最大值，使電力拖動系統以最大的加速度起動，到達穩態轉速時，立即讓電流降下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩態運行。這樣

3、的理想起動過程波形示于下圖。這時，起動電流呈方形波，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過程。0nnt理想起動過程波形3. 轉速電流雙閉環直流調速系統的組成為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統中設置兩個調節器，分別調節轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。二者之間實行嵌套（或稱串級）聯接,如下圖所示。圖中，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。這就形成了轉速、電流雙閉環調速系統。轉速電流雙閉環直流調速系統雙閉環直流調速系統電

4、路原理圖二、 設計參數直流電動機UN=220 v nN=1500 r/minIN=100 A Ce=0.133 v*min/r允許過載倍數=1.5晶閘管裝置放大系數KS=50電樞回路總電阻R=0.5時間常數TL=0.02s Ts=0.0017s Tm=0.2s轉速反饋系數=0.01 V*min/r電流反饋系數=0.05 V/A三、 按工程設計方法設計雙閉環系統的調節器雙閉環調速系統的動態結構框圖1. 電流調節器的設計在電流環的設計中，從穩態要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉特性，有右圖可以看出，采用I型系統就可。從動態要求上看，實際系統不允許電樞電流在突加控制作用是有太大的超調，以保證

5、電流在動 電流環簡化圖態過程中不超過允許值，而對電網電壓波動的及時抗擾性知識次要的因素。為此，電流環以跟隨性能為主，即應選用典型I型系統。上圖表明，電流環的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統，顯然應采用PI型電流調節器。參數計算1確定時間常數 整流裝置滯后時間常數Ts，三相橋式電路的平均失控時間：Ts=0.00167s0.0017s 電流濾波時間常數： 電流環小時間常數之和,按小時間常數近似處理，取2選擇電流調節器結構根據設計要求電流超調量，并保證穩態電流無差，可按典型I型系統設計電流調節器，電流環控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調節器，其傳遞函數見式式中 電流調節器的比例系數

6、；電流調節器的超前時間常數。檢查對電源電壓的抗擾性能3計算電流調節器參數 電流調節器超前時間常數: 電流環開環增益：要求si 5%，按表2-2，應取=0.5，因此于是，ACR的比例系數為4校驗近似條件電流環截止頻率： 晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件滿足近似條件。 忽略反電動勢變化對電流環動態影響的條件滿足近似條件。 電流環小時間常數近似處理條件滿足近似條件。5計算調節器電阻和電容取，各電阻和電容值為，取， 取，取按照上述參數，電流環可以達到的動態跟隨性能指標為，滿足設計要求。2. 轉速調節器的設計用電流環的等效環節代替上圖中的電流環后，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

7、/，再把時間常數為/和的兩個小慣性環節合并起來，近似成一個時間常數為的慣性環節，其中 則轉速環結構框圖可簡化成下圖。為了實現轉速無靜差，在負載擾動作用點前面必須有一個積分環節，它應該包含在轉速調節器ASR中（見上圖）。現在擾動作用點后面已經有了一個積分環節，因此轉速環開環傳遞函數應共有兩個積分環節，所以應設計成典型型系統，這樣的系統同時也能滿足動態抗擾性能好的要求。由此可見，ASR也應該采用PI調節器。參數計算1. 確定時間常數 電流環等效時間常數由 知 轉速濾波時間常數 轉速環小時間常數2轉速調節器選擇結構按照設計要求，選用PI調節器，其傳遞函數為式中 轉速調節器的比例系數； 轉速調節器的超

8、前時間常數。3計算轉速調節器參數 按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取h=5，則ASR的超前時間常數為 由式(4-14)可求得轉速環開環增益K=于是，由式可得ASR的比例系數為4檢驗近似條件轉速環截止頻率 校驗電流環傳遞函數簡化條件是否滿足 滿足簡化條件。 校驗轉速環小時間常數近似處理條件是否滿足 滿足近似條件。5計算轉速調節器的電路參數含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI型轉速調節器原理圖如圖所示。取，各電阻和電容值計算如下，取，取，取6校核轉速超調量當h=5時，查表2-6得,不能滿足。實際上，表2-6是按線性系統計算的超調量，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統的前提，具有飽和非線性特性。

9、所以，應按ASR退飽和的情況重新計算超調量。三. 按退飽和超調量的計算方法計算轉速超調量設理想空載起動時，當時，查表2-7得：則能滿足設計要求。四、 仿真結構框圖仿真波形圖1. 空載啟動由仿真波形可以看出，利用轉速電流雙閉環（PI調節器）調速系統的性能還是十分優越的，具體表現在：波形穩定，轉速穩定在額定轉速1500r/min，無靜差；電流穩定在額定電流100A，無靜差；超調量小，空載起動時理論算出超調量為7.83%，實際測得波形最大轉速約1620 r/min，超調量為（1620-1500）/1500*100%=8%，基本與理論值相同，也滿足超調小于10%的要求。調節時間短，由圖可看成調節時間約

10、為0.8秒。2. 額定負載起動當電機加額定負載起動時，可以看出系統的穩定性依舊良好，波形穩定，與空載起動相比超調量減小，調節時間加長。原因：超調量減小是由于：轉速超調后，ASR進入退飽和狀態，Id很快下降，但只要Id大于IdL，轉速就繼續上升，加入額定負載后，負載電流IdL增大，所以Id降至IdL的時間縮短，轉速上升減少，所以超調量降低加入額定負載，電機啟動時間加長，調節時間也會相應加長，由圖可看出約為1.8秒3過載啟動當加大IdL至130A時（額定電流100A，過載系數=1.5）時，系統過載起動，可以看出轉速穩定在1500r/min，電流起動時為130A，起動完成后穩定在100A，超調量較額

11、定負載時減小，調節時間增長，原因同上。4、擾動影響空載起動，1秒時加額定負載可以看出1秒時存在調節過程，最終結果符合預期，轉速電流均穩定，且與額定值無靜差。空載起動，2秒時加超極限負荷（IdL=170A）允許過載倍數為1.5倍，也就是說負荷電流最大為150A ,超過這個值將超出電機的承受能力，電機帶不動負荷，會被負荷轉矩逐漸制動直至反轉，這種狀態是不允許出現的。由圖可以看出當負荷超過電機允許最大負荷電流時，電機電流最大只能達到150A，并穩定，電機轉速逐漸下降至反轉，直到負載轉矩等于勵磁轉矩與摩擦轉矩之和，電機反向穩定（理論上，實際中不允許出現）。五、 對系統的改進雙閉環調速系統具有良好的穩態

12、和動態性能，結構簡單，工作可靠，他是一種性能很好，應用最廣的調速系統。然而由于轉速調節采用PI調節器，超調必然存在。在某些不允許超調或對動態抗擾性能要求很高的地方，就顯得無能為力。解決這一問題的一個簡單有效的方法就是在轉速調節器上增設轉速微分負反饋，這個環節可以抑制甚至消滅超調，同時大大降低動態速降。帶轉速微分負反饋的轉速調節器1+dns簡化后的結構框圖參數計算 選定 =0.01s 則只要求出，則微分電容和微分電阻就可求出。按電力拖動自動控制系統中的工程設計方法，當時，得dn=系統仿真結構圖轉速微分負反饋環節仿真波形圖與原系統對面可以明顯發現，系統的超調量得到明顯抑制，幾乎消滅了超調，但是調節

13、時間略有加長，由0.8s增加至約為1s，這是由于ASR退飽和過程增長，但總體來說電機性能得到提高。同時，我們注意到電流調節過程中略有波動，但穩定后平穩，考慮到加入了微分環節，出現震蕩是難免的，而且震蕩很小，對穩定性也沒有影響，可以忽略。額定負載起動對比與空載起動時的對比結果一致，主要是大大抑制了超調，不再贅述。抗擾性與原系統比較可以看出，加入轉速微分負反饋環節后，系統的抗擾性能較加入前也有一定提升，調節過程更為平緩，轉速下降變小，但同時可以看出，電流調節會出現震蕩，這是微分環節的特性，不過震蕩較小，也不影響電流穩定后的平穩性。綜上，我們可以看出，加入微分環節后對系統的穩定性幾乎沒有影響，但對超

14、調的抑制大大加強，提高了電機的性能，唯一不利的是增大了調節時間，不過從仿真結果看增加并不十分明顯，整體而言還是對系統的一種良好改進。六 設計總結在本次設計中，我們對轉速、電流雙閉環直流調速系統的組成、數學模型、靜特性和動態性能有了總體的認識，并對調節器的工程設計方法有了深刻的理解，從而才具備了清晰的設計思路來完成本次設計。對工程設計方法進行了解后，結合教材所學內容，就可以對設計方案進行選擇。在對轉速環和電流環作了相應的簡化后，依據設計所需要的靜特性與動態性能確定系統的型別及選用的調節器類型。通過對電力拖動自動控制系統的學習，我們了解到了單閉環系統在運用中存在一些缺點和不足，為了彌補這個不足，我們引入了轉速電流雙閉環系統，它是通過轉速負反饋和電流