1、個人資料整理 僅限學習使用課程設計任務書學生姓名：專業班級：指導教師：工作單位：自動化學院題目：V-M雙閉環直流可逆調速系統建模與仿真4初始條件：1 .技術數據及技術指標：直流電動機： Pn=3KW , Un=220V , In=17.5A , nN=1500r/min , Ra=1.25 Q最大允許電流：Idbi=2lN, GD2=3.53N.m 2三相全控整流裝置：Ks=40 , Rrec = 1.3 Q平波電抗器：Rl=0. 3 a電樞回路總電阻 R=2.85 Q，總電感L=200mH ,濾波時間常數：Toi=0.002s , Ton=0.01s,其他參數：Unm* = 10V ,Um*

2、=10V , Ucm = 10VOi 5% , 外 司 0%要求完成的主要任務：2 .技術要求：(1該調速系統能進行平滑的速度調節，負載電機可逆運行，具有較寬的調速范圍D 10),系統在工作范圍內能穩定工作(2系統在5%負載以上變化的運行范圍內電流連續3 .設計內容：(1根據題目的技術要求，分析論證并確定主電路的結構型式和閉環調速系統的組成，畫出系統組成的原理框圖(2根據雙閉環直流調速系統原理圖，分析轉速調節器和電流調節器的作用，(3通過對調節器參數設計，得到轉速和電流的仿真波形，并由仿真波形通過 MATLAB來進行調節器的參數調節。(4繪制V-M雙閉環直流 可逆調速系統的電氣原理總圖 要求計

3、算機繪圖)(5整理設計數據資料，課程設計總結，撰寫設計計算說明書時間安排：課程設計時間為一周半，共分為三個階段：(1)復習有關知識，查閱有關資料，確定設計方案。約占總時間的 20%(2)根據技術指標及技術要求，完成設計計算。約占總時間的 40%(3)完成設計和文檔整理。約占總時間的 40%指導教師簽名：年 月 日系主任 或責任教師)簽名：年 月 日目錄摘要41設計任務及要求51.1 技術數據51.2 設計要求51.3 設計內容52雙閉環調速系統的總體設計63電流調節器設計93.1 電流環結構框圖的化簡93.2 電流環參數的計算 103.2.1 確定時間常數103.2.2 電流調節器結構的選擇1

4、13.2.3 計算電流調節器參數113.2.4 校驗近似條件123.2.5 計算調節器電阻和電容124轉速調節器的設計134.1 轉速環結構框圖的化簡134.2 轉速環參數的計算 144.2.1 確定時間常數144.2.2 選擇轉速調節器結構154.2.3 計算轉速調節器參數154.2.4 檢驗近似條件154.2.5 計算調節器電阻和電容164.2.6 校核轉速超調量165系統仿真實驗175.1 MATLAB 仿真軟件介紹 175.2 雙閉環建模175.3雙閉環可逆調速系統仿真 185.3.1 雙閉環的仿真模型185.3.2 仿真參數設置185.3.3 仿真波形216總結與體會22參考文獻23

5、附錄24摘要V-M雙閉環直流調速系統是晶閘管-電動機調速系統 簡稱V-M系統），系 統通過調節器觸發裝置GT的控制電壓Uc來移動出發脈沖的相位，即控制品閘 管可控整流器的輸出改變平均整流電壓 Ud,從而實現平滑調速。本次課設為可 逆調速系統，用到了正反組晶閘管控制，本文主要對電流調節器ACR和轉速調節器ASR參數的設計，然后在 matlab里進行仿真實驗，從而達到設計所需要的 要求。關鍵詞：雙閉環調速ACR ASR matlab1設計任務及要求1.1 技術數據直流電動機：Pn=3KW , Un=220V , In=17.5A , nN=1500r/min , Ra=1.25 Q堵轉電流 Idb

6、i=2lN,截止電流 Idcr=1.5lN , GD2=3.53N.m2三相全控整流裝置：Ks=40 , Rrec=1. 3 Q平波電抗器：Rl=0. 3 Q電樞回路總電阻 R=2.85Q,總電感L=200mH ,濾波時間常數：Toi=0.002s , Ton=0.01s,其他參數：Unm*=10V ,Uim*=10V , Ucm=10Voi 5%, on 101.2 設計要求(i該調速系統能進行平滑的速度調節，負載電機 可逆運行，具有較寬的調速 范圍D 10),系統在工作范圍內能穩定工作(2系統在5%負載以上變化的運行范圍內電流連續1.3 設計內容(i根據題目的技術要求，分析論證并確定主電路

7、的結構型式和閉環調速系統 的組成，畫出系統組成的原理框圖(2根據雙閉環直流調速系統原理圖，分析轉速調節器和電流調節器的作用， (3通過對調節器參數設計，得到轉速和電流的仿真波形，并由仿真波形通過 MATLAB來進行調節器的參數調節。(4繪制V-M雙閉環直流 可逆調速系統的電氣原理總圖 要求計算機繪圖)(5整理設計數據資料，課程設計總結，撰寫設計計算說明書2雙閉環調速系統的總體設計改變電樞兩端的電壓能使電動機改變轉向。盡管電樞反接需要較大容量的 品閘管裝置，但是它反向過程快，由于晶閘管的單向導電性，需要可逆運行時 經常采用兩組晶閘管可控整流裝置反并聯的可逆線路，電動機正轉時，由正組 品閘管裝置V

8、F供電；反轉時，由反組晶閘管裝置 VR供電。如圖1所示兩組晶閘管分別由兩套觸發裝置控制，可以做到互不干擾，都 能靈活地控制電動機的可逆運行，所以本設計采用兩組晶閘管反并聯的方式。 雖然兩組晶閘管反并聯的可逆 V-M系統解決了電動機的正、反轉運行的問題， 但是兩組裝置同時工作時，便會產生不流過負載而直接在兩組晶閘管之間流通 的短路電流，稱作環流。一般地說，這樣的環流對負載無益，徒然加重晶閘管 和變壓器的負擔，消耗功率，環流太大時會導致晶閘管損壞，因此應該予以抑 制或消除。為了防止產生直流平均環流，應該在正組處于整流狀態、Udof為正時，強迫讓反組處于逆變狀態、使 Udor為負，且幅值與Udof相

9、等，使逆變電 壓Udor把整流電壓Udof頂住，則直流平均環流為零。于是又由于其中，L=J分別為VF和VR的觸發延遲角。由于兩組晶閘管裝置相同，兩組的最大輸出電壓 叵是一樣的，因此，當直流平均環流為零時，應I X |如果反組的控制角用逆變角 可表示，則 L=J 按照這樣控制就可以消 除環流。系統設計的一般原則為：先內環后外環。即從內環開始，逐步向外擴展。在這里，首先設計電流調節器，然后把整個電流環看作是轉速調節系統中的一 個環節，再設計轉速調節器。圖2為轉速、電流雙閉環調速系統的原理圖，圖 3為雙閉環調速系統的結 構圖。圖中兩個調節器 AS旺口 AC的別為轉速調節器和電流調節器，二者審級 連接

10、，即把電流調節器的輸出作為轉速調節器的輸入，再用轉速調節器的輸出 去控制電力電子變換器UPE兩個調節器的輸出都是帶限幅作用的。轉速調節器 ASR的輸出限幅電壓Uim 決定了電流給定電壓的最大值；轉速調節器 ASR的輸出限幅電壓UCm限制了電力 電子變換器的最大輸出電壓Um。為了獲得良好的靜、動態性能，轉速和電流兩個調節器一般都采用PI調節器。其中主電路中申入平波電抗器，以抑制電流脈動，消除因脈動電流引起的 電機發熱以及產生的脈動轉矩對生產機械的不利影響。R CASR-+ + U*iUiTA+圖2雙閉環調速系統電路原理圖圖3雙閉環調速系統結構框圖3電流調節器設計3.1 電流環結構框圖的化簡電流環

11、結構圖的簡化分為忽略反電動勢的動態影響、等效成單位負反饋系 統、小慣性環節的近似處理等環節。在一般情況下，系統的電磁時間常數 Tl遠小于機電時間常數Tm,因此轉速 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，即 E=0。這時，電流環如圖4所示。圖4忽略反電動勢動態影響的電流環動態結構圖如果把給定濾波和反饋濾波兩個環節都等效地移到環內，同時把給定信號改成U*i(s /P,則電流環便等效成單位負反饋系統，如圖 5所示。*(s圖5等效成單位負反饋系統的電流環的動態結構圖最后，由于Ts和Toi 一般都比T小得多

12、，可以當作小慣性群而近似地看作 是一個慣性環節，其時間常數為心 i = Ts + Toi則電流環結構圖最終簡化成圖6所示。*圖6電流環的簡化結構圖3.2 電流環參數的計算3.2.1 確定時間常數1整流裝置滯后時間常數Ts。按表1,三相橋式電路的平均失控時間Ts=0.0017so2電流濾波時間常數本設計初始條件已給出，即Toi=0.002s。3電流環小時間常數之和E=Ts+Toi=0.0037s整流電路形式最大失控時間 Tsmax ( ms)平均失控時間 Ts ( ms)單相半波2010單相橋式(全波)105三相半波6.673.33三相橋式、六相半波3.331.67表1各種整流裝置的失控時間3.

13、2.2 電流調節器結構的選擇從穩態要求上看，希望電流無靜差，以得到理想的堵轉特性，采用 I型系統就 夠了。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時有太大的超 調，以保證電流在動態過程中不超過允許值，而對電網電壓波動的及時抗擾作 用只是次要的因素，為此，電流環應以跟隨性能為主，應選用典型I型系統。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型的電流調節器，其傳遞函數可以寫成式中K電流調節器的比例系數;,參照典型I型系統1 電流調節器的超前時間常數檢查對電源電壓的抗擾性能： 動態抗擾性能指標與參數的關系表格，可以看出各項指標都是可以接受的3.2.3 計算電流調節

14、器參數電流調節器超前時間常數：=T=0.07s。電流環開環增益：要求 也5%寸，應取KT)=0.5,因此1 x 1于是，ACR勺比例系數為:3.2.4 校驗近似條件電流環截止頻率：回ci=K=135.1s-1。品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3.2.5 計算調節器電阻和電容由圖7,按所用運算放大器取R0=40k囚，各電阻和電容值為按照上述參數，電流環可以達到的動態跟隨性能指標為6 i=4.3%,因此電流環在轉速環中應等效為用電流環的等效環節代替電流環后，整個轉速控制系統的動態結構圖便如圖8所

15、示。和電流環一樣，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/Q,再把時間常數為1/ K和Ton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LzsJ圖8用等效環節代替電流環的轉速環的動態結構圖 最后轉速環結構簡圖為圖9。圖9等效成單位負反饋系統和小慣性的近似處理的轉速環結構框圖4.2 轉速環參數的計算4.2.1 確定時間常數1電流環等效時間常數1/Ki。由電流環參數可知KRi=0.5,則2轉速濾波時間常數Ton。根據已知條件可知Ton=0.01S3轉速環小時間常數Te no按小時間常數近似處理，取4.2.2 選擇轉速調節器結構為了實現轉速無靜差，在負載

16、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，現在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，所以應該設計成典型II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，其傳遞函數為式中Kn 轉速調節器的比例系數;川一轉速調節器的超前時間常數4.2.3 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的超前時間常數為轉速環開環增益為ASR勺比例系數為4.2.4 檢驗近似條件轉速環截止頻率為1）電流環傳遞函數簡化條件為滿足近似條件2）轉速環小時間常數近似處理條件為滿足近似條件4.2.

17、5 計算調節器電阻和電容根據圖10,取R0=40km,則4.2.6 校核轉速超調量當h=5時，查詢典型R型系統階躍輸入跟隨性能指標的表格可以看出,不能滿足設計要求。實際上，上述表格是按照線性系統計算的,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。此時超調量為：能滿足設計要求。5系統仿真實驗5.1 MATLAB 仿真軟件介紹MATLAB陣實驗室)是 MATrix LABoratory 的縮寫，是一款 由美國TheMathWorks公司出品的商業數學軟件。MATLA%一種用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境

18、。除了矩陣運算、繪制函數/數據圖像等常用功能外，MATLA更可以用來創建用戶界面及與調用其它語言 包括C, C+林口 FORTRAN編寫的程序。5.2雙閉環建模(1打開模型編輯窗口：通過單擊 SIMULINK工具欄中新模型的圖標或選擇 FileNewModle菜單項實現。(2復制相關模塊：雙擊所需子模塊庫圖標，則可以打開它，以選中所需的子模塊，拖入模型編輯窗口。(3修改模塊參數：雙擊模塊圖案，則出現關于該圖案的對話框，通過修改 對話框內容來設定模塊的參數。(4模塊連接：以鼠標左鍵單擊起點模塊輸出端，拖動鼠標至終點模塊輸入 端，則在兩模塊間產生一線。當一個信號要分送到不同模塊的多個輸入端時， 需

19、要繪制分支線，通常可把鼠標移到期望的分支線的起點處，按下鼠標的右 鍵，看到光標變為十字后，拖動鼠標直至分支線的終點處，釋放鼠標按鈕，就 完成了分支線的繪制。個人資料整理 僅限學習使用5.3雙閉環可逆調速系統仿真5.3.1 雙閉環的仿真模型為了實現電動機的可逆調速，我們加入兩個給定電壓，其中一個在 2.5s后及電 動機達到穩態時觸發，數值設定為負且為最大給定的 2倍，同理負載電流擾動 也這樣處理，最后得到如圖11所示仿真模型。圖11雙閉環的仿真模型5.3.2 仿真參數設置(1) AS隘數設置如圖12,13所示。GainElejnent-wise gain (,y = K. *u) ar matr

20、is gain (y = K*u or y = u*K).Main Signal AttributesParanet er Attribut esW.89lult iplicat ion: Elenient-wise (K. *u)Sample tine (-1 for inherit ed);-1vaj.liElement-wise gain (y = X. *u) or matrix gain (y = K*u or y = u*K) *Main Signal Attributes Parameter AttributesGain:125.17Multiplication: El&ment

21、-wise(K. *u)Sample time for inherited):圖13積分環節系數設置(2) AC諂數設置如圖14,15所示GainElement-wise fain (y = K. *u) or natriy gain (y = K*u or y = u*K).Main Signal Att ributes|er Att ribut esrsiia；2. 3585!ultiplication: Element-wise(K. *u)5ample time (-1 for inherited);-1圖14比例系數的設置 GainElement-wise gain (y = K.

22、*u) or Matrix gain (y = K*u or y = u*K)-Main Signal Attributes Parameter Attributes rain:33.69lult iplicatian: Element-wise(K. *u)sample time (-1 for inherited):-1圖15積分環節系數設置個人資料整理 僅限學習使用0口tpui: a, =t up.Pai- 3jhe exsSt ep t ime; 2.5工 ni t. i al valu白： K ii-ia.1a l ue z-Z0Sajiplc imc: 0| M | Iilyeu

23、走白 Jt p nu zun.=*l: u H m aM 1 - DIS En.ab Iz：cro- criosffiiz% del：u。弋工口n圖17 step2參數設置 滿載時電流源參數設置如圖18,19所示Sr日pOu.+ put 近 s-t ep,P a,r ajiite e rs/1 ZLnt erpr et vect or par er s sls 1-D I E2-tab 1 e e e z o cross irig de-t ecX xornIrt erp re vcct or pairer s a阡 1-D2 EximblLu Mur。c：i7Q3：ing d =4; =i gun圖19 Step3參數設置空載時只需將stepl和step3的巾nal value者B設置為0。4）其余的慣性環節根據所得到的時間常數等進行設置，具體參數圖 11已有說 明。5.3.3仿真波形3）空載時波形如圖20所示，觀察波形可發現 ASR調節器經過了不飽和， 飽和，退飽和三個階段，很快達到穩定與給定轉速，在 2.5S后轉速很 快下降并最終穩定在-1500r/min,電流最終穩定在0A。圖20空載時轉速及電流波形個人資料整理 僅限學