直流調速系統設計報告學生姓名 :學號:學班專業：動化專業：動化指導教師：2012年12月5日TOC\o"1-5"\h\z.前言??????????????????. 3.設計參數????????????????????????4.雙閉環調速系統的工作原理系統的組成 ???????????????????? .?5系統的原理圖 ??????????????????? .? 6系統的穩態結構框圖和靜特性 ??????????? .??8系統靜特性 ??????????????? ..???? 8各變量穩態工作點和穩態參數的計算 ???????? .?? 9.設計雙閉環調速系統電流調節器和轉速調節器 ?????? ...?10調節器的設計 ?????????????????? .?..10電流調節器的設計 ??????????????? .?..?10確定時間常數 ???????? ? ??? .?? ..?10TOC\o"1-5"\h\z選擇電流調節器的結構 ? .? .? .?.? .? .? .? .? ? ..? .11計算電流調節器的參數 ?.?.?.?.?.?.?.? ?..?.?.11校驗近似條件 ?.?.?.?.?.?.?.?.?.?.? ? .?.?.12計算電流調節器的電容和電阻 .? .? ..? .? ..? .? ? .? .13轉速調節器的設計 ?????????? ??? .?? 14確定時間常數 ?????????? ???????? 14選擇轉速調節器的結構 ?????? ???????? 14計算轉速調節器的參數 ??????? ??????? 144.3.44.3.4校驗近似條件 14計算調速調節器的電容和電阻 ??????????? 15校核轉速超調量 ???? ...?????????????? 17.調速系統性能指標的數字仿真 ???????????? 1?8雙閉環調速系統的動態結構圖 ????????????? 18系統仿真模型 ???????????????? ...??? 19仿真結果 ????????????????? ...???? 19心得??????????????????????????2 07．參考文獻 ???????????????? ..?? .???? ..21前言20世紀90年代前的大約 50年的時間里，直流電動機幾乎是唯一的一種能實現高性能拖動控制的電動機， 直流電動機的定子磁場和轉子磁場相互獨立并且正交，為控制提供了便捷的方式， 使得電動機具有優良的起動， 制動和調速性能。盡管近年來直流電動機不斷受到交流電動機及其它電動機的挑戰， 但至今直流電動機仍然是大多數變速運動控制和閉環位置伺服控制首選。 因為它具有良好的線性特性，優異的控制性能，高效率等優點。直流調速仍然是目前最可靠，精度最高的調速方法。本次設計的主要任務就是應用自動控制理論和工程設計的方法對直流調速系統進行設計和控制，設計出能夠達到性能指標要求的電力拖動系統的調節器，通過在DJDK-1型電力電子技術及電機控制試驗裝置上的調試 ,并應用 MATLAB軟件對設計的系統進行仿真和校正以達到滿足控制指標的目的。 電力電子器件的不斷進步，為電機控制系統的完善提供了物質保證，新的電力電子器件正向高壓，大功率，高頻化和智能化方向發展。智能功率模塊（ IPM）的廣泛應用，使得新型電動機自動控制系統的體積更小， 可靠性更高。 傳統直流電動機的整流裝置采用晶閘管， 雖然在經濟性和可靠性上都有一定優勢， 但其控制復雜， 對散熱要求也較高。電力電子器件的發展， 使稱為第二代電力電子器件之一的大功率晶體管（GTR）得到了越來越廣泛的應用。 由于晶體管是既能控制導通又能控制關斷的全控型器件， 其性能優良， 以大功率晶體管為基礎組成的晶體管脈寬調制 （PWM）直流調速系統在直流傳動中使用呈現越來越普遍的趨勢。設計參數直流電動機參數：功率 PN=555K，額定電壓W UN=750V，額定電流 IN=760A，nN=3000r/min，電樞繞組電阻 Ra=0.9Ω，主電路總電阻 R=0.14Ω，晶閘管裝置放大系數 Ks=75,電磁時間常數 Tl=0.031ms,機電時間常數 Tm=0.112ms,電流反饋濾波時間常數 Toi=0.002s，轉速反饋濾波時間常數 Ton=0.02s,過載倍數 =1.5，電流給定最大值 Uim=10V，速度給定最大值 U*n=10V。雙閉環調速系統的工作原理系統的組成轉速、電流雙閉環控制的直流調速系統是應用最廣性能很好的直流調速系統。采用 PI調節的單個轉速閉環調節系統可以在保證系統穩定的前提下實現無靜差調速。 但對于系統的動態性能要求較高的系統， 單閉環系統就難以滿足要求了。為了實現轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可以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，如圖 1所示。把轉速調節器的輸出當作電流調機器的輸入，再把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，稱作內環；轉速換在外，稱作外環。這就形成了轉速電流雙閉環調速系統。3.23.2系統的原理圖為了獲得良好的靜、動態性能，轉速和電流兩個調節器一般都采用 PI調節器，這樣構成的雙閉環直流調速系統的電路原理圖如圖 2所示。圖中標出了兩個調節器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓 Uc為正電壓的情況標出的， 并考慮到運算放大器的倒相作用。 圖中還標出了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 U*im決定了電流給定電壓的最大值，電流調節器 ACR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 Udm。3.33.3系統的穩態結構框圖和靜特性為了分析雙閉環調速系統的靜特性，必須先繪出它的穩態結構圖，如圖 3所示。它可以很方便地根據上圖的原理圖畫出來， 只要注意用帶限幅的輸出特性表示PI調節器就可以了。 分析靜特性的關鍵是掌握這樣的 PI調節器的穩態特征。一般存在兩種狀況：飽和——輸出達到限幅值：當調節器飽和時， 輸出為恒值， 輸入量的變化不再影響輸出， 除非有反向的輸入信號使調節器退出飽和； 換句話說， 飽和的調節器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯系，相當于使該調節環開環。不飽和——輸出未達到限幅值：當調節器不飽和時， 正如1.6節中所闡明的那樣，PI作用使輸入偏差電壓在穩態時總是零。3.3.1系統靜特性雙閉環調速系統的靜特性在負載電流小于 Idm時表現為轉速無靜差，這時，轉速負反饋起主要調節作用。當負載電流達到 Idm后，轉速調節器飽和，電流調節器起主要調節作用，系統表現為電流無靜差，得到過電流的自動保護。這就是采用了兩個 PI調節器分別形成內、外兩個閉環的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負反饋的單閉環系統靜特性好。然而實際上運算放大器的開環放大系數并不是無窮大，特別是為了避免零點飄移而采用“準PI調節器”時，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差，如圖 4中虛線所示。3.43.4各變量穩態工作點和穩態參數的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上述關系表明，在穩態工作點上，轉速 n是由給定電壓 U*n決定的；ASRU*i是由負載電流 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。4）和公式（ 5），得*nm 0.027V.min/rnmax 375r/minmax*Uim 10V 0.0087V/AIdm1.5 760A設計雙閉環調速系統的電流調節器和轉速調節器調節器的設計第一步：選擇調節器結構 ,使系統典型化并滿足穩定和穩態精度。第二步：設計調節器的參數，以滿足動態性能指標的要求。電流調節器的設計確定時間常數PWM裝置的延長時間 Ts=0.1ms=0.0001s。（2）電流濾波時間常數 Toi=0.002s。（3）電流環小時間常數之和 T∑i。按小時間常數近似處理，取T∑i=Ts+Toi=0.0017+0.002=0.0037s。（4）電磁時間常數 Tl=0.031ms。選擇電流調節器的結構根據設計要求 i5%，電流環控制對象是雙慣性型的， 因此可用 PI型調節器，其傳遞函數為WACRWACRKi(is1)式中KiTl0.031sTi0.0037s檢查對電源電壓的抗擾性能： l 8.37,參照表Ti0.0037sI型系統動態抗擾性能，各項指標都是可以接受的，因此基本確定電流調節器按典型I型系統設計。

表1典型I型系統動態抗擾性能指標與參數的關系計算電流調節器的參數i Tl0.031s電流開環增益 :要求i5%時,按表2可取KITi0.5，因此， KI0.5KI0.5 135.1s1ITi I0.0037sPWM裝置的放大系數： K75s于是， ACR的比例系數為：KIiRKIiRKiKs135.1 0.0310.140.9750.0087表2典型I型系統動態跟隨性能指標和頻域指標與參數的關系

4.2.4校驗近似條件電流環截止頻率： ciKI135.1s(1)PWM裝置傳遞函數的近似條件：3Ts 3Ts 30.0017s1196.1sci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：TOC\o"1-5"\h\z11 1滿足近似條件。3 3 50.91s1ci滿足近似條件。TmTl 0.1120.031 ci電流環小時間常數近似處理條件111 1 1180.8s3TsToi 3 0.00170.002滿足近似條件。4.2.5計算調節器電阻和電容由圖 6，按所用運算放大器取 R0=40k，各電阻和電容值為RiKiR00.940K 36K,取36KCii0.031s0.008F，取0.008FRi36KCi 4Toi 40.002s0.2F取0.2FoiR0 40K ,按照上述參數，電流環可以達到的動態跟隨性能指標為 i4.3% 5%，滿足設計要求。

6含給定濾波與反饋濾波的 PI型電流調節器4.3轉速調節器的設計4.3.1確定時間1）電流環等效時間常數 1/KI。由前述已知， KITi 0.5，則 :KI2Ti2 0.0037s0.0074KI2）轉速濾波時間常數 Ton，根據所用測速發電機紋波情況， 取 Ton 0.02s（3）轉速環小時間常數 Tn。按小時間常數近似處理，取Tn2TiTon0.0074s0.02s0.0274s4.3.2選擇轉速調節器結構按照設計要求，選用 PI調節器，其傳遞函數式為１５１５WASRWASR(s)Kn(ns1)4.3.3計算轉速調節器參數按跟隨和抗擾性能都較好的原則，先取 h=5，則 ASR的超前時間常數為nhTn50.0274s0.137s則轉速環開環增益h1 51 2 2KN 2 2 2s 159.8sN 2h2T n2 252 0.02742可得 ASR的比例系數為Kn(h1)Kn(h1)CeTm

2hRTn(51)0.00871.820.112250.0270.140.027410.3式中電動勢375375CeUNINRa 7507600.09V.min/r1.82V.min/re4.3.4檢驗近似條件轉速截止頻率為cnKNKNn159.80.137s1 21.9s1114.3.4檢驗近似條件轉速截止頻率為cnKNKNn159.80.137s1 21.9s111）電流環傳遞函數簡化條件為1cn5Ti5T1i50.1003754.1s-1Wcn滿足簡化條件。2）轉速環小時間常數近似處理條件為111 132TiTon 320.0037 0.0227.40cn滿足近似條件。4.3.5計算調節器電阻和電容根據圖7所示，取 R040k，則Rn KnR010.340K 412K取412KCnn0.1373F0.034F取0.03FnRn 412 1034T 40.02Conon .3F0.002F取0.002FonR0 40 1036含給定濾波與反饋濾波的 PI型轉速調節器4.4校核轉速超調量當h=5時，查表 3典型II型系統階躍輸入跟隨性能指標得， n37.6%，不能滿足設計要求。設理想空載起動時，負載系數 Z0，已知IN 760A，nN 375r/min，5，R0.14 ，Ce1.82Vmin/r Tm0.112s，.Tn0.0274s。當h5時，由表 4查得， Cmax/Cb 81.2%而調速系統開環機械特性的額定穩態速降

CnbC nNT6）6）n 2 (Z)nCbn* Cb n*Tm調速系統開環機械特性的額定穩態速INR7600.14nN r/min58.46r/min;*n為基準值，對應為額定轉速N C*n為基準值，對應為額定轉速nN3000r/min。根據式（ 6）計算得 n0.20% 10%滿足設計要求。調速系統性能指標的數字仿真雙閉環直流調速系統的動態結構圖5.2系統仿真模型開環調速系統的仿真模型5.3仿真結果雙閉環調速系統的電流和轉速曲線心得在這次課程設計過程中， 碰到的難題就是對相關參數的計算， 因為在學習中沒能很好的系統的總結電機相關知識。 在整個課程設計中貫穿的計算過程沒能很好的把握。 在今后要認真學習， 對直流電機的參數和自控系統課程進行補充。 為以