转速电流双闭环直流调压调速系统

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转速电流双闭环直流调整系统

摘要：本设计通过分析双闭环直流调速系统系统的组成，设计出系统的电路原理图。从电力拖动不可逆直流调速系统主电路开始着手，设计整流电路，选择整流器件，计算整流变压器参数，设计保护电路及控制电路。然后，采用工程设计的方法对双闭环直流调速系统的电流调节器和转速调节器进行设计，先设计电流调节器，然后将整个电流环看作是转速调节系统的一个环节，再来设计转速调节器。遵从确定时间常数 、选择调节器结构、计算调节器参数、效验近似条件的步骤一步一步的实现对调节器的具体设计。最后用AUTCAD 绘制出整个系统的电器原理图。 关键词：整流电路、转速调节器、电流调节器、工程成设计方法。

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目 录

第1章 系统原理 ..............................................................1

1.1 双闭环调速系统的工作原理 .............................................1 1.2 双闭环直流调速系统的数学模型 .........................................1 1.3双闭环直流调速系统两个调节器的作用 ....................................1 第2章 调节器的具体设计 ......................................................3

2.1 电流调节器的分析 .....................................................3 2.2 转速调节器的分析 .....................................................4 2.3 转速电流双闭环参数 ...................................................4 2.4 电流环的设计 .........................................................5 2.5 速度环的设计 .........................................................6 总结与体会 ..................................................................10 参考文献 ....................................................................11

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第1章 系统原理

许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止至负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。

1.1 双闭环调速系统的工作原理

闭环控制的目的是把受控的输出转速信号反馈回输入端,并且参与控制新一轮的输出。双闭环是在单闭环的基础上引入了可以抑制电网电压扰动对转速产生影响的电流反馈,因此有良好的动、静态性能。双闭环直流调速系统的原理图如图1-1所示

1.2 双闭环直流调速系统的数学模型

双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图1-2所示。图中

WASR(s)和WACR(s)分别表示转速调节

Id显露出

器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中把电枢电流来。

1.3双闭环直流调速系统两个调节器的作用

（1） 转速调节器的作用

1

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Id ? R U*n + ASR U*i Ui - + ACR Uct UPE Ud0 + Ks -IdR E 1/Ce n - Un ?

图1-1 双闭环直流调速系统的原理图

Un + - *U*i WASR(s) Un - Ks WACR(s) Ts+1 U- d0 Uct sUi ? 1/R Tl s+1 Id -IdL R Tms + E 1/Ce n ? 图1-2 双闭环直流调速系统的动态结构框图

U使转速n跟随给定电压m变化，当偏差电压为零时，实现稳态无静差；对负载变化起抗扰作用；

其输出限幅值决定允许的最大电流。

（2） 电流调节器的作用

*U在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压i变化；对电网电压波动起及时抗扰作用；起动

时保证获得允许的最大电流，使系统获得最大加速度起动；

当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起大快速的安全保护作用。当故障消失时，系统能够自动恢复正常。

* 2

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第2章 调节器的具体设计

2.1 电流调节器的分析

根据设计要求启动时电流超调量??5%并保证稳态电流无静差。一般说来典型Ⅰ型系统在动态跟随性能上可以做到超调小,但抗忧性能差;而典型Ⅱ型系统的超调量相对要大一些而抗扰性能却比较好。在转速-电流双闭环调速系统中,电流环的一个重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值,即能否抑制超调是设计电流环首先要考虑的问题,所以一般电流环多设计为Ⅰ型系统,电流调节的设计应以此为限定条件。电流环控制对象是双惯性的，因此可用PI型电流调节器，器传递函数见公式（2-1）。

WACR?Ki(?is?1) （2-1）

?isKi 电流调节器的比例系数；

?i 电流调节器的超前时间常数

电流环开环传递函数为：

Wopi(s)?Ki(?is?1)?Ks/R （2-2） ??is(Tls?1)(Tis?1)?Tl??Ti??T?il，用调节器零点消除控制对象中的时间常数极点，因为，所以选择

以便校正成典型I型系统，因此

KIWopi(s)?s(Tis?1)

?KiKs?K=I其中

TlR，电流环的结构图如图2-1所示

有因为电流的超调量??5%，查表典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系 故选

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??0.707,KITKI??ci??i?0.5，则

12Ti?1KI??ci?2Ti?Wopi?

KI s(Tis?1)? 图2-1 电流环的动态结构图

2.2 转速调节器的分析

和电流环一样，把转速给定滤波和反馈波同时等效地移到环内前向通道上，并将给定信号改成

*Un1，再把时间常数为和Ton的两个惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为Tn惯性环节，

??KI其中

1Tn??Ton ?KI为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前必须有一个积分环节，它应该包含转速调节器ASR中，由于在扰动作用点后面已经有了个积分环节，因此转速环开环传递函数应该共有两个积分环节，所以应该设计成典型II型系统，这样就同时满足同台抗扰性能好的要求。所以ASR也应该采用PI调节器，器传递函数为

WASR(s)?Kn(?ns?1)?ns

Kn 转速调节器的比例系数；

?n 转速调节器的超前时间常数。

其中：

?n?hT?n

2.3 转速电流双闭环参数

直流电动机：UN?220V，IN?12.35A，nN?1500rpm，

Cm?1.63V?min/r，

Cm?1.63V?min/r，晶闸管装置放大系数：Ks?40，允许过载倍数??1.5；

晶闸管装置放大系数：Ks?40；电枢回路总电阻：R=5.3?

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时间常数：Tl?0.001s Tm?1.8s3，R0?40K?，??0.05VA

2.4 电流环的设计

（1）整流装置滞后时间常数

Ts。按文献[1]，单相桥式电路的平均失控之间T=0.005s。

s（2）电流滤波时间常数Toi。单相桥式电路每个波头的时间是20ms，为了基本滤平波头，应有

Toi=20ms，因此去Toi=0.0025s电流环小时间常数之和Ti?（3）选择电流调节器结构

Ti?Ts?Toi?0.0075s。?

根据设计要求：

?i%≤5%，可按典型Ⅰ型设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的,所以

把电流调节器设计成PI型的.

检查对电源电压的抗扰性能:

Tl0.001s??0.13<10由附录表二,各项指标可接受. Ti0.0075s?（4）选择电流调节器的参数

ACR超前时间常数

?i?Tl=0.001s；电流环开环时间增益K?0.5?0.5?66.7s?1，ACR

ITi?0.0075的比例系数Ki?KI?iR66.7?0.001?5.3??0.177。 Ks?40?0.05（5）校验近似条件

电流环截止频率KI??ci?66.7s?1， （1） 晶闸管装置传递函数近似条件：?ci?似条件；

（2）忽略反电动势对电流环影响的条件：

111，现为??66.7?wci，满足近3Ts3Ts3?0.005?ci?3111现为3?3??53.5?wci满足近似条件； TmTlTmTl1.83?0.001 5

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（3）小时间常数近似处理条件：wci?11，

3TsToi现为1111?s?1?161.7s?1?wci，满足近似条件。

3TsToi30.0017?0.0025（4)计算调节器电阻和电容

电流调节器原理图如图2-2所示，按所用运算放大器取R0?40K?，各电阻和电容值计算如下：

Ri?KiR0?0.177?4?104??7.08?103?

Ci??iRi?0.001?0.141?F

7.08?103Coi?4Toi4?0.0025??0.25?F 4R04?10

图2-2 含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器

按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为

?i?4.3%?5% （见文献[1]表3-1）

电流环可以达到的动态指标为：?%?4.3%?5%，也满足设计要求。

2.5 速度环的设计

（1）确定时间常数

①电流环等效时间常数

11：=2Ti?2?0.0075?0.015s

?KIKI6

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②转速滤波时间常数：Ton?0.01s ③转速环小时间常数近似处理：T（2）选择转速调节器结构

按跟随和抗扰性能都能较好的原则,在负载扰动点后已经有了一个积分环节,为了实现转速无静差,还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节,因此需要Ⅱ由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型Ⅱ型系统—选用设计PI调节器。

（3）选择调节器的参数 转速开环增益：KN? ASR的比例系数：

?n?Ti?Ton?0.015?0.01?0.025s。

?h?15?1??192

2h2T2n2?5?0.0252?Kn?(h?1)?CeTm6?0.54?0.17?1.83??118.922h?RTn2?5?0.0064?5.3?0.025?

转速开环增益：

KN?

（4）近似校验

h?15?1??1922h2?Tn22?25?0.00252?

转速截止频率为：Wcn?KN?KN?n?192?0.125?24s?1 ?1电流环传递函数简化条件：

11??26.7s?1??cn，满足条件； 5Ti5?0.0075?转速环时间常数的近似处理条件：(5)调节器的电阻和电容

1KL166.4??27.16??cn，满足条件;

3Ton30.01Rn?KnR0?88.4?4?104?3.536?106

Cn??nRn?0.125?0.035uF 63.536?10Con?

4Ton4?0.01??1uF R04?1047

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图2-3 含给定滤波与反馈滤波PI型转速调节器

转速调节器退饱和时转速超调量得计算

如果转速调节器没有饱和限幅的约束，调速系统可以在很大范围内线性工作，则双闭环系统启动时的转速过度过程就会产生较大的超调量（如上所述?n?37.6%）。实际上，突加给定电压后，

*转速调节器很快就进入饱和状态，输入很定的限幅电压Uim，使电动机在恒流条件下启动，启动电*流Id?Idm?Uim/?，而转速的增长规律如图2-3所示。虽然这时的启动过程要比调节没有限幅时慢

的多，但为了保证启动电流不超过允许值，这是必须的。

图2-4 ASR有饱和限幅时转速环按典型II型系统设计的调速系统启动过程

在典型II型系统抗扰性能指标中，由下式表达的?C的基准值是

Cb?2FK2TK2?RCeTm

T?T?nF?Idm?Idl所以?n的基准值应该是

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?nb?2RT?n(Idm?Idl) （2-3）

CeTm令 ?为电动机允许的过载倍数，即??IdmI；z为负载系数，z?dL； IdNIdNIdNR带入公式（2-3）得 Ce?nN为调速系统开环机械特性的额定稳态速降，?nN??nb?2(??z)?nN*T?n Tm[1]作为转速超调量?n，其基准值应该是n，因此退饱和超调量可以由文献

中表3-5列出的

?Cmax/Cb数据经基准值算后求得，

?n?(带入实验数据得

?Cmax?nb?C?nT)*?2(max)(??z)*N?n CbnCbnTm?n?(能满足设计要求。

?Cmax?nb)*?1.5%?10% Cbn

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总结与体会

通过本设计，我对自动控制系统在工业中的运用有了深入的认识，对自动控制系统设计步骤、思路、有一定的了解与认识。在课程设计过程中，我都按照自动控制系统课上学到的设计步骤来做，首先熟悉系统的工艺，进行对象的分析，设计总体方案，其间与同学进行几次方案的讨论、修改，再讨论、再修改，最后定案，确定最终方案，然后设计硬件部分，通过查资料选取适当的硬件，画出对应的电路图，接着设计控制器，以及各部分的功能模块的实现。

本次设计的时间比较仓促，但我老师的指导下和同学们得帮助下，最终完成这次设计。通过这个设计我同时也体会到了团队合作的乐趣。但是，通过设计我也明白一点，我们上课所学到的知识在做本设计时是远远的不够的，只是设计的一点皮毛而已。平常我们应该扩大自己得知识面。经过这次的课程设计，不仅在书上学到的知识得到了巩固而且加强了动手实践能力。

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参考文献

[1] 陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社，2002 [2] 邹伯敏.自动控制理论.机械工业出版社 2003

[3] 章燕申,袁曾任.控制系统的设计与实践.清华大学出版社,1992.3 [4] 王兆安,黄俊.电力电子技术.机械工业出版社，2002

[5] 张柳芳,王彦辉.速度和电流双闭环直流调速系统的设计. 新探平顶山师专,2000.5

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/fxgr.html