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《电力拖动自动控制系统》-第二章转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法

《电力拖动自动控制系统》-第二章转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法
《电力拖动自动控制系统》-第二章转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法

第二章转速、电流双闭环直流调速系统和调节器

的工程设计方法

内容提要:

转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。本章着重阐明其控制规律、性能特点和设计方法,是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。我们将重点学习:

●转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性

●双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析

●调节器的工程设计方法

●按工程设计方法设计双闭环系统的调节器

●弱磁控制的直流调速系统

2.1 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性

问题的提出:

第1章中表明,采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是,如果对系统的动态性能要求较高,例如:要求快速起制动,突加负载动态速降小等等,单闭环系统就难以满足需要。

1. 主要原因

是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。在单闭环直流调速系统中,电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的,但它只能在超过临界电流值 Idcr 以后,靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击,并不能很理想地控制电流的动态波形。

2.理想的启动过程

a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统 b) 理想的快速起动过程 2-1 直

流调速系统起动过程的电流和转速波形

性能比较:

带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程如图所示,起动电流达到最大值Idm 后,受电流负反馈的作用降低下来,电机的电磁转矩也随之减小,加速过程延长。理想起动过程波形如图所示,这时,起动电流呈方形波,转速按线性增长。这是在最大电流(转矩)受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。

3. 解决思路

为了实现在允许条件下的最快起动,关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。按照反馈控制规律,采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变,那么,采用

电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。

现在的问题是,我们希望能实现控制:

●起动过程,只有电流负反馈,没有转速负反馈。

●稳态时,只有转速负反馈,没有电流负反馈。

怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈,又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢?

2.1.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,可在系统中设置两个调节器,分别调节转速和电流,即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套(或称串级)联接如下图所示。

1.系统的组成

图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构

ASR—转速调节器 ACR—电流调节器 TG—测速发电机

TA—电流互感器 UPE—电力电子变换器

图中,把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看,电流环在里面,称作内环;转速环在外边,称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

2. 系统电路结构

为了获得良好的静、动态性能,转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器,这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于下图。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性,它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的,并考虑到运算放大器的倒相作用。图中表出,两个调节器的输出都是带限幅作用的。

●转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值;

●电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。

3. 限幅电路

二极管嵌位的外限幅电路

稳压管钳位的外限幅电路

4. 电流检测电路

电流检测回路TA-电流互感器

2.1.2 稳态结构图和静特性

为了分析双闭环调速系统的静特性,必须先绘出它的稳态结构图,如下图。它可以很方便地根据上图的原理图画出来,只要注意用带限幅的输出特性表示PI 调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的PI 调节器的稳态特征。

1. 系统稳态结构框图

2. 限幅作用

存在两种状况:

●饱和——输出达到限幅值

当调节器饱和时,输出为恒值,输入量的变化不再影响输出,除非有反向的输入信号使调节器退出饱和;换句话说,饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系,相当于使该调节环开环。

●不饱和——输出未达到限幅值

当调节器不饱和时,正如1.6节中所阐明的那样,PI 作用使输入偏差电压在稳态时总是零。

3. 系统静特性

实际上,在正常运行时,电流调节器是不会达到饱和状态的。因此,对于静特性来说,只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。双闭环直流调速系统的静特性如图

(1)转速调节器不饱和

0*n n U U n n αα=== d i i I U U β==*

式中α,β——转速和电流反馈系数。

由第一个关系式可得 0n U n n

==α (2-1)

从而得到上图静特性的CA 段。

静特性的水平特性:

与此同时,由于ASR 不饱和,**>im i U U ,从上述第二个关系式可知: dm d I I <。

这就是说, CA 段静特性从理想空载状态的 0=d I 一直延续到 dm d I I = ,而dm

I 一般都是大于额定电流dN I 的。这就是静特性的运行段,它是水平的特性。

(2) 转速调节器饱和

这时,ASR 输出达到限幅值*im U ,转速外环呈开环状态,转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时dm im

d I U I ==β,

(2-2)。式中,最大电流dm I 是由设计者选定的,取决于电机的容许过载能力和拖动系统允

许的最大加速度。

静特性的垂直特性

式(2-2)所描述的静特性是上图中的AB 段,它是垂直的特性。

这样的下垂特性只适合于 0n n <的情况,因为如果 0n n > ,则*>n n U U ,ASR

将退出饱和状态。

4. 两个调节器的作用

双闭环调速系统的静特性在负载电流小于dm I 时表现为转速无静差,这时,转速负反馈

起主要调节作用。

当负载电流达到dm I 后,转速调节器饱和,电流调节器起主要调节作用,系统表现为电

流无静差,得到过电流的自动保护。

这就是采用了两个PI 调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带

电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷

大,特别是为了避免零点飘移而采用“准PI 调节器”时,静特性的两段实际上都略有很小的

静差,如上图中虚线所示。

2.1.3 各变量的稳态工作点和稳态参数计算

双闭环调速系统在稳态工作中,当两个调节器都不饱和时,各变量之间有下列关系

0n n U U n n αα===* (2-3)

dL d i i I I U U ββ===* (2-4)

s

dL n e s d e s d c K R I U C K R I n C K U U +=+==*α/0 (2-5) 上述关系表明,在稳态工作点上,

● 转速n 是由给定电压*

n U 决定的

● ASR 的输出量*i U 是由负载电流dL I 决定的

● 控制电压c U 的大小则同时取决于d I n 和,或者说,同时取决于*n U 和dL I 。

这些关系反映了PI 调节器不同于P 调节器的特点。比例环节的输出量总是正比于其输

入量,而PI 调节器则不然,其输出量的稳态值与输入无关,而是由它后面环节的需要决定

的。后面需要PI 调节器提供多么大的输出值,它就能提供多少,直到饱和为止。

反馈系数计算

两个给定电压的最大值U*nm 和U*im 由设计者选定,设计原则如下:

U*nm 受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制;

U*im 为ASR 的输出限幅值。

2.2 双闭环直流调速系统的数学模型

和动态性能分析

本节提要

双闭环直流调速系统的动态数学模型

起动过程分析

动态抗扰性能分析

转速和电流两个调节器的作用

2.2.1 双闭环直流调速系统的动态数学模型

在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上,考虑双闭环控制的结构,即

可绘出双闭环直流调速系统的动态结构框图,如下图所示。

2. 数学模型

图中W ASR(s)和WACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。

如果采用PI 调节器,则有

2.2.2 起动过程分析

前已指出,设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想起动过程,因

此在分析双闭环调速系统的动态性能时,有必要首先探讨它的起动过程。

双闭环直流调速系统突加给定电压U*n 由静止状态起动时,转速和电流的动态

过程示于下图。

1. 起动过程

由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况,整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。

第I阶段电流上升的阶段(0 ~ t1)

?突加给定电压U*n 后,I d 上升,当I d小于负载电流I dL 时,电机还不能转动。

?当I d ≥I dL后,电机开始起动,由于机电惯性作用,转速不会很快增长,因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大,其输出电压保持限幅值U*im,强迫电流I d 迅速上升。

第I阶段(续)

第I 阶段(续)

?直到,I d = I dm,U i= U*im电流调节器很快就压制I d了的增长,标志着这一阶段的结束。

在这一阶段中,ASR很快进入并保持饱和状态,而ACR一般不饱和。

第II 阶段恒流升速阶段(t1 ~ t2)

?在这个阶段中,ASR始终是饱和的,转速环相当于开环,系统成为在恒值电流U*im 给定下的电流调节系统,基本上保持电流I d恒定,因而系统的加速度恒定,转速呈线

性增长。

第II 阶段(续)

第II 阶段(续)

?与此同时,电机的反电动势E 也按线性增长,对电流调节系统来说,E 是一个线性渐增的扰动量,为了克服它的扰动,U d0和U c也必须基本上按线性增长,才能保持I d恒定。

?当ACR采用PI调节器时,要使其输出量按线性增长,其输入偏差电压必须维持一定的恒值,也就是说,I d应略低于I dm。

第II 阶段(续)

恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。

为了保证电流环的主要调节作用,在起动过程中ACR是不应饱和的,电力电子装置UPE 的最大输出电压也须留有余地,这些都是设计时必须注意的。

第Ⅲ阶段转速调节阶段(t2 以后)

?当转速上升到给定值时,转速调节器ASR的输入偏差减少到零,但其输出却由于积分作用还维持在限幅值U*im,所以电机仍在加速,使转速超调。

?转速超调后,ASR输入偏差电压变负,使它开始退出饱和状态,U*i和I d很快下降。但是,只要I d仍大于负载

电流I dL ,转速就继续上升。

第Ⅲ阶段(续)

第Ⅲ阶段(续)

?直到I d= I dL时,转矩T e= T L,则d n/d t = 0,转速n才到达峰值(t = t3时)。

第Ⅲ阶段(续)

?此后,电动机开始在负载的阻力下减速,与此相应,在一小段时

间内(t3 ~ t4),I d

第Ⅲ阶段(续)

在这最后的转速调节阶段内,ASR和ACR都不饱和,ASR起主导的转速调节作用,而ACR则力图使I d尽快地跟随其给定值U*i,或者说,电流内环是一个电流随动子系统。

2. 分析结果

综上所述,双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点:

(1)饱和非线性控制

(2)转速超调

(3)准时间最优控制

(1)饱和非线性控制

根据ASR的饱和与不饱和,整个系统处于完全不同的两种状态:

?当ASR饱和时,转速环开环,系统表现为恒值电流调节的单闭环

系统。

?当ASR不饱和时,转速环闭环,整个系统是一个无静差调速系统,

而电流内环表现为电流随动系统。

(2)转速超调

由于ASR采用了饱和非线性控制,起动过程结束进入转速调节阶段后,必须使转速超调,ASR 的输入偏差电压△U n为负值,才能使ASR退出饱和。

这样,采用PI调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调。

(3)准时间最优控制

起动过程中的主要阶段是第II阶段的恒流升速,它的特征是电流保持恒定。一般选择为电动机允许的最大电流,以便充分发挥电动机的过载能力,使起动过程尽可能最快。

这阶段属于有限制条件的最短时间控制。因此,整个起动过程可看作为是一个准时间最优控制。

最后,应该指出,对于不可逆的电力电子变换器,双闭环控制只能保证良好的起动性能,却不能产生回馈制动,在制动时,当电流下降到零以后,只好自由停车。必

须加快制动时,只能采用电阻能耗制动或电磁抱闸。

2.2.3 动态抗扰性能分析

一般来说,双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统,最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。

1. 抗负载扰动

抗负载扰动(续)

由动态结构框图中可以看出,负载扰动作用在电流环之后,因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时,应要求有较好的抗扰性能指标。

抗电网电压扰动(续)

3. 对比分析

?在单闭环调速系统中,电网电压扰动的作用点离被调量较远,调节作用受到多个环节的延滞,因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。

?双闭环系统中,由于增设了电流内环,电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节,不必等它影响到转速以后才能反馈回来,抗扰性能大有改善。

4. 分析结果

因此,在双闭环系统中,由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。

2.2.4 转速和电流两个调节器的作用

综上所述,转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用可以分别归纳如下:

1. 转速调节器的作用

(1)转速调节器是调速系统的主导调节器,它使转速n 很快地跟随给定电压变化,稳态时可减小转速误差,如果采用PI调节器,则可实现无静差。

(2)对负载变化起抗扰作用。

(3)其输出限幅值决定电机允许的最大电流。

2. 电流调节器的作用

(4)当电机过载甚至堵转时,限制电枢电流的最大值,起快速的自动保护作用。一旦故障消失,系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。

2.3 调节器的工程设计方法

2.3.0 问题的提出

必要性

用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求,需要设计者有扎实的理论基础和丰富的实践经验,而初学

者则不易掌握,于是有必要建立实用的设计方法。

问题的提出(续)

?可能性

大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低阶系统近似。若事先深入研究低阶典型系统的特性并制成图表,那么将实际系统校正或简化成典型系统的形式再与图表对照,设计过程就简便多了。这样,就有了建立工程设计方法的可能性。

?设计方法的原则:

(1)概念清楚、易懂;

(2)计算公式简明、好记;

(3)不仅给出参数计算的公式,而且指明参数调整的方向;

(4)能考虑饱和非线性控制的情况,同样给出简单的计算公式;

(5)适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。

2.3.1 工程设计方法的基本思路

1.选择调节器结构,使系统典型化并满足稳定和稳态精度。

2.设计调节器的参数,以满足动态性能指标的要求。

2.3.2 典型系统

一般来说,许多控制系统的开环传递函数都可表示为

(2-8)

上式中,分母中的s r 项表示该系统在原点处有r 重极点,或者说,系统含有r 个积分环节。根据r=0,1,2,…等不同数值,分别称作0型、I型、Ⅱ型、…系统。

自动控制理论已经证明,0型系统稳态精度低,而Ⅲ型和Ⅲ型以上的系统很难稳定。

因此,为了保证稳定性和较好的稳态精度,多选用I型和II 型系统。

1. 典型I型系统

?结构图与传递函数

开环对数频率特性

?性能特性

典型的I型系统结构简单,其对数幅频特性的中频段以

–20 dB/dec 的斜率穿越0dB 线,只要参数的选择能保证足够的中频带宽度,系统就一定是稳定的,且有足够的稳定裕量,即选择参

数满足

2. 典型Ⅱ型系统

?结构图和传递函数

?开环对数频率特性

?性能特性

典型的II型系统也是以–20dB/dec 的斜率穿越零分贝线。由于分母中s2 项对应的相频特性是–180°,后面还有一个惯性环节,在分子添上一个比例微分环节( s +1),是为了把相频特性抬到–180°线以上,以保证系统稳定,即应选择参数满足

2.3.3 控制系统的动态性能指标

自动控制系统的动态性能指标包括:

?跟随性能指标

?抗扰性能指标

?系统典型的阶跃响应曲线

1. 跟随性能指标:

在给定信号或参考输入信号的作用下,系统输出

量的变化情况可用跟随性能指标来描述。常用的阶跃响应跟随性能指标有

?t r—上升时间

?σ—超调量

?t s—调节时间

?突加扰动的动态过程和抗扰性能指标

2. 抗扰性能指标

抗扰性能指标标志着控制系统抵抗扰动的能力。常用的抗扰性能指标有

??C max—动态降落

?t v—恢复时间

一般来说,调速系统的动态指标以抗扰性能为主,而随动系统的动态指标则以跟随性能为主。

2.3.4 典型I型系统性能指标和参数的关系

典型I型系统的开环传递函数如式(2-9)所示,它包含两个参数:开环增益K 和时间常数T。其中,时间常数T在实际系统中往往是控制对象本身固有的,能够由调节器改变的只有开环增益K,也就是说,K是唯一的待定参数。设计时,需要按照性能指标选择参数K的大小。?K与开环对数频率特性的关系

图2-13绘出了在不同K 值时典型I 型系统的开环对数频率特性,箭头表示K值增大时特性变化的方向。

?K与截止频率ωc的关系

当ωc< 1 / T时,特性以–20dB/dec斜率穿越零分贝线,系统有较好的稳定性。由图中的特性可知

式(2-12)表明,K 值越大,截止频率ωc也越大,系统响应越快,但相角稳定裕度γ = 90°– arctgωc T越小,这也说明快速性与稳定性之间的矛盾。在具体选择参数K 时,须在二者之间取折衷。

下面将用数字定量地表示K 值与各项性能指标之

间的关系。

表2-1 I型系统在不同输入信号作用下的稳态误差

由表可见:

?在阶跃输入下的I 型系统稳态时是无差的;

?但在斜坡输入下则有恒值稳态误差,且与K 值成反比;

?在加速度输入下稳态误差为∞。

因此,I型系统不能用于具有加速度输入的随动系统。(2)动态跟随性能指标

?闭环传递函数:典型I 型系统是一种二阶系统,其闭环传递函数的一般形式为

?K、T与标准形式中的参数的换算关系

?二阶系统的性质

●当ξ<1 时,系统动态响应是欠阻尼的振荡特性,

●当ξ> 1 时,系统动态响应是过阻尼的单调特性;

●当ξ= 1 时,系统动态响应是临界阻尼。

由于过阻尼特性动态响应较慢,所以一般常把系统设计成欠阻尼状态,即

0<ξ < 1

由于在典I 系统中KT <1,代入式(2-16)得ξ > 0.5。因此在典型I 型系统中应取

下面列出欠阻尼二阶系统在零初始条件下的阶跃响应动态指标计算公式

?性能指标和系统参数之间的关系

表2-2 典型I型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系

(ζ与KT的关系服从于式2-16)

具体选择参数时,应根据系统工艺要求选择参数以满足性能指标。

2. 典型I型系统抗扰性能指标与参数的关系

图2-15a是在扰动F作用下的典型I 型系统,其中,

W1(s)是扰动作用点前面部分的传递函数,后面部分是

W2(s),于是

只讨论抗扰性能时,令输入作用R = 0,得到图2-15b 所示的等效结构图。

图2-15 扰动作用下的典型I型系统

由于抗扰性能与W1(s) 有关,因此抗扰性能指标也不定,随着扰动点的变化而变化。在此,我们针对常用的调速系统,分析图2-16的一种情况,其他情况可仿此处理。经过一系列计算可得到表2-3 所示的数据。

?分析结果

由表2-3中的数据可以看出,当控制对象的两个时间常数相距较大时,动态降落减小,但恢复时间却拖得较长。

2.3.5 典型II型系统性能指标和参数的关系

?可选参数:在典型II型系统的开环传递函数式(2-10)中,

与典型I 型系统相仿,时间常数T也是控制对象固有的。所不同的是,待定的参数有两个:K 和τ,这就增加了选择参数工作的复杂性。

为了分析方便起见,引入一个新的变量(图2-16),令

典型Ⅱ型系统的开环对数幅频特性

?中频宽h

由图可见,h 是斜率为–20dB/dec的中频段的宽度(对数坐标),称作“中频宽”。由于中频段的状况对控制系统的动态品质起着决定性的作用,因此h 值是一个很关键的参数。

只要按照动态性能指标的要求确定了h值,就可以代入这两个公式计算K 和τ,并由此计算调节器的参数。

表2-5 II型系统在不同输入信号作用下的稳态误差

由表可知:

?在阶跃和斜坡输入下,II型系统稳态时均无差;

?加速度输入下稳态误差与开环增益K成反比。

表2-6 典型II型系统阶跃输入跟随性能指标

(按M rmin准则确定关系时)

图2-17b 典型II型系统在一种扰动作用下的动态结构框图

双闭环直流调速系统

双 闭 环 直 流 调 速 系 统 姓名: 学号: 专业:电气工程及其自动化 日期:2015年12月23日

摘要 直流电动机具有良好的起动、制动性能,宜于在大范围内平滑调速,在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器,构成了电流环和转速环,前者通过电流元件的反馈作用稳定电流,后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定,最终消除转速偏差,从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时,转速外环饱和不起作用,电流内环起主要作用,调节起动电流保持最大值,使转速线性变化,迅速达到给定值;稳态运行时,转速负反馈外环起主要作用,使转速随转速给定电压的变化而变化,电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。 关键词:双闭环,转速调节器,电流调节器 双闭环直流调速系统的设计 双闭环直流调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 分别调节转速和电流, 即分别引入转速负反馈和电流负反馈。 两者之间实行嵌套连接,且都带有输出限幅电路。转速调节器 ASR 的输出限幅电压*im U 决定了电流给定电压的最大值;电流调节器 ACR 的输出限幅电压cm U 限制了电力电子变换器的最大输出电压dm U 。 由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环, 以保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE ,这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

转速电流双闭环直流调速系统实训设计说明

摘要 电机自动控制系统广泛应用于机械,钢铁,矿山,冶金,化工,石油,纺织,军工等行业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电机,提高其运行性能,对国民经济具有十分重要的现实意义。 20世纪90年代前的大约50年的时间里,直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机,直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交,为控制提供了便捷的方式,使得电动机具有优良的起动,制动和调速性能。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战,但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。因为它具有良好的线性特性,优异的控制性能,高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠,精度最高的调速方法。 本次设计的主要任务就是应用自动控制理论和工程设计的方法对直流调速系统进行设计和控制,设计出能够达到性能指标要求的电力拖动系统的调节器,通过在DJDK-1型电力电子技术及电机控制试验装置上的调试,并应用MATLAB软件对设计的系统进行仿真和校正以达到满足控制指标的目的。

在转速闭环直流调速系统中,只有电流截止负反馈环节对电枢电流加以保护,缺少对电枢电流的精确控制,也就无法充分发挥直流伺服电动机的过载能力,因而也就达不到调速系统的快速起动和制动的效果。通过在转速闭环直流调速系统的基础上增加电流闭环,即按照快速起动和制动的要求,实现对电枢电流的精确控制,实质上是在起动或制动过程的主要阶段,实现一种以电动机最大电磁力矩输出能力进行启动或制动的过程。 一、设计要求 设一个转速、电流双闭环直流调速系统,采用双极式H桥PWM方式驱动,已知电动机参数为:

转速电流双闭环可逆直流调速系统仿真与设计方案

《运动控制》课程设计题目:转速,电流双闭环可逆直流宽频调速系统设计 系部:自动化系 专业:自动化 班级:自动化1班 学号:11423006 11423025 11423015 姓名:杨力强.丁珊珊.赵楠 指导老师:刘艳 日期:2018年5月26日-2018年6月13日

一、设计目的 应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法,结合生产实际,确定系统的性能指标与实现方案,进行运动控制系统的初步设计。 应用计算机仿真技术,通过在MA TLAB软件上建立运动控制系统的数学模型,对控制系统进行性能仿真研究,掌握系统参数对系统性能的影响。 在原理设计与仿真研究的基础上,应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计,为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。 二、系统设计参数 直流电动机控制系统设计参数:< 直流电动机(3> ) 输出功率为:5.5Kw 电枢额定电压220V 电枢额定电流 30A 额定励磁电流1A 额定励磁电压110V 功率因数0.85 电枢电阻0.2欧姆 电枢回路电感100mH 电机机电时间常数1S 电枢允许过载系数=1.5 额定转速 970rpm 直流电动机控制系统设计参数 环境条件: 电网额定电压:380/220V。电网电压波动:10%。 环境温度:-40~+40摄氏度。环境湿度:10~90%. 控制系统性能指标: 电流超调量小于等于5%。 空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%。 调速范围D=20。 静差率小于等于0.03.

1、设计内容和数据资料 某直流电动机拖动的机械装置系统。 主电动机技术数据为: ,,,电枢回路总电阻,机电时间常数 ,电动势转速比,Ks=40,,Ts=0.0017ms,电流反馈系数,转速反馈系数,试对该系统进行初步设计。2、技术指标要求 电动机能够实现可逆运行。要求静态无静差。动态过渡过程时间,电流超调量,空载起动到额定转速时的转速超调量。 三、主电路方案和控制系统确定 主电路选用直流脉宽调速系统,控制系统选用转速、电流双闭环控制方案。主电路采用25JPF40电力二极管不可控整流,逆变器采用带续流二极管的功率开关管IGBT构成H型双极式控制可逆PWM变换器。其中属于脉宽调速系统特有的部分主要是UPM、逻辑延时环节DLD、全控型绝缘栅双极性晶体管驱动器GD和PWM变换器。系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器,构成了电流环和转速环,前者通过电流元件的反馈作用稳定电流,后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定,最终消除转速偏差, 从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时,转速外环饱和不起作用,电流内环起主要作用,调节起动电流保持最大值,使转速线性变化,迅速达到给定值;稳态运行时,转速负反馈外环起主要作用,使转速随转速给定电压的变化而变化,电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流原理图

双闭环直流调速系统

题目:双闭环直流调速系统的设计与仿真 已知:直流电动机:P N=60KW,U N=220V,I N=305A,n N=1000r/min,λ=2,R a=0.08, R rec=0.1, T m=0.097s, T l=0.012s, T s=0.0017s, 电枢回路总电阻R=0.2Ω。设计要求:稳态无静差,σ ≤5%,带额定负载起动到额定转速的转速超调σn≤10%。(要求完 i 成系统各环节的原理图设计和参数计算)。 系统各环节的原理图设计和参数计算,包括主电路、调节器、电流转速反馈电路和必要的保护等,并进行必要的计算。按课程设计的格式要求撰写课程设计说明书。 设计内容与要求:1、分析双闭环系统的工作原理 2、改变调节器参数,分析对系统动态性能的影响 3、建立仿真模型

1.双闭环直流调速系统的原理及组成 对于正反转运行的调速系统,缩短起,制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此,在起动(或制动)过渡过程中,希望始终保持电流(电磁转矩)为允许的最大值,是调速系统以最大的加(减)速度运行。当到达稳态转速时,最好使电流立即降下来,使电磁转矩与负载转矩相平衡,从而迅速转入稳态运行。实际上,由于主电路电感的作用,电流不可能突变,为了实现在允许条件下的最快起动,关键是要获得一段使 电流保持为最大值dmI的恒流过程。按照反馈控制规律,采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变,采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。 为了使转速和电流两种负反馈分别起作用,可在系统中设置两个调节器,分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流,二者之间实行嵌套连接,如图1所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器。从闭环结构上看,电流环在里面,称做内环;转速环在外面,称做外环。这就形成了转速电流负反馈直流调速系统。为了获得良好的静动态性能,转速和电流两个调节器一般采用PI调节器。 2.双闭环控制系统起动过程分析 前面已经指出,设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程,因此在分析双闭环调速系统的动态性能时,有必要先探讨它的起动过程。双闭环调速系统突加给定电压*nU由静止状态起动时,转速和电流的过渡过程如图4所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三

转速电流双闭环直流调速系统 课程设计

课程设计任务书 某晶闸管供电的双闭环直流调速系统,整流装置采用三相桥式电路,基本数据为: 直流电动机:U N=220V,I N=205A,=575r/min , R a=0.1,电枢电路总电阻R=0.2,电枢电路总电感L=7.59mH,电流允许过载倍数,折算到电动机轴的飞轮惯量。 晶闸管整流装置放大倍数,滞后时间常数 电流反馈系数( 转速反馈系数() 滤波时间常数取,。 ;调节器输入电阻R0=40。 设计要求: 稳态指标:无静差; 动态指标:电流超调量;空载起动到额定转速时的转速超调量。

目录 课程设计任务书 (1) 第一章直流双闭环调速系统原理 (3) 1.1系统的组成 (3) 1.2 系统的原理图 (4) 第二章转速、电流双闭环直流调速器的设计 (6) 2.1 电流调节器的设计 (6) 2.2 转速调节器的设计 (13) 第三章系统仿真 (21) 心得体会 (26) 参考文献 (27)

第一章直流双闭环调速系统原理 1.1系统的组成 转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。采用PI调节的单个转速闭环调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是对系统的动态性能要求较高的系统,单闭环系统就难以满足需要了。 为了实现在允许条件下的最快启动,关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。按照反馈控制规律,采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变,那么,采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。所以,我们希望达到的控制:启动过程只有电流负反馈,没有转速负反馈;达到稳态转速后只有转速负反馈,不让电流负反馈发挥作用。故而采用转速和电流两个调节器来组成系统。 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,可以在系统中设置两个调节器,分别调节转速和电流,即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套(或称串级)联接,如图1-1所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再把电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看,电流环在里面,称作内环;转速换在外边,称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

实验二转速、电流双闭环直流调速系统

实验二 转速、电流双闭环直流调速系统 一、实验目的 1.了解转速、电流双闭环直流调速系统的组成。 2.掌握双闭环直流调速系统的调试步骤,方法及参数的整定。 3.测定双闭环直流调速系统的静态和动态性能及其指标。 4.了解调节器参数对系统动态性能的影响。 二、实验系统组成及工作原理 双闭环调速系统的特征是系统的电流和转速分别由两个调节器控制,由于调速系统调节的主要参量是转速,故转速环作为主环放在外面,而电流环作为副环放在里面,可以及时抑制电网电压扰动对转速的影响。实际系统的组成如实验图2-1所示。 实验图2-1 转速、电流双闭环直流调速系统 主电路采用三相桥式全控整流电路供电。系统工作时,首先给电动机加上额定励磁,改 变转速给定电压* n U 可方便地调节电动机的转速。速度调节器ASR 、电流调节器ACR 均设有 限幅电路,ASR 的输出*i U 作为ACR 的给定,利用ASR 的输出限幅*im U 起限制起动电流的作 用;ACR 的输出c U 作为触发器TG 的移相控制电压,利用ACR 的输出限幅cm U 起限制αmin 的作用。 当突加给定电压*n U 时,ASR 立即达到饱和输出* im U ,使电动机以限定的最大电流I dm 加速起动,直到电动机转速达到给定转速(即* n n U U )并出现超调,使ASR 退出饱和,最后稳 定运行在给定转速(或略低于给定转速)上。 三、实验设备及仪器 1.主控制屏NMCL-32 2.直流电动机-负载直流发电机-测速发电机组 3. NMCL -18挂箱、NMCL-333挂箱及电阻箱 4.双踪示波器 5.万用表 四、实验内容

1.调整触发单元并确定其起始移相控制角,检查和调整ASR 、ACR ,整定其输出正负限幅值。 2.测定电流反馈系数β和转速反馈系数α,整定过电流保护动作值。 3.研究电流环和转速环的动态特性,将系统调整到可能的最佳状态,画出)(t f I d =和)(t f n =的波形,并估算系统的动态性能指标(包括跟随性能和抗扰性能) 。 4.测定高低速时系统完整的静特性)(d I f n =(包括下垂段特性),并计算在一定调速范围内系统能满足的静态精度。 五、实验步骤及方法 1.多环调速系统调试的基本原则 (1)先部件,后系统。即先将各环节的特性调好,然后才能组成系统。 (2)先开环,后闭环。即先使系统能正常开环运行,然后在确定电流和转速均为负反馈后组成闭环系统。 (3)先内环,后外环。即闭环调试时,先调电流内环,然后再调转速外环。 2.单元部件参数整定和调试 (1)主控制屏开关按实验内容需要设置 (2)触发器整定 将面板上的U blf 端接地,调整锯齿波触发器的方法同实验1。 (3)调节器调零 断开主回路电源开关SW ,给定电压U g 接到零速封锁器DZS 输入端,并将DZS 的输出接到ASR 和ACR 的封锁端。控制系统按开环接线,ASR 、ACR 的反馈回路电容短接,形成低放大系数的比例调节器。 a)ASR 调零 将调节器ASR 的给定及反馈输入端接地,调节ASR 的调零电位器,使ASR 的输出为零。 b)ACR 调零 将调节器ACR 的给定及反馈输入端接地,调节ACR 的调零电位器,使ACR 的输出为零。 (4)调节器输出限幅值整定 a)ASR 输出限幅值整定 ASR 按比例积分调节器接线,将U g 接到ASR 的输入端,当输入U g 为正而且增加时,调节 ASR 负限幅电位器,使ASR 输出为限幅值* im U ,其值一般取为8~6--V 。 b)ACR 输出限幅值整定 整定ACR 限幅值需要考虑负载的情况,留有一定整流电压的余量。ACR 按比例积分调节器接线,将g U 接到ACR 的输入端,用ACR 的输出c U 去控制触发移相,当输入g U 为负且增加时,通过示波器观察到触发移相角α移至οο30~15min =α时的电压即为ACR 限幅值U cm ,可通过ACR 正限幅电位器锁定。 3.电流环调试(电动机不加励磁) (1)电流反馈极性的测定及过电流保护环节整定。 整定时ASR 、ACR 均不接入系统,系统处于开环状态。直接用给定电压g U 作为c U 接到移相触发器GT 以调节控制角α,此时应将电动机主回路中串联的变阻器M R 放在最大值处,

电流转速双闭环直流调速系统matlab仿真实验

仿真设计报告

转速、电流双闭环直流调速系统的Simulink仿真设计 一、系统设计目的 直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点,所以在电气传动中获得了广泛应用。根据直流电动机的工作原理建立了双闭环直流调速系统的数学模型,并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。按照自动控制原理,对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算,利用Simulink对系统进行了各种参数给定下的仿真,通过仿真获得了参数整定的依据。在理论分析和仿真研究的基础上,设计了一套实验用双闭环直流调速系统。对系统的性能指标进行了实验测试,表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠,具有较好的静态和动态性能,达到了设计要求。采用MATLAB 软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计,并用SIMULINK进行动态数字仿真,同时查看仿真波形,以此验证设计的调速系统是否可行。 二、系统理论分析 2.1双闭环直流调速系统工作原理 电动机在启动阶段,电动机的实际转速低于给定值,速度调节器的输入端偏差信号,经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器,此时以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号直流电压迅速上升,电流也随即增大直到最大给定值,电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电流可通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。在转速上升到给定转速后,速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动,速度调节器输入端偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器修正触发器的移相电压,使整流桥输出的直流电压相应变化校正和补偿电动机的转速偏差。另外电流调节器的小时间常数,还能对因电网波动引起的电枢电流的变化进行快速调节,可在电动机转速还未来得及发生改变时,迅速使电流恢

案例转速电流双闭环直流调速系统

案例转速、电流双闭环直流调速系统 一、概述 现以ZCC1系列晶闸管—电动机直流调速装置(简称ZCC1系列)为例,来阐述晶闸管—电动机直流调速系统分析、调试的一般方法与步骤。该装置的基本性能如下: (1)装置的负荷性质按连续工作制考核。 (2)装置在长期额定负荷下,允许150%额定负荷持续二分钟,200%额定负荷持续10秒钟,其重复周期不少于1小时。 (3)装置在交流进线端的电压为(0.9~1.05)380伏时,保证装置输出端处输出额定电压和额定电流。电网电压下降超过10%范围时输出额定电压同电源电压成正比例下降。 (4)装置在采用转速反馈情况下,调速范围为20∶1,在电动机负载从10%~100%额定电流变化时,转速偏差为最高转速的0.5%(最高转速包括电动机弱磁的转速)。转速反馈元件采用ZYS型永磁直流测速发电机。 (5)装置在采用电动势反馈(电压负反馈、电流正反馈)时,调速范围为10∶1,电流负载从10%~100%变化时,转速偏差小于最高转速的5%(最高转速包括电动机弱磁的转速)。 (6)装置在采用电压反馈情况下,调压范围为20∶1,电流负载从10%~100%变化时,电压偏差小于额定电压的0.5%。 (7)装置给定电源精度,在电源电压下降小于10%以及温度变化小于±10℃时,其精度为1%。 二、系统的组成 1、主电路 ZCC1系列装置主电路采用三相桥式全控整流电路,交流进线电源通过三相整流变压器或者交流进线电抗器接至380V交流电源。为了使电机电枢电流连续并减小电流脉动以改善电动机的发热和换向,在直流侧接有滤波电抗器L。 2、控制系统 ZCC1系列晶闸管直流调速装置的控制系统采用速度(转速)电流双闭环控制系统,其原理方框图如图3-1所示

双闭环直流调速系统

转速、电流双闭环调速系统 班级:铁道自动化091 姓名:陈涛 指导老师:严俊 完成日期:2011-10-31 湖南铁道职业技术学院

目录 摘要 (3) 一、直流调速介绍 (4) 1、调速定义 (4) 2、调速方法 (4) 3、调速指标 (4) 二、双闭环直流调速系统介绍 (5) 1、转速、电流双闭环调速系统概述 (5) 2、转速、电流双闭环调速系统的组成 (6) 3、PI调节器的稳态特征 (7) 4、起动过程分析 (8) 5、动态性能 (11) 6、两个调节器的作用 (11) 三、总结 (12)

摘要 随着近代电力电子技术和计算机的发展以及现代控制理论的应用,自动化电力拖动正向着计算机控制的生产过程自动化的方向迈进,以达到高速、优质、高效率地生产。在大多数综合自动化系统中,自动化的电力拖动系统仍然是不可缺少的组成部分。 本文讲述的是转速、电流双闭环直流调速系统,通过学习使我对转速、电流双闭环直流调速系统的组成、调速器的稳态特性和作用以及系统的动态特性有了一定的了解。该系统是在单闭环系统的基础上加以改进后完成的,通过对电力拖动自动控制系统的学习,我们里了解到转速、电流双闭环直流调速系统相对于单闭环调速系统的一些优势,它是通过转速反馈和电流反馈两个环节分别起作用的。 通过这次的学习,我懂得了很多,具有了通过运用理论上所掌握的知识来独立发现问题、思考问题、解决问题的能力,在这次的论文中,我有一次重新学习了转速、电流双闭环直流调速系统,使我这一系统有了更进一步的了解。

转速、电流双闭环调速系统 一、直流调速介绍 1、调速定义 调速是指在某一具体负载情况下,通过改变电动据或电源参数的方法,使机械特性曲线得以改变,从而使电动机转速发生变化或保持不变。 2、调速方法 1.调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压,从电动机额定转速向下变速,属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无 级平滑调速的系统来说,这种方法最好。变化遇到的时间常数较小,能快速响应,但是需要大容量可调直流电源。 2.改变电动机主磁通。改变磁通可以实现无级平滑调速,但只能减弱磁通进行调速(简称弱磁调速),从电机额定转速向上调速,属恒功率调速方 法。变化时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多,响应速度较慢,但所需电源容量小。 3.改变电枢回路电阻 <。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法,设备简单,操作方便。但是只能进行有级调速,调速平滑性差,机械特性较软;空载时几乎没什么调速作用;还会在调速电阻上消耗大量电能。 3、调速指标 1.调速范围(包括:恒转矩调速范围/恒功率调速范围),

双闭环调速系统课程设计

目录页 第一章绪论 (2) 1-1课题背景,实验目的与实验设备 (2) 1-2国内外研究情况 (3) 第二章双闭环调速系统设计理论 (3) 2-1典型Ⅰ型和典型Ⅱ型系统 (3) 2-2系统的静,动态性能指标 (4) 2-3非典型系统的典型化 (6) 2-4转速调节器和电流调节器的设计 (7) 第三章模型参数测定和模型建立 (9) 3-1系统模型参数测定实验步骤和原理 (9) 3-2模型测定实验的计算分析 (11) 3-3系统模型仿真和误差分析 (18) 第四章工程设计方法设计和整定转速,电流反馈调速系统 (22) 4-1 设计整定的思路 (22) 4-2 电流调节器的整定和电流内环的校正,简化 (23) 4-3转速调节器的整定和转速环的校正,简化 (25) 4-4系统的实际运行整定 (27) 4-5 关于ASR和ACR调节器的进一步探讨…………………………………… 33 第五章设计分析和心得总结 (34)

5-1实验中出现的问题 (34) 5-2实验心得体会 (35) 第六章实验原始数据 (38) 6-1建模测定数据 (38) 6-2 系统调试实验数据 (39) 第一章绪论 1-1课题背景,实验目的与实验设备 转速,电流反馈控制的调速系统是一种动静态特性优良的直流调速系统,它的控制规律是建立在经典控制规律的基础上的,用传递函数建立动态数学模型,并从传递函数模型和开环频域特性去总结其控制规律,用跟随和抗扰两个方面的指标去衡量它的动静态性能。转速,电流反馈控制的调速系统是一种串级系统,所以其整定系统参数的方法也借鉴了一般串级系统的差别,但又有不同于一般串级系统的。 本次实验的主要目的是针对一套调速系统(包括电源,电机,励磁回路等)建立模型并整定出带滤波的电流调节器和转速调节器参数,投入运行。实验正值暑期实践及国际交流周,我们将用两周的时间来完成参数测定实验,系统建模,调节器整定和系统投入运行。 本次实验的实验设备包括:

直流电动机转速电流双闭环调速系统设计

直流电动机调速系统课程设计 班级:电气0802 姓名:刘志勇 学号: 08140218

目录 第一章:设计内容 (2) 1.1设计内容: (2) 第二章:设计要求 (2) 2.1设计要求 (2) 2.2设计参数: (2) 第三章:双闭环直流调速系统设计 (3) 3.1转速、电流双闭环直流调速系统的成 (3) 3.2系统电路结构 (4) 3.3调节器的设计 (7) 第四章单闭环直流调速系统设计 (14) 4.1闭环系统调速的组成及其静特性 (14) 4.2 稳态参数计算 (16) 第五章相关原理图设计波形图 (19) 5.1.主电路图 (19) 5.2.控制电路图 (20) 第六章设计总结及参考文献 (23) 6.1设计总结 (23) 6.2 参考资料 (23) 1

第一章:设计内容 1.1设计内容: (1)根据给定参数设计转速电流双闭环直流调速系统 (2)根据给定参数设计转速单闭环直流调速系统,使用模拟电路元件实现转速单闭环直流调速系统 第二章:设计要求 2.1设计要求 2.1.1根据设计要求完成双闭环系统的稳态参数设计计算、判断系统的稳定性、绘制系统的稳态结构图 2.1.2直流调速系统的调节器,选择调节器结构、利用伯德图完成系统动态校正、计算系统的稳定余量γ及GM、计算调节器参数、绘系统动态结构图 2.1.3设计采用模拟调节器及MOSFET功率器件实现的转速单闭环调速系统,绘制控制电路及主电路电路图 2.1.4测试单闭环调速系统的PWM驱动信号波形、电压电流波形、转速反馈波形和直流电动机转速及控制电路各单元的相关波形。 2.2设计参数: =1.8Ω 2.2.1电枢电阻R a 电枢电感L =9.76mH、GD2=16.68N·cm2、Tm=35ms a 2

双闭环(电流环、转速环)调速系统

摘要 此设计利用晶闸管、二极管等器件设计了一个转速、电流双闭环直流晶闸管调速系统。该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器,构成了电流环和转速环,前者通过电流元件的反馈作用稳定电流,后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定,最终消除转速偏差,从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时,转速外环饱和不起作用,电流内环起主要作用,调节起动电流保持最大值,使转速线性变化,迅速达到给定值;稳态运行时,转速负反馈外环起主要作用,使转速随转速给定电压的变化而变化,电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。并通过Simulink进行系统的数学建模和系统仿真,分析双闭环直流调速系统的特性。 关键词:双闭环,晶闸管,转速调节器,电流调节器,Simulink

目录 1设计意义 (3) 2主电路设计 (4) 2.1设计任务 (4) 2.2电路设计及分析 (4) 2.2.1电流调节器 (5) 2.2.2转速调节器 (6) 2.3电路设计及分析 (7) 2.4电流调节器设计 (7) 2.4.1电流环简化 (8) 2.4.2电流调节器设计 (8) 2.4.3电流调节器参数计算 (9) 2.4.4电流调节器的实现 (10) 2.5转速调节器设计 (11) 2.5.1电流环等效传递函数 (11) 2.5.2转速调节器结构选择 (12) 2.5.3转速调节器参数计算 (13) 2.5.4转速调节器的实现 (14) 3系统参数计算和电气图 (15) 3.1电流调节器参数计算 (15) 3.2转速调节器参数计算 (15) 3.3电气原理图 (16) 4系统仿真 (18) 5小结体会 (20) 参考文献 (21)

直流电机双闭环调速系统设计.

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊ 目录 1 绪论 (1) 1.1课题研究背景 (1) 1.2研究双闭环直流调速系统的目的和意义 (1) 2 直流电机双闭环调速系统 (3) 2.1直流电动机的起动与调速 (3) 2.2直流调速系统的性能指标 (3) 2.2.1静态性能指标 (3) 2.2.2动态的性能指标 (4) 2.3双闭环直流调速系统的组成 (6) 3 双闭环直流调速系统的设计 (8) 3.1电流调节器的设计 (8) 3.2转速调节器的设计 (10) 3.3闭环动态结构框图设计 (12) 3.4设计实例 (12) 3.4.1设计电流调节器 (13) 3.4.2设计转速调节器 (15) 4.Matlab仿真 (17) 4.1仿真结果分析 (19) 5 结论 (20) 参考文献 (21)

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊1 绪论 1.1课题研究背景 直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。就目前而言,直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式,电机自动控制系统广泛应用于机械,钢铁,矿山,冶金,化工,石油,纺织,军工等行业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电机,提高其运行性能,对国民经济具有十分重要的现实意义。 以上等等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。然而传统双闭环直流电动机调速系统多数采用结构比较简单、性能相对稳定的常规PID控制技术,在实际的拖动控制系统中,由于电机本身及拖动负载的参数(如转动惯量)并不像模型那样保持不变,而是在某些具体场合会随工况发生改变;与此同时,电机作为被控对象是非线性的,很多拖动负载含有间隙或弹性等非线性的因素。因此被控制对象的参数发生改变或非线性特性,使得线性的常参数的PID控制器往往顾此失彼,不能使得系统在各种工况下都保持与设计时一致的性能指标,常常使控制系统的鲁棒性较差,尤其对模型参数变化范围大且具的非线性环节较强的系统,常规PID调节器就很难满足精度高、响应快的控制指标,往往不能有效克服模型参数变化范围大及非线性因素的影响。 1.2研究双闭环直流调速系统的目的和意义 双闭环直流调速系统是性能很好,应用最广的直流调速系统。采用该系统可获得优良的静、动态调速特性。此系统的控制规律,性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。 20世纪90年代前的大约50年的时间里,直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机,直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交,为控制提供了便捷的方式,使得电动机具有优良的起动,制动和调速性能。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战,但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。因为它具有良好的线性特性,优异的控制性能,高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠,精度最高的调速方法。 通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解,使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容,在对其各种性能加深了解的同时,能够发现其缺陷之处,通过对该系统不足之处的完善,可提高该系统的性能,使其能够适用于各种工作场合,提高其使用效率。并以此为基础,再对交流调速系统进行研究,最终掌握各种交、直流调速系统的原理,使之能够应用于国民经济各个

转速电流双闭环直流调速系统仿真设计

转速电流双闭环直流调速系统仿真 摘要:本设计主要研究了直流调速转速电流双闭环控制系统以及对MATLAB软件的使用。系统模型由晶闸管-直流电动机组成的主电路和转速电流调节器组成的控制电路两部分组成。主电路采用三相可控晶闸管整流电路整流,用PI调节器控制,通过改变直流电动机的电枢电压从而进行调压调速。控制电路设置两个PI调节器,分别调节转速和电流,即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者实行嵌套连接,把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE,形成转速电流双闭环直流调速系统。在Simulink中建立仿真模型,设置各个模块的参数,仿真算法和仿真时间,运行得出仿真模型的波形图。通过对波形图的分析,说明直流调速转速电流双闭环控制系统具有良好的静态和动态特性。 关键词:双闭环直流调速系统,MATLAB/SIMULINK仿真,ASR,ACR。 课程概述:直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术。随着交流调速的迅速发展,交流调速技术越趋成熟,以及交流电动机的经济性和易维护性,使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场,并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在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,如要求快速起制动、突加负载动态速降时,单闭环系统就难以满足。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中的电流或转矩。在单闭环系统中,只有电流截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,靠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。实际工作中,在电机最大电流受限的条件下,充分利用电机的允许过载能力,最好是在过渡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。实际上,由于主电路电感的作用,电流不能突跳,为了实现在允许条件下最快启动,关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程,按照反馈控制规律,电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈,而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端,到达稳态转速后,又希望只要转速负反馈,不要电流负反馈发挥主作用,因此需采用双闭环直流调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。其次并基于双闭环的电气原理图的SIMULINK的仿真,分析了直流调速系统的动态抗干扰性能。采用工程设计方法

转速电流双闭环直流调速系统设计

电力拖动自控系统课程设 计报告 题目转速电流双闭环直流调速系统设 计 学院:电子与电气工程学院 年级专业:2012级电气工程及其自动化(电力传动方向)姓名: 学号: 指导教师: 成绩:

电力拖动自动控制系统综合课程设计 设计任务书 某晶闸管供电的双闭环直流调速系统,整流装置采用三相桥式电路,基本数据为: 直流电动机:kW 5.7P N =,V 400U N =,A 8.21I N = ,min /r 3000N =n , W 716.0R a =,电枢回路总电阻Ω=75.1R ,电枢电路总电感mH 60L =,电流允许 过载倍数5.1=λ,折算到电动机轴的飞轮惯量22m N 64.2GD ?=。励磁电流为1.77A 。 晶闸管整流装置放大倍数40K s =,滞后时间常数s 0017.0T s = 电流反馈系数)I 5.1/V 15(A /V 4587.0βN ≈= 电压反馈系数)/V 15(r m in/V 005.0αN n ≈?= 滤波时间常数s 002.0T oi =,s 01.0T on = V 15U U U cm *im *nm ===;调节器输入电阻Ω=K 40R o 。

设计要求:稳态指标:无静差; 动态指标:电流超调量00i 5≤σ;采用转速微分负反馈使转速超调量等于0。 目 录 1 概述 (1) 1.1问题的提出 ............................................................................................................ 1 1.2解决的问题 ............................................................................................................ 1 1.3实现目标要求设计 . (1) 2 主电路计算 (2) 2.1整流变压器的计算 .............................................................................................. 2 2.2晶闸管及其元件保护选择 (2) 3 直流双闭环调速系统设计 (8) 3.1转速和电流双闭环调速系统的组成 .............................................................. 8 3.2系统静态结构图及性能分析 ............................................................................ 9 3.3系统动态结构图及性能分析 .. (10)

转速电流双闭环直流调速系统

课程设计说明书 课程名称:电力拖动自动控制系统 设计题目:转速电流双闭环直流调速系统 院系: 学生姓名: 学号: 专业班级: 指导教师:

2010年12 月30 日

转速电流双闭环直流调速控制系统 摘要:此设计利用晶闸管、二极管等器件设计了一个转速、电流双闭环直流调速系统。该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器,构成了电流环和转速环,前者通过电流元件的反馈作用稳定电流,后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定,最终消除转速偏差,从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时,转速外环饱和不起作用,电流内环起主要作用,调节起动电流保持最大值,使转速线性变化,迅速达到给定值;稳态运行时,转速负反馈外环起主要作用,使转速随转速给定电压的变化而变化,电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。 关键词:双闭环,晶闸管,转速调节器,电流调节器

目录 第一章.直流拖动控制系统总体设计 (1) 一、直流调速系统拖动方案的对比 (1) 二、直流调速系统控制方案的确定 (2) 三、直流电动机的调速方式 (2) 第二章.主电路参数计算和保护环节设计 (3) 一、整流变压器额定参数的计算 (3) 二、主电路器件的计算与选择 (3) 三、主电路保护环节的设计与计算 (3) 四、电抗器参数计算与选择 (4) 第三章.调速系统控制单元的确定和调整 (4) 一、检测环节 (4) 二、调节器的选择与调整 (5) 三、系统的给定电源 (11) 第四章.触发电路的设计 (12) 第五章.调速系统动态参数的工程计 (12) 心得体会 (12) 参考文献 (13) 附件.课程设计要求 (13)

传动教材第2章转速电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法

第2章 转速、电流双闭环直流调速系统 和调节器的工程设计方法 2.1 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 采用PI 调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是,如果对系统的动态性能要求较高,单闭环系统就难以满足需要,这主要是因为在单闭环系统中不能控制电流和转矩的动态过程。电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的,并不能很理想地控制电流的动态波形,图2-1a)。 在起动过程中,始终保持电流(转矩)为允许的最大值,使电力拖动系统以最大的加速度起动,到达稳态转速时,立即让电流降下来,使转矩马上与负载相平衡,从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形示于图2-1b 。 为了实现在允许条件下的最快起动,关键是要获得一段使电流保持为最大值dm I 的恒流过程。按照反馈控制规律,采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变,那么,采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。应该在起动过程中只有电流负反馈,没有转速负反馈,达到稳态转速后,又希望只要转速负反馈,不再让电流负反馈发挥作用。 2.1.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成 系统中设置两个调节器,分别调节转速和电流,如图2-2所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE 。从闭环结构上看,电流环在里面,称作内环;转速环在外边,称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 转速和电流两个调节器一般都采用PI 调节器,图2-3。两个调节器的输出都是带限幅 + TG n ASR ACR U *n + - U n U i U * i + - U c TA M + - U d I d UPE - M T 图2-2 转速、电流双闭环直流调速系统结构 ASR —转速调节器 ACR —电流调节器 TG —测速发电机 TA —电流互感器 UPE —电力电子变换器 内外 n i

转速、电流双闭环直流调速系统设计

运动控制课程设计 专业:自动化 班级: 姓名: 学号: 指导教师: 2015年07月 16 日

转速、电流双闭环直流调速系统设计 1.设计目的 一般来说,我们总希望在最大电流受限制的情况下,尽量发挥直流电动机的过载能力,使电力拖动控制系统以尽可能大的加速度起动,达到稳态转速后,电流应快速下降,保证输出转矩与负载转矩平衡,进入稳定运行状态。为实现在约束条件快速起动,关键是要有一个使电流保持在最大值的恒流过程。根据反馈控制规律,要控制某个量,只要引入这个量的负反馈。因此采用电流负反馈控制过程,起动过程中,电动机转速快速上升,而要保持电流恒定,只需电流负反馈;稳定运行过程中,要求转矩保持平衡,需使转速保持恒定,应以转速负反馈为主。故采用转速、电流双闭环控制系统。 2.设计任务 某晶闸管供电的双闭环直流调速系统,整流装置采用三相桥式电路;基本数据如下: (1)直流电动机:220V、160A、1460r/min、Ce=0.129Vmin/r,允许过载倍数λ=1.5; (2)晶闸管装置放大系数:K s=40; (3)电枢回路总电阻:R=0.5Ω; (4)时间常数:T l=0.03s,T m=0.19s; (5)电流反馈系数:β=0.042V/A; (6)转速反馈系数:α=0.0068Vmin/r; 试按工程设计方法设计双闭环系统的电流调节器和转速调节器,并用Simulink建立系统模型,给出仿真结果。 3.设计要求 根据电力拖动自动控制理论,按工程设计方法设计双闭环调速系统: (1)设计电流调节器的结构和参数,将电流环校正成典型I型系统; (2)分析电流环不同参数下的仿真曲线; (3)在简化电流环的条件下,设计速度调节器的结构和参数,将速度环校正成典型II型系统; (4)分析转速环空载起动、满载起动、抗扰波形图仿真曲线 (5)进行Simulink仿真,验证设计的有效性。 4.设计内容 4.1双闭环直流调速系统的组成

电力拖动自动控制系统第二章习题答案 (2)

第二章双闭环直流调速系统 2-1在转速、电流双闭环调速系统中,若要改变电动机的转速,应调节什么参数?改变转速调节器的放大倍数行不行?改变电力电子变换器的放大倍数行不行?改变转速反馈系数行不行?若要改变电动机的堵转电流,应调节系统中的什么参数? 答:改变电机的转速需要调节转速给定信号Un※;改变转速调节器的放大倍数不行,改变电力电子变换器的放大倍数不行。若要改变电机的堵转电流需要改变ASR的限幅值。 2-2 (1 (2 (1 (2 (3 (4 2-3是多少? 答:=βId=Ui,Uc=U d0 2-4如果转速、电流双闭环调速系统的转速调节器不是PI调节器,而是比例调节器,对系统的静、动态性能会有什么影响? 答:若采用比例调节器可利用提高放大系数的办法使稳态误差减小即提高稳态精度,但还是有静差的系统,但放大倍数太大很有可能使系统不稳定。 2-5在转速、电流双闭环系统中,采用PI调节器,当系统带额定负载运行时,转速反馈线突然断线,系统重新进入稳态后,电流调节器的输入偏差电压△Ui是否为0,为什么?

答:反馈线未断之前,Id=In,令n=n1,当转速反馈断线,ASR迅速进入饱和,Un※=Un※max,Uc↑,Id↑至Idm,Te>T l,n↑,Id↓,△Ui出现,Id↑至Idm,n↑,Id↓,此过程重复进行直到ACR饱和,n↑,Id↓,当Id=In,系统重新进入稳态,此时的速度n2>n1,电流给定为Un※max=Idmaxβ>电流反馈信号Un=Inβ,偏差△Ui不为0。 2-6在转速、电流双闭环系统中,转速给定信号Un※未改变,若增大转速反馈系数α,系统稳定后转速反馈电压Un是增加还是减少还是不变?为什么? 答:Un不变,因为PI调节器在稳态时无静差,即:Un※=Un,Un※未改变,则,Un也不变。 2-7 Unm*试求:(1 (2 解:(1 α=Unm* (2 2-8Uim=8V (1)Ui (2)Uc 解:(1 电流为 电流为 (2)Uc增加。 2-9在双闭环直流调速系统中,电动机拖动恒转矩负载在额定工作点正常运行,现因某种原因电动机励磁下降一半,系统工作情况将会如何变化?(λ=1.5) 答:设突发状况之前的磁通为?1,令此时的磁通为?2,之前的电磁力矩为Te1,此刻的电磁力矩为Te2,负载转矩恒为T l,电机励磁下降一半,则?2=0.5?1,Te2=Cm(?2)Id=0.5Te1<T l,n↓,Id↑甚至到Idm,Te2=Cm(?2)Idm=0.75Te1<T l,n会一直下降到0。

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