带转速微分负反馈的双闭环直流调速系

《运动控制系统》课程设计报告设计题目：带转速微分负反馈的双闭环直流调速系统设计与实践指导教师：刘学号：2006550405设计时间：2009.9.14—2009.9.221目录摘要…………………………………………………………………………………………………2一、概述…………………………………………………………………………………………2二、设计任务与要求……………………………………………………………………………32.1设计任务……………………………………………………………………………………32.2设计要求……………………………………………………………………………………3三、理论设计…………………………………………………………………………………43.1方案论证…………………………………………………………………………………43.2系统设计……………………………………………………………………………………43.2.1电流调节器设计………………………………………………………………………43.2.1.1电流环结构框图的化简……………………………………………………………53.2.1.2确定时间常数………………………………………………………………………63.2.1.3选择电流调节器的结构……………………………………………………………63.2.1.4校验近似条件………………………………………………………………………63.2.1.5计算调节器电阻和电容……………………………………………………………63.2.2速度调节器设计………………………………………………………………………73.2.2.1确定时间常数………………………………………………………………………83.2.2.2选择转速调节器结构………………………………………………………………93.2.2.3检验近似条件………………………………………………………………………93.2.2.4计算调节器电阻和电容……………………………………………………………93.2.2.5校核转速超调量……………………………………………………………………93.2.3转速微分负反馈设计………………………………………………………………10四、系统建模及仿真实验……………………………………………………………………114.1MATLAB仿真软件介绍…………………………………………………………………114.2仿真建模及实验…………………………………………………………………………114.2.1单闭环仿真实验………………………………………………………………………124.2.2双闭环仿真实验………………………………………………………………………144.2.3带转速微分负反馈的双闭环仿真实验………………………………………………164.2.4仿真波形分析…………………………………………………………………………17五、实际系统设计及原理………………………………………………………………………195.1系统组成及工作原理……………………………………………………………………195.2设备及仪器………………………………………………………………………………195.3实验过程…………………………………………………………………………………205.3.1实验内容………………………………………………………………………………205.3.2实验步骤………………………………………………………………………………20六、总结与体会…………………………………………………………………………………21参考文献…………………………………………………………………………………………22.2摘要从七十年代开始，由于晶闸管直流调速系统的高效、无噪音和快速响应等优点而得到广泛应用。双闭环直流调速系统就是一个典型的系统，该系统一般含晶闸管可控整流主电路、移相控制电路、转速电流双闭环调速控制电路、以及缺相和过流保护电路等．给定信号为0～10V直流信号，可对主电路输出电压进行平滑调节。采用双PI调节器，可获得良好的动静态效果。电流环校正成典型I型系统。为使系统在阶跃扰动时无稳态误差，并具有较好的抗扰性能，速度环设计成典型Ⅱ型系统。根据转速、电流双闭环调速系统的设计方法，用Simulink做了带转速微分负反馈的双闭环直流调速系统进行仿真综合调试，分析系统的动态性能，并进行校正，得出正确的仿真波形图。另外本文还介绍了实物制作的一些情况。关键词：直流调速双闭环转速调节器电流调节器转速微分负反馈一、概述我们都知道，对于调速系统来说，闭环调速比开环调速具有更好的调速性能。而双闭环调速系统又要比单环调速系统具有更好的动态性能和抗扰性能。基本的双环就是转速环和电流环，相应的要运用转速调节器和电流调节器对转速和电流进行调节。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在V-M调速系统中设计两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套联接。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。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，形成转速、电流双闭环调速系统。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。略有不足之处就是转速必然超调，而且抗扰性能的提高也受到限制。解决这个问题的一个简单的有效的方案就是在转速调节器上增设转速微分负反馈，加入这个环节可以抑制甚至消灭超调，同时可以大大降低动态速降。二、设计任务及要求32.1设计任务设计一个带转速微分负反馈的直流调速系统，要求利用晶闸管供电，整流装置采用三相桥式电路。直流电动机：额定功率3KW，额定电压220V，额定电流17.5A，额定转速1950r/m，eC=0.13Vmin/r，允许过载倍数=2.1晶闸管装置放大系数：sK=30电枢回路总电阻：Ra=1.25Rrec=1.3RL=0.3L=200mH时间常数：机电时间常数mT=0.162s，电磁时间常数lT=0.07s电流反馈系数：=0.36V/A（10V/Inom-10V/1.5Inom）转速反馈系数：=0.0067vmin/r（10V/nnom-10V/1.5nnom）转速反馈滤波时间常数：onT=0.01s，oiT=0.002s总飞轮力矩：GD2=3.53N.mh=5di/dt=10Inom/s2.2设计要求⑴调速范围D=10，静差率S≤5％；稳态无静差，电流超调量σi≤5%,电流脉动系数Si≤10％；启动到额定转速时的转速退饱和超调量σn≤10％，空载起动到额定转速时的过渡过程时间ts≤0.5s。⑵系统具有过流、过压、过载和缺相保护。⑶触发脉冲有故障封锁能力。⑷对拖动系统设置给定积分器。三、理论设计3.1方案论证按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外扩展设计原则（本课题设计先设计电流内环，后设计转速外环,再设计转速微分负反馈环）。在双闭环系统中应该首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作转速调节系统中的一个内环节，再设计转速调节器。然后在此基础上加入转速微分负反馈,这样的系统能够实现良好的静态和稳态性能，结构简单，工作可靠，设计和调试方便，达到本课程设计的要求。现代的电力拖动自动控制系统，除电机外，都是由惯性很小的电力电子器件、集成电路等组成的。经过合理的简化处理，整个系统一般都可以近似为低阶系统，而用运算放大器或数字式微处理器可以精确地实现比例、积分、微分等控制规律，于是就有可能将多种多样的4控制系统简化或近似成少数典型的低阶结构。如果事先对这些典型系统作比较深人的研究，把它们的开环对数频率特性当做预期的特性，弄清楚它们的参数与系统性能指标的关系，写成简单的公式或制成简明的图表，则在设计时，只要把实际系统校正或简化成典型系统，就可以利用现成的公式和图表来进行参数计算，设计过程就要简便得多。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。3.1.1双闭环直流调速系统的结构框图见图3.1:3.2系统设计3.2.1电流调节器设计电流调节器的设计一般来说包含：时间常数的确定、电流调节器结构的选择、电流调节器参数的计算、近似条件的检验和实际电路中电阻和电容的计算。本设计中考虑到电流检测信号中常含有交流分量，为了使它不影响到调节器的输入，我们按要求在反馈通道中加了低通滤波器。为了平衡该调节器的延迟作用，我们又在电流调节器的前面加了一个同等时间常数的惯性环节，为的是将延迟抵消。3.2.1.1电流环结构框图的化简参阅参考文献{1}的76、77页，为了解决反电动势与电流反馈的作用的相互交叉，简化设计过程，我们将系统的作用过程做一定的简化处理。首先我们可以得到，对电流环来说，反电动势是一个变化缓慢的扰动，因此，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即有0E。这样，在按动态性能设计电流环时，我们可以暂且把反电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如图一(a)所示。其条件是lmciTT13。如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成图3.1双闭环直流调速系统的动态结构图U*nUc-IdLnUd0Un+--+-UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E5/)(*sUi，则电流环变等效成单位负反馈，如图一(b)所示。最后，由于sT和oiT一般都比lT小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为oisTTTi则电流环结构框图最终简化成图一(c)。简化的近似条件为oisciTT131。(a)忽略反电动势的动态影响(b)等效成单位负反馈系统(c)小惯性环节近似处理图3.2电流环的动态结构框图及其化简ACR)1)(1(/sTsTRKlSi)(sId—1sToiACR)1)(1(/sTsTRKlsS)(sId—1sToiACR1sTKss1sToi1/1sTRl)(sId—lTlT)(sUc)(*sUi)(*sUi63.2.1.2选择电流调节器结构根据设计要求i5%，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI电流调节器，它的传递函数为：)(sWACR=(1)iiiKss（3-1）检查对电源电压的抗扰性能：92.180037.007.0ilTT（3-2）符合典型I型系统动态抗扰性能，并且各项性能指标都是可以接受的。3.2.1.3确定时间常数(1)整流装置滞后时间常数sT。按书1表1-2，三相电路的平均失控时间：sT=0.0017s（3-3）(2)电流滤波时间常数oiT。oiT=0.002s（3-4）(3)电流环小时间常数之和iT。按小时间常数近似处理，取为：iT=sT+oiT=0.0037s(3-5）3.2.1.4计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：i=lT=0.07s（3-6）电流环开环增益：要求i5%是按书1表2-2，应取IiKT=0.5，因此：13.1350037.05.0iK（3-7）于是，ACR的比例系统为：ISKR135.10.072.55K2.23K300.36ii（3-8）3.2.1.5校验近似条件电流环截至频率：13.135ciIK（3-9）晶闸管整流装置传递函数近似的条件为：7111196.1330.0017cissT（3-10）忽略反电动势对电流环动态影响的近似条件为：cilss1m17.2807.0162.013TT13（3-11）电流环小时间常数近似处理条件为：11113180.830.00170.002cisoisTTss（3-12）3.2.1.6计算调节器电阻和电容按所用的运算放大器取得040RK。各电容和电阻值为：0RRKii、iiiCR、oioiCRT041（3-13）Ri=40k（3-14）按照上面计算所得的参