直流aa双闭环调速系统设计

1设计任务与分析

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内实现平滑调速，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。从控制的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础，所以应该首先掌握直流拖动控制系统。

采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统是比较基础比较容易掌握的，它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。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。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，采用电流负反馈就可以得到近似的恒流过程。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？转速、电流双闭环直流调速系统很好的解决了这个问题。

转速、电流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，采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、电流双闭环直流调速系统的控制规律、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，所以掌握直流双闭环调速系统对于电力拖动控制系统的学习有很重要的作用。

本课程设计就要求结合给定的初始条件来完成直流双闭环调速系统的设计，其中包括绘制该调速系统的原理图，对调节器进行工程设计，选择调节器的参数等。要实现直流双闭环调速系统的设计需先对控制系统的组成及工作原理有一定深入的理解，弄清楚调速系统每个组成部分的作用，弄清楚转速环和电流环的工作原理，合理选择调节器的参数以便进行合理的工程设计。

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2调速系统总体设计

直流双闭环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Uim

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。

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。

如图2-1所示：

电流检测Ui给定电压Un*+-ΔUnUn速度调节器Ui*-+电流调节器Uc三相集成触发器三相全控桥Ud直流电动机n转速检测图2-1 直流双闭环调速系统

为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。这样构成的双闭环直流调速系统。

其原理图如图2-2所示：

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图2-2 直流双闭环调速系统原理图

直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。

3直流双闭环调速系统电路设计

3.1晶闸管-电动机主电路的设计

3.1.1主电路设计

晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）主电路原理图如图3-1所示：

图3-1 V-M系统主电路原理图

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图中VT是晶闸管可控整流器，它由三相全控桥式整流电路组成，如图3-2所示：

图3-2 三相全控桥式整流电路

通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动脉冲的相位，即可改变平均整流电压Ud，从而实现平滑调速。

3.1.2主电路参数计算

Ud2.34U2cos UdUN220V，取0o

U2Ud220(1~1.2)1.1V114.9V

2.34cos0o0.92.340.9其中系数0.9为电网波动系数，系数1-1.2为考虑各种因素的安全系数，这里取1.1。

电动势系数CeUNINRa22017.51.20.1327Vmin/r nN1500U2114.90.69345.5mH Idmin0.117.5平波电抗器L0.693 其中Idmin(5%~10%)IN，这里取10%。

*Unm100.57

IN17.5**UimUim80.23

Idbl2IN217.54

3.2转速、电流调节器的设计

转速、电流双闭环调速系统的动态结构图如图3-3所示：

图3-3 直流双闭环调速系统动态结构图

由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数Toi按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用Ton表示，根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为Ton的给定滤波环节。

系统设计的一般原则是：先内环后外环。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。

3.2.1电流调节器

3.2.1.1电流调节器设计

含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器如图3-4所示：

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图3-4 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器

其中Ui*为电流给定电压，Id为电流负反馈电压， Uc为电力电子变换器的控制电压。3.2.1.2电流调节器参数选择

1.确定时间常数

1）三相桥式电路的平均失控时间为Ts0.0017s。

2）电流滤波时间常数本设计初始条件已给出，即Toi0.002s。 3）电流环小时间常数之和TiTsToi0.0037s。 2.选择电流调节器结构

根据设计要求：稳态无静差,超调量i5%，可按典型I型系统设计电路调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器其传递函数为：

WACR(s)Ki(is1)

is电磁时间常数TlL0.060.04s。 R1.5检查对电源电压的抗扰性能：

Tl0.04s10.81，参照典型I型系统动态抗扰性能Ti0.0037s指标与参数的关系表格，可知各项指标都是可以接受的。

3.计算电流调节器参数

电流调节器超前时间常数：iTl0.04s。

电流环开环增益：要求i5%时，应取KITi0.5，因此KI0.50.5135.1s1 Ti0.0037s6

ACR的比例系数为Ki4.检验近似条件

KIiR135.10.041.51.41 Ks250.23电流环截至频率：ciKI135.1s1

GD2R3.9221.5s0.365s 机电时间常数Tm30375CeCm3750.13270.13271）晶闸管整流装置传递函数的近似条件

11196.1s1ci 3Ts30.0017s满足近似条件。

2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

3满足近似条件。

11324.83s1ci TmTl0.365s0.04s3）电流环小时间常数近似处理条件

1111180.8s1ci

3TsToi30.0017s0.002s满足近似条件。 5.计算调节器电阻和电容

由图3-4，按所用运算放大器取R040k，各电阻和电容值为

RiKiR01.4140k56.4k，取56k

CiiRi0.04F0.714uF，取0.75uF

56103Coi4Toi40.002F0.2uF，取0.2uF 3R04010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%，满足设计要求。

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3.2.2转速调节器

3.2.2.1转速调节器设计

含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器如图3-5所示：

图3-5 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器

*其中Un为转速给定电压，n为转速负反馈电压，Ui*：调节器的输出是电流调节器

的给定电压。

3.2.2.2转速调节器参数选择

1.确定时间常数 1）电流环等效时间常数

12Ti20.0037s0.0074s KI2）转速滤波时间常数本设计初始条件已给，即Ton0.0025s 3）转速环小时间常数Tn2.选择转速调节器结构

按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为

1Ton0.0074s0.0025s0.0099s KIWn(s)Kn(ns1)KnR(ns1)

nsCeTms(Tns1)nCeTms2(Tns1)8

R3.计算转速调节器参数

按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h5，则ASR的超前时间常数为

nhTn50.0099s0.0495s

转速开环增益KNh15122 s1224.4s22222hTn250.0099ASR的比例系数为Kn4.检验近似条件 转速环截止频率cn(h1)CeTm(51)0.230.13270.3650.79

2hRTn250.571.50.0099KN1KNn1224.40.0495s160.6s1

1）电流环传递函数简化条件为

1KI1135.11s63.7s1cn

3Ti30.0037满足简化条件。

2）转速环小时间常数近似处理条件为

1KI1135.11s77.5s1cn

3Ton30.0025满足简化条件。 5.计算调节器电阻和电容 取R040k，则

RnKnR00.7940k31.6k，取33k

CnnRn0.0495F1.5uF，取1.5uF 33310Con4Ton40.0025F0.25uF，取0.3uF R0401036.校核转速超调量

当h5时，n37.6%，不能满足设计要求。应按ASR退饱和的情况重新计算超调量。

7. 按ASR退饱和重新计算超调量

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过载倍数IdmIdbl2 IdNIdN17.51.5CnT0.0099n2(max)(z)*Nn281.2%20.13271.16%8%

CbnTm15000.365能满足设计要求。

3.3转速检测电路设计

转速的检测可把Un接到一个测速发电机上即可检测转速，如图3-7所示：

RP4UnTGU2.

图3-7 转速检测电路

3.4电流检测电路设计

使用霍尔电流传感器可以检测电流，把Ui接到霍尔传感器上。霍尔效应传感器，可以测量任意波形的电流和电压。输出端能真实地反映输入端电流或电压的波形参数。如图3-8所示：

图3-8 电流检测电路

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