双闭环直流调速系统的设计及其仿真 班 级：自动化2班 学 号：xxxxxxxx 姓 名：xxxxxx 指导教师：xxxxxx 设计时间：2014年6月23日目 录一、前言 31.课题研究的意义32.课题研究的背景3二、总体设计方案31. MATLAB 仿真软件介绍32.设计目标43.系统理论设计 54.仿真实验 95.仿真波形分析13三、心得体会14四、参考文献 16一、前言1课题研究的意义从七十年代开始，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。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，在许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。且直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。所以加深直流电机控制原理理解有很重要的意义。2课题研究的背景电力电子技术是电机控制技术发展的最重要的助推器,电力电机技术的迅猛发展,促使了电机控制技术水平有了突破性的提高。从20世纪60年代第一代电力 电子器件-晶闸管(SCR)发明至今,已经历了第二代有自关断能力的电力电子器 件-GTR、GTO、MOSFET,第三代复合场控器件-IGBT、MCT等,如今正蓬 勃发展的第四代产品-功率集成电路(PIC)。每一代的电力电子元件也未停顿, 多年来其结构、工艺不断改进,性能有了飞速提高,在不同应用领域它们在互相 竞争,新的应用不断出现。同时电机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电 子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展 成就。正是这些技术的进步使电动机控制技术在近二十多年内发生了天翻地覆的变化。3注意什么问题二、总体设计方案1.MATLAB 仿真软件介绍本设计所采用的仿真软件是MATLAB。MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB应用非常之广泛！MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。主要的优势特点为： 高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来；具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化；友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握； 功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等) ，为用户提供了大量方便实用的处理工具。2.设计目标设计一个双闭环直流调速系统，利用晶闸管供电，整流装置采用三相桥式电路，调速范围D=10，静差率5%；稳态无静差，电流超调量5%，电流脉动系数10%；启动到额定转速时的转速退饱和超调量10%。系统具有过流、过压、过载和缺相保护，触发脉冲有故障封锁能力。直流电动机数据：额定功率29.92KW，额定电压220V，额定电流136A，额定转速 1460r/m，=0.132Vmin/r， 允许过载倍数=1.5。晶闸管装置放大系数：=40电枢回路总电阻：R=1时间常数：机电时间常数=0.18s，电磁时间常数=0.03s电流反馈系数：=0.05V/A转速反馈系数：=0.007v min/r转速反馈滤波时间常数：=0.005s，=0.005s总飞轮力矩：GD=2.5N.mh=53.系统理论设计：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。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。双闭环直流调速系统的结构框图:图1 双闭环直流调速系统的动态结构图 U*na Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E3.1电流调节器设计整流装置滞后时间常数：三相电路的平均失控时间=0.0017s （3-1）电流滤波时间常数：=0.005s （3-2）电流环小时间常数之和：按小时间常数近似处理，取为：=+=0.0067s (3-3） 3.2选择电流调节器结构根据设计要求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： = （3-4）检查对电源电压的抗扰性能： （3-5）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。电流调节器超前时间常数：=0.03s。 （3-6）电流环开环增益：要求5%是按书表2-2，应取=0.5，因此： （3-7）于是，ACR的比例系统为： （3-8）电流环截至频率： （3-9）晶闸管整流装置传递函数近似的条件为： （3-10）忽略反电动势对电流环动态影响的近似条件为： （3-11）电流环小时间常数近似处理条件为： （3-12）按所用的运算放大器取得。各电容和电阻值为：、 （2-13）Ri=40k （2-14）按照上面计算所得的参数，电流环内环可以达到的动态跟随性能指标为=4.3%5%,满足课题所给要求。3.3速度调节器设计电流环等效时间常数。取=0.5，则： （3-15）转速滤波时间常数。根据所用测速发电机波纹情况，取：=0.005s。 （3-16）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取： （3-17）3.4选择转速调节器结构按设计要求，选用PI调节器，其传递函数为： （3-18）按跟随性能和抗扰性能都较好的原则，现取h=5，则ASR的超前时间常数为： （3-19）并且求得转速环开环增益为： （3-20）则可得ASR的比例系数为： （3-21）3.5校验近似条件转速截止频率为： （3-22）电流环传递函数简化条件为： （3-23）转速环外环的小时间常数近似处理条件为： （3-24）3.6计算调节器电阻和电容按所用的运算放大器取=40。各电容和电阻值为：， （3-25） （3-26）3.7校核转速超调量当h=5时，由书可以查得：=37.6%，这并不能满足课题所给要求。实际上，由于表2-6是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR已经饱和，不符合如今系统的前提要求，所以应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。如下： （3-27）满足课题所给要求。4.仿真实验：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，如图2所示。图2 转速、电流双闭环直流调速系统结构图2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综上所述，采用转速，电流双闭环直流调速系统能更好的完成本题的设计要求，现采用转速，电流双闭环直流调速系统进行设计，如图3所示： 图3 双闭环直流调速系统的动态结构图 U*na Uc-IdLnUd0Un+-b +-UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E用MATLAB的SUMLINK模块做的双闭环调速系统仿真模型图如 图4所示：图4 双闭环调速系统仿真模型图双闭环系统仿真波形及分析：ASR输出限幅值 （4-1） ACR输出限幅值 （4-2）调节限度器1将ASR输出限幅值的Upper Limit和Lower Limit进行适当的调节。可得到上升时间最大的波形（=7.7s 限幅值=3.8V）和上升时间最小（=0.7s限幅值=14V）的波形。上升时间最大波形如图5所示：图5双闭环调速系统上升时间最大波形图上升时间最小波形如图6所示：图6 双闭环调速系统上升时间最小波形图经过双闭环调速系统上升时间最大波形与双闭环调速系统上升时间最小波形对比可知：限幅值越大上升时间越小，限幅值越小上升时间越大；同时值越大，超调越小；值越小，超调越大。在符合设计要求的情况下，经过多次的参数调整，得到一组较好的调节参数，如表1和图7所示：晶闸管放大系数Ks机电时间常数电磁时间常数电流反馈系数转速反馈系数允许过载倍数300. 1s0.01s3V/A0.005vmin/r1.5RASR限幅值0.02s0.002s0.113Vmin/r9.52s6.1VACRASRACR限幅值8.7V0.143135.115.615