转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计

《运动控制系统》课程设计

题目 :转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计

转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计

1. 设计题目

转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计

2. 设计任务

已知某晶闸管供电的双闭环直流调速系统， 整流装置采纳三相桥式电路， 基本数据以下：

1）直流电动机： 160V、 120A、1000r/min、 Ce=r，同意过载倍数 λ=

2）晶闸管装置放大系数：

3）电枢回路总电阻： R=Ω Ks=30

4）时间常数： Tl =，Tm=，转速滤波环节时间常数 Ton 取

5）电压调理器和电流调理器的给定电压均为 10V

试按工程设计方法设计双闭环系统的电流调理器和转速调理器，并用

模型，给出仿真结果。

Simulink

成立系统

系统要求：

1）稳态指标：无静差

2）动向指标：电流超调量 σi≤ 5%；空载起动到额定转速时超调量 σn ≤ 10%

3. 设计要求

依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的步骤以下：

1）设计电流调理器的构造和参数，将电流环校订成典型

I 型系统；

2）在简化电流环的条件下，设计速度调理器的构造和参数，将速度环校订成典型

3）进行 Simulink 仿真，考证设计的有效性。 II 型系统；

4. 设计内容

1） 设计思路：

带转速负反应的单闭环系统， 因为它能够跟着负载的变化而相应的改变电枢电压， 以赔偿电枢回路电阻压降的变化，所以相对开环系统它能够有效的减少稳态速降。

当反应控制闭环调速系统使用带比率放大器时， 它依赖被调量的偏差进行控制的， 所以是有静差率的调速系统，而比率积分控制器可使系统在无静差的状况下保持恒速，实现无静差调速。

对电机启动的冲击电流以及电机堵转时的堵转电流， 能够用附带电流截止负反应作限流保护，但这其实不可以控制电流的动向波形。按反应的控制规律，采纳某个物理量的负反应就能够保持该基本量基本不变，采纳电流负反应就应当能够获得近似的恒流过程。

此外，在单闭环调速系统中，用一个调理器综合多种信号，各参数间互相影响，难于进

行调理器的参数调速。比如，在带电流截止负反应的转速负反应的单闭环系统中，同一调理

器担负着正常负载时的速度调理和过载时的电流调理，调理器的动向参数没法保证两种调理

过程均拥有优秀的动向质量。

依据电机理想运转特征，应当在启动过程中只有电流负反应，达到稳态转速后，又希望

只有转速反应，双闭环调速系统的静特征就在于当负载电流小于最大电流时，转速负反应起

主要作用，当电流达到最大值时，电流负反应起主要作用，获得电流的自动保护。

2)双闭环调速系统的构成：

a. 系统电路原理图

图 2-1 为转速、电流双闭环调速系统的原理图。图中两个调理器 ASR和 ACR分别为转速

调理器和电流调理器，两者串级连结，即把转速调理器的输出作为电流调理器的输入，再用

电流调理器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。电流环在内，称之为内环；转速环在外，

称之为外环。

两个调理器输出都带有限幅， ASR的输出限幅什 Uim 决定了电流调理器 ACR的给定电压最

大值 Uim，对就电机的最大电流； 电流调理器 ACR输出限幅电压 Ucm 限制了整流器输出最大电

压值，限最小触发角 α。

Ufi Ri Ci

Rn Cn+ ACR Id + R0

+ Un ASR _ LM Uc R0 Ud _ LM R0 +

+ _

+ + +

GT _ Ui V R0

Ufn _

_

+ M

_

RP2 TG

+

图 2－1 双闭环调速系统电路原理图

动向构造图

b. 系统

图 2-2 为双闭环调速系统的动向构造框图，因为电流检测信号中常含有沟通重量，须加

低通滤波，其滤波时间常数 Toi 按需要选定。 滤波环节能够克制反应信号中的沟通重量， 但同

时也给反应信号带来了延滞。为了均衡这一延滞作用，在给定信号通道中加入一个相同时间

常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其作用是：让给定信号和反应信号经过相同的延滞，

使两者在时间上获得适合的配合，进而带来设计上的方便。

由测速发电机获得的转速反应电压含有电机的换向纹波，所以也需要滤波，滤波时间常

数用 Ton 表示。依据和电流环相同的道理， 在转速给定通道中也配上时间常数为 Ton 的给定滤

波环节。

3） 按工程设计方法设计双闭环系统的 ACR：

设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环地逐渐向外扩展。在这里是：先

从电流环下手， 第一设计好电流调理器， 而后把整个电流环看作是转速调理系统中的一个

环节，再设计转速调理器。

a. 确准时间常数

整流滤波时间常数 Ts，三相桥式电路的均匀失控时间 Ts=；

电流滤波时间常数 Toi ，三相桥式电路每个波头的时间是，为了基本虑平波头，应有（ 1～

2）Toi= ，所以取 Toi=2ms=；

电流环小时间常数 T∑i ， 按小时间常数近似办理，取 T∑i=Ts+Toi =。

b. 选择电流调理器构造

由设计要求： σi I 型系统设计，电流调理 %≤ 5%，并保证系统稳态电流无偏差，所以可按典型

器采纳 PI 型，其传达函数为 :

is 1

WACR(s) = Ki

is

c. 校验近似条件

电流环截止频次 ci KI 135.1s 1 ；

晶闸管装置传达函数近似条件为：

wci 1 =，知足近似条件；

3Ts

忽视反电动势对电流环影响的条件为：

1 wci 3 = ，知足近似条件；

TmTl

小时间常数近似条件办理条件为：

wci

1 1

= ， 知足近似条件。 3 TsToi

d. 计算调理器电阻和电容

电流调理器原理如图 3－1 所示，按所用运算放大器取 R0=40kΩ，各电阻和电容值计算如

下：

，取 30k。

，取。

依据上述参数，电流环能够达到的动向指标为： σi%=%<5%，知足设计

4）按工程设计方法设计双闭环系统的 ASR：

a. 确准时间常数

电流环等效时间常数为 2T i 0.0074s ；

转速滤波时间常数 Ton ，依据所用测速发电机涟漪状况，取 Ton=；

转速环小时间常数 T n 按小时间常数近似办理，取 T n = 2T i Ton 0.0174 s 。

b．选择转速调理器构造

因为设计要求无静差，转速调理器一定含有积分环节；又依据动向要求，应按典型Ⅱ型

系统设计速度环，故 ASR采纳 PI 调理器，其传达函数为：

c. 计算速度调理器参数

按跟平和抗扰乱性能较好的原则，取 h=5，则 ASR的超前时间常数为：

n hT n 5 0.0174 0.087s ，

转速环开环增益：

于是， ASR的比率系数 :

=

d. 校验近似条件

由转速截止频次：

cn

KN

KN n

34.5s

1 ; 1

电流环传达函数简化条件：

, 知足简化条件 ;

转速环小时间常数近似条件为：

, 知足近似条件。

e. 计算调理器电阻和电容

转速调理原理图如图 3－ 2 所示，取 R0 40k ，则

，取 550k。

，取。

依据上述参数，电流环能够达到的动向指标为：当 h=5 时，查表得 %，固然不知足设计要求，

而实质上，突加阶跃给准时， ASR饱和，应按退饱和的状况从头计算超调量，实质 %,知足设

计要求。

5）内、外开环对数幅频特征的比较

图 4－1 把电流环和转速环的开环对数幅频特征画在一张图上， 此中各转折频次和截止频次挨次为：

T 1 1 270.3s 1 ，

i 0.0037

T 1 1 57.51s 1 ，

n 0.0174

cn 34.51s 1 ，

1 1 11.5s 1 。

n 0.087

以上频次一个比一个小，从计算过程能够看出，这是必定的规律。所以，这样设计的双

闭环系统，外环必定比内环慢。一般来说， ci 100 ~ 150s 1 ， cn 20 ~ 50s 1 。从外环的

响应速度遇到限制，这是按上述方法设计多环控制系统时的弊端。但是，这样一来，每个环

自己都是稳固的，对系统的构成和调试工作特别有益。

总之，多环系统的设计思想是：以稳为主，稳中求快。

6） 晶闸管的电压、电流定额计算

a. 晶闸管额定电压 UN

晶闸管额定电压一定大于元件在电路中实质蒙受的最大电压 Um，考虑到电网电压的波

动和操作过电压等要素，还要放宽 2～ 3 倍的安全系数，即按下式选用 UN ＝（ 2～ 3） Um，

式中系数 2～3 的取值应视运转条件，元件质量和对靠谱性的要求程度而定。

b. 晶闸管额定电流 I N

为使晶闸管元件不因过热而破坏，需要按电流的有效值来计算其电流额定值。即一定使

元件的额定电流有效值大于流过元件实质电流的最大有效值。 可按下式计算： I N=~2) K fbI MAX 。