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

第一章 转速闭环直流调速系统第一节 闭环调速系统的组成及其静特性1.1.1绪论在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机 TG ，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压U n ，与给定电压 U *n 相比较后，得到转速偏差电压 DU n ，经过放大器 A ，产生电力电子变换器UPE 的控制电压U c ，用以控制电动机转速 n 。

比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静特性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。

如果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为（1·1）（1·2）比较1·1和1·2不难得到以下结论（1）闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬得多。

在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为l l n n K C RI K C U K K n c c 0e d e *n s p )1()1(∆-=+-+= op op 0e d e *n s p e d 0d n n C RI C U K K C R I U n ∆-=-=-=它们的关系 （1·3）（2）如果比较同一的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多。

闭环系统和开环系统的静差率分别为当 n 0op =n 0c l 时（1·4）（3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。

如果电动机的最高转速都是n max ；而对最低速静差率的要求相同，那么开环时， 闭环时，再考虑式（1-3），得（1·5） （4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器上述三项优点若要有效，都取决于一点，即 K 要足够大，因此必须设置放大器。

把以上四点概括起来，可得下述结论：闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。

由此看来，闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降。

引言目前，转速﹑电流双闭环控制直流调速系统是性能很好﹑应用最广泛的直流调速系统。

我们知道采用转速负反馈和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。

故需要引入转速﹑电流双闭环控制直流调速系统，本文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。

首先介绍转速﹑电流双闭环调速系统的组成及其静特性，接着说明该系统的动态数学模型，并从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调节器的作用。

在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。

电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。

因此，调速技术一直是研究的热点。

长期以来，直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛的应用于工程过程中。

直流电动机在额定转速以下运行时，保持励磁电流恒定，可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速；在额定转速以上运行时，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。

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。

在现代化的工业生产中，几乎无处不使用电力拖动装置。

轧钢机、电铲、提升机、运输机等各类生产机械都要采用电动机来传动。

随着对生产工艺，产品质量的要求不断提高和产量的增长，越来越多的生产机械能实现自动调速。

从20世纪60年代以来，现代工业电力拖动系统达到了全新的发展阶段。

这种发展是以采用电力电子技术为基础的，在世界各国的工业部门中，直流电力拖动系统至今仍广泛的应用着。

直流拖动的突出优点在于：容易控制，能在很宽的范围内平滑而精确的调速，以及快速响应等。

在一定时期以内，直流拖动仍将具有强大的生命力。

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,整流装置采用三相桥式电路,基本数据如下：1）直流电动机：160V、120A、1000r/min、C e=r,允许过载倍数λ=2）晶闸管装置放大系数：K s=303）电枢回路总电阻：R=Ω4）时间常数：T l=,T m=,转速滤波环节时间常数T on取5）电压调节器和电流调节器的给定电压均为10V试按工程设计方法设计双闭环系统的电流调节器和转速调节器,并用Simulink建立系统模型,给出仿真结果;系统要求：1）稳态指标：无静差2）动态指标：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的步骤如下：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）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；3）进行Simulink仿真,验证设计的有效性;4.设计内容1 设计思路：带转速负反馈的单闭环系统,由于它能够随着负载的变化而相应的改变电枢电压,以补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;当反馈控制闭环调速系统使用带比例放大器时,它依靠被调量的偏差进行控制的,因此是有静差率的调速系统,而比例积分控制器可使系统在无静差的情况下保持恒速,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,可以用附带电流截止负反馈作限流保护,但这并不能控制电流的动态波形;按反馈的控制规律,采用某个物理量的负反馈就可以保持该基本量基本不变,采用电流负反馈就应该能够得到近似的恒流过程;另外,在单闭环调速系统中,用一个调节器综合多种信号,各参数间相互影响,难于进行调节器的参数调速;例如,在带电流截止负反馈的转速负反馈的单闭环系统中,同一调节器担负着正常负载时的速度调节和过载时的电流调节,调节器的动态参数无法保证两种调节过程均具有良好的动态品质;按照电机理想运行特性,应该在启动过程中只有电流负反馈,达到稳态转速后,又希望只有转速反馈,双闭环调速系统的静特性就在于当负载电流小于最大电流时,转速负反馈起主要作用,当电流达到最大值时,电流负反馈起主要作用,得到电流的自动保护;2双闭环调速系统的组成：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;图中两个调节器ASR和ACR 分别为转速调节器和电流调节器,二者串级连接,即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入,再用电流调节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;两个调节器输出都带有限幅,ASR的输出限幅什U im决定了电流调节器ACR 的给定电压最大值U im,对就电机的最大电流；电流调节器ACR输出限幅电压U cm 限制了整流器输出最大电压值,限最小触发角α;图2－1 双闭环调速系统电路原理图b.系统动态结构图图2-2为双闭环调速系统的动态结构框图,由于电流检测信号中常含有交流分量,须加低通滤波,其滤波时间常数T oi按需要选定;滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量,但同时也给反馈信号带来了延滞;为了平衡这一延滞作用,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：让给定信号和反馈信号经过同样的延滞,使二者在时间上得到恰当的配合,从而带来设计上的方便;由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波,因此也需要滤波,滤波时间常数用T on表示;根据和电流环一样的道理,在转速给定通道中也配上时间常数为T on的给定滤波环节;T oi—电流反馈滤波时间常数T on—转速反馈滤波时间常数图2－2双闭环调速系统的动态结构图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,一环一环地逐步向外扩展;在这里是：先从电流环入手,首先设计好电流调节器,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;a.确定时间常数整流滤波时间常数T s,三相桥式电路的平均失控时间T s=；电流滤波时间常数T oi,三相桥式电路每个波头的时间是,为了基本虑平波头,应有1～2Toi=,因此取Toi=2ms=；电流环小时间常数T∑i,按小时间常数近似处理,取T∑i=T s+T oi=;b.选择电流调节器结构由设计要求：σi%≤5%,并保证系统稳态电流无误差,因此可按典型I型系统设计,电流调节器选用PI 型,其传递函数为: W ACR s =isis Ki ττ1+ c.校验近似条件电流环截止频率11.135-==s KI ci ω； 晶闸管装置传递函数近似条件为：13ci sw T ≤=,满足近似条件； 忽略反电动势对电流环影响的条件为：ci w ≥满足近似条件； 小时间常数近似条件处理条件为：ci w ≤=, 满足近似条件;d.计算调节器电阻和电容电流调节器原理如图3－1所示,按所用运算放大器取R 0=40kΩ,各电阻和电容值计算如下：,取30k; ,取;-图3－1含给定滤波与反馈滤波的PI 型电流调节器按照上述参数,电流环可以达到的动态指标为：σi %=%<5%,满足设计4按工程设计方法设计双闭环系统的ASR ：a.确定时间常数电流环等效时间常数为20.0074i T s ∑=；转速滤波时间常数Ton ,根据所用测速发电机波纹情况,取Ton=； 转速环小时间常数n T ∑ 按小时间常数近似处理,取n T ∑=20.0174i T Ton s ∑+=;b ．选择转速调节器结构由于设计要求无静差,转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求,应按典型Ⅱ型系统设计速度环,故ASR 选用PI 调节器,其传递函数为：1()n ASR nn s W s K sττ+= c.计算速度调节器参数按跟随和抗干扰性能较好的原则,取h=5,则ASR 的超前时间常数为：50.01740.087n n hT s τ∑==⨯=,转速环开环增益： 2224.39621-∑=+=s T h h K nN 于是,ASR 的比例系数: =d.校验近似条件由转速截止频率：15.341-===s n KN KNcn τωω; 电流环传递函数简化条件： ,满足简化条件; 转速环小时间常数近似条件为： ,满足近似条件;e.计算调节器电阻和电容转速调节原理图如图3－2所示,取040R k =Ω,则,取550k; ,取;图3－2含给定滤波与反馈滤波的PI 型转速调节器-按照上述参数,电流环可以达到的动态指标为：当h=5时,查表得%,虽然不满足设计要求,而实际上,突加阶跃给定时,ASR 饱和,应按退饱和的情况重新计算超调量,实际%,满足设计要求;5内、外开环对数幅频特性的比较图4－1把电流环和转速环的开环对数幅频特性画在一张图上,其中各转折频率和截止频率依次为：13.2700037.011-==∑s i T ,151.570174.011-==∑s n T , 151.34-=s cn ω,15.11087.011-=s n τ; 以上频率一个比一个小,从计算过程可以看出,这是必然的规律;因此,这样设计的双闭环系统,外环一定比内环慢;一般来说,1150~100-=s ci ω,150~20-=s cn ω;从外环的响应速度受到限制,这是按上述方法设计多环控制系统时的缺点;然而,这样一来,每个环本身都是稳定的,对系统的组成和调试工作非常有利;总之,多环系统的设计思想是：以稳为主,稳中求快;L/dBO1/-s ωiT ∑1ciωnT ∑1cn ωnτ1InI-电流内环 n-转速外环图4－1又闭环系统内环和外环的开环对数幅频特性－20－40－20－406 晶闸管的电压、电流定额计算a.晶闸管额定电压U N晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压Um ,考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素,还要放宽2～3倍的安全系数,即按下式选取U N ＝2～3Um ,式中系数2～3的取值应视运行条件,元件质量和对可靠性的要求程度而定;b.晶闸管额定电流I N为使晶闸管元件不因过热而损坏,需要按电流的有效值来计算其电流额定值;即必须使元件的额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值;可按下式计算：I N =~2K fb I MAX ;式中计算系数K fb =Kf/由整流电路型式而定,Kf 为波形系数,Kb 为共阴极或共阳极电路的支路数;当α=0时,三相全控桥电路K fb =,故计算的晶闸管额定电流为I N =~2K fb I MAX =~2 ××220×=～,取200A;7平波电抗器计算由于电动机电枢和变压器存在漏感,因而计算直流回路附加电抗器的电感量时,要从根据等效电路折算后求得的所需电感量中,扣除上述两种电感量;a.电枢电感量L M 按下式计算)(2103mH I Pn U K L NN N D M ⨯=P —电动机磁极对数,K D —计算系数,对一般无补偿电机：K D =8~12; b.整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感L B 按下式计算)(100%2mH I U U K L dK BB •= U 2—变压器次级相电压有效值,I d —晶闸管装置直流侧的额定负载电流,K B —与整流主电路形式有关的系数;c.变流器在最小输出电流I dmin 时仍能维持电流连续时电抗器电感量L 按下式计算min2d I U K L •=, K 是与整流主电路形式有关的系数,三相全控桥K 取则L ＝mH.6）进行Simulink 仿真,验证设计的有效性a. 电流闭环的仿真如下图：为了研究系统的参数对动态性能的影响,分别取K I T ∑i =、、、,此时K I 的值也会随之变化,运行仿真,即可得不同K I 值的阶跃响应曲线：图6-1 KT=的阶跃响应曲线图6-2KT=的阶跃响应曲线图6-3 KT=的阶跃响应曲线图6-4 KT=的阶跃响应曲线由曲线可以看出如果要求动态响应快,可取KT=；如果要求系统超调小,则应把KT 的值取小些,可取KT<;无特殊要求,取折中值KT=,,称为最佳二阶系统;图6-1~图6-4反映了PI 调节器的参数对系统品质的影响趋势,在工程设计中,可以根据工艺的要求,直接修改PI 调节器的参数,找到一个在超调量和动态响应快慢上都较满意的电流环调节器;b. 转速环的仿真设计在增加转速环调节后,转速环开环传递函数如下： )1()1()(n 2n N n ++=∑s T s s K s W τ 校正后的调速系统动态结构框图如下所示：其中me n n N T C R K K βτα=;在matlab中搭建好系统的模型,如下图：转速环的仿真设计为满足系统在不同需求下的跟随性与抗扰行能要求,取h的之分别为：3、5、7、9. 用matlab仿真结果如下：图7-1h=3时的阶跃响应曲线图7-2h=5时的阶跃响应曲线图7-3h=7时的阶跃响应曲线图7-4h=9时的阶跃响应曲线由图可以看出：h值越小,动态降落也越小,恢复时间、调节时间也短,抗扰性能也越好,但是,从h<5以后,由于震荡剧烈h越小,恢复时间反而延长,综合起来看,h=5是最佳选择,也即最佳三阶系统;对电流环与转速环都是根据实际需要调节参数的,对比Ⅰ型、Ⅱ型系统可以发现：Ⅰ型系统可以在跟随性上做到超调小,但抗扰性能差；而Ⅱ型系统超调却相对较大,抗扰性能较好;5.设计心得a.通过该次设计,更加熟悉掌握了电流转速双闭环直流调速系统的结构组成以及它的工作原理,加深了对开环、闭环有静差、无静差调速的理解---闭环结构保证系统的稳定性与抗干扰能力；无静差调速则保证系统有较低的稳态误差;b.由此也初步掌握双闭环调节器的整个设计过程,其基本思想是先内环再外环;在结构框图的处理过程中有多处近似处理,简化了传递函数,从而使问题得到简化,因此称为被称为“工程设计方法”,这意味着在实际的应用中,在可以大大简化分析过程却很小影响分析结果的方法是很有价值的;从开环到闭环、从闭环无静差到有静差、从单环到双环着一些列的变化显示人们人知的渐进性;仿真是自己临时捡起matlab课本重新回顾才完成的,仿真的直观的证明了最佳二阶、三阶系统的参数,并再一次体现了matlab在控制中的重要作用,的确是一个很强大的仿真工具;整个仿真过程也加深了自己对电力拖动控制相关知识理解程度,相当于也许经过证明的才是最可靠的;d.由于水平有限,设计中肯定有许多错误和不足的地方,敬请老师指正;6．参考文献【1】陈伯时,电力拖动自动控制系统;机械工业出版社;【2】李荣生,电气传动控制设计指导;;。

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实验二速度和电流双闭环直流调速系统一、实验目的1.了解速度和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、实验系统的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。

~Fbcfaswtarglidrmgsldzsssggun*asrui*uiacrgtucvtud0amsf220vunfbstg实验图2-1速度和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*变速和给定电压UN可以轻松调整电机的速度。

速度调节器ASR和电流调节器ACR均配备*限制电路。

ASR的输出UIM*用作ACR的设置，ASR的输出限制UIM用于限制启动电流用；acr的输出uc作为触发器tg的移相控制电压，利用acr的输出限幅ucm起限制α作用。

分钟**当突加给定电压un时，asr立即达到饱和输出uim，使电动机以限定的最大电流idm加*以高速启动，直到电机速度达到给定速度（即UN？UN）并出现超调，从而使ASR退出饱和并最终稳定定运行在给定转速（或略低于给定转速）上。

三、实验设备和仪器1主控制面板nmcl-322.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初始相移控制角，检查并调整ASR和ACR，并设置其输出正负限幅。

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.研究电流回路和速度回路的动态特性，将系统调整到最佳状态，并绘制ID？F（T）和n?f(t)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）。

习题二转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法2-1 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Kn行不行改变电力电子变换器的放大倍数Ks行不行改变转速反馈系数α行不行若要改变电动机的堵转电流,应调节系统中的哪些参数答：①在转速、电流双闭环调速系统中，若要改变电动机的转速,应调节的参数有：转速给定电压U*n，因为转速反馈系统的转速输出服从给定。

②改变转速调节器的放大倍数Kn，只是加快过渡过程，但转速调节器的放大倍数Kn的影响在转速负反馈环内的前向通道上，它引起的转速变化，系统有调节和抑制能力。

因此，不能通过改变转速调节器的放大倍数Kn，来改变转速③改变改变电力电子变换器的放大倍数Ks，只是加快过渡过程，但转电力电子变换器的放大倍数Ks的影响在转速负反馈环内的前向通道上，它引起的转速变化，系统有调节和抑制能力。

因此，不能通过改变电力电子变换器的放大倍数Ks，来改变转速④改变转速反馈系数α，能改变转速。

转速反馈系数α的影响不在转速负反馈环内的前向通道上，它引起的转速变化，系统没有调节和抑制能力。

因此，可以通过改变转速反馈系数α来改变转速，但在转速、电流双闭环调速系统中稳定运行最终的转速还是服从给定。

⑤若要改变电动机的堵转电流,应调节系统中的参数有：转速的给定U*n、转速调节器的放大倍数Kn、转速调节器的限幅值、转速反馈系数α等，因为它们都在电流环之外。

2-2 在转速、电流双闭环调速系统稳态运行时，两个调节器的输入偏差电压和输出电压各是多少为什么答：在转速、电流双闭环调速系统中稳定运行时，转速调节器退饱和，PI的作用使得转速调节器的输入偏差电压为0，转速调节器的输出电压由于维持在U*im（n*）。

在转速、电流双闭环调速系统中稳定运行时，电流调节器不饱和，PI的作用使得电流调节器的输入偏差电压为0，形成一个电流随动子系统，力图使I d尽快跟随其给定U*i. 电流调节器的输出电压U C又后面的环节决定。

直流双闭环调速系统设计1设计任务说明书某晶闸管供电的转速电流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：V U N 750=,A I N 780=,min375rn N =，04.0=a R ,电枢电路总电阻R=0.1Ω，电枢电路总电感mH L 0.3=，电流允许过载倍数5.1=λ，折算到电动机轴的飞轮惯量224.11094Nm GD =. 晶闸管整流装置放大倍数75=s K ,滞后时间常数s T s 0017.0= 电流反馈系数⎪⎭⎫ ⎝⎛≈=N I V A V5.11201.0β 电压反馈系数⎪⎭⎫ ⎝⎛=N n V r V 12min 032.0α 滤波时间常数.02.0,002.0s T s T on oi ==V U U U cm im nm12===**；调节器输入电阻Ω=K R O 40。

设计要求： 稳态指标：无静差动态指标：电流超调量005≤i σ；空载起动到额定转速时的转速超调量0010≤n σ。

目 录1设计任务与分析 ....................................................................................................................................... 2调速系统总体设计 ................................................................................................................................... 3直流双闭环调速系统电路设计 .............................................................................................................. 3。