直流双环系统的设计及仿真分析

武汉理工大学《电力拖动自动控制系统》课程设计说明书

I 摘 要

本文首先分析了单闭环调速系统所存在的问题，即不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。为了在起动过程中: 只有电流负反馈, 没有转速负反馈。达到稳态后: 转速负反馈起主导作用; 电流负反馈仅为电流随动子系统在原（转速）单闭环直流调速系统中再添加“电流”负反馈，就构成了转速电流双闭环直流调速系统

本文对直流双闭环调速系统的设计进行了分析，对直流双闭环调速系统的原理进行了一些说明，介绍了其主电路、检测电路的设计，详细介绍了电流调节器和转速调节器的设计以及一些参数的选择和计算，使其满足工程设计参数指标。

并利用MATLAB进行仿真，让电机满载启动到额定转速，稳定运行后电动机磁场减少一半，观察并录下电机的转速、电流等的波形，并进行分析。

关键词：直流双闭环 调速系统 电流调节器 转速调节器 MATLAB

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II 目 录

摘 要 ................................................................................................................................................ I

1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性 .......................................................................... 1

1.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成 ........................................................................ 1

1.2 稳态结构框图和静特性 ................................................................................................... 3

1.3 各变量的稳态工作点和稳态参数计算 ........................................................................... 4

2转速电流双闭环直流调速系统调节器的工程设计 .................................................................. 4

2.1转速和电流两个调节器的作用 ........................................................................................ 4

2.2调节器的工程设计方法 .................................................................................................... 5

2.2.1设计的基本思路 ...................................................................................................... 5

2.2.2电流调节器的设计 .................................................................................................. 6

2.2.3 转速调节器的设计 ................................................................................................. 7

2.2.4 转速调节器退饱和时转速超调量的计算 ........................................................... 9

3 任务要求及计算 ......................................................................................................................... 9

3.1 和的计算 ................................................................................................................. 10

3.2电流环参数的设计： ...................................................................................................... 10

3.3 转速环参数设计： ......................................................................................................... 11

4 系统仿真与分析 ....................................................................................................................... 13

4.1系统仿真原理图 .............................................................................................................. 13

4.2转速、波形图与分析 ...................................................................................................... 14

结束语 ........................................................................................................................................... 16

参考文献： ................................................................................................................................... 17

武汉理工大学《电力拖动自动控制系统》课程设计说明书

1 直流双环系统的设计及仿真分析

1转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性

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。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。这主要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。在单闭环直流调速系统中,电流截止负反馈是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流dcrI值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。

在起动过程中，始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。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dmI的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。应该在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈，达到稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。

1.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成

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。二者之间实行嵌套（或称串级）联接，如图1-1所示。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。

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的原理图如图1-2所示。图中标出了两个调节器输入输出的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压cU为正算放大器的倒相作用。图中还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR武汉理工大学《电力拖动自动控制系统》课程设计说明书

2 的输出限幅电压imU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cmU限制了电力电子变换器的最大输出电压dmU。

图1-1 转速、电流双闭环直流调速系统

ASR-转速调节器 ACR-电流调节器 TG-测速发电机

TA-电流互感器 UPE-电力电子变换器

图1-2 双闭环直流调速系统电路原理图 + + -

-

TG

+ - +

-

RP2 U*n R0

R0 Uc Ui Ri Ci

+ + - R0

R0 Rn Cn

ASR ACR

LM RP1

Un U*i LM +

M TA

Id

Ud M

TUPE +

- + - +

TG n ASR ACR U*n

+ - Un Ui

U*i

+ - Uc TA

M +

- Ud Id

UPE - M

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