《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=0.136Vmin/r，允许过载倍数λ=1.4 2）晶闸管装置放大系数：K s=30
3）电枢回路总电阻：R=0.4Ω
4）时间常数：T l=0.023s，T m=0.2s，转速滤波环节时间常数T on取0.01s
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，称之为环；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。
图2－2双闭环调速系统的动态结构图
T oi—电流反馈滤波时间常数T on—转速反馈滤波时间常数
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
=0.0017s；
电流滤波时间常数T
oi
，三相桥式电路每个波头的时间是0.0033s，为了基本虑平波头，应有（1～2）Toi=0.0033s，因此取Toi=2ms=0.002s；
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
=0.0037s。
b.选择电流调节器结构
由设计要求：σ
i
%≤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) =is
is 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：
1
3ci s
w T ≤
=196.1，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 ≤
=180.8， 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0.75。
-图3－1含给定滤波与反馈滤波的PI 型电流调节器
