转速、电流双闭环调速系统的设计

课程设计

题 目 学生姓名 学生学号

专业名称 电气工程及其自动化 指导教师

2012年 2月 14日

目 录

一、前言.......................................................................................................................... 2 二、方案原理图 ............................................................................................................... 2

（一）转速、电流双闭环直流调速系统的系统组成.................................................... 2 （二）转速、电流双闭环直流调速系统的原理图 ....................................................... 3 三、设计要求................................................................................................................... 3 四、参数计算................................................................................................................... 4

1、稳态参数计算 ...................................................................................................... 4 2、电流调节器ACR的设计 ...................................................................................... 4 3、转速调节器ASR的设计 ....................................................................................... 5 4、阻容和参数，元件型号，封装形式 ....................................................................... 7 五、总结与体会 ............................................................................................................... 7

一、前言：

电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，石油，

纺织，军工等行业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电机，提高其运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。

20世纪90年代前的大约50年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的起动，制动和调速性能。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。因为它具有良好的线性特性，优异的控制性能，高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。

本次设计的主要任务就是应用自动控制理论和工程设计的方法对直流调速系统进行设计和控制，设计出能够达到性能指标要求的电力拖动系统的调节器。

二、方案原理图

（一）转速、电流双闭环直流调速系统的系统组成

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 Un*---转速给定电压 Un---转速反馈电压Ui*---电流给定电压Ui---电流反馈电压 为实现转速和电流两种负反馈分别作用，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。二者之间实行嵌套连接，如图所示。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。

（二）转速、电流双闭环直流调速系统的原理图：

图1-2双闭环直流调速系统电路原理图

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电路原理图如上图所示。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运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的输出限幅电压Uim*决定后了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制电压Ucm 限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。

三、设计要求

直流电动机设计双闭环直流晶闸管调速系统，技术要求如下： 1、

已知电动机的额定数据为：PN=60KW、UN=220V、IN=308A、nN=1000 r/min，电动势系数Ce=0.196V·min/r，主回路总电阻R=0.18Ω，触发整流环节的放大倍数Ks=35。电磁时间常数TL=0.012s，机电时间常数Tm=0.12s，电流反馈滤波时间常数Toi=0.0025s，转速反馈滤波时间常数Ton=0.015s。额定转速时的给定电压(Un)N=10V，调节器ASR,ACR饱和输出电压Uim*=8V，Uom=6.5V。

2. 设计要求系统的静、动态指标为：稳态无静差，调速范围D=10，电流超调量σi≤5%，空载起动到额定转速时的转速超调量σn≤10％。

*

四、参数计算

1、稳态参数计算

电流反馈系数

U

*im

Idm

8339

0.0263V/A

转速反馈系数

Un

*

nmax

101000

0.01V min/r

2、电流调节器ACR的设计

a) 确定时间常数

① 整流装置滞后时间常数 Ts.按表1-2,三相零式电路的平均失控时间

Ts=0.0033s

② 电流滤波时间常数Toi.三相桥式电路每个波头的时间是 3.3ms,为

了基本滤平波头,应有(1–2)Toi=3.33ms,因此取Toi=2.5ms=0.0025s. ③ 电流环小时间常数之

和

b）选择电流调节器结构

根据设计要求 σi ≤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 型电流调节器，其传递函数见式(2-57)

检查对电源电压的抗扰性能:

参照表2-3的典型I型系统动态抗扰性能,各项指标都是可以接受的

c) 计算电流调节器参数 电流调节器超前时间常数:

i

.按小时间常数近似处理,

取

TL 0.012s

电流环开环增益:要求 σi ≤5℅时,按

表 2-2,应取KIT i 0.5因 此

于是,ACR 的比例系数为: KI

KI iRKs

85.76 0.012 0.18

35 0.0236

0.225

d) 校验近似条件 电流环截止频率:

① 晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件

② 忽略反电动势变化对对电流环动态影响的条件

满足近似条件

③ 电流环小时间常数近似处理条件

满足近似条件

e) 计算调节器电阻和电容

由图 2-25,按所用运算放大器取R 0 =40kΩ,各电阻和电容值为

动态性能跟随指标为 4.3% 5%满足近似条件

R0 40K Ri KiRCi

0.225 40 9K 0.0129 10

3

iRi

1.33 F

0.25 F

Coi

4ToiR0

4 0.002540 10

3

3、转速调节器ASR的设计

a) 确定时间常数

① 电流环等效时间常数 1/ K I，

已取

② 转速滤波时间常数 . Ton，根据所用测速发电机纹波情况,取

Ton=0.01s

③ 转速环小时间常数T ∑n.按小时间常数近似处理,取

b) 选择转速调节器结构按照设计要求,选用PI调节器,其传递函数

c) 计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则,取 h=3,则

ASR 的超前时间常数为

由式(2-75)可得转速环开环增益:

于是, 由式(2-76)可得ASP 的比例系数为:

d) 检验近似条件 由式(2-33)得转速环截止频率为:

① 电流环传递函数简化条件为

:

,满足简化条件.

② 转速环小时间常数近似处理条件为

:

,满足近似条件.

e) 计算调节器电阻和电

容

根据图 2-27,取R0=40KΩ ,则

f) 校核转速超调量

当h=3时,由表2-6查得, σn =52.6℅,不能满足设计要求.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饱和,不符合线性系统的前提,应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。 g) 由表 2-7 查得,由h=3得

4、阻容和参数，元件型号，封装形式。

五、总结与体会

在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明确了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明确学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。

在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮忙，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的了解知识，所以在这里非常感谢帮忙我的同学。

这次毕业设计要求设计一个双闭环直流调速系统，自行设计这对我将来踏上工作岗位是非常有帮助的。所以我非常希望通过自己的努力完成设计并希望有所突破。这也是我对自己的考验。于是本次设计过程中我完全按照软件设计步骤的要求来进行，从课题分析开始，再进行总体设计、详细设计,最后到系统实现。每一步都让我将理论学习的知识应用到实践中去。也使我掌握了一整套规范的设

计操作流程。

下面我对整个毕业设计的过程做一下简单的总结。

第一，接到任务以后进行选题。选题是毕业设计的开端，选择恰当的、感兴趣的题目.

第二，题目确定后就是找资料了。查资料是做毕业设计的前期准备工作，到图书馆、书店、资料室去虽说是比较原始的方式，但也有可取之处的。总之，不管通过哪种方式查的资料都是有利用价值的，要一一记录下来以备后用。

第三，通过上面的过程，已经积累了不少资料，对所选的题目也大概有了一些了解，这一步就是在这样一个基础上，综合已有的资料来更透彻的分析题目。

第四，有了研究方向，就要动手实现。要有计划的分布做好毕业设计的每一个步骤，这样一步步地做下去之后，你会发现要做出来并不难，只不过每每做一会儿会发现一处错误要修改，就这样在不断的修改调试，再修改再调试。第五, 写论文能提升以下几个方面的能力:

1、文字表述:论文里的语言非常讲究，这方面需要继续加强。

2、交流、讨论:文章的大致内容写完后，一定要和老师、其他同学多交流，

让他们多提点建议。一些计量软件使用方法，可以向学长们请教。

3、细心:模型公式编辑、标点符号、文章各段格式等，都需要细心。 4、搜索:需要搜索很多资料，如何在短时间找到你想要得资料，得在搜索

关键词上有所设置才行。一些好的统计数据网站，需要随时记录下来，以便日后继续使用。

我的心得也就这么多了，总之，这次毕业设计让我学习到很多。虽然结束了，但这只能是一个开始。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。

六、参考文献

1、陈伯时主编，电力拖动自动控制系统 第3版