双闭环直流调速系统课程设计要点.pdf
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1、设计任务书 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: 直流电动机:VU N 750,AIN780 ,min/375rnN,04. 0 a R,电 枢电阻总电阻 R=0.1, 电枢电路总电感L=3.0mH, 电流允许过载倍数5 .1, 折算到电动机轴的飞轮惯量 22 4.11094NmGD。 晶闸管整流装置放大倍数75 s K,滞后时间常数sTs0017. 0 电流反馈系数)5.1/12(/01.0 N IVAV 电压反馈系数)/12(min/032.0 N nVrV 滤波时间常数取sTsT onoi 02.0,002.0 VUUU cmimnm 12 *
2、;调节器输入电阻KRo40。 设计要求: 稳态指标:无静差 动态指标:电流超调量i 5% ;采用转速微分负反馈使转速超调量等于0。 目录 第一章双闭环调速系统的组成1 第一节系统电路原理图1 第二节系统的稳态结构图1 第三节系统的动态结构图4 第二章闭环系统调节器的设计7 第一节电流调节器的设计7 第二节转速调节器的设计12 第三章系统的仿真17 参考文献21 第一章双闭环调速系统的组成 第一节系统电路原理图 转速、电流双闭环调速系统的原理图如图1-1 所示,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
3、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 im U决定了电流调节器 ACR 的给定电压最大值 im U,对就电机的最大电流;电流调节器ACR 输出限幅电压 cm U限制了整流器输出最大电压值,限最小触发角 。 图 1-1 双闭环直流调速系统电路原理 第二节系统的稳态结构图 转速电流双闭环调速系统的稳态结构图如图1-2 所示,PI 调节器的稳态 特性一般存在两种状况: 饱和输出达到限幅值, 不饱和输出未达到限幅值, 在实际运行时, 电流调节器是不会达到饱和状态的,因此对于静特性来说, 只 有转速调
4、节器饱和与不饱和两种状况。 1、转速调节器不饱和 稳态时,两个调节器的输入偏差电压都是零,因此 di * i 0n * n IUU nnUU 式中,转速和电流反馈系数 由第一个关系式可得 0 * n n U n 从而得到图1-3 静特性的 CA段。 与此同时,由于 ASR不饱 和 * imi UU,从上述第二个关系 式可知: dmd II。 这就是说, CA 段静特性从理想空载状态的 Id = 0 一直延续到 Id = Idm ,而 Idm 一般都是大于额定电流Idm 的。 这就是静特性的运行段,图1-3 双闭环直流调速系统的静特性 它是水平的特性。 2、转速调节器饱和 这时,ASR 输出达到
5、限幅值 * im U,转速外环呈开环状态, 转速的变化对 系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。 稳态时 dm * im d I U I 式中,最大电流Idm是由设计者选定的,取决于电机的容许过载能力 和拖动系统允许的最大加速度。所描述的静特性是上图中的AB段,它是垂直 的特性。这样的下垂特性只适合于的 0 nn情况,因为如果 0 nn,则 * nn UU,ASR将退出饱和状态。 双闭环调速系统在稳态工作中,当两个调节器都不饱和时,各变量之间有 下列关系 0n * n nnUU dLdi * i IIUU s dL * ne s de s d0 c / K RIU
6、C K RInC K U U 上述关系表明,在稳态工作点上, 转速 n 是由给定电压 U*n 决定的; ASR 的输出量 U*i 是由负载电流I dL 决定的; 控制电压U c 的大小则同时取决于 n 和 I d,或者说,同时取决于U*n 和 I dL。 这些关系反映了 PI 调节器不同于 P调节器的特点。比例环节的输出量总 是正比于其输入量,而PI 调节器则不然,其输出量的稳态值与输入无关,而 是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI 调节器提供多么大的输出值,它 就能提供多少,直到饱和为止。 鉴于这一特点,双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全 不同,而是和无静差系统的稳态计算
7、相似,即根据各调节器的给定与反馈值计 算有关的反馈系数: 转速反馈系数 max * nm n U 电流反馈系数 dm * im I U 两个给定电压的最大值 * nm U和 * im U由设计者选定,设计原则如下: * nm U受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制 * im U为 ASR 的输出限幅值 第三节系统的动态结构图 在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上,考虑双闭环控制的结构, 即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图,如图1-4 所示: 图1-4双闭环直流调速系统的动态结构图 双闭环直流调速系统突加给定电压 * n U 由静止状态启动时,转速和电流的 动态过程如图 1-5 所示
8、。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、 饱 和、退饱和三种情况,整个动态过程就分成图中标明的I 、II 、三个阶段。 图 1-5 双闭环直流调速系统启动时转速和电流的波形 第 I 阶段 电流上升的阶段( 0t1 ) : 突加给定电压 * nm U后,Id上升,当Id小于负载电流IdL时,电机还 不能转动。当Id IdL后,电机开始起动,由于机电惯性作用,转速不 会很快增长,因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大,其输出 电压保持限幅值 * im U,强迫电流 Id迅速上升。直到,Id= Idm, * i U= * im U 电流调节器很快就压制Id了的增长,标志着这一阶段的结
9、束。在这一阶 段中, ASR很快进入并保持饱和状态,而ACR 一般不饱和。 第 II 阶段恒流升速阶段( t 1t 2) : 在这个阶段中, ASR始终是饱和的,转速环相当于开环,系统成为在 恒值电流 * im U给定下的电流调节系统,基本上保持电流Id恒定,因而系 统的加速度恒定,转速呈线性增长。与此同时,电机的反电动势E 也按线 性增长,对电流调节系统来说,E 是一个线性渐增的扰动量,为了克服它 的扰动, Ud0和 Uc 也必须基本上按线性增长, 才能保持Id恒定。当 ACR 采用 PI 调节器时,要使其输出量按线性增长, 其输入偏差电压必须维持一 定的恒值,也就是说, Id应略低于Idm
10、。 第 阶段转速调节阶段(t 2 以后) : 当转速上升到给定值时,转速调节器ASR的输入偏差减少到零,但其 输出却由于积分作用还维持在限幅值 * im U,所以电机仍在加速,使转速超 调。 转速超调后, ASR输入偏差电压变负,使它开始退出饱和状态, * i U和 Id很 快下降。但是,只要Id仍大于负载电流 IdL,转速就继续上升。直到Id = I dL 时,转矩 Te= TL,则 dn/ dt = 0,转速 n 才到达峰值( t = t 3 时) 。此后, 电动机开始在负载的阻力下减速, 与此相应,在一小段时间内( t t 4 ) , Id IdL,直到稳定,如果调节器参数整定得不够好,
11、也会有一些振荡过程。在 这最后的转速调节阶段内, ASR 和 ACR 都不饱和,ASR起主导的转速调节作用, 而 ACR则力图使Id尽快地跟随其给定值 * i U,或者说,电流内环是一个电流 随动子系统。 第二章双闭环系统调节器的设计 双闭环调速系统的实际动态结构图如图2-1 所示, 在它与图 1-3 的不同 之处在于增加了滤波环节, 包括电流滤波、 转速滤波和两个给定信号的滤波环 节。由于电流检测信号中常含有交流分量,为了不使它影响到调节器的输入, 虚假低通滤波, 然而在抑制交流分量的同时, 滤波环节也延迟了反馈信号的作 用,为了平衡这个延迟作用, 在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性
12、 环节,称作给定滤波环节。由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波, 因此也需要滤波, 根据电流环一样的道理, 在转速给定通道上也加入相同时间 常数的给定滤波环节。 这样做的意义是, 让给定信号与反馈信号经过相同的延 时,是二者在时间上得到恰当的配合,从而带来设计上的方便。其中 oi T为电流反馈滤波时间常数 on T为转速反馈滤波时间常数 图 2-1 双闭环调速系统的实际动态结构图 系统设计的一般原则: “ 先内环后外环 ”,从内环开始,逐步向外扩展。 在这里,首先设计电流调节器, 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。 第一节电流调节器的设计 在经过忽略反电
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