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运动控制期中作业

---转速双闭环直流调速系统的设计

电气与控制工程学院自动化1003班

王义

1006050323

1

转速电流双闭环直流调速系统设计

已知参数

有一专转速电流双闭环直流调速系统，主电路采用三相桥式整流。已知电动机参数为：P=500KW，U=750V，I=760A，n=375r/min电动势系数Ce=1.82V·min/r，

N N N N

电枢回路总电阻R=0.14Ω,允许电流过载倍数λ=1.5，触发整流环节的放大倍数Ks=75,电磁时间常数Tl=0.031,机电时间常数Tm=0.012S,电流反馈滤波时间常数Toi=0.002S，转速反馈滤波时间常数 Ton=0.02S。设调节器输入输出电压U*nm=Uim=Uom=10V,调节器输入电阻Ro=40KΩ。

设计指标

稳态无静差，电流超调量σ ≤5%；空载起动到额定转速时的转速超调量σ

i n

≤10%。

设计要求

运用调节器工程设计法设计ASR和ACR,达到系统的设计指标，得到ASR和ACR的机构与参数。电流环设计为典1系统，并取参数KT=0.5，转速换设计为典2系统；

用MATLAB对上述设计的直流双闭环调速系统进行仿真，给出仿真结果；

设计出上述设计的直流双闭环调速系统的完整硬件实现原理图，原理图采用Protel软件画图；

说明原理图实现上诉直流调速系统的原理；

给出原理图每个元件的型号和值，并说明选择依据；

系统控制部分可以采用模拟电路或者微处理器实现。若采用微处理器实现，要说明软件实现流程以及核心软件的算法；

整个设计报告采用A4纸打印，标题采用宋体四号，正文采用宋体小四。

设计内容

一. 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析

双闭环直流调速系统的动态数学模型

双闭环直流调速系统的动态结构图，如图1所示。图中W

(s)和W

ASR

(s)分

ACR

2

别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。

图2双闭环直流调速系统的动态结构图

起动过程分析

双闭环直流调速系统突加给定电压U*由静止状态起动时，转速和电流的动

n

态过程示于图2。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、III三个阶段。

n

n

n*

I

II

III

O

t

I

d

I

dm

I

dL

O

t

1

t

2

t

3

t

4

t

图2双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形

第I阶段（0~t

1

）是电流上升阶段。突加给定电压U*后，U

n c

、U 、I

d0 d

3

都上升，在I 没有达到负载电流I 以前，电机还不能转动。当I ?I 后，电机

d dL d dL

开始起动，由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输

入偏差电压?U

n

?U*

n

?U 的数值仍较大，其输出电压保持限幅值U*

n im

，强迫电

流I 迅速上升。直到I

d d

?I ，U

dm i

?U*

im

，电流调节器很快就压制了I

d

的增长，

标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR

不饱和。

第II阶段（t

1

~t ）是恒流升速阶段，ASR饱和，转速环相当于开环，在恒

2

值电流给定U*

im

下的电流调节系统，基本上保持电流I

d

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，U 和U

d0 c

也必须

基本上按线性增长，才能保持I

d

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?U

i

?U* ?U

im i

必须维持一定的恒值，也就是说，I

d

应略低于I 。

dm

第Ⅲ阶段（t以后）是转速调节阶段。当转速上升到给定值n*?n时，转

2 0

速调节器ASR的输入偏差减小到零，输出维持在限幅值U*

im

，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，开始退出饱和状态，U*和I 很

i d

快下降。但是，只要I

d

仍大于负载电流I

dL

，转速就继续上升。直到I

d

=I 时，

dL

转矩T ?T，则dn/dt=0，转速n才到达峰值（t?t时）。此后，电动机开始在

e L 3

负载的阻力下减速，与此相应，在t ~t 时间内，I ?I ，直到稳定。如果调

3 4 d dL

节器参数整定得不够好，也会有一段振荡过程。在这最后的转速调节阶段内，ASR

和AC