小功率直流调速系统设计带电流变化率内环的三环系统设计

课程设计(论文)

变化率内环的三环系统设计

题 目: 小功率直流调速系统设计带电流

学生姓名：

专 业： 自动化（工程） 学 号： 班 级： 指导教师： 成 绩：

工程技术学院

2012 年 1 月

西南大学工程技术学院课程设计(论文)

目录

摘

要：.............................................................................3 1、课程设计内容及技术技标..........................................................

错误！未定义书签。

1.1、设计内容..................................................................错误！未定义书签。 1.2

、

技

术

指

标..................................................................4

2、系统组成及工作原理.............................................................4

2.1对象模型及参数的确定.......................................................5 2.2系统组成...................................................................6 2.3工作原理简述...............................................................6 2.3.1电流变化率环节简介....................................................6 2.3.2电流调节器的构成......................................................8 2.3.3、转速调节器(ASR)......................................................9 2.3.4、转速环PI调节器部分参数计算.........................................10 3、仿真与调试 ...................................................................11 3.1、系统Simulink仿真图.......................................................11 3.2、系统仿真.................................................................12 3.2.1、电流内环的调试.......................................................12 3.2.2电流变化率环的调试....................................................13 3.2.3、转速外环的调试.......................................................13 4、总结..........................................................................14 5、参考文献.......................................................................15

西南大学工程技术学院课程设计(论文)

带电流变化率内环的三环系统设计

摘要：实际的多环调速系统种类繁多，转速一电流双闭环直流调速系统是性能较好、

应用最广的直流调速系统。转速一电流双闭环调速系统在启动过程中，依靠电流环的恒流调节作用，可保持启动电流为最大允许电流值，使系统以最大加速度上升，实现系统的快速性。但与此同时也存在着诸多问题，例如启动开始时，转速调节器立即达到饱和，电流调节器的给定值很大，而晶闸管整流装置本身的惯性又较小，故电流上升率很高，这使直流电动机的换向条件恶化。此外，对机械传动机构也会产生很强的冲击，因此要求限制最大电流变化率，而如果用延缓电流环的跟随作用来压低电流变化率，又会影响系统的快速性。解决转速～ 电流双闭环存在的以上问题的最好方法，就是使系统在最大允许电流和最大允许电流变化率的条件下实现最快控制，即在电流环内设置电流变化率内环，构成带电流变化率内环的三环调速系统。

关键词：电流 变化率 转速

一、课程设计内容及技术指标

1.1设计内容：

1. 设计实验内容及步骤，测定直流电机各参数，包括电枢回路电阻、电感、电磁时间常数

及机电时间常数；

2. 按可逆调速的要求，选择直流电源的形式，给出电路图及输出波形图；不要求对具体的元件型号及参数进行选择，也不要求对电源本身的控制电路（如可控硅整流的触发电路与PWM整流的驱动电路）及相关的保护电路进行选择；

3. 按各分组中性能指标的要求，设计转速、电流双闭环系统（或相应的三环系统），给出系

西南大学工程技术学院课程设计(论文)

统的原理图及动态结构图；利用静态特性图确定反馈系数及各环节增益；利用动态结构图进行校正，确定各调节器（控制器）的结构与参数；

4. 利用matlab进行仿真调试，观察系统起动过程中（即阶跃响应）转速误差、电流误差、电枢回路电流及转速的变化曲线，对参数进行适当调整，直至满足性能指标要求。

1.2性能技术指标：

转速、电流的超调量小于５％，阶跃电压、阶跃负载扰动下的恢复时间小于0.5s。

二、系统组成及工作原理

2.1 对象模型及参数的确定

对象模型：直流电动机

1/R T1S1+ —R TmS1 Ce 

图一 直流电动机的参数测定:

应用直流伏安测定电动机的电阻及其阻抗，通过计算得出电感，并利用示波器观察测量能耗制动的特性曲线，从而得出机电常数、电磁常数等参数。

电枢回路电阻的测量：使用万用表将电枢绕组当做简单的电阻来测量，并采用多次测量求平均值的方法；

回路电感的测量：采用交流伏安法测量，测量其电压U、电流I、功率P及功率因数cos。

2

电枢电阻R的计算公式为：I；电感L的计算公式为：

PLRCOS；电磁时间常数

Tl为：

L/R。

机电时间常数的测量：在电枢回路串电阻启动，将测速发电机的输出电压接入示波器上，观察曲线，取样点记录一组电压—时间数据，然后matlab曲线拟合求电机时间常数。机电时间常数Tm的求法为转速上升到稳态值的0.632倍时的时间，由于在电机启动时使用的是串电阻启动法，因此在计算电机的Tm时还应该将电阻换算为R。

电机参数表见表一：

西南大学工程技术学院课程设计(论文)

表一：

电枢电阻 机电时间常数 额定电压 额定功率 36.98R 0.052s 220V 185W 电枢电感 电磁时间常数 额定电流 额定转速 0.455H 0.0123s 1.2A 1600r/min

2.2系统组成:

带电流变化率内环的三环调速系统结构见图1，系统中设置了三个调节器：转速调节器（ASR），电流调节器（ACR）及电流变化率调节器（ADR），分别构成转速环，电流环及电流变化率环。转速调节器ASR的输出仍是电流调节器的电流给定电压，并用限幅值Ui*，限制最大电流；电流调节器的输出不再直接控制触发器，而是电流变化率调节器ADR的给定输入电压，其限幅值Ub*， 限制最大电流变化率；电流变化率调节器的负反馈电压则由检测电流通过微分环节I D得到。

如果突加一个较大数值的阶跃转速给定电压时，ASR和ACR均迅速饱和，系统则表现为恒电流变化控制的单环系统，使启动电流， 按限制最大电流变化率Un*=dI ／dt线性增长。当电流升高到最大值以后，ACR退出饱和，电流环投入工作，系统进入恒流控制，并迅速加速。当转速升高到稳态值以后，ASR退出饱和，转速环投人工作，系统进人恒速控制。当ACR退出饱和投入工作时，电流环起主要调节作用，而电流变化率反馈环是电流环内的一个局部反馈环节。

原理图： 带电流变化率内环的三环调速系统

西南大学工程技术学院课程设计(论文)

图二、原理图

方框图：

图三、方框图

2.3工作原理简述：

西南大学工程技术学院课程设计(论文)

转速一电流双闭环直流调速系统是性能较好、应用最广的直流调速系统。转速一电流双闭环调速系统在启动过程中，依靠电流环的恒流调节作用，可保持启动电流为最大允许电流值，使系统以最大加速度上升，实现系统的快速性。但与此同时也存在着诸多问题，例如启动开始时，转速调节器立即达到饱和，电流调节器的给定值很大，而晶闸管整流装置本身的惯性又较小，故电流上升率很高，这使直流电动机的换向条件恶化。此外，对机械传动机构也会产生很强的冲击，因此要求限制最大电流变化率，而如果用延缓电流环的跟随作用来压低电流变化率，又会影响系统的快速性。解决转速～ 电流双闭环存在的以上问题的最好方法，就是使系统在最大允许电流和最大允许电流变化率的条件下实现最快控制，即在电流环内设置电流变化率内环，构成带电流变化率内环的三环调速系统。

在带电流变化率内环的三环调速系统中，转速调节器的输出号，并用限幅值置的

U仍然是电流调节器的给定信

i*U*im限制最大电流

I

dm

；但是电流调节器的输出不是直接控制晶闸管整流触发装

U，而是作为电流变化率调节器ADR的给定输入信号ctU*di。电流变化率环的被调量是电枢

回路电流的变化率号幅角

dIddt，为了得到

dIddt的反馈信号，需要对

dIddt进行测量，将电流反馈信

UU经过微分环节CD，即可近似地得到idimdIddt的反馈信号

Udi。电流变化率的最大值的输出限

*确定，电流变化率调节器ADR的输出也需要设置输出限幅值，以限制触发装置的最小控制。

min 2.3.1电流变化率环节简介

电流调节器使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。对电网电压的波动起及时抗扰的作用。在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。

电流变化率环的闭环传递函数为

Ks

sIds==wcdsUdi*sT1diS1T1S1sdidKTS1T1S1did=

1Kdi

T1TdiT1Tdis1)di(s21Kdi1KdiKdi

西南大学工程技术学院课程设计(论文)

式中，Kdi

Ksdi——电流变化率环的开环放大系数。 dRU*1 + (s) 1dids _

Todis1Uct s U(s) 1 (s) KdoRTss1T1s1 I(s) ddi （a) Todis1

+ _

ss KsdidR(Tdis1)(T1s1) (b)

2.3.2电流调节器的构成

从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用Ｉ型系统就够了。再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素。为此，电流环应跟随性能为主，即应选用典型Ｉ型系统。

图一表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型Ｉ型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成

WACR(s)Ki(τis1)τis

式中

Ki——电流调节器的比例系数；

τi——电流调节器的超前时间常数。

西南大学工程技术学院课程设计(论文)

为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择 错误！未找到引用源。则电流环的动态结构框图便成为图二所示的典型形式

τiTl

图四

2.3.3、转速调节器(ASR) 转速外环的构成

和电流环一样采用PI调节器，同时在PI的几分环节中加上门限，来减少稳态误差。这样的系统能满足动态抗扰性能好的要求；同时，由于转速达到设定值以后，电压调节器后加入的饱和状态开始退饱和，由此，这样的系统必然会存在超调量，为减少或者消除由此带来的超调，再引入一个带微分的转速负反馈，提供一个超前的相位，使电压调节器提前退饱和。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为

WASR(s)错误！未找到引用源。

Kn(τns1)τns

式中 错误！未找到引用源。——转速调节器的比例系数； 错误！未找到引用源。 ——转速调节器的超其时间常数

在双闭环调速系统中，加入转速微分负反馈的转速调节器，和普通的转速调节器相比，在转速反馈环节上并联了微分电容波的转速微分负反馈信号。

*U在转速变化过程中，转速负反馈和转速微分负反馈两个信号一起与给定信号n相抵，将在

Cdn和滤波电阻Rdn，即在转速负反馈的基础上再叠加一个带滤

比普通双闭环系统更早一些的时刻达到平衡，开始退饱和。

西南大学工程技术学院课程设计(论文)

2.3.4、转速环PI调节器部分参数计算

WASR(s)转速调节器的传递函数为

Kn(τns1)1nh(Ton)KIτns，

按跟随性能和抗扰性能都较好的原则选取h5，Ton0.003s，则可得nh(Ton2Ti)。

图三 K则可求转速环开环增益K及转速调节器ASR的比例系数n，其中

KNh16468.75 2222hTn500.016

Kn(h1)CeTm2hRTn

其中Tm=0.033s；10/1.85.556； CeUNINRa2201.226.010.118; nN1600Unm100.00625；

nmax1600则可求得Kn，则求得转速调节器闭环传递函数WASR(s)。 在退饱和的情况下，计算转速超调有

n(CmaxnbCnT)2(max)(z)NnCbCbnnTm

由实验得系统存在较大超调，调节ASR的Kn和n，使转速的超调在5%以内；由此可见转速存在超调量，不满足转速无超调量的要求，故需加入转速微分负反馈实现转速无超调。转速环转速微分负反馈部分参数计算

*Tm4h22ndnTn(z)nN h1式中—用小数表示允许的超调量。 本次设计中=0，故

西南大学工程技术学院课程设计(论文)

h2Tndn04h1； h=5；

由实验得 Kn=1.77、n=0.002时能达到无超调的要求。 经调节参数并仿真无超调的系统结构图如图五。

三、仿真与调试

3. 1、系统Simulink仿真图

根据以上的原理图并运用MATI AB进行仿真，得到转速一电流一电流变化率三环调速系统的Simulink仿真图，如图2所示。图2中转速调节器ASR、电流调节器ACR和电流变化率调节器ADR均采用PI调节器的形式，这样既可以使系统动态时稳定，稳态时又可以实现无差调节。其中在转速调节器ASR和电流调节器ACR 的输出端加人了限幅器1和限幅器2，这样可以防止P1调节器长时间达到饱和状态使元部件损坏，同时又可以使其以最快速度启动，提高了系统的快速性。三个环在设计选择参数时的基本原则是：由内向外，内环保证快速性，外环保证稳定性。

西南大学工程技术学院课程设计(论文)

图五 系统Simulink仿真图

3.2、系统仿真

系统调试的一般原则是：先内环后外环，因为如果内环性能稍差，不能完全满足设计要求，还可以通过外环加以矫正，而对于外环相关参数的偏差，内环的调节能力明显要差得多。因此，首先调试电流内环的相关参数，基本符合要求后再调整转速外环的相关参数。 3.2.1、电流内环的调试

先连接图一所示的电流环，先对电流环单独进行调试。调节参数如图一，KT=0.5，查表（《运动控制系统》第75页表2-1）得KT=0.5时，系统的超调量为4.3%。经仿真得电流环的超调量约为4.3%。该电流环的阶跃响应如图下。

西南大学工程技术学院课程设计(论文)

电流环图

3.2.2电流变化率环的调试：

电流变化率环图

3.2.3、转速外环的调试

西南大学工程技术学院课程设计(论文)

转速环图

综上图中，给定电压为10V阶跃，起始时间为零；负载大小为1.2A，加入负载的时间为1s。由图可得空载启动时的三个阶段：

电流上升阶段。在该阶段，突加阶跃信号，在ASR和ACR两个PI调节器的作用下Id很快上升，在Id上升到IdL之前，电动机转矩小于负载转矩，转速为零；

恒流升速阶段。在这一阶段Id上升到了Idm，此阶段是启动过程中得主要阶段； 转速调节阶段。在没有加微分反馈的情况下，当n上升到给定值时电流Id仍大于IdL，电动机仍处于加速过程，从而产生超调量。超调量的计算公式在前面已经给出。增加转速微分反馈以后，可以给装束反馈提供一个超前的相位，使电压饱和提前退出饱和状态，通过调节微分的时间常数可以消除超调量，但同时提前退饱和也是电流提前下降，导致启动的快速性有一定的牺牲.

四、总结

4.1设计过程总结

经过五天的课程设计，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。

西南大学工程技术学院课程设计(论文)

这次课程设计是我们《自动控制原理》课程的第一次设计，对于没有 经验的我们来说，有些难度。但是我们通过对实验材料及要求的阅读和分析，借阅图书馆相关图书及上网搜寻资料，我们初步掌握了实验的内容，对所要求设计的系统有了更深的理解，虽然设计失败，我们还是从中学习了很多的知识例如：实际的比例积分器都是带有限幅环节的，故所用到的PI调节器均需要带有限幅环节，才能切合实际，即使我们不希望ACR的PI调节器进入限幅状态；ASR的限幅还有保护电机并使电机线性启动的作用；本设计采用三相全波整流电路，调速系统的电源如选用晶闸管相控整流电源，则需要在环内加装平波电抗器，否则会使系统很难调整到满足设计指标的要求。

这次试验中对于系统的结构设计和参数设定都是非常重要的环节。这次实验我们由于在系统参数上设定不合理导致系统设计不合理，没有得到所要求的性能。

总结：本次课程设计要求将理论知识运用于实践，更加考验我们对知识的综合运用能力，同时提高了我们对知识的梳理与汇总、学习新知识以及灵活运用搜索引擎及数字图书馆的电子资源等能力，对独立思考、发现问题并解决问题的能力也有很高的要求。这些天我们小组团结合作，共同努力，克服困难以及在老师不辞辛劳的指导和无私帮助使我们对完成本次的设计任务有了一定突破。

4.2是否达到设计要求：

实验结果并没有达到设计的要求，仿真实验失败。 4.3存在的问题和可能解决的方法。

存在的问题：系统超调，电流变化不是很明显，没有处理好电流变化率环相关参数，并且在外加扰动下其恢复时间达不到要求。

可能存在解决的方法：重新测量各项参数并再次进行计算，校正结构框图，进行系统参数的总体校正，在仿真实验和总体调整参数下，处理好电流变化率环节的各项关系及系数，力争得出较为理想的实验仿真结果。

参考文献

胡寿松. 《自动控制原理》 北京：科学出版社，2007. 尔桂花. 《运动控制系统》 北京：清华大学出版社，2006.

顾绳谷. 《电机原理及拖动技术》. 北京：机械工业出版社，2007. 陈伯时. 《运动控制系统》 北京：清华大学出版社，2006.

西南大学工程技术学院课程设计(论文)

指导教师评语： 成绩评定： 指导教师： 年 月 日