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1、专业设计课题名称 双闭环直流调速系统设计（ASR） 专 业 自 动 化 班 级 二 学 号 姓 名 指导教师 2011年11月 27日一、 设计目的和意义转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。双闭环调速系统是由单闭环调速系统发展而来 的。单闭环调速系统可以实现转速调节无静差，但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，难于进行调节器动态参数的调整，而用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统，则可以获得近似理想的过渡过程。运用所学知识分析自动控制系统，掌握调速系统的设计方法，加强动手能力，从而印证和巩固理论知识，为以后的学习和工
2、作奠定基础。二、 设计条件及要求原始数据：直流电动机Ped=185W ,Ued=220V ,Ied=1.0A ,ned=1500rpm,并励Ur=220V ,Ir=0.1A主电路Ks=39 ,GD2=0.06 ,=0.003 ,=4.5 , R=37.5TL=0.0267,Tm=0.0448,Ce=0.15V/(r/min) ,CM=9.55Cez=0，设计要求：（1）额定负载下静态速降小于2%（2）电流及转速超调量小于15%（3）电机额定负载下动态速降10%左右（4）启动振荡次数23次三、 相关知识3.1闭环调速系统的组成根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只
3、要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统可以大大减少转速降落。图3.1 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图上图为带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图。在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机TG ，从而得出与被调量转速成正比的负反馈电压，与给定电压相比较后，得到转速偏差电压，经过放大器A，产生控制电压输入到电力电子变换器UPE中，用来控制电动机转速。图中，UPE是由电力电子器件组成的变换器，它的输入端接三相交流电源，输出为可控的直流电压。3.2转速电流双闭环直流调速系统的组成采用PI调
4、节器组成速度调节器ASR的单闭环调速系统，既能得到转速的无静差调节，又能获得较快的动态响应。从扩大调速范围的角度来看，他已基本满足一般生产机械对调速的要求。但是对于系统的快速启动、突加负载动态速降等，单闭环系统还不能满足要求。有些生产机械经常处于正反转工作状态，为了提高生产率，要求尽量缩短启动、制动和反转过度过程的时间，当然可用加大和过渡过程中的电流，即加大动态转矩来实现，但电流不能超过晶闸管和电动机的允许值。为了解决这个矛盾，可以采用电流截止负反馈环节。它与转速负反馈调速系统结合在一起，可以专门用来控制电流。但它只能是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，由于电流截止负反馈
5、只能限制最大电流，电动机转矩也随电流的减小而下降，使启动加速过程变慢，启动的时间也比较长，带电流截止负反馈的单闭环调速系统启动过程的波形如图3.2a）所示。为了提高生产率和加工质量，要求大量缩短其过渡过程的时间。我们希望能充分利用电动机所允许的过载能力，使启动时的电流保持在最大允许值上，电动机输出最大转矩，从而转矩可直线迅速上升，到达稳态转速后，迫使电流迅速下降，使转矩与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形示于图3.2b）。其中b）比a）中调节时间要小，为了能实现在允许条件下最快启动，依照反馈控制规律，采用转速、电流双闭环调速系统能够达到上述要求。 a）带电流截止负反馈的单闭环
6、直流调速系统起动过程 b）理想的快速起动过程图3.2 直流调速系统起动过程的电流和转速波形 为了实现转速和电流的调节作用，在系统中设置了两个调节器，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。两者之间实行串级连接,转速和电流双闭环调速系统如图3.3所示。从图中可看出，本系统具有两个反馈回路，称为双闭环。其中一个只由电流调节器ACR及电流检测反馈环节构成的电流环，另一个是由转速调节器ASR和转速检测反馈环节构成的速度环。从结构上分析知道，转速环包围电流环，故又称电流环为内环，称转速换为外环。在电路中ASR和ACR实行串级连接，即由ASR控制ACR，而ACR又控制触发电路，图中ASR和A
7、CR均采用比例积分（PI）调节器，其输入和输出均采用限幅电路。图3.3 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电力电子变换器转速给定电压 转速反馈电压电流给定电压 电流反馈电压3.3双闭环调速的工作过程电动机在启动阶段，电动机的实际转速低于给定值，速度调节器的输入端存在一个偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值，速度调节器工作在开环状态，速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器，此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号，直流电压迅速上升，电流也随即增大到最大给定值，电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电流可以通过
8、调节速度调节器的输出限幅值来改变。在电动机转速上升到给定转速后，速度调节器输入端的偏差信号减小到近似于零，速度调节器和电流调节器退出饱和状态，闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动，速度调节器输入端产生的偏差信号通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压，使整流桥输出的直流电压相应变化，从而校正电动机的转速偏差。转速和电流双闭环直流调速系统的电路原理图如图3.4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。图中还标出了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定
9、电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。图3.4 双闭环直流调速系统电路原理图3.4 双闭环直流调速系统的原理框图我们设计的转速、电流双闭环直流调速系统的原理框图，如图3.5所示。这个框图含有滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。其中为电流反馈滤波时间常数；为转速反馈滤波时间常数。图3.5 双闭环调速系统的原理框图因为电流检测信号中含有交流分量，所以为了不让它影响调节器的输入，必须加低通滤波。这个滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，以滤平电流检测信号。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，为了平衡这个迟延作用
10、，在给定信号通道上加上一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。它的目的是让给定信号和反馈信号经过相同的延时，使二者在时间上恰好匹配。经过测速发电机得到的转速反馈电压含换向纹波，因此也需要滤波，它和电流环原理一样，在转速给定通道上也加入滤波环节。3.5转速调节器与电流调节器的作用3.5.1转速调节器的作用（1）使电动机转速 n 跟随给定电压变化，保证稳态无静差。（2）对负载扰动起抗扰作用。（3）其输出限幅值决定允许的最大电流，在启动时给出最大电流给定信号。3.5.2电流调节器的作用（1）在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压变换。（2）对电网电压扰动起及时抗扰作用。（3）启动时保证获得恒定
11、的最大允许电流。（4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起到快速的安全保护作用。3.6典型系统3.6.1典型I型系统作为典型I型系统，其开环的传递函数为 式中为系统的惯性时间常数；为系统的开环增益。选择它作为典型的I型系统是因为它的结构简单，而且对数幅频特性的中频段以的斜率穿越线，只要参数的选择能保证足够的中频带宽度，系统就一定是稳定的，且有足够的稳定裕量。显然，要做到这一点，应在选择参数时保证或 于是，相角稳定裕度它的闭环系统系统结构框图如图3.6a）所示。而图3.6b）表示它的开环对数频率特性。 a）闭环系统结构框图 b）开环对数频率特性图3.6 典型型系统3.6.2典型II型
12、系统典型II型系统的开环传递函数为 它的闭环系统结构框图和开环对数频率特性如图3.7所示。 a）闭环系统结b）开环对数频率特性图3.7 典型型系统在典型II型系统中，它的中频段也是以-20dB/dec的斜率穿越0dB线。由于分母中的相频特性是-180,后面还有一个惯性环节，如果不在分子添上一个比例微分环节，就无法把相频特性抬到-180线以上，也就无法保证系统稳定，要实现图4.3 b）中的特性，显然应保证或而相角裕度为比T大得多，则系统的稳定裕度越大。通过上面的叙述我们知道典型I型系统和典型II型系统除了在稳态误差上的区别外，一般来说，在动态性能中典型I型系统的跟随性能的超调量小，但抗扰性能稍差
13、；而典型II型系统的超调量相对较大，抗扰性能却比较好。这是设计时选择典型系统的重要依据3.6工程设计方法的基本思路用经典的动态校正方法设计调节器必须同时解决自动控制系统的稳定性、快速性、抗干扰性等各方面相互矛盾的静态、动态性能要求。作为工程设计方法,首先要使问题简化,突出主要矛盾。简化的基本思路是，把调节器的设计过程分为两步：第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需要的稳态精度。第二步，再选择调节器的参数，以满足动态性能指标这样做，就把稳、准、快抗干扰之间互相交叉的矛盾问题分成两步来解决，第一步先解决主要矛盾动态稳定性和稳态精度，然后在第二步中进一步满足其它动态性能指标。在选择
14、调节器结构时，只采用少量的典型系统，它的参数与性能指标的关系都已事先找到，具体选择参数时只须按现成的公式和表格中的数据计算以下就可以了。这样就使设计犯法规范化，大大减少了设计工作量四、 设计步骤4.1电流环的等效闭环传递函数ACR选用PI型电流调节器，KITi=0.5，Ti=0.0037s，电流环的动态结构框图校正为图4.1示图4.1 校正后的电流环动态结构框图电流环经过简化后可看成是转速环中的一个环节，那么，需求出它的闭环传递函数。由图4.1可知 忽略高次项，可降阶近似为 接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为，因此电流环在转速环中应等效为 4.2转速调节器结构的选择用电流环的等效环节代替
15、图4.1中的电流环后，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成/，再把时间常数为/和的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中 则转速环结构框图可简化成图4.2。待添加的隐藏文字内容2图4.2 用等效环节代替电流环小惯性的近似处理为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中。现在扰动作用点后面有一个积分环节，所以转速环开环传递函数共有两个积分环节，所以应设计成典型型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。所以，ASR也应该采用PI调节器，它的传递函数为 式中K为转速调节器的比例系数； 为转速调节器的超前
16、时间系数。不考虑负载扰动时，校正后的调速系统动态结构框图如图4.3所示图4.3校正后的转速环4.3转速环的具体设计步骤4.3.1确定时间常数1）电流环等效时间常数1/KI。取KITi=0.5,则 Ti=20.0037s=0.0074s 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）转速换小时间常数Tn。按最小常数近似处理，取 Tn=Ton=0.0074s+0.01s=0.0174s4.3.2选择调节器结构 按照设计要求，选用PI调节器，PI型转速调节器原理图如图4.4所示。图中U为转速给定电压，-n为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节器的给定电压U。图4
17、.4 PI型转速调节器其传递函数为 4.3.3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=5，则ASR的超前时间常数为 =h Tn=50.0174s=0.087s 则转速环开环增益 KN=s=396.4 s 则ASR的比例系数为 Kn=9.34.3.4检验近似条件 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）转速换小时间常数近似处理条件为 ，满足近似条件4.3.5计算调节器电阻和电容 取R0=20k，则 Rn=KnR0=k=186 k Cn= Con=4.3.6校核转速超调量 当h=5时，按线性系统计算，不能满足设计要求。实际上在突加阶跃给定时，ASR饱和，不
18、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，即 能满足设计要求五、 总结体会转速、电流双闭环调速系统的主要优点是：系统的调整性能好，又很硬的静特性，基本上无静差；动态响应快，启动时间短；系统的抗干扰能力强；两个调节器可分别设计，调整方便。所以，它在自动调速系统中得到了广泛的应用。本设计主要研究转速环（ASR）的设计方法，在对转速、电流双闭环直流调速系统的组成、数学模型、静特性和动态性能有了总体认识和对工程设计方法有了一定了解的基础上，结合教材所学内容，选择设计方案，在对转速环和电流环作了相应的简化后，依据设计所需要的静特性与动态性能确定系统的型别及选用的调节器类型。通过这次的设计，另我运用理论知识独立发现问题、思考问题、解决问题的能力得以提高，同时也使我对比例积分调节器的功能有了更深入的认识。这次专业设计使我受益非浅，这对我今后的学习和工作会有很大的帮助。
