转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计

题目 :转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计

转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计

1. 设计题目

转速电流双闭环直流调速系统仿真与设计

2. 设计任务 已知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：

1）直流电动机： 160V、 120A、1000r/min、 Ce=r，允许过载倍数 λ= 2）晶闸管装置放大系数： Ks=30 3）电枢回路总电阻： R=Ω

4）时间常数： Tl=，Tm=，转速滤波环节时间常数 Ton 取

5）电压调节器和电流调节器的给定电压均为 10V 试按工程设计方法设计双闭环系统的电流调节器和转

速调节器，并用 Simulink 建立系统 模型，给出仿真结果。 系统要求：

1）稳态指标：无静差

2）动态指标：电流超调量 σi ≤5%；空载起动到额定转速时超调量 σn ≤10%

3. 设计要求

根据电力拖动自动控制理论，按工程设计方法设计双闭环调速系统的步骤如下：

1）设计电流调节器的结构和参数，将电流环校正成典型 I 型系统；

2）在简化电流环的条件下，设计速度调节器的结构和参数，将速度环校正成典型

统；

II 型系

3）进行 Simulink 仿真，验证设计的有效性。

4. 设计内容

1） 设计思路： 带转速负反馈的单闭环系统，由于它能够随着负载的变化而相应的改变电枢电

压，以补 偿电枢回路电阻压降的变化，所以相对开环系统它能够有效的减少稳态速降。

当反馈控制闭环调速系统使用带比例放大器时，它依靠被调量的偏差进行控制的，因此 是有静差率的调速系统，而比例积分控制器可使系统在无静差的情况下保持恒速，实现无静 差调速。

对电机启动的冲击电流以及电机堵转时的堵转电流，可以用附带电流截止负反馈作限流 保护，但这并不能控制电流的动态波形。按反馈的控制规律，采用某个物理量的负反馈就可 以保持该基本量基本不变，采用电流负反馈就应该能够得到近似的恒流过程。

另外，在单闭环调速系统中，用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进 行调节器的参数调速。例如，在带电流截止负反馈的转速负反馈的单闭环系统中，同一调节 器担负着正常负载时的速度调节和过载时的电流调节，调节器的动态参数无法保证两种调节 过程均具有良好的动态品质。

按照电机理想运行特性，应该在启动过程中只有电流负反馈，达到稳态转速后，又希望 只有转速反馈，双闭环调速系统的静特性就在于当负载电流小于最大电流时，转速负反馈起 主要作用，当电流达到最大值时，电流负反馈起主要作用，得到电流的自动保护。

2）双闭环调速系统的组成：

a. 系统电路原理图

图 2-1 为转速、电流双闭环调速系统的原理图。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 Uim 决定了电流调节器 ACR的给定电压最 大值 Uim，对就电机的最大电流；电流调节器 ACR输出限幅电压 Ucm限制了整流器输出最大电 压值，限最小触发角 α。

图2－1 双闭环调速系统电路原理图

动态结构图

b. 系统

图 2-2 为双闭环调速系统的动态结构框图，由于电流检测信号中常含有交流分量，须加 低通滤波，其滤波时间常数 Toi 按需要选定。滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但 同时也给反馈信号带来了延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加入一个相同时 间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其作用是：让给定信号和反馈信号经过同样的延 滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。

由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常 数用 Ton 表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道中也配上时间常数为 波环节。

Ton 的给定滤

3） 按工程设计方法设计双闭环系统的 ACR： 设计多环控制系统的一般原则是：从

内环开始，一环一环地逐步向外扩展。在这里是：先 从电流环入手， 首先设计好电流调节器， 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。

a. 确定时间常数

整流滤波时间常数 Ts，三相桥式电路的平均失控时间 Ts=；

电流滤波时间常数 Toi ，三相桥式电路每个波头的时间是，为了基本虑平波头，应有（ 1～

2）Toi= ，因此取 Toi=2ms=；

电流环小时间常数 T∑i，按小时间常数近似处理，取 T∑i=Ts+Toi =。

b. 选择电流调节器结构

由设计要求： σi%≤ 5%，并保证系统稳态电流无误差，因此可按典型 I 型系统设计，电流调 节器选用 PI 型，其传递函数为 :

WACR(s) =Ki

is 1 is

c. 校验近似条件

1

电流环截止频率 ci KI 135.1s 1 ；

晶闸管装置传递函数近似条件为：

wci

1

=，满足近似条件； 3Ts

忽略反电动势对电流环影响的条件为：

wci 3 = ，满足近似条件；

1TT

小时间常数近似条件处理条件为：

wci = ， 满足近似条件。 3 TsToi

1 1

d. 计算调节器电阻和电容

电流调节器原理如图 3－1 所示，按所用运算放大器取 R0=40kΩ，各电阻和电容值计算 如下：

，取 30k。

，取。

按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为： σi%=%<5%，满足设计

4）按工程设计方法设计双闭环系统的 ASR：

a. 确定时间常数

电流环等效时间常数为 2T i 0.0074s ； 转速滤波时间常数 Ton ，根据所用测速发电机波纹情况，取

Ton=； 转速环小时间常数 T n 按小时间常数近似处理，取 T n =2T i Ton 0.0174 s 。 b．选择转速调节器

结构

由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型Ⅱ型 系统设计速度环，故 ASR选用 PI 调节器，其传递函数为：

c. 计算速度调节器参数

按跟随和抗干扰性能较好的原则，取 h=5，则 ASR的超前时间常数为： n hT n 5 0.0174 0.087s ， 转速环开环增益：

于是， ASR的比例系数 : d. 校验近似条件 由转速截止频率：

cn

KN

KN n 34.5s

电流环传递函数简化条件：

, 满足简化条件 ;

转速环小时间常数近似条件为：

1

满足近似条件

e. 计算调节器电阻和电容

转速调节原理图如图 3－2所示，取 R0 40k ，则

，取 550k。 ，取。

按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为：当 h=5 时，查表得 %，虽然不满足设计要 求，而实际上，突加阶跃给定时， ASR饱和，应按退饱和的情况重新计算超调量，实际 %,满 足设计要求。

5）内、外开环对数幅频特性的比较

图 4－ 1 把电流环和转速环的开环对数幅频特性画在一张图上，其中各转折频率和截止 频率依次为：

1 Ti

11

0.0037 270.3s ，

1 Tn

1

57.51s

1

， 0.0174

1

1

cn 34.51s ，

11.5s 0.087

以上频率一个比一个小，从计算过程可以看出，这是必然的规律。因此，这样设计的双 闭环系统，外环一定比内环慢。一般来说， ci 100 ~ 150s 1， cn 20 ~ 50s 1。从外环的 响应速度受到限制，这是按上述方法设计多环控制系统时的缺点。然而，这样一来，每个环 本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有利。

总之，多环系统的设计思想是：以稳为主，稳中求快。

6） 晶闸管的电压、电流定额计算

a. 晶闸管额定电压 UN

晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压 Um，考虑到电网电压的波 动和操作过电压等因素，还要放宽 2～3 倍的安全系数，即按下式选取 UN＝（ 2～3）Um， 式中系数 2～3 的取值应视运行条件，元件质量和对可靠性的要求程度而定。

b. 晶闸管额定电流 IN

为使晶闸管元件不因过热而损坏，需要按电流的有效值来计算其电流额定值。即必须使 元件的额定

电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。可按下式计算： I N =~2) K fbI MAX 。

式中计算系数 Kfb=Kf/ 由整流电路型式而定， Kf 为波形系数， Kb 为共阴极或共阳极电路 的支路数。当 α=0时，三相全控桥电路 Kfb=, 故计算的晶闸管额定电流为 IN=~2)KfbIMAX =~2) ××(220 ×=～，取 200A。

7) 平波电抗器计算

由于电动机电枢和变压器存在漏感，因而计算直流回路附加电抗器的电感量时，要从根 据等效电路折算后求得的所需电感量中，扣除上述两种电感量。

a.电枢电感量 LM 按下式计算

P—电动机磁极对数， KD—计算系数，对一般无补偿电机： KD=8~12。 b. 整流变压器漏电感折算到次级绕组每相的漏电感 L B按下式计算

U2—变压器次级相电压有效值， Id—晶闸管装置直流侧的额定负载电流， KB—与整流主电路 形式有关

的系数。

c. 变流器在最小输出电流 Idmin时仍能维持电流连续时电抗器电感量 L 按下式计算

?2L K U，

Id min

K 是与整流主电路形式有关的系数，三相全控桥 K取则 L＝(mH). 6)进行 Simulink 仿真，验证设计的有效性

a. 电流闭环的仿真

如下图：

为了研究系统的参数对动态性能的影响，分别取 KI T i = 、、、，此时 KI 的值也会随之变化， 运行仿真，即可得不同 KI 值的阶跃响应曲线：

图 6-1 KT= 的阶跃响应曲线 图 6-2KT= 的阶跃响应曲线

图 6-3 KT= 的阶跃响应曲线

图 6-4 KT= 的阶跃响应曲线

由曲线可以看出如果要求动态响应快，可取 KT= ；如果要求系统超调小，则应把 KT 的值取小些，可取 KT<; 无特殊要求，取折中值 KT= ，，称为最佳二阶系统。

图 6-1~图 6-4 反映了 PI 调节器的参数对系统品质的影响趋势，在工程设计中，可以根据工艺的要求，直接修改 PI 调节器的参数，找到一个在超调量和动态响应快慢上都较满意的电流环调节器。

b. 转速环的仿真设计

在增加转速环调节后，转速环开环传递函数如下： 校正后的调速系统动态结构框图如下所示： 其中 K N

CT

em

在 matlab 中搭建好系统的模型，如下图：

转速环的仿真设计 为满足系统在不同需求下的跟随性与抗扰行能要求，取 h 的之分

别为： 3、5、7、9. 用 matlab 仿真结果如下：

图 7-1h=3 时的阶跃响应曲线 图 7-2h=5 时的阶跃响应曲线 图 7-3h=7 时的阶跃响应曲线 图 7-4h=9 时的阶跃响应曲线

由图可以看出： h 值越小，动态降落也越小，恢复时间、调节时间也短，抗扰性能也越好，但是，从 h<5 以 后，由于震荡剧烈 h越小，恢复时间反而延长，综合起来看，

h=5 是最佳选择，也即最佳三阶系统。

对电流环与转速环都是根据实际需要调节参数的，对比Ⅰ型、Ⅱ型系统可以发现：Ⅰ型系统可以在跟随 性上做到超调小，但抗扰性能差；而Ⅱ型系统超调却相对较大，抗扰性能较好

5. 设计心得

a. 通过该次设计，更加熟悉掌握了电流转速双闭环直流调速系统的结构组成以及它的工作原理，加深了 对开环、闭环有静差、无静差调速的理解 --- 闭环结构保证系统的稳定性与抗干扰能力；无静差调速则保证系 统有较低的稳态误差。

b. 由此也初步掌握双闭环调节器的整个设计过程，其基本思想是先内环再外环。在结构框图的处理过程 中有多处近

似处理，简化了传递函数，从而使问题得到简化，因此称为被称为“工程设计方法”，这意味着在 实际的应用中，在可以大大简化分析过程却很小影响分析结果的方法是很有价值的。从开环到闭环、从闭环无 静差到有静差、从单环到双环着一些列的变化显示人们人知的渐进性。

仿真是自己临时捡起 matlab 课本重新回顾才完成的，仿真的直观的证明了最佳二阶、三阶系统的参数， 并再一次体现了 matlab 在控制中的重要作用，的确是一个很强大的仿真工具。整个仿真过程也加深了自己对 电力拖动控制相关知识理解程度，相当于也许经过证明的才是最可靠的。

d. 由于水平有限，设计中肯定有许多错误和不足的地方，敬请老师指正。

6．参考文献

【 1】 陈伯时，电力拖动自动控制系统。机械工业出版社。 【 2】

李荣生，电气传动控制设计指导。 。