双闭环直流电动机调速系统设计及MATLAB仿真

目录

1、引言..................................................................................................................................... 2 二、初始条件： ....................................................................................................................... 2 三、设计要求： ....................................................................................................................... 2 四、设计基本思路 ................................................................................................................... 3 五、系统原理框图 ................................................................................................................... 3 六、双闭环调速系统的动态结构图 ....................................................................................... 3 七、参数计算 ........................................................................................................................... 4

1. 有关参数的计算 .......................................................................................................... 4 2. 电流环的设计 .............................................................................................................. 5 3. 转速环的设计 .............................................................................................................. 6 七、双闭环直流不可逆调速系统线路图 ............................................................................... 8

1.系统主电路图 ................................................................................................................ 8 2.触发电路 ........................................................................................................................ 9 3.控制电路 ...................................................................................................................... 13 4. 转速调节器ASR设计 ............................................................................................... 13 5. 电流调节器ACR设计 ............................................................................................... 14 6. 限幅电路的设计 ........................................................................................................ 14 八、系统仿真 ......................................................................................................................... 15

1. 使用普通限幅器进行仿真 ........................................................................................ 15 2. 积分输出加限幅环节仿真 ........................................................................................ 16 3. 使用积分带限幅的PI调节器仿真 ........................................................................... 17 九、总结 ................................................................................................................................. 20

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一、设计目的

1. 联系实际，对晶闸管-电动机直流调速系统进行综合性设计，加深对所学

《自动控制系统》课程的认识和理解，并掌握分析系统的方法。 2. 熟悉自动控制系统中元部件及系统参数的计算方法。

3. 培养灵活运用所学自动控制理论分析和解决实际系统中出现的各种问题

的能力。

4. 设计出符合要求的转速、电流双闭环直流调速系统，并通过设计正确掌

握工程设计的方法。

5. 掌握应用计算机对系统进行仿真的方法。

二、初始条件：

1． 技术数据

（1） 直流电机铭牌参数：PN =90KW, UN =440V, IN =220A, nN=1500r/min，电

枢电阻Ra=0.088Ω，允许过载倍数λ=1.5；

（2） 晶闸管整流触发装置：Rrec=0.032Ω，Ks=45-48。 （3） 系统主电路总电阻：R=0.12Ω （4） 电磁时间常数：T1=0.012s （5） 机电时间常数：Tm =0.1s （6） 电流反馈滤波时间常数：Toi=0.0025s，转速率波时间常数：Ton=0.014s. （7） 额定转速时的给定电压：Unm =10V （8） 调节器饱和输出电压：10V 2． 技术指标

（1） 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较

宽的调速范围（D≥10），系统在工作范围内能稳定工作错误！未指定书签。；

（2） 系统静特性良好，无静差（静差率s≤2）；

（3） 动态性能指标：转速超调量δn＜8%，电流超调量δi＜5%，动态速

降Δn≤8-10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts≤1s； （4） 调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。

三、设计要求：

（1） 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速

系统的组成，画出系统组成的原理框图；

（2） 调速系统主电路元部件的确定及其参数计算。

（3） 动态设计计算：根据技术要求，用Mrmin准则设计转速环，确定ASR

调节器与ACR调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求；

（4） 绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统线路图（主电路、触发电路、控

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制电路）；

（5） 对所设计出的双闭环直流电动机调速系统仿真实验，并给出仿真结果

图；

（6） 整理设计数据资料，课程设计总结，对本课程设计提出新设想和新建

议。

四、设计基本思路

转速、电流双闭环调速系统属于多环控制系统。目前都采用由内向外，一环包围一环的系统结构。每一闭环都设有本环的调节器，构成一个完整的闭环系统。设计多环系统的一般方法是，由内环向外环一环一环地进行设计。对双闭环调速系统而言，先从内环（电流环）开始，根据电流控制要求，确定把电流环校正为哪种典型系统，按照调节对象选择调节器及其参数。设计完电流环后，就把电流环等效成一个小惯性环节，作为转速环的一个组成部分，然后用同样的方法进行转速环的设计。然后通过MATLAB进行动态分析，根据分析情况更改实现方案，对参数进行调整等。

五、系统原理框图

在转速、电流双闭环调速系统中，既要控制转速，实现转速无静差调节，又要控制电流使系统在充分利用电动机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，其关键是处理好转速控制与电流控制之间的关系，就是将二者分开，用转速调节器ASR调节转速，用电流调节器ACR调节电流。ASR与ACR之间实现串级连接，即以ASR的输出电压Ui作为电流调节器的电流给定信号，再用ACR的输出电压Uc作为晶闸管触发电路的移相控制电压。从闭环反馈的结构看，转速环在外面为外环，电流环在里面为内环。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用具有输入、输出限幅电路的PI调节器，且转速与电流都采用负反馈闭环。系统原理图如下：

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六、双闭环调速系统的动态结构图

目前，V-M调速系统多为带电流内环的转速控制系统。设计时需增加电流、转速反馈滤波五节，以抑制反馈信号中的交流分量，同时在转速、电流给定信号通道中加入两个给定滤波器，其时间常数与相应反馈滤波环节的时间常数相等以平衡反馈滤波环节给定转速、电流反馈信号带来的延滞。相应的动态结构图如下所示，图中，ASR和ACR为结构和参数待定的转速和电流调节器。

七、参数计算 1. 有关参数的计算

a. 电动机的机电常数

Ce?UN?INRa440?220?0.088??0.2804V?r?1?min nN1500b. 三相桥式晶闸管整流装置的滞后时间

TS?11??0.0017s2mf2?6?50

c. 电流反馈系数为?

因为允许过载倍数λ=1.5，故最大允许电流Idm?1.5Id

??d. 转速反馈系数?

Uim10??0.0303V/A Idm1.5?2204

??Unm10??0.0067V?r?1?min?nN1500

e. 电流给定和反馈滤波时间常数

Toi?0.0025s

f. 转速给定和反馈滤波时间常数

Ton?0.014s

2. 电流环的设计

a. 电流环小时间常数

T?i?Toi?Ts?0.0025?0.0017?0.0042s

b. 电流调节器结构的选择，根据设计要求，?i?5%，且

T10.012??2.9?10 T?i0.0042因此可按典I系统设计，且选用PI调节器，其传递函数为

WACR(s)?Kic. 确定电流调节器参数

ACR超前时间常数：

?is?1 ?is?i?T1?0.012s

电流环开环放大系数KI：要求?i?5%时，应按二阶“最佳”系统设计，取

KI?11??119.05s?1 2T?i2?0.0042从而，ACR的比例系数为

Ki?KI?iR0.012?0.12?119.05??0.126 ?KS0.0303?45?1??K?119.05sciId. 校验近似条件 电流环截止频率：

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