双闭环系统课程设计.docx

1 双闭环系统的设计1.1 设计内容第一，双闭环直流电动机控制系统设计分析系统工作原理，进行系统总体设计 分析设计出控制系统框图，控制系统动态结构图，控制系统稳态结构图， 双闭环直流电动机控制系统原理图设计根据系统框图和任务分解结果，进行典型环节和模块电路的设计 设计转速电流环电路，触发电路驱动控制电路的选型设计（模拟触发电路、集成 触发电路、数字触发器电路均可），控制主电路元部件的确定及其参数计算（包 括有变压器、电力电子器件、平波电抗器与保护电路等），检测及给定电路第二，控制系统各单元参数测试和计算测出各环节的放大倍数及时间常数，在确定调速范围D= 10时比较开环、 单环和双环时的动态响应第三， PID 控制算法的确定以仿真结果或实验结果为根本依据，结合理论，确定合理的PID控制策略和 控制参数第五， MATLAB 仿真验证利用MATLAB下的SIMULINK软件进行系统仿真，同时将结果在示波器上 显示出来，以验证设计的正确性第六，设计要求： 为某生产机械设计一个调速范围宽、起制动性能好（可选做）的直流双闭环 系统已知系统中直流电动机主要数据如下：（1） 一台直流电机，直流电机额定数据：PN=60KW, UN=220V, IN=3O8A, nN=1000r/min,电枢回路总电阻R=0.18Q。

电磁时间常数Tl = 0.012 s，机电时 间常数Tm=0.12 s,电动机系数Ce=0.196V・min/r2） 主要技术指标：调速范围0~1000r/min,电流过载倍数九=1.1,系统静特性 良好，无静差3） 动态性能指标：空载起动到额定转速超调量6nV1O%，电流超调量6iV 5%,动态速降An<10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）tsSls1.2 系统主电路设计图1-1 V—M系统原理图直流调速系统常用的直流电源有 三种：旋转变流机组；静止式可控整流 器；直流斩波器或脉宽调制变换器机组供电的直流调速系统在20世 纪60年代以前曾广泛地使用着，但该 系统需要旋转变流机组,至少包含两台 与调速电动机容量相当的旋转电机还 要仪态励磁发电机，因此设备多，体 积大，费用高，效率低1957 年晶闸管问世，已生产成套的晶闸管整流装置，即右图 1-1 晶闸管-电 动机调速系统(简称V-M系统)的原理图通过调节处罚装置GT的控制电压U来 c 移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压U，从而实现平滑调速和旋转 d 变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不进在经济性和可靠性上都 很大提高，而且在技术性能上也现实出较大的优越性。

直流斩波器-电动机系统的原理图示于图1-2,其中VT用开关符号表示任何 一种电力电子开关器件，VD表示续流二极管当VT导通时，直流电源电压US 加到电动机上；当VT关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经VD续流， 两端电压接近于零如此反复，得到电枢端电压波形u = f (t),如图3.3所示，好 像是电源电压US在t时间内被接上，又在(T--1 )时间内被斩断，故称“斩波”这 on on 样，电动机得到的平均电压为U = Ju =P U (1-1)d T s s式中 T 功率开关器件的开关周期；t 开通时间；onP 占空比，P = t汀=t f，其中f为开关频率on on图 1-2 直流斩波器-电动机系统原理图 图 1-3 波形图因此，根据本设计的要求应选择第一个可控直流电源对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方 式为最好，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，根据晶闸管的特性， 可以通过调节控制角a大小来调节电压当整流负载容量较大或直流电压脉动较 小时应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电三相整流电路中又分三相 半波和全控桥整流电路，因为三相半波整流电路在其变压器的二次侧含有直流分 量，故不采用，本设计采用了三相全控桥整流电路来供电，该电路是目前应用最 广泛的整流电路，输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该电路组成的 调速装置调节范围广，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行 等技术要求。

主电路原理图如图 1-4 所示图1-4主电路原理图三相全控制整流电路由晶闸管VT1、VT3、VT5接成共阴极组，晶闸管VT4、 VT6、 VT2 接成共阳极组，在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高 又同时输入触发脉冲的晶闸管，以及接在电路共阳极组中电位最低而同时输入触 发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完整的整流电路晶闸管的控制角都是 ， 在一个周期内 6 个晶闸管都要被触发一次， 触发顺序依次为： VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6，晶闸管必须严格按编号轮流导通，6个触 发脉冲相位依次相差600,只有这样才能使电路正常工作为了使元件免受在突发情况下超过其所承受的电压电流的侵害，电路中加入 了过电压、过电流等保护装置1.2.1 主电路的设计1.2.1.1 变流变压器的设计一般情况下，晶闸管变流装置所要求的交流供电电压与电网电压是不一致 的，所以需要变流变压器，通过变压器进行电压变换，并使装置于电网隔离，减 少电网于晶闸管变流装置的互相干扰这里选项用的变压器的一次侧绕组采用△联接，二次侧绕组采用Y联接S 为整流变压器的总容量， S 为变压器一次侧的容量， U 为一次侧电压, I 为一次11 侧电流, S 为变压器二次侧的容量， U 为二次侧电压， I 为二次侧的电流， m 、 2 2 2 1 m 为相数。

2为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定 之后，晶闸管交流侧的电压U只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计2算整流变压器次级电压U21.2.1.2 整流元件晶闸管的选型选择晶闸管元件主要是选择它的额定电压U 和额定电流ITM T（AV ）1.2.1.3 电抗器的设计（1） 交流侧电抗器的选择 为限制短路电流，所以路中应接入一个空心的电抗器，称为进线电抗器2） 直流侧电抗器的选择 直流侧电抗器的主要作用为限制直流电流脉动；轻载或空载时维持电流连续；在有环流可逆系统中限制环流；限制直流侧短路电流上升率1.2.1.4 保护电路的设计（1）过电压保护 通常分为交流侧和直流侧电压保护前者常采用的保护措施有阻容吸收装 置、硒堆吸收装置、金属氧化物压敏电阻这里采用金属氧化物压敏电阻的过电 压保护压敏电阻是有氧化锌，氧化铋等烧结制成的非线性电阻元件，它具有正反相 同很陡的伏安特性，正常工作是漏电流小，损耗小，而泄放冲击电流能力强，抑 制过电压能力强，此外，它对冲击电压反映快，体积又比较小，故应用广泛5 晶闸管的触发电路晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在必要 的时刻由阻断转为导通。

晶闸管触发电路往往包括触发时刻进行控制相位控制电 路、触发脉冲的放大和输出环节触发脉冲的放大和输出环节中，晶闸管触发电 路应满足下列要求：① 触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，三相全控桥式电路应采用宽于 60°或采用相隔 60°的双窄脉冲② 触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器 件最大触发电流3〜5倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达1〜2A/u③ 所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门 极的伏安特性的可靠触发区域之内④ 应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离 理想的触发脉冲电流波形如图 1-54 t2 t3 t4图 1-5 理想的晶闸管触发脉冲电流波形t ~ t——脉冲前沿上升时间（＜ 1卩S ）t ~ t 强脉冲宽度 I ---强脉冲幅值( 3I ~ 5I )1 3 M GT GTt ~ t ---脉冲宽度 I --脉冲平顶幅值(1.5 I ~ 2I )1 4 GT GT1.2.2 转速、电流双闭环直流调速系统的组成双闭环调速系统是建立在单闭环自动调速系统上的，实际的调速系统除要求对 转速进行调整外 , 很多生产机械还提出了加快启动和制动过程的要求 ,这就需要 一个电流截止负反馈系统。

许过载能力值I ,并且保持不变,在这个条件下，转速n得到线性增长，当开到由图 1-6 启动电流的变化特性可知，在电机启动时, 启动电流很快加大到允dm需要的大小时，电机的电流急剧下降到克服负载所需的电流/值，对应这种要求可控硅整流 fz器的电压在启动一开始时应为I R ,随着转速ndm X的上升,U二I R + Cn也上升，达到稳转速时，dm X e U = I R + Cn这就要求在启动过程中把电动机 fz X edm器来完成这个任务带有速度调节器和电流调节器的双闭环调速系统便是在这种的电流当作被调节量，使之维持在电机允许的最大 值I，并保持不变这就要求一个电流调节 要求下产生的——卄已TA图 1-7 转速、电流双闭环直流调速系统原理框图(注：ASR—转速调节器 ACR—电流调节器 TG—直流测速发电机TA—电流互感器 UPE—电力电子装置 Un*—转速给定电压 Un—转速反馈电压 Ui*—电流给定电压 Ui —电流反馈电压)为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器， 分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，如图5-2 所示这就是说把转速 调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流 器的触发装置。

从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫内环；转速调节环在外边，叫做外环，这样就形成了转速、电流双闭环调速系统1.2.3 双闭环直流调速系统的静特性分析分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征，一般存在两种状况： ①饱和——输出达到限幅值即饱和调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相 当于使该调节环开环②不饱和——输出未达到限幅值即PI的作用使输入偏 差电压AU在稳态时总为零实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的因此，对于静 特性来说，只有调速调节器饱和与不饱和两种状况：第一，转速调节器不饱和：稳态时，他们的输入偏差电压都是零，因此U*n = n = n，而得到下图3.5静特性的CA段a 0第二，转速调节器饱和：输出达到限幅值U *，转速外环呈开环状态，转速 im 的变化对系统不再产生影响双闭环系统变成一个电流无静差的点电流闭环调节U*系统稳态时 I二f = I，从而得到下图3.8静特性的AB段d p dm这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好然而，实际 上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点漂移而采用 “准PI调节器”时，静特性的两段实际上都N略有很小的静差，见图1-8的虚线。

I < I ASR主导，表现为转速无静差d dmI二I ACR主导，表现为电流无静差（过电流保护）d dm1.2.4 双闭环直流调速系统的稳态结构图如下图1-9表示双闭环直流调速系统的动态框图，图中W (s)和W (s)分ASR ACR 别表示转速调节器和电流调节器的传递函数在分析双闭环直流调速系统的动态 性能时，着重分析电机的起动过程及抗扰动性能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，抗扰动性能包括抗负载扰动和抗电网电 压扰动的性能在起动过程有三个特点：①随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全 不同的两种状态当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的。