课 程 设 计
设计题目:
转速、电流双闭环直流调速系统控制器设计
“电力拖动控制系统(一)”大作业
题目:
电机参数:他励直流电动机,额定功率为 185W,额定电压为 220V,额定转速
1600rpm,额定电 枢电流达到 1.1A。转动惯量
2
mkg006.0 J
。电枢电感 La=326mH。
电枢电阻 23
a
R 。过载倍数 1.1
。 电力变换装置:晶闸管三相全控桥式整流电路,
110
s
K 。 主电路等效电阻 3941223
reca
RRRR
L
。 给定电源电压最
大值:学号尾号为奇数的同学选 10V,学号尾号为偶数的同学选 5V; 调节器输出限幅电
压:学号尾号为 0-4 的同学选 10V,学号尾号为 5-9 的同学选 5V。 滤波时间常数:电流
环滤波为一阶 RC 滤波环节,滤波时间常数: s001.0
oi
T 。转速环滤波为一 阶 RC 滤波
环节,滤波时间常数为: s0038.0
on
T 。
技术指标要求(仿真要体现验证结果):100rpm~1500rpm 调节无静差,起动至额定
转速过程中, 电流超调小于 10%,空载起动转速超调小于 10%。
本次仿真调节器输出限幅电压为 5V, 给定电源电压最大值为 5V。
分析报告:
一.静动态设计过程
Ⅰ设计电流环
(1)确定时间常数
①晶闸管整流电路滞后时间常数 Ts=0.00167s
②电流滤波事件常数 Toi=0.001s
③电磁时间常数 Tl=
L
R
=0.00836S
④Ce=
N
a
n
RIU NN
=0.12
⑤机电时间常数 Tm=
eCm
375
4gJR
C
=0.178s
电流环小时间常数之和 iT ,按小时间常数求和近似处理,取 i= s+ oi
T T =0.00267
s
(2)选择电流调节器结构
根据设计要求 5%i
,并保证稳态电流无差,可按典型Ⅰ型系统设计电流调节器。电流
环控制对象是双惯性型的,因此可用 PI 型电流调节器。
(3)计算调节器超前时间常数 li T
=0.00836s,电流环开环增益,要求 i
<10%,取
iTKI =0.5,因此 I
K
=187.3
s
-1
电流反馈系数
N
10
8.264 /
1.1
V
V A
I
转速反馈系数 min/r0.00625
n
10
N
V
V
于是 ACR 的比例系数 Ki=
s
iR
K
KI
=0.067
(4)校验近似条件
电流环截至频率 IK
ci
=187.3
s
-1
①校验晶闸管整流传递函数的近似条件:
s
3
1
T
=200
s
-1
> ci
满足近似条件。
②校验忽略饭电动势变化对电流环动态影响的条件:3 77.77
T
1
lm
T
s
-1
< ci
满足近似条
件。
③校验电流环小时间常数近似处理条件 258.2
1
3
1
ois
TT
s
-1
> ci
满足近似条件。
按照上述参数,电流环可以达到的动态跟随性能指标 i
<10%,满足设计要求。
Ⅱ.再设计转速环
(1)确定时间常数
①按照 典 型 Ⅰ 型系统 设计 电流 环时 , 已 取 iTKI =0.5, 因 此 电流 环的 等 效 时间常数
2 iT =2×0.00267=0.00534s
②转速滤波时间常数 Ton=0.0038s
③转速环小时间常数 nT :按小时间常数近似处理,取 onin 2T TT =0.00914s
(2)选择转速调节器结构
按照设计要求,选用 PI 调节器。
(3)计算转速调节器参数
按跟随和抗扰性都好的原则,取 h=5,则 ASR 的超调时间常数为 nn h
T
=0.0457s,转速
环开环增益
n
2
2
h
2
1h
T
NK =1436.44
s
-2
于是 ASR 的比例系数
e m
n
h 1
n 47.54
2h
C T
K
RT
( )
(4)校验近似条件
转速环典型Ⅱ型系统环节截止频率为
s
1-
65.65n
1
cn
N
N
K
K
①电流环传递函数简化条件
i3
1
T
KI
=264.86
s
-1
> cn
满足近似条件。
②转速环小时间常数近似处理条件 74
3
1
on
T
KI
s
-1
> cn
满足近似条件。
(5)校验转速超调量
m
nN
b
max
n
n
n
-2
*
T
T
Z
C
C
))((
=2.04%<10%
二. 仿真模型
三.仿真结果的理论分析
(1)电流环电流仿真结果
电流环电流仿真结果电流 Id 首先从零增长到 Idm,然后在一段时间内维持其值近似等于 Idm
不变,之后又下降并经过调解后达到稳定值 Idl。
(2)转速仿真结果
由转速环转速波形图分析得:转速波形先是缓慢上升,然后以恒加速上升,产生超调后,回
到给定值。
理论分析:从电流与转速变化过程所反映的特点可以把启动过程分为电流上升、恒速上升、
转速调节三个阶段,转速调节器在此三个阶段中经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况。
四.设计结论
根据仿真结果,设计合理正确,符合预期
五.对工程设计法应用于直流调速系统设计的评价
建立工程设计方法所遵循的原则是:
(1)概念清楚、易懂;
(2)计算公式简明、好记;
(3)不仅给出参数计算的公式,而且指明参数调整的方向;
(4)考虑饱和非线性控制的情况,经过分段线性化处理,给出简单的计算公式;
(5)适合于各可以简化成典型系统的闭环控制系统
为了使问题简化,突出主要矛盾,可把调节器的设计分为两步:
第一步,先选择调节器的结构,以确保系统稳定,同时满足所需的稳态精度。