双闭环直流调速系统设计与仿真.doc
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双闭环直流调速系统设计与仿真.doc
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双闭环直流调速系统的设计与仿真
学院
自动化学院
专业
自动化
班级
学号
姓名
指导教师
负责教师
沈阳航空航天大学
20xx年6月
沈阳航空航天大学毕业设计(论文)
摘要
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。
根据晶闸管的特性,通过调节控制角α大小来调节电压。
基于设计题目,直流电动机调速控制器选用了转速、电流双闭环调速控制电路。
在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。
本文首先确定整个设计的方案和框图。
然后确定主电路的结构形式和各元部件的设计,同时对其参数的计算,包括整流变压器、晶闸管、电抗器和保护电路的参数计算。
接着驱动电路的设计包括触发电路和脉冲变压器的设计。
最后,即本文的重点设计直流电动机调速控制器电路,本文采用转速、电流双闭环直流调速系统为对象来设计直流电动机调速控制器。
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,可在系统中设置两个调节器,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,二者之间实行嵌套联接。
从闭环结构上看,电流环在里面,称作内环;转速环在外边,称做外环。
这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
先确定其结构形式和设计各元部件,并对其参数的计算,包括给定电压、转速调节器、电流调节器、检测电路、触发电路和稳压电路的参数计算然后最后采用MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行了仿真分析,最后画出了调速控制电路电气原理图。
关键词:
双闭环;转速调节器;电流调节器
Doubleclosedloopdcspeedcontrolsystemdesignandsimulation
Abstract
Theelectricdriveautomaticcontrolsystemistransformstheelectricalenergythemechanicalenergytheinstallment,itwidelyisappliedinproducesthemachinerytoneedgenerallythepowerthesituation,isalsowidelyappliedintheprecisionmachineryandsoonneedsthehighperformanceelectricdriveintheequipment,withcontrolstheposition,thespeed,theacceleration,thepressure,thetensityandthetorqueandsoon.Whatthisarticleelaboratesis“therotationalspeed,theelectriccurrentdoubleclosedloopcocurrentvelocitymodulationsystemrephrasesinownwordsthesingleclosedloopcocurrentvelocitymodulationsystem'smaincircuitdesignandtheresearch”.Themaincircuitdesignisrestsonthethyristor-electricmotor(V-M)thesystemcomposition,ItssystembyrectificationtransformerTR,thethyristorrectificationspeeder,flatwavereactorLandtheelectricmotor-powersetandsooniscomposed.AfterrectificationtransformerTRandthethyristorrectificationspeeder'sfunctionisthealternatingcurrentrectificationwhich,inputsturnsthedirectcurrent;TheflatwavereactorLfunctioniscausestheoutputthedirectcurrenttobesmoother;Theelectricmotor-powersetprovidesthethree-phaseACpowersource.
Keywords:
direct-currentvelocitymodulationthyristordoubleclosedloop
符号表
n
转速
r/min
滞后时间常数
s
U
电压
V
积分时间常数
s
I
电流
A
电动势系数
Vmin/r
R
电阻
励磁磁通
Wb
晶闸管整流器放大系数
L
主电路电感
H
电磁时间常数
s
机电时间常数
s
目录
1绪论 1
1.1任务背景 1
1.2直流双闭环调速系统介绍 1
1.3调速系统总体设计 2
2双闭环直流调速系统电路设计 5
2.1晶闸管—电动机主电路的设计 5
2.1.1主电路设计 5
2.1.2主电路参数计算 6
2.2转速、电流调节器的设计 7
2.2.1电流调节器 7
2.2.2转速调节器 10
2.3转速检测和电流检测的电路设计 12
3常规PID控制设计及仿真 13
3.1常规PID控制器理论 13
3.2系统仿真 14
4模糊控制器设计及仿真 20
4.1模糊控制基本理论 20
4.1.1模糊化 20
4.1.2模糊控制规则 21
4.1.3模糊推理 21
4.1.4模糊判决 22
4.2模糊控制器设计 22
4.2.1常规模糊PID控制+积分环节(I)控制 23
4.3运用模糊PID控制对双闭环直流调速系统进行仿真 23
5调速系统的性能比较 31
5.1单闭环直流调速系统与双闭环直流调速系统的比较 31
5.1.1单闭环直流调速系统的分析与设计 31
5.1.2转速反馈闭环调速系统的仿真 32
图5-4电动机电流的仿真结果 33
5.1.3单闭环与双闭环的性能比较 34
5.2常规PID控制与模糊PID控制的比较 35
5.3经济价值分析 36
参考文献 37
致谢 38
III
沈阳航空航天大学毕业设计(论文)
1绪论
1.1任务背景
自7O年代以来,国内外在电气传动领域内,大量地采用了“晶闸管直流电动机调速”技术。
尽管当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展,但在工业生产中晶闸管直流电动机调速技术的应用量还是占有相当的比重。
在工程设计与理论学习过程中,会接触到大量关于调速控制系统的分析、综合与设计问题。
传统的研究方法主要有解析法,实验法与仿真实验,其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。
以计算机作为工具的计算和仿真技术能为各种不同的控制系统提供一种方便,灵活多变的“活的数学模型”,在这个“活的数学模型”上进行实验研究,不仅省钱,而且安全,周期短、见效快.鉴于上述优点,我们需要开发和研究既能够进行直流双闭环的系统设计,又能将设计结果进行系统仿真的软件,以方便工程设计和理论学习。
1.2直流双闭环调速系统介绍
双闭环直流调速系统是一种当前应用广泛、经济、适用的电力传动系统。
它具有动态响应快、抗干扰能力强优点。
我们知道反馈闭环系统具有良好的抗绕性能,它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。
采用转速反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。
但如果对系统的动态性能要求较高,例如要求起制动,突加负载动态过程的电流或转矩。
在单闭环系统中,只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。
但他只是在超过临界电流值以后,强烈的负反馈作用限制电流的冲击,并不能很理想的控制电流的动态波形。
在实际工作中我们希望在电机最大电流受限的条件下,充分利用电机的允许过载能力,最好是在过渡过程中始终保持电流转矩为允许最大值,是电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动,到达稳态转速后,又让电流立即降下来,使转矩马上与负载想平衡,从而转入稳态运行。
这时,启动电流成方波形,而转速是线性增长的。
这是在最大电流转矩受限的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。
实际上,由于主电路电感的作用,电流不能突跳,为了实现在允许条件下最快启动,关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程,按照反馈控制规律,电流负反馈就能得到近似的恒流过程。
问题是希望在启动过程中只有电流负反馈,而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端,到达稳态转速后,又希望只要转速负反馈,不在让电流负反馈发挥主作用,因此我们采用双闭环调速系统。
这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用不同的阶段。
在设计过程中,为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,需要设置两个调节器,分别调节转速和电流,两者之间实行串级连接,即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;转速调节环在外面,叫外环。
这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。
1.3调速系统总体设计
直流双闭环调速系统中设置了两个调节器,即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR),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。
两者之间实行嵌套连接,且都带有输出限幅电路。
转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值;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。
由于调速系统的主要被控量是转速,故把转速负反馈组成的环作为外环,以保证电动机的转速准确跟随给定电压,把由电流负反馈组成的环作为内环,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电力电子变换器UPE,这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
如图1-1所示:
电流
检测
三相
全控桥
直流
电动机
_Ui
电流
调节器
三相集成
触发器
速度
调节器
给定
电压
Un*+UUi*Uc Ud n
_+
转速
检测
Un
图1-1直流双闭环调速系统
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PI调节器。
这样构成的双闭环直流调速系统。
其原理图如图1-2所示:
图1-2直流双闭环调速系统原理图
直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成,其中主电路中串入平波电抗器,以抑制电流脉动,消除
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- 闭环 直流 调速 系统 设计 仿真