双闭环直流调速系统ACR设计

已知技术参数和设计要求： 已知设备及技术参数：

已有电力电子综合实验台及所需挂件、电机机组（直流电动机－测速发电机）、示波器、万用表、可变电阻器和开关导线等实验设备。直流电动机数据如下：额定转速1600r/min、额定电压220V、额定电流1.2A、额定功率185w、允许过载倍数=1.5。

设计、调试指标要求：

1、要求调试好后的系统能进行平滑速度调节，系统在工作范围内能稳定工作；

2、系统静特性良好，静差小（静差率s≤5%）； 3、动态性能：转速超调量δn＜15%。

要求完成的主要任务:

1．参数测量：与同组同学一起实验测量调速系统主电路参数和环节特性，主要包括：主电路总电阻、主电路电磁时间常数、主电路机电时间常数、电势常数、晶闸管装置放大系数。

2．调节器设计：根据技术要求，采用工程整定法对系统进行动态校正，确定ASR的结构型式及进行参数计算。

3．系统调试：根据设计结果，与同组同学一起搭建双闭环直流调速系统，进行系统调试，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。 4．整理数据资料，独立撰写综合实验、设计说明书。要求：

给出各参量测量方法、线路图、概要过程、实验数据及计算；要求确定调节器结构、调节器详细设计计算过程；给出系统组成的原理框图、工作原理；给出系统调试（包括控制单元调试、系统静特性测定、调节

器参数调试、动态特性观察）概要过程、实验数据、特性曲线、电枢电流和转速动态波形；对综合实验及设计过程进行总结。

时间安排：2010～2011学年第一学期17周

指导教师签名：

教研室主任签名：

年 月 年 月

日日目录

摘要 ............................................................................................................................................................ 1 一、参数测量 ............................................................................................................................................ 1

1. 枢回路总电阻的确定 ................................................................................................................... 1

2. 电路电磁时间常数3. 电动机电势常数

Td的测定 ...................................................................................................... 2

Ce的测定 ......................................................................................................... 3

4. 统机电时间常数的测定 ............................................................................................................... 3 5. 闸管装置放大系数的测定 ........................................................................................................... 4 二、调节器设计 ........................................................................................................................................ 5

1. 用工程整定法校正，确定ACR的结构以及参数： ................................................................. 5

（1）确定时间常数 .................................................................................................................. 5 （2）选择电流调节器结构 ...................................................................................................... 5 （3）计算电流调节器参数 ...................................................................................................... 6 （4）校验近似条件 .................................................................................................................. 6 （5）计算调节器电阻和电容 .................................................................................................. 6 2. 确定ASR的结构型式和参数的计算 ......................................................................................... 7

（1）确定时间常数 .................................................................................................................. 7 （2）选择转速调节器结构 ...................................................................................................... 7 （3）计算转速调节器参数 ...................................................................................................... 7 （4）校验近似条件 .................................................................................................................. 7 （5）计算调节器电阻和电容 .................................................................................................. 8 （6） 校核转速超调量 ............................................................................................................ 8

三、系统调试 ............................................................................................................................................ 8

1. 实验线路及原理 ........................................................................................................................... 9 2. 控制单元调节 ............................................................................................................................... 9 3. 电流反馈系数的整定 ................................................................................................................. 10 4. 转速反馈系数的整定 ................................................................................................................. 10 5. 系统静特性测试 ......................................................................................................................... 10

（1）按图接线 ........................................................................................................................ 10

（2）机械特性nf(Id)的测定 ......................................................................................... 11

6. 系统动态特性的观察 ................................................................................................................. 12 小结 .......................................................................................................................................................... 13 参考文献 .................................................................................................................................................. 13

双闭环直流调速系统ACR设计 （工程整定法）与系统实验

摘要

从七十年代开始，由于晶闸管直流调速系统的高效、无噪音和快速响应等优点而得到广泛应用。双闭环直流调速系统就是一个典型的系统，该系统一般含晶闸管可控整流主电路、移相控制电路、转速电流双闭环调速控制电路、以及缺相和过流保护电路等．给定信号为0～10V直流信号，可对主电路输出电压进行平滑调节。由于其机械特性硬，调速范围宽，而且是无级调速，所以可对直流电动机进行调压调速。动静态性能好，抗扰性能佳。速度调节及抗负载和电网扰动，采用双PI调节器，可获得良好的动静态效果。电流环校正成典型I型系统。为使系统在阶跃扰动时无稳态误差，并具有较好的抗扰性能，速度环设计成典型Ⅱ型系统。根据转速、电流双闭环调速系统的设计方法，用Simulink做了带电流补偿的电压负反馈直流调速系统进行仿真综合调试，分析系统的动态性能，并进行校正，得出正确的仿真波形图。 关键词：直流调速 双闭环 转速调节器 电流调节器

一、参数测量

与同组同学一起实验测量调速系统主电路参数和环节特性，主要包括：主电路总电阻、主电路电磁时间常数、主电路机电时间常数、电势常数、晶闸管装置放大系数。

1. 枢回路总电阻的确定

电枢回路的总电阻R包括电机的电枢电阻Ra、平波电抗器的直流电阻RL及整流装置的内阻R ，即 RRaRLRn

由于阻值较小，不宜用欧姆表或电桥测量，因是小电流检测，接触电阻影响很大，故常用直流伏安法。为测出晶闸管整流装置的电源内阻须测量整流装置的理想空载电压Ud0，而晶闸管整流电源是无法测量的，为此应用伏安比较法，实验线路如图所示

伏安比较法实验线路图 将变阻器R1 、R2接入被测系统的主电路，测试时电动机不加励磁，并使电机堵转。合上

1

S1、S2，调节给定使输出直流电压U在30%Ued ~70%Ued范围内，然后调整R2使电枢电流在80%Ied~90%Ied范围内，读取电流表A和电压表V2的数值I1、U1，则此时整流装置的理想空载电压为

Ud0I1RU1

调节R1使之与R2的电阻值相近，拉开开关S2,在Ud的条件下读取电流表、电压表的数值I2、

U2,则

Ud0I2RU2

求解以上两式，可得电枢回路总电阻： R(U1U2)(I1I2)

如把电机电枢两端短接，重复上述实验，可得 RLRn(U2'U1')(I2'I1')

U2 113 则电机的电枢电阻为 RLR(RLRn)

U1 100 I1 0.65 I2 0.25 同样，短接电抗器两端，也可测得电抗器直流电阻RL。 由上上述数据可得：RRLRnU2U111310032.5

I1I20.650.252. 电路电磁时间常数

Td的测定

采用电流波形法测定电枢回路电磁时间常数Td，电枢回路突加给定电压时，电流id按指数规律上升：idId(1etTd)

其电流变化曲线如图2.5所示。当tTd时，有

idId(1e1)0.632Id

电机不加励磁，调节给定使电机电枢电流在50%Ied~90%Ied范压

2

波器记录idf(t)的波形，在波形图上测量初当电流上升至稳定值的63.2%时的时间，即为电枢回路的电磁时间常数Td。

3. 电动机电势常数原理如图

Ce的测定

一一测定GD2时的实验线路图

将电动机加额定励磁，使其空载运行，改变电枢电压Ud，测得相应的n即可由下式算出Ce：

CeKe(Ud2Ud1)(n2n1)

Ud2 118 Ud1 170 n2 786 n1 1145 式中，Ce的单位为V/(rpm)。

转矩常数CM（额定磁通）的单位为N·m/A。CM可由Ce求出：

CM9.55Ce

由上述数据可得：CeUd2Ud11181700.145Vrpm

n2n178611454. 统机电时间常数的测定

T(GD2R)/(375CeCM2)

3

由于TMTd，也可以近似地把系统看成是一阶惯性环节，即

nKUd/(1TMS)

当电枢突加给定电压时，转速n将按指数规律上升，当n达到稳定值的63.2%时，所经过的时间即为拖动系统的机电时间常数。

测试时电枢回路中附加电阻应全部切除，突然给电枢加电压，用数字存储示波器记录过滤过程曲线nf(t)，即可由此确定机电时间常数。

5. 闸管装置放大系数的测定

晶闸管触发及整流装置特性Udf(Ug)和测速发电机特性UTGf(n)的测定

试验线路如图5-4所示，可以不接示波器。电动机加额定励磁，逐渐增加触发电路的控制电压Ug，分别读取对应的Ug、n的数值若干组，即可描绘出特性曲线Udf(Ug)UTG、Ud、和UTGf(n)

由Udf(Ug)曲线可求得晶闸管整流装置的放大倍数曲线Ks(Us)：

KsUd/Ug

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Ud 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Ug 0.6 0.8 1.0 1.2 1.3 1.5 1.7 1.9 2.1 2.3 2.6 2.8 4

KsUd/Ug Ks=50 根据数据画出曲线图：

二、调节器设计

根据技术要求，采用工程整定法对系统进行动态校正，确定ACR的结构型式及进行参数计算。 根据设计要求额定转速nN1600rmin、额定电压UN220V、额定电流IN1.2A、 额定功率PN185W、允许过载倍数为1.5、电枢回路总电阻R32.5、电磁时间常数

TL0.006s、系统的机电时间常数Tm0.05s、电动机电势常数Ce0.145V/(rpm)，空载的

转速超调量10%、转速反馈系数=0.004v.min/r、电流反馈系数=4v.min/r。 1. 用工程整定法校正，确定ACR的结构以及参数： （1）确定时间常数

1）整流装置滞后时间常数Ts。三项桥式电路的平均失控时间Ts0.0017s

2）电流滤波时间常数Toi。三项桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤波波头，应有（1~2）

Toi=3.33ms，因此取Toi=2ms=0.002s。

3）电流环小时间常数之和Ti。按小时间常数近似处理，取TiTsToi0.0037s。 （2）选择电流调节器结构

根据设计要求，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，其传递函数为：WACR(s)Ki(is1)

is5

（3）计算电流调节器参数

电流调节器超前时间常数：iTl0.006s。 电流环开环增益：取KITi0.5 因此KI选取4，ACR的比例系数为 ，ACR的比例系数为

0.5135.1s1

0.0037Ki

KIRi135.10.00632.50.1317 Ks504（4）校验近似条件

电流环截止频率：ciKI135.1s1 1）校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件

11s1196.1s1ci 满足近似条件 3Ts30.00172）校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 3113s1130s1ci 满足近似条件 TmTl0.0060.053）校验电流环小时间常数近似处理条件

1111s1180.8s1ci 满足近似条件

3TsToi30.0037（5）计算调节器电阻和电容 取R020K，则

RiKiR00.131720K2.63K 取 3K CiiRi0.006F2106F2F 取2F 3310Coi

4Toi40.0264104F 取4F 3R020106

2. 确定ASR的结构型式和参数的计算 （1）确定时间常数

111）电流环等效时间常数kI，由ACR知：kITi0.5，则=2Ti=2×0.0037s=0.0074s

kI2）转速滤波时间常数Ton。根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.01s。 3）转速环小时间常数之和T。按小时间常数近似处理，取

nT1nK+Ton0.0074s0.01s0.0174。 I（2）选择转速调节器结构

根据设计要求，可用PI型调节器，其传递函数为：Wns1)ASR(s)Kn(

ns（3）计算转速调节器参数

按跟随和抗扰性能都较好的原则，取 h=5，则ASR的超前时间常数为 nhTn50.0174s0.087s

由Kh1n2h2T2得转速开环增益

n Kh1n2h2T2622s2396.4s2 n250.0174于是由KN(h1)CeTm2hRT得，ASR的比例系数为0.174 0.02262

n K(h1)CeTm6N2hRT40.1450.057.69

n250.00432.50.0174（4）校验近似条件

由式K1c ，转速环截止频率为

N1cnKKNn396.40.087s34.5s1

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1）电流环传递函数简化条件

1KI1135.11s63.7s1cn 满足简化条件

3Ti30.00372）转速环小时间常数近似处理条件

1KI1135.11s38.7s1cn 满足近似条件

3Ton30.01（5）计算调节器电阻和电容 取R020K，则

RnKnR07.6920153.8K，取155K CnnRn0.0876F0.5610F0.56uF，取0.6uF 315510Con4Ton40.01F2uF R020103（6） 校核转速超调量

当h=5时，由表3-4查得，n=37.6%，不能满足要求。实际上由于表3-4是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR的 退饱和的情况重新设计超调量。

该超调量的计算为：当h=5时，查表得

Cmax=81.32% CbCmaxnbCmaxnNTnn()2()(z)*

Cbn*CbnTm1.232.50.0174 n281.2%1.50.14514.25%15%

16000.05 满足设计要求。

三、系统调试

根据设计结果，与同组同学一起搭建双闭环直流调速系统，进行系统调试，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。

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1. 实验线路及原理

许多生产机械，由于加工运行的要求，使电动机经常处于起动、制动、反转的过渡过程中，因此起动和制动过程的时间在很大程度上决定了生产机械的生产机械的生产效率。为缩短这一部分的时间，仅采用PI调节器的转速负反馈单闭环调速系统，其性能还很不令人满意。双闭环直流调速系统是由电流和转速两个调节器进行综合调节，可获得良好的静、动态性能（两个调节器均采用PI调节器），由于调整系统的主要参数为转速，故将转速环作为主环放在外面，电流环作为副环放在里面，这样可以抑制电网电压扰动对转速影响。实验系统的原理图如下：

三相电源输出电流反馈与过流保护给定速度调节器电流调节器触发电路正桥功放三相全控整流一速度变换励磁电源一一双闭环调速系统原理框图

启动时，加入给定电压Ug，速度调节器和的电流调节器，即以饱和限幅值输出，使电动机以限定的最大启动电流加速启动，直到电机转速达到给定转速，并在出现超调后，速度调节器和电流调节器退出饱和，最后稳定在略低于给定转速值下运行。

系统工作时，要先给电动机加励磁，改变给定电压Ug的大小即可方便地改变电动机转速。电流调节器和速度调节器均没有限幅环节，速度调节器的输出作为电流调节器的给定，利用速度调节器的输出限幅值可达到限制启动电流的目的，电流调节器的输出作为触发电路的控制电压Ug。利用电流调节器的输出幅值可达到限制Umax的目的 2. 控制单元调节

移相控制电压Uct调节范围的确定

直接将DJK04给定电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，“正桥三项全控整流”输出接电阻负载R，负载电阻放在最大值，输出给定调到零。

Ud将随给定电压的增大而增大，按下启动按钮，给定电压Ug由零调大，当Ug超过某一数值Ug'时，Ud的波形会出现缺相的现象，这是Ud反而随Ug的增大而减少。一般可确定移相控制电压的最大允许值Uctmax0.9Ug'，即Ug的允许调节范围为0~Uctmax。如果我们把输出限幅定为

Uctmax的话，则“三项全控整流”输出范围就被限定，不会工作到极限值状态，保证六个晶闸管

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可靠工作。记录Ug'于下表中：

Ug' 4.5V 4.05V Uctmax0.9Ug' 将给定退到零，再按停止按钮切断电源，结束步骤。 3. 电流反馈系数的整定

将“给定”电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，整流桥输出接电阻负载R，负载电阻放在最大值，输出给定调到零。

按下启动按钮，从零增加给定，使输出电压升高，当Ud220V，减小负载的阻值，调节“电流反馈与过流保护”上的电流反馈电位器RP1，使得负载电流Id1.3V时，“2”端Ir的电流反馈电压Uri6V，这时的电流反馈系数UriId4.615VA。 4. 转速反馈系数的整定

将“给定”电压Ug接DJK02-1上的移相控制电压Uct的输入端，“三相全控整流”电路接直流电动机负载，Ld用DJK02上的200mH，输出给定调到零。

rpm时，调节“速度按下启动按钮，接通励磁电源，从零逐渐增加给定，使电机提速到n1500变换”上转速反馈电位器RP1，使得该转速时反馈电压Ufn6V，这时的转速反馈系数

Ufnn0.004Vrpm。

5. 系统静特性测试

经过试验调节的到可以使系统稳定运行时各个参数分别为：

Ri3K Rn135K Ci2F Cn0.5F

（1）按图接线，DJK04的给定电压Ug输出为正给定，转速反馈电压为负电压，直流发电机接负载电阻R,Ld用DJK02上的200mH，负载电阻放在最大值，给定的输出调节到零。将速度调节器，电流调节器都接成P（比例）调节器后，接入系统，形成双闭环不可逆系统，按下启动按钮，接通励磁电源，增加给定，观察系统能否正常运行，确认整个系统的接线无误后，将速度调节器，

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电流调节器均恢复成PI（比例积分）调节器，均成实验系统。 （2）机械特性nf(Id)的测定

rpm，然后A、发电机先空载，从零开始逐渐调大到给定电压Ug，使电动机转速接近n1200接入发电机负载电阻R，逐渐改变负载电阻，直至IdIed，即可测出系统静态特性曲线

nf(Id)，并记录于下表中：

n(rpm) 1150 0.9 1150 0.95 1150 1.01 1140 1.05 1135 1.09 1110 1.15 1090 1.2 Id（A）

B、降低Ug，在测试n800rpm时的静态曲线，并记录于下表中： n(rpm) 800 0.75 800 0.71 800 0.68 799.5 0.67 801.5 0.66 800.4 0.64 799.7 0.63 Id（A）

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C、闭环控制系统nf(Ug)的测定

rpm，逐渐降低Ug，记录Ug和n，即可测出闭环控制特性调节Ug及R，使IdIed、n1200nf(Ug)。

n(rpm) 1180 5.7 1180 5.3 1180 5 1170 4.5 920 3.5 800 3 665 2.5 535 2 402 1.5 270 1 140 0.5 Ug(V)

6. 系统动态特性的观察

用慢扫描示波器观察动态波形。在不同的系统参数下（“速度调节器”的增益和积分电容、“电流

调节器”的增益和积分电容），用示波器观察、记录下列动态波形： （1）突加给定Ug，电动机启动时的电枢电流Id（“电流反馈与过载保护”的“2”端）波形和转速n（“转速变换”的“3”端）波形。

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（2） 突加负载时电动机电枢电流波形和转速波形。

（3） 突降负载时电动机的电枢电流波形和转速波形。

小结

双闭环直流调速系统

ASR的作用是对转速的抗干扰调节并使之在稳态是无静差，其输出幅

值决定允许的最大电流，由于没有选修《计算机仿真技术与CAD—基于Matlab的控制系统》这门课程，在“基于Matlab的双闭环直流调速系统设计及仿真”的相关问题上的知识面有所欠缺，在翻阅大量参考文献后，完成了本次设计。

参考文献

[1]陈伯时主编.电力拖动控制系统. 北京：机械工程出版社，2007

[2]李国勇等主编. 计算机仿真技术与CAD.北京：电子工业出版社，2008 [3]周渊深主编.交直流调速系统与Matlab仿真.北京：中国电力出版社，2007

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