转速、电流双闭环直流调速系统控制器设计
### 转速、电流双闭环直流调速系统控制器设计 #### 设计要求与背景 在本设计案例中,我们探讨了如何针对一款特定的他励直流电动机设计一个转速、电流双闭环直流调速系统。该系统旨在实现精确的速度控制,并确保系统的稳定性和可靠性。设计的目标是使系统能够在指定的转速范围内(100rpm到1500rpm)无静差运行,并且在启动至额定转速的过程中,电流和空载起动转速的超调量均不超过10%。 #### 技术参数 - **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**:J = 0.006 kg·m²。 - **电枢电感**:La = 326 mH。 - **电枢电阻**:R = 23 Ω。 - **过载倍数**:λ = 1.1。 - **电力变换装置**:晶闸管三相全控桥式整流电路Ks = 110。 - **主电路等效电阻**:R = Rf + Rm + Rsc = 23 + 12 + 4 = 39 Ω。 - **给定电源电压最大值**:取决于学生学号尾号,奇数选10V,偶数选5V。 - **调节器输出限幅电压**:取决于学生学号尾号,0-4的同学选10V,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:Tf = 0.001 s;转速环滤波为一阶RC滤波环节,滤波时间常数:Tn = 0.0038 s。 #### 静态设计 在静态设计阶段,主要任务是确定转速和电流的反馈系数。 - **转速反馈系数α**:根据公式计算得到α = 0.00625 V·min/rpm。 - **电流反馈系数β**:根据公式计算得到β = 8.264 V/A。 #### 动态设计 在动态设计阶段,需要考虑系统的动态特性,包括响应速度、稳定性和抗干扰能力。 ##### 电流环设计 1. **确定时间常数**: - **机械时间常数**:根据电机参数计算得出Tm = 0.1731 s。 - **电磁时间常数**:计算得到Te = 0.01143 s。 - **电流滤波时间常数**:Tf = 0.001 s。 - **整流装置滞后时间**:Ts = 0.00167 s。 - 综合以上,电流环小时间常数之和T∑i = 0.00267 s。 2. **电流调节器设计**: - **选择PI调节器**:根据设计要求,电流超调量小于10%,选择典型一型系统设计电流调节器。 - **计算参数**:根据计算得出电流调节器超前时间常数τi = 0.01143 s;电流环开环增益Ki = 187.27 s⁻¹;电流调节器比例系数Ki = 0.09183。 3. **校验近似条件**: - **晶闸管整流装置传递函数近似条件**:满足条件。 - **忽略反电动势变化对电流环动态影响条件**:满足条件。 - **电流环小时间常数近似处理条件**:满足条件。 4. **电流调节器传递函数**:最终得到电流调节器的传递函数为\( W_{ACR}(s) = \frac{0.09183(0.01143s+1)}{0.01143s} \)。 ##### 转速环设计 1. **确定时间常数**: - **电流环等效时间常数**:计算得到T∑i = 0.00534 s。 - **转速滤波时间常数**:Tf = 0.0038 s。 - **转速环小时间常数**:T∑n = 0.00914 s。 2. **选择PI调节器**:根据设计要求,转速环设计为典型二型系统,选择PI调节器。 3. **计算参数**: - **超前时间常数τn**:取h = 5,计算得到τn = 0.0457 s。 - **转速开环增益Kn**:计算得到Kn = 1436.4。 - **转速调节器比例系数Kn**:计算得到Kn = 46.885。 4. **校验近似条件**: - **转速环截止频率**:计算得到ωn = 65 s⁻¹。 - 各项条件均满足设计要求。 通过以上设计步骤,可以有效地实现一个稳定可靠的转速、电流双闭环直流调速系统,确保电机在指定转速范围内的平稳运行,并满足超调量的限制条件。