双闭环直流电机调速系统设计(15页).doc

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1、-第 1 页双闭环直流电机调速系统设计-第 2 页班级：班级：组别：组别：组员：组员：时间：时间：摘摘要要转速、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单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

2、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。关键词关键词：双闭环；双闭环；转速调节器；电流调节器转速调

3、节器；电流调节器目目 录录一、绪论.31.1 直流调速系统的概述.31.2 为何要采用直流双闭环调速.41.3 研究课题的目的和意义.4二、直流调速系统的方案设计.5自动控制系统设计报告自动控制系统设计报告双闭环直流电机调速系统设计双闭环直流电机调速系统设计-第 3 页2.1设计内容和要求.52.1.1 设计内容.52.1.2 设计要求.52.1.3 课程设计原始数据.62.2 双闭环直流调速系统总设计框图.62.3 主电路的结构形式.7三、调节器的设计.83.1 电流调节器的设计.83.2 转速调节器的设计.10四、基于 MATLAB/SIMULINK 的调速系统的仿真.12五、设计总结.1

4、4参考文献.15一、一、绪绪论论1.1 直流调速系统的概述直流调速系统的概述三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速，以满足工作机械的要求。从机械特性上看，就是通过改变电动机的参数或外加

5、工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭-第 4 页环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。1.2 为何要采用直流双闭环调速为何要采用直流双闭环调速同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈

6、控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。由于闭环系统的这些优点因此选用闭环系统。单闭环速度反馈调速系统，采用 PI 控制器时，可以保证系统稳态速度误差为零。但是如果对系统的动态性能要求较高，如果要求快速起制动，突加负载动态速降小等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照要求来控制动态过程的电流或转矩。另外，单闭环调速系统的动态抗干扰性较差，当电网电压波动时，必须待转速发生变化后，调节作用才能产生，因此动态误差较大。在要求较

7、高的调速系统中，一般有两个基本要求：一是能够快速启动制动；二是能够快速克服负载、电网等干扰。通过分析发现，如果要求快速起动，必须使直流电动机在起动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩，即最大的恒定允许电枢电流，当电枢电流保持最大允许值时，电动机以恒加速度升速至给定转速，然后电枢电流立即降至负载电流值。如果要求快速克服电网的干扰，必须对电枢电流进行调节。以上两点都涉及电枢电流的控制，所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量，组成转速、电流双闭环调速系统。1.3 研究课题的目的和意义研究课题的目的和意义在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗

8、电压扰动的性能要差一些。双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求，需要设计者有扎实的理论基础和丰富的实践经验，而初学者则不-第 5 页易掌握，于是有必要建立实用的设计方法。大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低阶系统近似。若事先深入研究低阶典型系统的特性并制成图表，那么将实际系统校正或简化成典型系统的形式再与图表对照，设计过程就简便多了

9、。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。二、二、直流调速系统的方案设计直流调速系统的方案设计2.1设计内容和要求设计内容和要求2.1.1 设计内容设计内容1.根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构形式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图。2.调速系统主电路元部件的确定及其参数计算。3.驱动控制电路的选型设计。4动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定 ASR 调节器与ACR 调节器的结构形式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。5 绘制 VM 双闭环直流不可逆调速系统电器原理图，并研究参数变化时对直流电动机动态性能的影响。2.1.2 设计要求

10、设计要求1、使学生进一步熟悉和掌握单、双闭环直流调速系统工作原理，了解工程设计的基本方法和步骤。2、熟练掌握主电路结构选择方法，主电路元器件的选型计算方法。3、熟练掌握过电压、过电流保护方式的配置及其整定计算。4、掌握触发电路的选型、设计方法。5、掌握同步电压相位的选择方法。6、掌握速度调节器、电流调节器的典型设计方法。-第 6 页7、掌握电气系统线路图绘制方法。8、掌握撰写课程设计报告的方法。2.1.3 课程设计原始数据课程设计原始数据D 组：组：直流他励电动机：功率 Pe1.45KW，额定电压 Ue=220V，额定电流 Ie=8A,磁极对数 P=1，en=1500r/min，励磁电压 22

11、0V，电枢绕组电阻 Ra=3.7，主电路总电阻 R7.4，Ks=27.5，电磁时间常数 TL=0.033s，机电时间常数 Tm=0.26s，滤波时间常数 Toi=0.003s，Ton=0.01s，过载倍数1.5，电流给定最大值*8imUV，速度给定最大值*10nmUV，控制电压最大值 Uctm=8V。要求转速和电流稳态无静差，电流超调量%5i，转速超调量%20n。2.2 双闭环直流调速系统总设计框图双闭环直流调速系统总设计框图在生活中，直接提供的是单相交流 220V 电源，而直流电机的供电需要单相直流电，因此要进行整流，本设计采用单相桥式整流电路将单相交流电源变成单相直流电源，最后达到要求把电

12、源提供给直流电动机。如图 2-1 设计的总框架。图 2-1双闭环直流调速系统设计总框架单相交流电路的交、直流侧及单相桥式整流电路中晶闸管中电路保护有电压、电流保护。一般保护有快速熔断器，压敏电阻，阻容式。根据不同的器件和保护的不同要求采用不同的方法。驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，它将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。本设计使用的是晶闸管，即半控型器件。驱动电路对半控型只需要提供开通控制信号，对于晶闸管的驱动电路叫作触发电路。直流调速系统中应用最普遍的方案是转速、电流双闭环系统

13、，采用串级控制保护电路单相交流电源单相直流电源直流电机驱动电路双闭环调速系统整流供电-第 7 页的方式。转速负反馈环为外环，其作用是保证系统的稳速精度；电流负反馈环为内环，其作用是实现电动机的转距控制，同时又能实现限流以及改善系统的动态性能。转速、电流双闭环直流调速系统在突加给定下的跟随性能、动态限流性能和抗扰动性能等，都比单闭环调速系统好。2.3 主电路的结构形式主电路的结构形式在直流调速系统中，我们采用的是晶闸管-电动机调速系统(简称 V-M 系统)的原理图如图 2-2 所示。它通过调节处罚装置 GT 的控制电压cU来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压dU，从而实现平滑调速。与旋转变

14、流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都很大提高，而且在技术性能上也显现出较大的优越性。图 2-2V-M 系统原理对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，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大小来调节电压。当整流负载容量较小可以采用单相全控桥整流电路，其交流侧由单相电源供电。该电路输出电压波动小，适合小容量直流电动机的负载，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。图 2-3主电路原理图单相全控桥整流电路由晶闸管 VT1、VT2 接成共阳极组，晶闸管 VT3、VT4

15、接成共阴极组，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。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，在单相交流电路的交、直流侧及单相桥式整流电路中晶闸管中电路保护有电压、电流保护。一般保护有快速熔断器，压敏电阻，阻容式。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-第 8 页要一个电流截止负反馈系统。由 2-4 图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

16、许过载能力值dmI，并且保持不变，在这个条件下，转速n得到线性增长，当开到需要的大小时，电机的电流急剧下降到克服负载所需的电流fzI值,对应这种要求可控硅整流器的电压在启动一开始时应为dmIR，随着转速n的上升，dmeUIRC n也上升，达到稳转速时，fzeUI RC n。图 2-4 带截止负反馈系统启动电流波形这就要求在启动过程中把电动机的电流当作被调节量，使之维持在电机允许的最大值dmI，并保持不变。这就要求一个电流调节器来完成这个任务。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要求下产生的。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

17、者之间实行串级联接，如图 2-5 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。三、三、调节器的设计调节器的设计3.1 电流调节器的设计电流调节器的设计1.时间常数的确定（1）整流装置滞后时间常数sT。图 2-5 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）-第 9 页即单相桥式电

18、路的平均失控时间sTs005.0（2）电流滤波时间常数oiT。oiT=3ms=0.003s。（3）电流环小时间常数之和iT。按小时间常数近似处理，取sTTToisi008.0。2.选择电流调节器的结构根据设计要求5%i，并保证稳态电流无静差，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 型调节器，其传递函数为式中iK-电流调节器的比例系数；i-电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能：ilTT1040047.0033.0，参照表 3-1 的典型 I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的，因此基本确定电流调节器按典型 I 型系统设计。参数关系 KT

19、0.250.390.50.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间rt6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间pt8.3T6.2T4.7T3.6T相角稳定裕度76.369.965.559.251.8截止频率c0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T3.计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数：liT=0.033s，电流开环增益：要求5%i时，取0.5IiK T，所以表 3-1典型 I 型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系-第 10 页于是，ACR 的比例系数为式中，为电流反馈系数其值为328N

20、IV；晶闸管装置放大系数 Ks=27.5。4.校验近似条件电流环截止频率：15.62skIci1)晶闸管整流装置传递函数的近似条件满足近似条件2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件满足近似条件3）电流环小时间常数近似处理条件满足近似条件5.计算调节器电阻和电容由图 3-3，按所用运算放大器取 R0=40k，各电阻和电容值为kkRKRii3.334083.00取k33FksRTCoioi3.040003.0*440照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为4.3%5%i，满足设计要求。3.2 转速调节器的设计转速调节器的设计1.确定时间常数（1）电流环等效时间常数 1/KI。由前述已知，

21、0.5IiK T，则（2）转速滤波时间常数onT，根据所用测速发电机纹波情况，取（3）转速环小时间常数nT。按小时间常数近似处理，取2.选择转速调节器结构按照设计要求，选用 PI 调节器，其传递函数式为3.计算转速调节器参数图 3-3含滤波环节的 PI 型电流调节器-第 11 页按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取 h=5，则 ASR 的超前时间常数为则转速环开环增益可得 ASR 的比例系数为式中电动势常数127.015007.38220NaNNenRIUCrV min/.转速反馈系数rVrVmin/.1501min/1500104.检验近似条件转速截止频率为（1）电流环传递函数简化条件为满足简

22、化条件（2）转速环时间常数近似处理条件为满足近似条件5计算调节器电阻和电容根据图 5-4 所示，取040Rk，则kkRKRnn412403.100取k400FFRCnnn32.01040013.03取F3.03044 0.01140 10ononTCFFR取1 F6.校核转速超调量当 h=5 时，查表 3-2 典型型系统阶跃输入跟随性能指标得，37.6%n，不能满足设计要求。实际上，由于表 3-2 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 退饱和的情况重新计算超调量。表 3-2 典型 II 型系统阶跃输入跟随性能指标（按minrM准则确定参数关系

23、）h34567891052.60%43.60%37.60%33.20%29.80%27.20%25.00%23.30%/rtT2.42.652.8533.13.23.33.35图3-4含滤波环节的PI型转速调节器-第 12 页/stT12.1511.659.5510.4511.312.2513.2514.2k32211111表 3-3典型 II 型系统动态抗扰性能指标与参数的关系h345678910max/bCC72.20%77.50%81.20%84.00%86.30%88.10%89.60%90.80%/mtT2.452.702.853.003.153.253.303.40/vtT13.6

24、010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85设理想空载起动时，负载系数0Z，已知,8eAI，min/1500rne，5.1，rVCemin/.127.0，sTm26.0，sTn026.0。当5h时，由表 3-3查得，%2.81/maxbCC，4.7R，而调速系统开环机械特性额定稳态速降式中电机中总电阻1.114.77.3RRRa调速系统开环机械特性的额定稳态速降*n为基准值，对应为额定转速min/1500rnN根据上式计算得能满足设计要求四、四、基于基于 MATLAB/SIMULINK 的调速系统的仿的调速系统的仿真真通过对整个控制电路的设计，用 MATLAB/SIM

25、ULINK 对整个调速系统进行仿真。首先建立双闭环直流调速系统的动态数学模型，可以参考该系统的动态结构-第 13 页形式，双闭环直流调速系统的动态结构框图如图 4-1 所示：把这些参数的值代入框图中的公式就可得到以下框图 4-2。图 4-2 双闭环直流调速系统动态结构框图图 4-3ASR图 4-4ACR为了分析双闭环调速系统的特性，在转速调节器和速度调节器的输出端设置一个限幅值，限幅值的大小可以根据所选的运算放大器的输入电压的大小来选定，本设计选取的限幅值为10V。根据动态模型图以及计算参数，用 MATLAB/SIMULINK 进行仿真，主要是仿真电动机的输出转速和电流。最终得到的转速仿真图形

26、如图 4-3 所示。图 4-3 双闭环直流电机转速电流输出仿真图形从图 4-3 可以很明显的看出转速的起动和扰动的现象。从仿真得到的转速曲线图中可以得出转速超调量为%10%100*150015001650n，基本满足设计的要求，但是与设定值相比还是有误差。在 0.9 秒的时候，转速达到一个稳定值，系统无静差运行，其中在 3 秒的时候输入一个负载扰动量dLI，在 3.1 秒的时候扰动消失，速降达到了min/70r，过了 0.3 秒之后转速又达到稳定值。从图中可以看出，扰动很快得到了调节，这是两个 PI 型调节器自动调节的作用。另外从图中也可以看到，系统是无静差运行的，符合设计的要求。从仿真的结果

27、来看，得到这样结论：（1）工程设计方法在推导过程中为了简化计算做了许多近似的处理,而这些简图 4-1 双闭环调速系统动态结构图-第 14 页化处理必须在一定的条件下才能成立。例如：将可控硅触发和整流环节近似地看作一阶惯性环节，设计电流环时不考虑反电势变化的影响；将小时间常数当作小参数近似地合并处理；设计转速环时将电流闭环从二阶振荡环节近似地等效为一阶惯性环节等。（2）仿真实验得到的结果也并不是和系统实际的调试结果完全相同，因为仿真实验在辨识过程中难免会产生模型参数的测量误差，而且在建立模型过程中为了简化计算，忽略了许多环节的非线性因素和次要因素。如:可控硅触发和整流环节的放大倍数KS和失控时间

28、sT，这些都是非线性参数，但在仿真中被近似看作常数；再如：设计电流调节器时只考虑电流连续时的情况，而忽略了电流断续时的情况。以上一些原因，在应用工程设计方法时应该注意的，以减小理论设计与实际之间的差距。五、五、设计总结设计总结本次设计是针对双闭环直流电机调速系统的设计，主要工作是设计直流调速控制器的电路，设计的电路都是模拟电路，同时相应地介绍了器件的保护、电流调调节器、转速调节器以及晶闸管的触发电路的设计过程，通过借用图书馆的书籍以及通过网络上的搜索，查阅了许多关于本设计的书籍和资料对该电路的设计有了较为深入的研究，也进一步熟悉了双闭环直流调速系统的结构形式、工作原理及各个器件的作用和设计。同

29、时，在指导老师的指导下，并与有共同设计内容的同学交流，分析、整理和研究课题，先确立了设计基本思路，遇到问题及时与指导老师沟通，在老师的指点和自己的努力，最后完成了整个设计。本次设计参数计算由吕梦达吕梦达完成，PPT 和报告部分由崔凯华崔凯华完成，原理图绘制及 matlab 仿真由邹永涛邹永涛完成。本设计在有限的条件下和组员有限的学识，做出的设计还是存在着一些不足。本设计采用 PI 调节器，输出的转速存在这超调量比较大，而且快速性也相对受到影响。则今后可以采用 PID 调节器可以全面的提高系统的控制性能，但是具体实现与调试要复杂，做的工作比现在就更多。设计研究是一个漫长的过程，-第 15 页要想让它真正的使用到现实中，还需要不断的改善。参考文献参考文献1 余发山.自动控制系统M,第二版.徐州:中国矿业大学出版社,2011 年 6月2 课程设计指导书河南理工大学.电气学院编