电力拖动与运动控制系统课程设计-双闭环直流调速系统的设计.doc

《电力拖动与运动控制系统》
课程设计

专 题： 双闭环直流调速系统的设计
2014 年 6 月

课程设计任务书
任务下达日期：2014年6月16日
设计日期： 2014年6月16日 至 2014年6月30日
设计专题题目：双闭环直流调速系统的设计
设计主要内容和要求：
直流调速系统凭借其优良的调速性能在现场中得到了广泛使用，虽然交流电机得到了越来越多的使用，但直流调速系统的理论完全适用于交流电机调速系统的设计。
针对附录中提供的直流电机参数，进行直流电机调速系统的设计。要求该直流调速系统调速范围宽、起制动性能好、可四象限运行，具体设计内容如下：
1. 绪论
介绍直流调速在工业生产中的应用及直流调速理论的发展，通过调查市场上的直流调速产品，了解目前直流调速产品的结构与功能。
2. 直流调速系统的主电路设计
(1) 根据提供的直流电动机参数，选择相应的主电路形式，主电路主要采用两种形式：基于H桥的直流脉宽调速系统、晶闸管—电动机直流调速系统。
(2) 根据附录中所提供的直流电机参数和选择的主电路形式，对主电路中的功率器件进行型号选择，并要求给出选择依据；
(3) 根据选择的主电路拓扑结构所采用的电力电子器件，设计或选择电力电子器件的驱动电路。要求给出所设计或选择的晶闸管触发电路、全控型器件IGBT驱动电路的原理图，并对驱动电路的原理简要说明。
(4) 根据系统控制要求，选择相应的电压、电流和温度等传感器，要求给出具体型号；
(5) 要求在主回路设计中需给出相应的保护及缓冲电路；
(6) 列出所选用主电路的器件清单(包括：名称、型号、厂商、数量、参考价格)。
3. 直流调速系统的控制理论
(1) 给出双闭环直流调速系统的动态结构框图，掌握双闭环直流调速系统的起动过程与特点；
(2) 根据提供的直流电动机参数和所设计的电力电子变换环节参数，确定动态结构框

图各环节的具体参数；
(3) 运用工程化设计方法对直流调速系统的调节器进行参数设计，要求必须给出限幅的具体参数及依据，以表格的形式总结所设计的转速调节器、电流调节器的参数；
(4) 利用Protel软件绘制带有内外限幅的PI调节器的模拟电路图，要求根据设计的PI调节器参数确定调节器中电阻和电容的参数；
(5) 给出确定各环节参数后的直流调速系统完整结构框图。
4. 双闭环直流调速系统的Matlab仿真
(1) 根据上述双闭环直流调速系统的动态结构框图，建立Matlab仿真模型，并对调节器参数设计的合理性进行验证；
(2) 运用Matlab/Simulink下的电机模型，建立基于电机模型的仿真模型，并对调节器的参数作出调整。
5. 数字控制器的设计
(1) 硬件设计：根据所选数字处理器，进行相应硬件电路的设计，要求包括PWM输出、AD采样及信号处理电路、编码器接口等；
(2) 软件设计：给出双闭环直流调速系统的整体控制流程图，并给出增量式PI调节器、数字测速的程序流程框图。

成绩： 指导教师签字：
日 期：

摘 要
直流电动机调速系统在当前的工业生产中应用相当广泛。直流电动机和交流电动机相比，其制造工艺复杂，生产成本高、维修困难，需备有直流电源才能使用。但因直流电动机具有宽广的调速范围，平滑的调速特性，较高的过载能力和较大的起动、制动转矩，因此被广泛地应用于调速性能要求较高的场合。
直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一。双闭环是指转速环和电流环，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。
目前，发达国家应用的先进电气调速系统几乎完全实现了数字化，双闭环控制系统已经普遍的应用到了各类仪器仪表，机械重工业以及轻工业的生产过程中。随着全球科技日新月异的发展，双闭环控制系统总的发展趋势也向着控制的数字化，智能化和网络化发展。
而在我们国内，双闭环控制也已经经过了几十年的发展时期，目前已经基本发展成熟，但是目前的趋势仍是追赶着发达国家的脚步，向着数字化发展。

关键词：直流、双闭环、转速调节器、电流调节器、MATLAB仿真

目 录

1 绪论 6
2 直流调速系统的主电路设计 7
2.1 晶闸管--电动机直流调速系统 7
2.1.1主电路拓扑结构 7
2.1.2电力电子器件选型方法 7
2.1.3 功率器件的工程选择方法 8
2.2电力电子器件的驱动电路 10
2.2.1驱动电路的作用 10
2.2.2驱动电路的基本任务 10
2.2.3触发电路定义、分类及其要求 10
2.2.4晶闸管触发电路的形式 10
2.3信号检测及处理电路 11
2.3.1 模拟量的输入通道 12
2.3.2直流调速系统控制需要检测的信号 12
2.3.3温度检测 12
2.3.4转速检测 13
3 直流调速系统的控制理论 14
3.1 调节器输出限幅值的整定 15
3.2 起动过程分析 15
3.3 设计V-M双闭环直流可逆调速系统参数 18
3.4电流调节器设计 18
3.4.1 电流调节器的作用 18
3.4.2 设计步骤 19
3.5 转速调节器的设计 21
3.5.1 转速调节器的作用 21
3.5.2设计步骤 21
4 双闭环直流调速系统的仿真 25
5 数字控制器的设计 27
5.1 硬件设计 27
5.2软件设计 28
5.2.1双闭环直流调速系统的整体控制流程 28
5.2.2数字控制器的程序流程框图 29
六、设计总结 30
参考文献 31
附录 32

1 绪论
直流调速系统具有调速性能优良、可靠性高等优点，被广泛的应用。比如轧钢分厂的可逆轧钢机、机修分厂的龙门创床那样需要经常正、反转运行的调速系统，尽可能地缩短直流电动机的起动，制动过程的时间是提高生产率的一个重要因素。
最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行，设备制造方便，价格低廉。但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速。50年代末出现的晶闸管，它具有体积小、响应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。因而，晶闸管直流调速系统迅速发展，晶闸管变流技术也日益成熟，直流调速系统更加完善。
直流调速器是一种电机调速装置，包括电机直流调速器、脉宽直流调速器、可控硅直流调速器等，一般为模块式直流电机调速器，集电源、控制、驱动电路于一体，采用立体结构布局，控制电路采用微功耗元件，用光电耦合器实现电流、电压的隔离变换，电路的比例常数、积分常数和微分常数用PID适配器调整。具有体积小、重量轻等特点，可单独使用也可直接安装在直流电机上构成一体化直流调速电机，可具有调速器所应有的一切功能。
西门子驱动技术集团在中国推出了适用于直流应用的调速装置SinamicsDCMaster（DCM），进一步完善了其传动产品系列。这款调速装置能够利用Sinamics系列产品的各种功能与工具，如SIZER和STARTER。该款调速装置的额定直流电流范围为15-3000A，并且其额定电流可通过将多台直流调速装置并联来提高。SinamicsDCMaster（DCM）将开环控制、闭环控制和电源装置集成在一台设备中，不仅结构极为紧凑，而且节省了大量的空间。其设计采用的冗余功能更是确保了此款产品的高可用性，提高了系统应用的效率与生产率。
ABB的直流变流器一直是各机器制造厂商的首选，型号有DCS800、DCS600、DCS500等。现代的直流转换器操作简单、结构紧凑、维护费用低。直流变流器能够适用于多种工业方面的应用以及对一些年老设备的现代化。ABB提供了最完整的三相直流变流器的产品组合，从9 千瓦直至18 兆瓦。ABB直流变流器可由ABB直接供应，也可通过ABB传动公司合作伙伴提供。

2 直流调速系统的主电路设计
2.1 晶闸管--电动机直流调速系统
主电路是电力电子装置中，起到能量变换和传递作用的部分。主电路的明显特征：高电压、大电流。
2.1.1主电路拓扑结构

图1 两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路
2.1.2电力电子器件选型方法
1.步骤：
（1）根据主电路的结构和电气参数，计算电力电子器件承受的最高电压、最大电流的有效值；
（2）按照工程化方法计算电力电子器件的额定电压和额定电流。
（3）根据应用的具体场合，是否需要选择特殊类型的电力电子器件，例如：快恢复等；
（4）确定电力电子器件的封装形式：螺栓型、模块式等。
（5）选择生产厂商，确定具体型号。
2. 二极管、晶闸管额定电流和电压的计算
（1）二极管、晶闸管的额定电流按照通态平均电流定义。

：流过器件的最大电流有效值

（2）
：器件承受的最高电压瞬时值
二极管只能承受反向电压，晶闸管既可承受正向电压也可承受反向电压。
2.1.3 功率器件的工程选择方法
1.耐压等级选择
因为大多数IGBT模块工作在交流电网通过单相或三相整流后的直流母线电压下，所以通常IGBT模块的工作电压(600V、1200V、1700V)均对应于常用电网的电压等级。考虑到过载，电网波动，开关过程引起的电压尖峰等因素，通常电力电子设备选择IGBT器件耐压都是直流母线电压的一倍。
2.电流等级选择
在电力电子设备中，选择IGBT时，通常是先计算通过IGBT模块的电流值，然后根据电力电子设备的特点，考虑到过载、电网波动、开关尖峰等因素考虑一倍的安全余量来选择相应的IGBT模块。
3. 开关频率选择
4. 其它因素：供货周期，价格等
5. 功率器件的串并联
（1）电解电容的串并联：
由于每个电容都有等效的内阻，而且该等效内阻的阻值差异较大，若电容直接串联则必然会带来电容两端的分压不平均导致内阻较大的电容两端所分担的电压过高，甚至高于其耐压值而损坏。
为了避免该现象，每个串联的电容两端并接一个较大阻值的电阻以减小内阻差异带来的分压不均。该电阻称为均压电阻。
同型号电容并联耐压值保持不便，但其容值随并联的电容的个数倍增；
同型号电容串联，耐压值随所串接的电容的个数倍增，但其容值随之成倍递减。
电解电容是有极性的，电容并联时要注意保持极性一致，串联时要注意串接电容的极性正负相连。

（2） SCR的串并联

(a)电压分配 (b)静态均压

(a)电流分配 (b)晶闸管并联电路

(a) 电阻均流 (b)电抗均流
2.2电力电子器件的驱动电路
驱动电路是电力电子装置中，实现对电力电子器件开通、关断控制的电路。它是弱电、强电的接口，弱电侧一般与控制器连接，强电侧则直接连接到功率器件。
2.2.1驱动电路的作用
(1) 使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗。
(2) 对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。
(3) 一些保护措施也往往设在驱动电路中，或通过驱动电路实现。
2.2.2驱动电路的基本任务
(1) 按控制目标的要求施加开通或关断的信号。
(2) 对半控型器件只需提供开通控制信号。
(3) 对全控型器件既要提供开通控制信号，又要提供关断控制信号。
2.2.3触发电路定义、分类及其要求
1.定义：为门极提供触发电压和电流的电路称为触发电路。
2.分类：分为移相触发和过零触发两类。一般常用的整流或逆变电路中，广泛使用的触发电路通常都是移相触发电路。
3.对触发电路的要求：
（1）触发信号应有足够的功率;  
（2）触发脉冲应有一定的宽度; 
（3）触发脉冲必须与阳极同步，同时必须有足够的移相范围。
2.2.4晶闸管触发电路的形式
1.正弦波同步触发电路
由同步移相、脉冲形成、脉冲输出等三大部分形成。
2.锯齿波同步触发电路
由脉冲形成、同步移相、输出等环节组成。
3.集成电路触发器
随着电力电子技术的不断发展，集成触发器已经取代分立元件构成的触发器，具有体积小、工作可靠、电路简单、使用方便等特点，已被各种变流装置广泛应用。目前，常用集成触发线路有KC系列共十余品种。

图2 三相全控桥整流电路的集成触发电路
原理：A/D 模数变换将控制电压UC模拟量转换成与Uc成正比的脉冲频率数字量。用cp表示，分别送到三个分频器。分频器用七位二进制集成电路计数器组成，有清零环节,分频器输出到脉冲形成器，有封锁环节。
2.3信号检测及处理电路

图3 信号检测及处理电路

2.3.1 模拟量的输入通道
典型的模拟量输入通道由以下几部分组成。
（1）传感器
传感器是用于将工业生产现场的某些非电物理量转换为电量(电流、电压)的器件。 例如，热电偶能够将温度这个物理量转换成几毫伏或几十毫伏的电压信号，所以可用它作为温度传感器；而压力传感器可以把物理量压力的变化转换为电信号，等等。
传感器的输出信号特点：模拟量、电流源特性、双极性、易受干扰信号影响。因此，需要对模拟量信号进行极性变化、滤波和抗干扰处理等。
（2）变送器
一般来讲，传感器输出的电信号都比较微弱，有些传感器的输出甚至是电阻值、电容值等非电量。为了易于与信号处理环节衔接，就需要将这些微弱电信号及电阻值等非电量转换成一种统一的电信号，变送器就是实现这一功能的器件。它将传感器的输出信号转换成0～10 mA或4～20 mA的统一电流信号或者0～5 V的电压信号。
（3）信号处理环节
信号处理环节主要包括信号的放大及干扰信号的去除。它将变送器输出的信号进行放大或处理成与A/D(Analog to Digital)转换器所要求的输入相适应的电平。另外，传感器通常都安装在现场，环境比较恶劣，其输出常叠加有高频干扰信号。因此，信号处理环节通常是低通滤波电路，如RC滤波器或由运算放大器构成的有源滤波电路等。
2.3.2直流调速系统控制需要检测的信号
电枢电流——电流传感器
电枢电压——电压传感器
温 度——温度传感器、温度继电器
电机转速——测速发电机、轴编码器
2.3.3温度检测
热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。各种热电偶的外形常因需要而极不相同，但是它们的基本结构却大致相同，通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成，通常和显示仪表、记录仪表及电子调节器配套使用。
热敏电阻是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC）。热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。正温度系数热敏电阻器（PTC）在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器（NTC）在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。
温度继电器，当外界温度达到给定值时而动作的继电器。该产品为通接触感应式密封温度继电器，具有体积小、重量轻、控温精度高等特点，通用性极强。是使用最为广泛的产品，可供航空航天、监控摄像设备、电机、电器设备及其它行业作温度控制和过热保护用。
2.3.4转速检测
测速发电机输出电动势与转速成比例的微特电机。测速发电机的绕组和磁路经精确设计，其输出电动势E和转速n成线性关系，即E=Kn，K是常数。改变旋转方向时输出电动势的极性即相应改变。在被测机构与测速发电机同轴联接时，只要检测出输出电动势，就能获得被测机构的转速，故又称速度传感器。模拟量输出线性度限制受温度影响。
轴编码器采用与主轴同步的光电脉冲发生器，通过中间轴上的齿轮1:1地同步传动。数控车床主轴的转动与进给运动之间，没有机械方面的直接联系，为了加工螺纹，就要求给定进给伺服电动机的脉冲数与主轴的转速应有相对应的关系，主轴脉冲发生器起到了对主轴转动与进给运动的联系作用。

3 直流调速系统的控制理论
单闭环调速系统可以实现转速调节无静差，且采用电流截止负反馈作限流保护可以限制启（制）动时的最大电流。单闭环调速系统还存在以下问题：
（1） 在单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，系统的动态性能不够好。在采用电流截止负反馈和转速负反馈的单闭环调速系统中，一个调节器需完成两种调节任务：正常负载时实现速度调节，过载时进行电流调节。一般而言，在这种情况下，调节器的动态参数无法保证两种调节过程同时具有良好的动态品质。
（2） 系统中采用电流截止负反馈环节来限制启动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应，即最佳过度过程。
为了获得近似的理想的过度过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的办法就是将主要的被调量转速与辅助被调量分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速电流双闭环调速系统。
系统设计的一般原则为：先内环后外环。即从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。

图4 直流双闭环调速系统电路原理图

图5 双闭环直流调速系统的动态结构图
在转速、电流双闭环调速系统中，即要控制转速，实现转速无静差调节，又要控制电流使系统在充分利用电动机过载能力的条件下获得最佳过度过程，其关键是处理好转速控制和电流控制之间的关系，就是将两者分开，用转速调节器ASR调节转速，用电流调节器ACR调节电流。ASR与ACR之间实现串级调节，即以ASR的输出电压Ui作为电流调节器的电流给定信号，再用ACR的输出电压Uc作为晶闸管触发电路的移相控制电压。从闭环反馈的结构看，速度环在外面为外环，电流环在里面为内环。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具有输入、输出限幅电路的PI调节器[4]，且转速和电流都采用负反馈环。
3.1 调节器输出限幅值的整定
在双闭环系统中转速调节器ASR的输出电压Ui是电流调节器ACR的电流给定信号，其限幅值Uim为最大电流给定值，因此，ASR的限幅值完全取决于电动机所允许的过载能力和系统对最大加速度的需要。而ACR的输出电压限幅值Ucm，表示对最小α角的限制，也表示对晶闸管整流输出电压的限制。调节器输出限幅值的计算与整定是系统设计和调试工作中很重要的一环。
3.2 起动过程分析
设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。
双闭环直流调速系统突加给定电压U*n由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于下图
电流曲线
转速曲线

双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形
由于在起动过程中转速调节器ASR经历了快速进入饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。

1. 第Ⅰ阶段（0-t1）：强迫电流上升阶段
突加给定电压Un后，通过两个调节器的控制作用，Uc、Ud、UL都迅速上升，当Id≥IL后,转速n从零开始增长，但由于电动机机电惯性较大，转速n及其反馈信号Ufn增长较慢，转速调节器ASR因输入偏差电压△Un=Un-Ufn数值较大而迅速饱和，并输出最大电流给定值Uim，强迫Id电流迅速上升。当Id=Idm时，Ufi≈Uim,电流调节器ACR的作用使Id不再增长，第Ⅰ阶段结束[1,9]。
在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般不饱和，以确保电流环的调节作用，这些都是在系统设计时必须考虑和给予保证的。
2. 第Ⅱ阶段（t1-t2）:恒流升速阶段，即电动机保持最大电流作等加速启动的阶段。
该阶段从电流上升到Idm开始，直至转速升至给定值n1为止，是启动过程的主要阶段。
在这个阶段中，ASR一直处于饱和状态（因△Un未改变极性）,转速环相当于开环，其作用是输出最大电流给定值Uim，系统表现为在恒值电流给定Uim作用下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定（电流可能超调，也可能不超调，取决与ACR的结构和参数），因而系统的加速度恒定，转速及反电势线性上升。在电流环实现恒流调节的过程中，反电势E是一个线性渐增的扰动量。为了克服这个扰动量，Uc 和Ud也必须基本上线性增长，才能保持Id恒定。电流环对扰动E的恒流调节过程如下
n↑→E↑→Id↓→Ufi↓→|△Ui|↑→Uc↑→Ud↑→Id↑
转速n不断上升，ACR便不断重复上述恒流调节过程，以维持电流Id恒定，保证转速线性上升。由于ACR是PI调节器，因此要使它的输出量线性增长，就必须使其输入量偏差电压△Ui保持为某一恒值，也就是说，Id应略低于Idm。
上述情况表明，恒流调节过程一直伴随着对反电势扰动的调节过程，反电势扰动对电流的影响为ACR的积分作用所补偿，为了保证电流环的这种恒流调节作用，在启动过程中，ACR不能饱和。这就要求ACR的积分时间常数和被控对象的时间常数T1要相互配合。同时，晶闸管整流装置的最大电压Udm必须留有余地，即晶闸管装置也不应饱和。这些都是在系统设计应予以考虑和解决的问题。
3. 第Ⅲ阶段（t2-t4）：转速超调进入稳定的阶段，即转速调节阶段。
在该阶段开始时，即t2时刻，转速已达给定值n1，ASR的给定电压Un与反馈电压Ufn相等，其输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值Uim上，因此电动机仍在最大电流下继续加速，使转速超调。转速超调以后，n>n1，Ufn>Un，ASR的输入偏差△Un由正变负，ASR退出饱和状态，其输出电压Ui立即从限幅值Uim降下来，Id随之迅速减小。但是，在Id>IL的一段时间内（即t2-t3）时间内，dn/dt<0,电动机在负载阻力下减速，直至系统达稳态。该阶段的特点是ASR、ACR都不饱和，同时起调节作用。但是ASR处于主导地位，它使转速迅速趋于给定值，并使系统稳定；而ACR的作用是使Id尽快的跟随ASR的输出Ui变化，也就是说，电流内环的调节过程是由转速外环支配的，是一个电流随动子系统。
4. 综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：
（1）饱和非线性控制；
（2）转速超调；
（3）准时间最优控制。

3.3 设计V-M双闭环直流可逆调速系统参数
额定功率；额定电压
额定电流；额定转速
电枢回路总电阻；
电磁时间常数；
机电时间常数；
电动势系数。

另外根据器件选择确定其他参数：
电流反馈时间常数
转速反馈时间常数
设，电枢回路最大电流
电力电子变换器的放大系数
系统的静动态指标为：稳态无静差，调速范围,电流超调量，空载起动到额定转速时的转速超调量。
3.4电流调节器设计
3.4.1 电流调节器的作用
(1)对电网电压波动起及时抗扰作用；
(2)启动时保证获得允许的最大电流，实现最佳启动过程；
(3)在转速调节过程中，能使电流跟随其给定电压Ui变化；
(4)依靠ACR的恒流调节作用可获得理想的下垂特性；
(5)当电动机过载甚至堵转时，可限制最大电枢电流，起到快速的安全保护作用，一旦故障消失，系统能自动恢复正常。
3.4.2 设计步骤
（1） 电流环结构图的简化
（2）电流调节器结构的选择
（3）电流调节器的参数计算
（4）电流调节器的实现
（5）电流环的等效闭环传递函数
在一般情况下，系统的电磁时间常数 Tl远小于机电时间常数Tm，因此转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即DE≈0。这时，电流环如图6所示。
Ud0(s)
+
-
Ui (s)
ACR
1/R
Tl s+1
U*i(s)
Uc (s)
Ks
Tss+1
Id (s)
b
T0is+1
1
T0is+1

图6 忽略反电动势动态影响的电流环动态结构图

按照三相零式晶闸管整流装置进行设计。假设输入回路电阻。
转速反馈系数：

电流反馈系数：

1. 确定时间常数
整流装置滞后时间常数：
电流滤波时间常数：
电流环小时间常数之和：
2.选择的电流调节器结构
典型系统的选择：
稳态要求：希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用 I 型系统就够了。
动态要求：实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素。为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。
式中:电流调节器的比例系数,电流调节器的超前时间常数。
3. 计算电流调节器参数
电流调节器超前时间常数：
电流环开环增益：要求时，应取，因此

于是，ACR的比例系数为：

4. 校验近似条件
电流环截止频率：。
晶闸管整流装置传递函数的近似条件：
满足近似条件
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
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
按所用运算放大器取，
各电阻和电容值为:

3.5 转速调节器的设计
3.5.1 转速调节器的作用
1. 实现转速调节无静差，使转速n跟随给定电压Un变化；
2. 对负载变化起抗扰作用；
3. 能对电流环进行饱和非线性控制，且其输出限幅值决定允许的最大电流。
3.5.2设计步骤
1. 转速环结构图的简化
2. 转速调节器结构的选择
3. 转速调节器的参数计算
4. 转速调节器的实现

电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为Ui*(s),因此电流环在转速环中应等效为：

用电流环的等效环节代替电流环后，整个转速控制系统的动态结构图便如图10所示
n (s)
+
-
Un (s)
ASR
CeTms
R
U*n(s)
Id (s)
a
T0ns+1
1
T0ns+1
U*n(s)

+
-
IdL (s)

图7 用等效环节代替电流环的转速环的动态结构图
1. 确定时间常数
电流环等效时间常数，由电流环参数可知，则

转速滤波时间常数，根据已知条件可知
转速环小时间常数，按小时间常数近似处理，取

2. 选择转速调节器结构
为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，也应该采用调节器，其传递函数为

式中：转速调节器的比例系数，转速调节器的超前时间常数。
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
的超前时间常数为：
转速环开环增益为：
的比例系数为：
4. 检验近似条件
转速环截止频率为
电流环传递函数简化条件为：
满足近似条件
转速环小时间常数近似处理条件为：
满足近似条件

转速超调量校验：

5. 计算调节器电阻和电容
取，则

4 双闭环直流调速系统的仿真
采用MATLAB中的simulink工具箱对系统在阶跃输入和负载扰动情况下的动态响应（主要为转速和电枢电流）进行仿真。仿真可采用面向传递函数的仿真方法或面向电气系统原理结构图的仿真方法，本文采用面向传递函数的仿真方法。系统仿真结构如图所示。

图8 系统仿真结构图
Mat-lab设置很多不同的算法，而不同的算法，对仿真出来波形影响很大。对于用数值方法求解常系数微分方程(Ordinary Differential Equation,简写为ODE)或微分方程组，MATLAB提供了七种解函数，最常用的是ODE45。ode45可用于求解一般的微分方程，他采用四阶、五阶龙格-库塔法。仿真结果如图所示。

图9 双闭环调速系统仿真结果
图上部为电机转速曲线，中部为扰动电流曲线，下部为电机电流曲线。加电流启动时电流环将电机速度提高，并且保持为最大电流，而此时速度环则不起作用，使转速随时间线性变化，上升到饱和状态。进入稳态运行后，转速换起主要作用，保持转速的稳定。在第二秒时，外加一扰动信号，此时转速受扰动信号影响有所下降，但因为转速环的作用重新将转速拉入稳定值。

图10 转速开环调速系统仿真结果

图上部为转速曲线，下部为电流曲线。因为开环系统中没有反馈信号，而电机在带载的一瞬间要有一个做功的过程，也就是建立系统带载状态下的稳定状态的过程，这部分功需要增大电机的电流来补偿，同时也会牺牲一部分动能，也就是电机的转速，所以产生了静态速降。

5 数字控制器的设计
5.1 硬件设计
根据系统原理我们设计了数字控制双闭环直流调速系统硬件结构，如图13 所示，系统的特点：双闭环系统结构，采用微机控制；全数字电路，实现脉冲触发、转速给定和检测；采用数字算法。由软件实现转速、电流调节系统由主电路、检测电路、控制电路、给定电路、显示电路组成。
主电路：三相交流电源经不可控整流器变换为电压恒定的直流电源，再经过直流变换器得到可调的直流电压，给直流电动机供电。检测回路：包括电压、电流、温度和转速检测。电压、电流和温度检测由 A/D 转换通道变为数字量送入微机；转速检测用数字测速（光电码盘）。

图11 微机数字控制双闭环直流调速系统硬件结构图

5.2软件设计
5.2.1双闭环直流调速系统的整体控制流程
初始化
电流环采样时间到？
转速采样时间到？
数字PI控制
数字I控制

数字PI控制

数字触发器

故障自诊断转速显示
反馈电流小于？
N
N
Y
Y
Y
N

图12 双闭环直流调速系统的整体控制流程图

5.2.2数字控制器的程序流程框图

图13 增量式数字PI 调节器程序框图
由于系统采用了比例积分调节器，是系统在扰动的作用下，通过调节器的调节作用是电动机的转速达到静态无差。无差静态调速系统中，比例积分调节器的比例部分使动态响应比交快（无滞后），积分部分使系统消除净差。

六、设计总结
本次设计是有关双闭环直流调速系统的设计，其中涉及很多方面的知识，结合了电力拖动技术、自动控制技术以及电力电子、MATLAB仿真等课程知识。通过课程设计，让我再一次学习了这些知识，对这些方面的东西有了更深一步的了解。也对自己今后的学习提供了很大的帮助，也发现很多知识是相关联的。所以在学习过程中，要多去和以前的知识结合，才能更好的提高自己的学习能力。
虽然通过课程设计学习到很多东西，但是，也从中发现了很多自己的不足之处，发现自己对很多知识的掌握很不牢固，在各方面都比较欠缺，很多学过的知识都已经忘了，可见自己在平时学习中是不够努力与认真的，所以在今后的学习生活中，要学着去改变自己的缺点，弥补自己的不足。
经过本次的课程设计，让我更深刻的体会到了实践的意义，不管理论学的多么好，不动手实践永远不知道自己的不足。实践过程中，还可以通过与其他同学的交流你，老师的帮助，更好的去完成自己的任务。希望以后能够有更多这种机会，这会对我们很多方面都有很大的帮助。

参考文献
[1] 洪乃刚，电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB 仿真，北京：机械工业出版社，2006.
[2] 王兆安，等，电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2000.
[3] 陈伯时，电力拖动自动控制系统—运动控制系统[M].北京：机械工业出版社,2003.
[4] 吴麒，自动控制原理 [M].北京：清华大学出版社，1922.
[5] 刘明俊等，自动控制原理，国防科技大学出版社，2000 年。
[6] 朱仁初、万伯任，电力拖动控制系统设计手册，机械工业出版社，1994.

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徐海学院11级《电力拖动与运动控制系统》课程设计
附录
附录1： 双闭环调速系统仿真结果：

附录2：转速开环调速系统仿真结果：

附录3： 表1 各种整流电路的失控时间（）
整流电路形式
最大时控时间
平均失控时间
单相半波
20
10
单相桥式（全波）
10
5
三相半波
6.67
3.33
三相桥式
3.33
1.67

附录4：表2 器件选择
器件
型号

三菱
二极管
系列普通整流二极管（）
去耦电容
无极性电容
极性电容
铝电解电容
驱动器

数字处理器
单片机 

附录5：表3 给定参数设计V-M双闭环直流可逆调速系统技术数据：
给定参数
数据大小
额定功率

额定电压

额定电流

额定转速

电枢回路总电阻

电磁时间常数

机电时间常数

电动势系数

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