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运动控制课程设计

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2014年10月

摘要
设计直流调速系统电气原理图，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，根据晶闸管的特性，通过调节控制角大小来调节电压。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，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。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，最后采用MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行了仿真分析。
关键词：双闭环；转速调节器；电流调节器；Simulink

Abstract
DC speed control system design electrical schematics in the design of the main circuit speed control system uses a three-phase full-controlled bridge rectifier circuit to power, according to the characteristics of the thyristor, by adjusting the size of the control angle to adjust the voltage. In order to achieve speed and current, respectively, the two negative feedback works, you can set the two regulators in the system, namely the introduction of speed respectively negative feedback and current negative feedback, implement nested joins between them. First determine its structure and design of the various component parts, and calculate its parameters, including a given voltage, speed regulator, a current regulator, the detection circuit, triggering parameter calculation circuit and voltage regulator circuit, and finally using MATLAB / SIMULINK right entire speed control system simulation analysis.
Keywords: double-loop; speed regulator; current regulator; Simulink

目录

摘要 2
Abstract 3
1设计任务及要求 5
1.1技术数据 5
1.2设计要求 5
1.3设计内容 5
2双闭环调速系统的总体设计 6
2.1控制电路原理 7
2.2调节器原理 8
2.3保护电路原理 9
2.3.1晶闸管的过电压保护 9
2.3.2晶闸管的过电流保护 10
2.4 检测电路原理 11
2.4.1 电流检测电路设计 11
2.4.2 转速检测电路设计 11
2.5 ACR及其限幅电路 12
2.6 ASR极其限幅电路 13
3 电流调节器设计 14
3.1ACR结构设计 14
3.2电流环参数计算 14
3.3 电流调节器的实现 17
4转速调节器设计 18
4.1ASR结构设计 18
4.2转速环参数计算 19
4.3转速调节器的实现 20
5仿真测试 21
5.1仿真原理图 21
5.2 双闭环调速系统其它性能的研究仿真 24
6总结体会 24
7参考文献 25

1设计任务及要求
1.1技术数据
采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电，基本数据如下：
直流电动机=220V，=136A，=1460r/min，电枢电阻=0.2Ω，允许过载倍数λ=1.5；
晶闸管装置=0.00167s，放大系数=40；
平波电抗器：电阻、电感；
电枢回路总电阻R=0.5Ω；电枢回路总电感L=15mH；
电动机轴上的总飞轮惯量GD2=22.5N·m2；
电流调节器最大给定值=10.2V，转速调节器最大给定值=10.5V；
电流滤波时间常数=0.002s，转速滤波时间常数=0.01s。
1.2设计要求
1、稳态指标：转速无静差；
2、动态指标：电流超调量 ；
3、空载启动到额定转速的转速超调量 。
1.3设计内容
1、写出设计说明书，内容包括：
（1）各主要环节的工作原理；
（2）整个系统的工作原理；
（3）调节器参数的计算过程。
2、画出一张详细的电气原理图
3、采用Matlab中的Simulink软件对整个调速系统进行仿真研究，对计算得到的调节器参数进行校正，验证设计结果的正确性。将Simulink仿真模型，以及启动过程中的电流、转速波形图附在设计说明书中。
2双闭环调速系统的总体设计

图2-1 双闭环直流调速系统设计总框架
三相交流电路的交、直流侧及三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。
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，采用串级控制的方式。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，转速、电流两个闭环都带有输出限幅电路。转速调节器ASR的输出限幅值Iim决定了电枢电流的最大值Idm，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。起动过程中负载电流小于Idm时，电流Id迅速上升，ASR起主要调节作用，系统静特性表现为转速无静差；负载电流达到Idm后，ASR饱和，ACR起主要调节作用，转速呈线性增长，系统静特性表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。
ASR、ACR均采用PI调节器以期获得良好的静、动态性能。PI调节器可以保护系统的稳态精度，同时提高系统的稳定性，又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。
2.1控制电路原理
下图V-M系统的简单原理图，图中V是晶闸管变流装置，可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，以改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。
图2-2 V-M系统的简单原理图
整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流电路之间的电隔离（可减小电网与电路间的电干扰和故障影响）。
三相桥式全控整流电路原理图如下图所示。由阴极接法(VT1，VT3，VT5)和共阳极接法(VT1，VT6，VT2)的串联组合。输出脉动直流电压频率是频率的6倍，比三相半波电路高l倍，脉动减小，而且每次脉动的波形都一样，故该电路又可称为6脉动整流电路。

图2-3 三相桥式全控整流电路
当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a≤60°时）的平均值为：
2.2调节器原理
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2-4为转速、电流双闭环调速系统的原理图，图2-5为双闭环调速系统的结构图。图中两个调节器ASR和ACR分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把电流调节器的输出作为转速调节器的输入，再用转速调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。
两个调节器的输出都是带限幅作用的。转速调节器ASR的输出限幅电压U*im决定了电流给定电压的最大值；转速调节器ASR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。
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。其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。
图2-4 双闭环调速系统电路原理图
图2-5 双闭环调速系统结构框图
2.3保护电路原理
电力电子器件承受过电压、过电流的能力要弱得多，极短时间的过电压和过电流就会导致器件永久性的损坏。因此电力电子电路中过电压和过电流的保护装置是必不可少的，有时还要采取多重的保护措施。
2.3.1晶闸管的过电压保护
晶闸管对过电压很敏感，当正向电压超过其断态重复峰值值电压一定值时，就会误导通，引发电路故障；当外加的反向电压超过其反向重复峰值电压一定值时，晶闸管将会立即损坏。因此，必须研究过电压的产生原因及抑制过电压的方法。过电压产生的原因主要是供给的电压功率或系统的储能发生了激烈的变化，使得系统来不及转换，或者系统中原来积聚的电磁能量不能及时消散而造成的。本设计采用如图2-6阻容吸收回路来抑制过电压。

图2-6 阻容保护电路
2.3.2晶闸管的过电流保护
在整流中造成晶闸管过电流的主要原因是：电网电压波动太大负载超过允许值，电路中管子误导通以及管子击穿短路等。所以我们要设置保护措施，以避免损害管子。
晶闸管不仅有过电压保护，还需要过电流保护。由于半导体器件体积小、热容量小，特别像晶闸管这类高电压、大电流的功率器件，结温必须受到严格的控制，否则将遭至彻底损坏。当晶闸管中流过的大于额定值的电流时，热量来不及散发，使得结温迅速升高，最终将导致结层被烧坏。晶闸管过电流保护方法中最常用的是快速熔断器。快速熔断器由银质熔丝埋于石英砂内，熔断时间极短，可以用来保护晶闸管。

图2-7 晶闸管保护
2.4 检测电路原理
2.4.1 电流检测电路设计
常用的电流检测方法有：（1）电枢回路串检测电阻；（2）电枢回路接直流互感器；（3）交流电路接交流互感器；（4）采用霍尔传感器。在这里我们用了电枢回路串联小的检测电阻后通过放大器放大的方法。

图2-8 电流检测
2.4.2 转速检测电路设计
因为电刷两端的感应电势与电机的转速成正比，所以直流发电机能够把转速信号换成电势信号，从而用来测速。由直流电机电势公式得：根据直流电机电枢回路电压方程，又所以负载时测速发电机的输出电压为：
如图2-9所示：
、
图2-9 转速检测
2.5 ACR及其限幅电路
ACR为电流调节器，为了获得良好的静、动态性能，电流调节器一般均采用PI调节器。由图可知，ACR的传递函数为：。ACR的加入使作为内环的电流环成为I型系统环节，使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化，实现了时间最优控制。其电气原理图如图2-10所示：

图2-10 电流调节器ACR极其限幅电路
2.6 ASR极其限幅电路
ASR为转速调节器，为了获得转速无静差以及良好的动态性能，转速调节器采用PI调节。由图可知：ASR的传递函数为，ASR的加入使外环转速环成为典型II型系统环节，所以可对负载变化产生的扰动起主要抗干扰作用，且由于ASR作为ACR的输入，使得转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差。
通常，调节器输出的限幅方法有三种，一种是采用二极管钳位的外限幅电路，一种是采用二极管钳位的负反馈内限幅电路，第三种是采用晶体三极管负反馈内限幅电路。在这里，我们采用第一种限幅方式，即二极管钳位的外限幅电路。

图2-11 二极管钳位的外限幅电路

图2-12 ASR 转速调节器PI调节器其限幅电路
3 电流调节器设计
3.1ACR结构设计
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3-1所示：

图3-1 电流环结构图
如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成U*i(s) /b ，则电流环便等效成单位负反馈系统
最后，由于Ts 和 T0i 一般都比Tl 小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为 T∑i = Ts + Toi ，电流环结构图最终简化成图19：

图3-2 电流环结构图最终简化
因为电流超调量 ，并保证稳态电流无静差，可按典型系统设计电流调节器，故可用PI型电流调节器 ，为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择 ，校正成为典型I型系统。
3.2电流环参数计算
1、固有参数
电动势系数：
转矩系数：
电磁时间常数：
机电时间常数：
晶闸管整流器滞后时间常数：
2、预置参数
ACR限幅输入：
ASR限幅输入：
电枢回路最大电流：
电流反馈系数：
转速反馈系数：
3、时间常数的确定
(1)、整流装置滞后时间常数，即三相桥式电路的平均失控时间 Ts=0.00167s。
(2)、电流滤波时间常数=0.002s。
(3)、电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取

(4)、电磁时间常数的确定。已求出电枢回路总电感，则电磁时间常数
4、 电流调节器参数计算：
电流调节器超前时间常数==0.03s抵消大惯性又因为设计要求电流超调量，查得有=0.5，所以==，所以ACR的比例系数=。
ACR的传递函数为：

5、 校验近似条件
电流环截止频率==136.2。
(1)、晶闸管整流装置传递函数的近似条件：
=>，满足条件。
(2)、忽略反电动势变化对电流环动态影响条件：
=，满足条件。
(3)、电流环小时间常数近似处理条件：
，满足条件。
6、电流环校验
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
参数关系KT
0.25
0.39
0.5
0.69
1.0
阻尼比
1.0
0.8
0.707
0.6
0.5
超调量
0%
1.5%
4.3%
9.5%
16.3%
上升时间

6.6T
4.7T
3.3T
2.4T
峰值时间

8.3T
6.2T
4.7T
3.6T
相角稳定裕度

截止频率
0.243/T
0.367/T
0.455/T
0.596/T
0.786/T
由于电流环校正为Ⅰ型系统，而且KT=1/2，其输出Id的超调量=4.3%<5%，满足要求。
3.3 电流调节器的实现

图3-3 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器
Ui* —为电流给定电压；–bId —为电流负反馈电压；Uc —电力电子变换器的控制电压。
电流调节器电路参数的计算公式：，，
取=100，电流环校正为典型I型系统时：

4转速调节器设计
4.1ASR结构设计
用电流环的等效环节代替图4-1中的电流环后，

图4-1 双闭环调速系统的动态结构图
整个转速控制系统的动态结构图便如图4-2所示：

图4-2 转速控制系统的动态结构图
和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成 U*n(s)/a，再把时间常数为 1 / KI 和 T0n 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中
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 ASR 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 Ⅱ 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，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为：
式中 Kn — 转速调节器的比例系数；
t n — 转速调节器的超前时间常数。
这样，调速系统的开环传递函数为：

令转速环开环增益为
则

图4-3 校正后系统结构
4.2转速环参数计算
1、确定时间常数：
s，已知转速环滤波时间常数=0.01s，故转速环小时间常。
2、选择转速调节器结构：
按设计要求，选用PI调节器,校正成为Ⅱ型系统。
3、计算转速调节器参数：
按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=5,则ASR的超前时间常数为：，
转速环开环增益
ASR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>，满足条件。
转速环小时间常数近似处理条件为：
>，满足近似条件。
5、转速校验：
h=5时，=81.2%×Z，所以
==8.3%<10%，满足设计要求。
4.3转速调节器的实现

图4-4 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器
U*n—为转速给定电压；-a n —为转速负反馈电压；U*i—调节器的输出是电流调节器的给定电压。
转速调节器电路参数的计算公式：，，
取=100，转速环校正为典型II型系统时：

5仿真测试
5.1仿真原理图
由电路特性知，积分饱和值为一定，我们对PID调节器进行限幅，从而保护电路以及完成转速电流环调节效果，可以将PI效果提升的很好。

图5-1 系统simulink仿真图

由以上原理图可得出电机空载起动以及受到负载扰动时的转速波形和电流波形。

图5-2 ACR/ASR调节器参数设置

图5-3空载启动到额定转速以及受到扰动时的转速、电流曲线

由计算得到的参数设置调节器时，得到的曲线振荡比较严重。所以，经过一系列的调整，得到改进后的曲线图形。

图5-4空载启动到额定转速以及受到扰动时的改进转速、电流曲线

起动过程分析：图5-3是双闭环直流调速系统在带有负载条件下起动过程的电流波形和转速波形。

图5-5 带有负载条件下起动过程的转速、电流曲线

电流与转速变化过程所反映出的特点可以把起动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段，转速调节器在此三个阶段中经历不饱和、饱和及退饱和三种情况。
第I阶段是电流上升阶段。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。
第Ⅱ阶段是恒流升速阶段。在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流给定下的电流调节系统，基本上保持电流恒定。
第Ⅲ阶段是转速调节阶段。当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在加速，使转速超调。
5.2 双闭环调速系统其它性能的研究仿真
在电网电压波动及负载波动情况下的转速电流曲线如下：
在t=1.5~2时加入100负载扰动ΔIdl，在t=2.5~3时加入100的电网波动ΔUd0，电机满载启动到额定转速的转速电流图如下：

图5-6 在电网电压波动及负载波动情况下的转速电流曲线

可见最后电流与转速均能回到给定值，对外表现为无静差，具有一定的抗扰性。

6总结体会
本次设计过程主要是完成了双闭环V-M调速系统中主电路电流调节器及转速调节器的设计。通过不断查阅相关资料和与同组同学之间讨论问题等，我学到了很多的知识并认识到自己还存在的不足之处。我还认识到，理论知识的学习与社会实

践二者缺一不可，只有将二者结合起来，才会有不断地提高。这次课程设计不仅考察了我们对于所学知识的理解程度，也锻炼了我们的动手能力。在发现问题解决问题的过程中，锻炼了我们独立思考与分工合作的能力。这次课程设计使我自身知识丰富了不少，但同时也发现了自己的不足之处。比如动手能力有待提高，理论知识与实践结合还存在一定问题等。
在今后的学习生活中，我要不断提升自我，努力学习专业相关知识，并抓住机会进行相应的实践，不断提高自己的理论水平和实践能力。

7参考文献
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