双闭环直流电机调速系统课程设计.doc

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双闭环直流调速系统的方案设计

设计内容和要求
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V—M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。
设计要求（假想参数）：
1. 该调速系统能进行平滑地速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽地转速调速范围（），系统在工作范围内能稳定工作。
2. 系统静特性良好，无静差（静差率）。
3. 动态性能指标：转速超调量，电流超调量，动态最大转速降，调速系统的过渡过程时间（调节时间）。
4. 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续。
5. 调速系统中设置有过电压、过电流保护，并且有制动措施。
6. 主电路采用三项全控桥。

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双闭环直流调速系统总设计框图
在生活中，直接提供的是三相交流760V电源，而直流电机的供电需要三相直流电， 因此要进行整流，本设计采用三相桥式整流电路将三相交流电源变成三相直流电源，最后达到要求把电源提供给直流电动机。如图2-1设计的总框架。

三相直流电源
直流电机
三相交流电源

整流
供电

保护电路

驱动电路
双闭环调速系统

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
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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，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，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。
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的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压，从而实现平滑调速。与旋转变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。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α大小来调节电压。当整流负载容量较大或直流电压脉动较小时应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。三相整流电路中
又分三相半波和全控桥整流电路，因为三相半波整流电路在其变压器
二次侧含有直流分量，故本设计采用了三相全控桥整流电路来供电，
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该电路是目前应用最广泛的整流电路，输出电压波动小，适 合直流电动机的负载，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。
主电路原理图
三相全控制整流电路由晶闸管VT1、VT3、VT5接成共阴极组，晶闸管VT4、VT6、VT2接成共阳极组，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。双闭环调速系统是建立在单闭环自动调速系统上的，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允许过载能
电流很快加大到允许过载能力值, 并且保持不变, 在这个条件下， 转速得到线性增长, 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值,对应这种要求可控硅整流器的电压
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在启动一开始时应为, 随着转速的上升, 也上升, 达到稳转速时, 。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, 并保持不变。这就要求一个电流调节 带截止负反馈系统启动电流波形器来完成这个任务。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。

（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）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，在
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
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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。
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，即三相桥式电路的平均失控时间 Ts=0.0017s。
（2）电流滤波时间常数。三相桥式电路的每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（1~2）=3.3ms，因此取=2ms=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。由前述已求出电枢回路总电感。

则电磁时间常数
2. 选择电流调节器的结构
根据设计要求，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
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（3-1）
式中 ------电流调节器的比例系数；
-------电流调节器的超前时间常数。
检查对电源电压的抗扰性能：，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。
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
3. 计算电流调节器的参数
电流调节器超前时间常数： =0.0182s，
电流开环增益：要求时，取，
所以

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于是，ACR的比例系数为 =1.594
式中，为电流反馈系数其值为；晶闸管装置放大系数Ks=36。
4. 校验近似条件
电流环截止频率：
1)晶闸管整流装置传递函数的近似条件
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

照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。

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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，，则

（2）转速滤波时间常数，根据所用测速发电机纹波情况，取.
（3）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
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
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
K

可得ASR的比例系数为

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式中 电动势常数
转速反馈系数

4.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
满足简化条件
（2）转速环小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，则
取
取
取

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6.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，，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（按准则确定参数关系）
h
3
4
5
6
7
8
9
10

52.60%
43.60%
37.60%
33.20%
29.80%
27.20%
25.00%
23.30%

2.4
2.65
2.85
3
3.1
3.2
3.3
3.35

12.15
11.65
9.55
10.45
11.3
12.25
13.25
14.2
k
3
2
2
1
1
1
1
1

表3-3 典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系
h
3
4
5
6
7
8
9
10

72.20%
77.50%
81.20%
84.00%
86.30%
88.10%
89.60%
90.80%

2.45
2.70
2.85
3.00
3.15
3.25
3.30
3.40

13.60
10.45
8.80
12.95
16.85
19.80
22.80
25.85
设理想空载起动时，负载系数，已知，，,，，，。

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由表5-3查得，而调速系统开环机械特性的额定稳态速降

式中 电机中总电阻
调速系统开环机械特性的额定稳态速降
为基准值，对应为额定转速
根据式（6-24）计算得
能满足设计要求
7. 校核动态最大速降
设计指标要求动态最大速降。在实际系统中，可定义为相对于额定转速时的动态速降。
；
查表可知，=81.2%，所以 ； 能满足设计要求

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基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真
通过对整个控制电路的设计， 用MATLAB/SIMULINK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形式，双闭环直流调速系统的动态结构框图如图4-1所示：

双闭环直流电机调速系统的动态数学结构框图

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双闭环直流调速系统动态结构框图
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±13V。

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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。最终得到的转速仿真图形如图所示

从仿真得到的转速曲线图中可以得出转速超，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5秒的时候输入一个负载扰动量，在5.1秒的时候扰动消失，速降达到了，过了0.4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，符合设计要求.