转速、电流双闭环直流调速系统的设计.docx

1、 摘要 直流调速系统具有调速范围广精度高动态性能好和易于控制等优点，因此本设计运用电力拖动控制系统的理论知识，利用晶闸管、二极管等器件设计出可行的转速、电流双闭环直流调速系统，该系统中设定了电流检测环节、电流调节器以及电流检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。同时通过本次课程设计能够加强我们对一些常用单元电路的设计、常用集成芯片的使用以及对电阻、电容等元件的选择等的工程训练。达到综合提高我们的工程设计与动手能力的目的。各个仿真结果都基本上符合设计要求。关键词：直

2、流电机、双闭环调速系统、MATLAB仿真目录1 课程设计的目的与要求41.1本次课程设计（论文）应达到的目的41.2 本次课程设计（论文）任务的主要内容和要求41.3 设计任务：52转速、电流双闭环直流调速器的设计62.1电流调节器的设计62.1.1 电流环结构框图的化简62.2.2 电流调节器参数的计算72.1.382.2 转速调节器的设计92.2.1 电流环的等效闭环传递函数92.2.2 转速调节器的参数计算102.2.3 转速调节器的实现113主电路的计算123.1整流变压器的计算123.1.1 整流变压器二次侧电压计算123.1.2一次、二次侧电流计算123.1.3变压器容量的计算12

3、3.2 晶闸管元件的选择133.2.1额定电压UTN的选择133.3晶闸管保护环节的计算133.3.1 交流侧过电压保护措施133.3.2 晶闸管及整流二极管两端的过电压保护143.3.3 过电流保护143.3.4电压和电流上升率的限制153.4 平波电抗器的计算153.4.1 电动机电枢电感153.4.2 变压器电感153.4.3 平波电抗器的选择153.5触发电路的选择163.5.1给定电源和给定环节的设计163.5.2转速检测环节和电流检测环节的设计与计算、调速系统的静态参数设计164 MATLAB仿真1741 系统的建模与参数设置171、 单闭环物理模型的构建174.2系统动态仿真结果

4、的输出及结果分析184.2.1 开环数学模型184.2.2 单闭环数学模型及其仿真结果194.2.3 双闭环数学模型及其仿真结果234.3系统仿真结果总体分析254.3.1.电机转速曲线254.3.2.电机电流曲线265心得及总结276 参考文献281 课程设计的目的与要求1.1本次课程设计（论文）应达到的目的电力拖动自动控制系统课程设计是自动化专业的一门专业课程，它是一次综合性的理论与实际相结合的训练，也是本专业的一次基本技能训练，其主要目的是：1、 理论联系实际，掌握根据实际工艺要求，设计直流拖动自动控制系统的基本方法，2、 对典型的直流拖动自动控制系统进行综合性的实验，掌握各部件和整个系

5、统的调试步骤与方法，以及操作实际系统的方法，加强基本技能训练。3、 掌握参数变化对系统性能影响的规律，培养灵活运用所学理论解决控制系统中各种实际问题的能力。4、培养分析问题、解决问题的独立工作能力，学会实验数据的分析与处理、编写设计说明书和技术总结报告。1.2 本次课程设计（论文）任务的主要内容和要求本课程的具体对象是直流调速系统,其主要内容为：1、 测定综合实验中所用控制对象的参数。2、 根据给定指标设计调速系统的调节器，并选择各环节参数。3、 按设计结果组成系统，进行调试以满足给定指标。4、 研究参数变化对系统性能的影响。5、 在不可逆系统调试的基础上，组成可逆系统并进行调试。6、 设计并

6、计算主回路参数。7、 书写课程设计论文一份（600010000字），绘制双闭环逻辑无环流可逆调速系统原理图一张（2图）。1.3 设计任务：1、 晶闸管电动机主电路设计（1） 晶闸管整流电路方案的讨论和选择。（2） 整流变压器额定容量、一次侧和二次侧电压、电流的选择。（3） 晶闸管的选择。（4） 平波电抗器的选择。（5） 晶闸管整流电路保护措施的设计。（6） 绘制晶闸管调速系统主电路及控制电路原理图和设备明细表。2、 闭环系统调节器设计利用实验测得的参数，按下述要求，设计转速、电流双闭环直流调速系统的调节器和反馈参数。（1） 调速范围D510，静差率S5%。（2） 起动时电流超调量i5%，转速超

7、调量n10%（在额定转速时）。（3） 对应扰动量N=（- 1）Inom的动态速降nmax2%，恢复时间tV ，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。计算调节器的电阻和电容取运算放大器的=40，有=16.4640=658.4,取660，取35，取0.2。故=。2.1.3含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI 型电流调节器原理图如图所示。图中Ui为电流给定电压，Id为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压UC。根据运算放大器的电路原理，可以容易地导出Ki=RiR0i=RiCiToi=14R0Coi含给定滤波与反馈滤波的P

8、I 型电流调节器2.2 转速调节器的设计2.2.1 电流环的等效闭环传递函数电流环经等效后可视作转速换中的一个环节，为此，需求出它的闭环传递函数Wcli(s)。由图2-4可知Wclis=Id(s）Ui(s)=1TiKIs2+1KIs+1忽略高次项，Wcli(s)可降阶近似为Wcli(s)11KIs+1近似条件为cn13KITi式中 cn转速环开环频率特性的截止频率。接入转速换内，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Id(s)Ui(s)=Wcli(s)11KIs+1这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数1KI的一阶惯

9、性环节。2.2.2 转速调节器的参数计算确定时间常数：有则，已知转速环滤波时间常数=0.01s，故转速环小时间常数。选择转速调节器结构：按设计要求，选用PI调节器 转速调节器的比例系数转速调节器的超前时间常数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：。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。计算调节器电阻和电容：取=40，则，取321。，取28，取1。故。校核转速超调量：由h=5，查得，不满足设计要求，应使ASR 退饱和，重计算。设理想空载

10、z=0，h=5时，查得=77.5%，所以 =0.00264 =0.264% =6Iem(uf)=6*0.1*333.25/1202=0.0139F式中S-变压器容量（KVA）； U2变压器二次相电压有效值（V）；Iem-变压器励磁电流百分数，对于10100KVA的变压器，一般为10%4%；电阻值 RC=5U21/I21=5*120/0.898=668.15B.非线性电阻保护方式非线性电阻保护方式主要硒堆和压敏电阻的过电压保护。压敏电阻的标称电压U1Ma=1.3U=1.3*120=220.6V式中 U-压敏电阻两端正常工作电压有效值（V）。C.直流侧过电压保护 直流侧过电压保护可以用阻容或压敏电

11、阻保护，但采用阻容保护容易影响系统的快速性，并造成di/dt加大，一般只用压敏电阻作过压保护。压敏电阻的标称电压U1Ma=2=2*2.34U2=2*2.34*120=561.6V3.3.2 晶闸管及整流二极管两端的过电压保护为了抑制晶闸管的关断过电压，通常采用在晶闸管两端并联阻容保护电路的方法，阻容保护元件参数可以根据查经验数据表得到。3.3.3 过电流保护快速熔断器是最简单有效的过电流保护器件，与普通熔断器相比，具有快速熔断的特性，在发生短路后，熔断时间小于20毫秒，能保证在晶闸管损坏之前自身熔断，避免过电流损坏晶闸管，图1.3接法对过电流保护最有效 3.3.4电压和电流上升率的限制不同规格

12、的晶闸管对最大的电压上升率及电流上升率有相应的规定，当超过其规定的值时，会使晶闸管误导通。限制电压及电流变化率的方法有 A交流进线电抗器限制措施，交流进线电抗器LB的计算公式为 LB=0.017H式中 交流器输出额定电流IdN，电源频率f,变压器二次相电压U2B在桥臂上串联空心电感，电感值取2030H为宜。C在功率较大或频率较高的逆变电路中，接入桥臂电感后，会使换流时间增长，影响正常工作，而经常采用将几只铁氧磁环套在桥臂导线上，使桥臂电感在小电流时磁环不饱和，电感量大，达到限制电压上升率和电流上升率的目的，还可以缩短晶闸管的关断时间。3.4 平波电抗器的计算晶闸管整流器的输出直流电压是脉动的，

13、为了限制整流电流的脉动、保持电流连续，常在整流器的直流输出侧接入带有气隙的电抗器，称作平波电抗器。3.4.1 电动机电枢电感由实验测量计算得。3.4.2 变压器电感其中，3.4.3 平波电抗器的选择维持电流连续时的为=0.693*120/(0.05*1.1)-（2*21.27+0.57）=1468.89H式中，。限制电流的脉动系数=5%时，值为=1.045*120/(0.05*1.1)-（2*21.27+0.57）=2236.89H取两者中较大的，故选用平波电抗器的电感为2236.89H时，电流连续和脉动要求能同时满足。3.5 触发电路的选择此系统选择集成触发电路，其优点是体积小，功耗低，调试

14、方便，性能稳定可靠。其缺点是移相范围小于180，为保证触发脉冲对称度，要求交流电网波形畸变率小于5%。适用范围：广泛应用于各种晶闸管装置中。3.5.1 给定电源和给定环节的设计根据电路要求，选用稳压管、晶闸管、集成稳压管等组成，本设计采用集成稳压管的可调输出电路。由于放大器输出电压和输出电压极性相反，而触发器的移相控制电压VC又为正电压，故给定电压UG就为负电压，而一切反馈均取正值，为此给定电压与触发器共用一个电源，用一个2.2K,1W电位器引出给定电压。3.5.2 转速检测环节和电流检测环节的设计与计算、调速系统的静态参数设计转速负反馈环节 设转速反馈滤波时间常数：Ton=0.01s,则转速

15、反馈系数=Un*/nN=0.004Vmin/r电流负反馈环节 设电流反馈滤波时间常数：Toi=0.02s,则电流反馈系数 =4.615V/A调速系统的静态参数 电动机电动势常数 ： Ce= 0.12 按要求调速系统的静态速降：nN=7.125r/min4 MATLAB仿真本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件MATLAB，使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种，一是以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的SIMULINK工具箱对其进行计算机仿真研究。另外一种是面向控制系统电气原理结构图，使用Power System工具箱进行调速系统仿真的新方法。本次系统仿真采用

16、前一种方法。41 系统的建模与参数设置1、 单闭环物理模型的构建图7 单闭环物理模型2、双闭环物理模型的构建为了提高生产率和加工质量，要求尽量缩短过渡过程时间。我们希望使电流在起动时始终保持在最大允许值上，电动机输出最大转矩，从而可使转速直线上升过渡过程时间大大缩短。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。转速、电流双闭环直流调速系统的主电路模型主要由交流电源、同步脉冲触发器、晶闸管直流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。4.2系统动态仿真结果的输出及结果分析4.2.1 开环数学模型图8 开环数学模型1. Uct

17、不变时的直流电机开环外特性测定n（rpm）1200119011791165115011311118Id（A）0.510.60.70.80.911.1图9 Uct不变时的开环外特性曲线2. Ud不变时的直流电机开环外特性测定n（rpm）1200121912601301133913781435Id（A）0.50.60.70.80.911.1图10 Ud不变时的开环外特性曲线4.2.2 单闭环数学模型及其仿真结果1、转速单闭环直流调速系统图11 转速单闭环数学模型n（rpm）1212120311931181117911641155Id（A）0.510.60.70.80.911.1当转速达到给定值后。

18、转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零，但是由于积分作用，其输出还很大，所以出现超调。转速超调后，ASR输入端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进入线性调节。图12 转速单闭环特性2、 电流单闭环直流调速系统n（rpm）12031105924.3750572371.7193.5Id（A）0.510.60.70.80.911.09图13 电流单闭环特性曲线图14 电流环仿真模型图图15 电流环仿真图图16 电流环参数（1/2倍）仿真图图17 电流环参数（2倍）仿真图4.2.3 双闭环数学模型及其仿真结果图18 双闭环仿真模型1.发电机先空载，从零开始逐渐调大给定电压，使电动机转速接近120

19、0rpm，然后接入发电机负载电阻R，逐渐改变电阻，直到Id=Iedn（rpm）1222122112201216122312211199Id（A）1.110.90.80.70.60.51图19 双闭环机械特性（1）2. 降低Ug，再测试n=800rpm时的静态特性曲线n（rpm）805.8809.3801.8807.6803801.5801.5Id（A）10.90.80.70.60.50.39图20 双闭环机械特性（2）3. 闭环控制系统的的测定n（rpm）11951042911.3734.9620.6445.7314.9Ug（V）43.532.521.51图21 闭环控制系统特性图22 双闭环

20、仿真模型图4.3系统仿真结果总体分析4.3.1.电机转速曲线 在电流上升阶段，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节器ASR饱和，电流调节器ACR起主要作用。转速一直上升。当到达恒流升速阶段时，ASR一直处于饱和状态，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统为恒值电流调节系统，因此，系统的加速度为恒值，电动机转速呈线性增长直至给定转速。使系统在最短时间内完成启动。当转速上升到额定转速时，ASR的输入偏差为0，但其输出由于积分作用仍然保持限幅值，这时电流也保持为最大值，导致转速继续上升，出现转速超调。转速超调后，极性发生了变化，则ASR推出饱和。其输出电压立即从限幅值下降，

21、主电流也随之下降。此后，电动机在负载的阻力作用下减速，转速在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。当突加给定负载时，由于负载加大，因此转速有所下降，此时经过ASR和ACR的调节作用后，转速又恢复为先前的给定值，反映了系统的抗负载能力很强。4.3.2.电机电流曲线 直流电机刚启动时，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节器ASR饱和，达到限幅值，迫使电流急速上升。当电流值达到限幅电流时，由于电流调节器ACR的作用使电流不再增加。当负载突然增大时，由于转速下降，此时转速调节器ASR起主要的调节作用，因此，电流调节器ACR电流有所下降，同启动时一样，当转速调节器ASR饱和，达到限幅值，使电流急

22、速上升。但是由于电流值达到限幅电流时，电流调节器ACR的作用使电流不再增加。当扰动出现以后，电流调节器ACR电流又有所增加，此后，电动机在负载的阻力作用下减速，电流也在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。5心得及总结课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。随着科学技术发展的日新月异，双闭环直流调速已经成为当今电机调速系统应用中空前活跃的领域， 在生活中可以说是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握双闭环直流调速技术是十分重要的。回顾起此次课程设计，至今我仍感慨颇多，从选题到定稿，从理论到实践，在将近两

23、星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多的东西，不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到了很多问题，同时也发现了自己的不足之处，意识到自己对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这也将为我今后的学习和工作产生积极的影响。在小组同学的热情帮助下，在指导教师的耐心讲解下，我学会了MATLAB软件的调试和使用，顺利的完成了这次课程设计。由于水平有限，在设计中难免存在许多不妥之处，敬请老师指正。同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！6 参考文献1电力拖动自动控制系统 机械工业出版社 陈伯时编2 电力拖动自动控制系统习题例题集 机械工业出版社 童福尧编3 拖动自动控制系统实验 机械工业出版社 夏新顺编28