1、运动控制课程设计学院专业班级姓名学号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；SIMULINKABSTRACTDCSPEEDCONTR
2、OLSYSTEMDESIGNELECTRICALSCHEMATICSINTHEDESIGNOFTHEMAINCIRCUITSPEEDCONTROLSYSTEMUSESATHREEPHASEFULLCONTROLLEDBRIDGERECTIFIERCIRCUITTOPOWER,ACCORDINGTOTHECHARACTERISTICSOFTHETHYRISTOR,BYADJUSTINGTHESIZEOFTHECONTROLANGLETOADJUSTTHEVOLTAGEINORDERTOACHIEVESPEEDANDCURRENT,RESPECTIVELY,THETWONEGATIVEFEEDBA
3、CKWORKS,YOUCANSETTHETWOREGULATORSINTHESYSTEM,NAMELYTHEINTRODUCTIONOFSPEEDRESPECTIVELYNEGATIVEFEEDBACKANDCURRENTNEGATIVEFEEDBACK,IMPLEMENTNESTEDJOINSBETWEENTHEMFIRSTDETERMINEITSSTRUCTUREANDDESIGNOFTHEVARIOUSCOMPONENTPARTS,ANDCALCULATEITSPARAMETERS,INCLUDINGAGIVENVOLTAGE,SPEEDREGULATOR,ACURRENTREGULAT
4、OR,THEDETECTIONCIRCUIT,TRIGGERINGPARAMETERCALCULATIONCIRCUITANDVOLTAGEREGULATORCIRCUIT,ANDFINALLYUSINGMATLAB/SIMULINKRIGHTENTIRESPEEDCONTROLSYSTEMSIMULATIONANALYSISKEYWORDSDOUBLELOOPSPEEDREGULATORCURRENTREGULATORSIMULINK目录摘要2ABSTRACT31设计任务及要求511技术数据512设计要求513设计内容52双闭环调速系统的总体设计621控制电路原理722调节器原理823保护电
5、路原理9231晶闸管的过电压保护9232晶闸管的过电流保护1024检测电路原理11241电流检测电路设计11242转速检测电路设计1125ACR及其限幅电路1226ASR极其限幅电路133电流调节器设计1431ACR结构设计1432电流环参数计算1433电流调节器的实现174转速调节器设计1841ASR结构设计1842转速环参数计算1943转速调节器的实现205仿真测试2151仿真原理图2152双闭环调速系统其它性能的研究仿真246总结体会247参考文献251设计任务及要求11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NU220V，NI136A，NN1460R/MIN，
6、电枢电阻AR02，允许过载倍数15；晶闸管装置ST000167S，放大系数SK40；平波电抗器电阻10PR、电感MHLP4；电枢回路总电阻R05；电枢回路总电感L15MH；电动机轴上的总飞轮惯量GD2225NM2；电流调节器最大给定值IMU102V，转速调节器最大给定值NMU105V；电流滤波时间常数OIT0002S，转速滤波时间常数ONT001S。12设计要求1、稳态指标转速无静差；2、动态指标电流超调量5I；3、空载启动到额定转速的转速超调量10N。13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
7、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21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
8、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
9、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。21控制电路原理下图VM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22VM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
10、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23三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A60时）
11、的平均值为22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24为转速、电流双闭环调速系统的原理图，图25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UIM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
12、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。COS3422UUD图24双闭环调速系统电路原理图图25双闭环调速系统结构框图23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。231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
13、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26阻容吸收回路来抑制过电压。图26阻容保护电路232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
14、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27晶闸管保护24检测电路原理241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28电流检测242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
15、公式得AEEECNKN根据直流电机电枢回路电压方程AAAAUEIR，又/AALIUR所以负载时测速发电机的输出电压为1/EAALCUNRR如图29所示、图29转速检测25ACR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1IIACRIKSWSS。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210所示图210电流调节器ACR极其限幅电路26ASR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
16、PI调节。由图可知ASR的传递函数为1NNASRNKSWSS，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211二极管钳位的外限幅电路图212ASR转速调节器PI调节器其限幅电路UINRP1RP2RLIMVD1VD2R1C1R0UEXMN000003电流调节
17、器设计31ACR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E0。这时，电流环如图31所示图31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UIS/，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TITSTOI，电流环结构图最终简化成图19图32电流环结构图最终简化因为电流超调量5I，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。32电流环参数计算
18、1、固有参数电动势系数转矩系数30300132126/MECCNMA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105000719MIN/1460IMNUVRN3、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TS000167S。2、电流滤波时间常数OIT0002S。3、电流环小时间常数之和IT。按小时间常数近似处理，取0036700020001670TOISITT4、电磁时间常数LT的确定。已求出电枢回路总电感，则电磁时间常数RLT11SMH03050154、电流调节器参数计算12201
19、36020132V/MIN1460NNAENUIRCRN3151000305LLTSR2MEM225050183753750132126GDRCC000167STS102IMUV105NMUV15204DMNNIIIA102005/204IMDMUVAI电流调节器超前时间常数I1T003S抵消大惯性又因为设计要求电流超调量5I，查得有IITK05，所以IKIT502136003670501S，所以ACR的比例系数SIIIKRKK02105040500302136。ACR的传递函数为SSSSSKSIII3402103010300211WACR5、校验近似条件电流环截止频率CIIK13621S。1
20、、晶闸管整流装置传递函数的近似条件ST311S619900167031CI，满足条件。2、忽略反电动势变化对电流环动态影响条件113TTMCIS184003018013，满足条件。3、电流环小时间常数近似处理条件CIOIST1S418220000016701T131，满足条件。6、电流环校验表31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KT0250390506910阻尼比100807070605超调量0154395163上升时间RT66T47T33T24T峰值时间PT83T62T47T36T相角稳定裕度763699655592518截止频率C0243/T0367/T0455/
21、T0596/T0786/T由于电流环校正为型系统，而且KT1/2，其输出ID的超调量I43CN，满足条件。转速环小时间常数近似处理条件为193801000367021312131STTONICN，满足近似条件。5、转速校验H5时，N812Z，所以N2812NDMDLNNMETRIINTC8310，满足设计要求。43转速调节器的实现图44含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器UN为转速给定电压；N为转速负反馈电压；UI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0100114311431100NNRRKKK008670078800811
22、00NNICFFR0440001004100ONONTCFR5仿真测试51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51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。0NNRRKNNNCRON0ON41CRT0RK图52ACR/ASR调节器参数设置图53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54空载启动到额定转速以及受到扰动时的改进转速、电
23、流曲线起动过程分析图53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。DIDLIDMI1T2TTNO3T4TTON图55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。第阶段是转速调节阶段。当转速上升到给定值时，转速调节器
24、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。52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T152时加入100负载扰动IDL，在T253时加入100的电网波动UD0，电机满载启动到额定转速的转速电流图如下图56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VM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
25、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1陈群双闭环直流调速系统及其动态仿真J科技情报开发与经济2007222陈伯时电力拖动自动控制系统运动控制系统（第3版），机械工业出版社，20033曾毅现代运动控制系统工程,机械工业出版社，20064尔桂花，窦曰轩运动控制系统，清华大学出版社，20025阮毅，陈维钧运动控制系统，清华大学出版社，20066张波,邓则名直流调速系统的SIMULINK仿真J电子测试2008067刘进军，王兆安电力电子技术（第5版），机械工业出版社，20108王昊基于MATLAB的直流电动机双闭环调速系统的仿真研究J廊坊师范学院学报自然科学版201105
