双闭环直流电机调速系统设计综述

1、自动化09-1许丹阳09181201232012年5月12号丁丽娜连海洋大学信息工程学院自动控制系统论文设计报告班级：姓名：学号：时间：指导老师:i自动化研究所双闭环直流电机调速系统设计摘要转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。根据晶闸管的特性，通过调节控制角a大小来调节电压。基于设计题目，直流电动机调速控制器选用了转速、电流双闭环调速控制电路。 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。本文首先确定整个设计的方案和框图。然后确定主电路的结构形式和各元部件的设计，同时对其参数的计算，包括整流变压器、晶闸管、电抗器和保护电路的参数计算。接 着驱动电路

2、的设计包括触发电路和脉冲变压器的设计。最后，即本文的重点设计直流电动机调速控制器电路，本文采用转速、电流双闭环直流调速系统为对象来设计直流电动机调速控 制器。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，二者之间实行嵌套联接。 从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称做外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系 统。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然后最后采用MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行了仿真分

3、析，最后画出了调速控制电路电气原理图。关键词：双闭环； 转速调节器；电流调节器21目录一. 绪论1.1 直流调速系统的概述 1.2 为何要采用直流调速系统1.3研究课题的目的和意义二. 直流调速系统的方案设计2.1 设计内容和要求 2. 1.1设计内容2.1.2 设计要求 2. 2双闭环直流调速系统总设计框图2.3 主电路的结构形式三. 调节器的设计3. 1电流调节器的设计 3.2 转速调节器的设计 四. 基于MATLAB/SIMULIN的调速系统的仿真 五课程设计总结六.参考文献1.1直流调速系统的概述三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以 晶闸管整流装

4、置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完 成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上 技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中 仍然难以替代。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速，以满足工作机械的要求。从机械特性上看，就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械 特性，从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在

5、广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井 卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动 的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快， 然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。1.2为何要采用直流双闭环调速同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能 改善系统的响应特性

6、。由于闭环系统的这些优点因此选用闭环系统。单闭环速度反馈调速系统，采用PI控制器时，可以保证系统稳态速度误差为零。但是如果对系统的动态性能要求较高，如果要求快速起制动，突加负载动态速降小等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照要求来控制动态过程的电流或转矩。另外，单闭环调速系统的动态抗干扰性较差，当电网电压波 动时，必须待转速发生变化后，调节作用才能产生，因此动态误差较大。在要求较高的调速系统中，一般有两个基本要求：一是能够快速启动制动；二是 能够快速克服负载、电网等干扰。通过分析发现，如果要求快速起动，必须使直流电 动机在起动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩，即最

7、大的恒定允许电枢电流，当电 枢电流保持最大允许值时，电动机以恒加速度升速至给定转速，然后电枢电流立即降 至负载电流值。如果要求快速克服电网的干扰，必须对电枢电流进行调节。以上两点都涉及电枢电流的控制，所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量，组成转速、电流双闭环调速系统。1.3研究课题的目的和意义在单闭环调速系统中， 电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善因此， 在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转

8、速动态变化会比 单闭环系统小得多。用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各 方面相互有矛盾的静、 动态性能要求，需要设计者有扎实的理论基础和丰富的实践经验，而初学者则不易掌握，于是有必要建立实用的设计方法。大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低阶系统近似。若事先深入研究低阶典型系统的特性并制成图表，那么将实际系统校正或简化成典型系统的形式再与图表对照，设计过程就简便多了。 这样，就有了建立工程设计方法的可能性。直流调速系统的方案设计2.1 设计内容和要求2.1.1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

9、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ACF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。2.1.2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（D 10 ）,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S乞2 ）。3. 动态性能指标：转速超调量；n 8%，电流超调量 ：

10、5%，动态最大转速降计8 -10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间） ts空1S。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。2.2 .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。三相交流电源、三相直流电源r直流电机整流供电Jk1保护电路驱动电路双闭环调速系统图2-1双闭环直流调速系统设计总框架三相交流电路

11、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， 方法。压敏电阻，阻容式。根据不冋的器件和保护的不冋要求采用不冋的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，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，

12、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。2.3.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）的原理图如能实现电动机连续、平滑地图2-2所示。它通过调节处罚装置 GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压Ud ,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

13、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 a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的二次侧含有 直流分量，故本设计采用了三相全控桥整流电路来供电， 该电路是目前应用最广泛的整流电路，输出电压波动小，适 图2-2 V-M 系统原理 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, 转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。图2-3 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

14、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，实际的调速系统除要求对转速进行调整外，很多生产机械还提出了加快启动和制动过程的要求，这就需要一个电流截止负反馈系统。由2-4图启动电流的变化特性可知，在电机启动时，启动图2-4带

15、截止负反馈系统电流很快加大到允许过载能力值ldm,并且保持不变，在这个条件下，转速n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I fz值，对应这种要求可控硅整流器的电压在启动一开始时应为IdmR，随着转速n的上升，U =ldmRCen也上升，达到稳转速时，U =lfzRCen。 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Idm，并保持不变。这就要求一个电流调节 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。图2-5转速、电流双闭环直流调速系统原理框图（注：ASR 转速调节器 A

16、CR 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，再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3.1.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

17、路的平均失控时间Ts=0.0017s。（2） 电流滤波时间常数 Toi。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（12） Toi=3.3ms,因此取 Toi =2ms=0.002s。T=Ts+Toi=0.0037s。（3） 电流环小时间常数之和Tf。按小时间常数近似处理，取（4）电磁时间常数Ti的确定。由前述已求出电枢回路总电感。二 10.17mH_ U20.693汇 322.755Li = Ki -Idmin0.1220则电磁时间常数T =宜=10.17mH =o.O182sR送0.56。2. 选择电流调节器的结构I型系统设计电流调节器。根据设计要求q乞5%，并保证

18、稳态电流无静差，可按典型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WacR (s)=KCiS 1).i s（3-1）式中Ki -电流调节器的比例系数；i电流调节器的超前时间常数。T 0 0182检查对电源电压的抗扰性能：14.92，参照表3-1的典型I型系统动态抗扰Tg 0.0037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KT0.250.390.50.691.0阻尼比匕1.00.80.7070.60.5超调里C0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间trQO6.6T4.

19、7T3.3T2.4T峰值时间tp08.3T6.2T4.7T3.6T相角稳定裕度Y76.3“69.9“65.5“59.2“51.8截止频率曾c0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T3.计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数：.j =T|=0.0182s，电流开环增益：要求 G乞5%时，取KIT0.5，0.50.5j所以 KI135.1s0.0037 s于 是，acr的 比 例 系 数 为K rKi匚 135.1 0.0182 0.56/ 36 0.024 =1.594Ks P式中，：为电流反馈系数其值为:10V / I N = 0.024 ；晶闸管装置放大系数

20、 Ks=36。4. 校验近似条件电流环截止频率：C0ci =K =135.1s1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件13Ts1196.1s3 0.0017s满足近似条件0.210.0182 _4854s ci满足近似2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 jr13TmT|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由图3-3，按所用运算放大器取R)=40k，各电阻和电容值为Ri =Ki Ro =1.594 40k；： -63.76k 1Ci i 0.0182sRi - 63.76 k 1= 0.285 10FCoi4ToiR。4 0.002 厂 3厂 40 1037

21、2 10“F=0.2牛4照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为g =4.3%：5%，满足设计要求。3.2.转速调节器的设计1.确定时间常数图3-3 含滤波环节的PI型电流调节器(1)电流环等效时间常数1/Ki。由前述已知，KITq = 0.5，贝y1 -2=2 0.0037s = 0.0074sKi -(2)转速滤波时间常数Ton，根据所用测速发电机纹波情况，取Tn=0.01s.(3)转速环小时间常数Tg。按小时间常数近似处理，取1T吊Ton 二 0.0074s 0.01s 二 0.0174s- KI on2.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WASR（s）

22、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n=hT=n=5 0.0174s=0.087s则转速环开环增益h 12 22hT帀6-2-222 s 396.4s2 50.0174可得ASR的比例系数为式中电动势常数Ce转速反馈系数4.检验近似条件转速截止频率为cnKnh 1 -CeTm2h: RTn6 0.024 0.356 0.212 5 0.0083 0.56 0.0174Un -Ra = 440-220 0.06 =o.356v.m i nr/nN10V1200= 0.0083V.min/ r1200r / minKN = KN n =396.

23、4 0.087s=34.5s，(1)电流环传递函数简化条件为7匚 3 0.0037Ki13563.7sV cn足简化条件(2)转速环小时间常数近似处理条件为Ki 13Ton3135.10.01s二 38.7s cn近似条件5 计算调节器电阻和电容根据图5-4所示，取R0 =401】，则RnCnCon= KnR0 =13.31 40 -532.4k 1 0.0873F =0.164 10 F530 10二=F F40 103= _n_一 Rn4Ton取 530 k-1取 0.2uF取1JF二 13.31满足R0图3-4含滤波环节的PI型转速调节器6. 校核转速超调量当h=5时，查表3-2典型丨【

24、型系统阶跃输入跟随性能指标得，=37.6% ,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Mrmin准则确定参数关系)h345678910a52.60%43.60%37.60%33.20%29.80%27.20%25.00%23.30%tr/T2.42.652.8533.13.23.33.35ts/T12.1511.659.5510.4511.312.2513.2514.2k32211111表3-3典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系

25、h345678910必 max / Cb72.20%77.50%81.20%84.00%86.30%88.10%89.60%90.80%tm/T2.452.702.853.003.153.253.303.40tv/T13.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85设理想空载起动时，负载系数Z=0 ,已知In= 220A, , nN=1200r/min ,=0.0174s。= 1.9, R = 0.561，Ce = 0.356V.min/r，Tm = 0.21s，T帀由表5-3查得，UCmax/Cb =81.2%而调速系统开环机械特性的额定稳态速降式中根据式C ma

26、x 2Cbn*2旷兴电机中总电阻 R二Ra R人= 0.06 0.56 =0.621】调速系统开环机械特性的额定稳InR 220 0.62N3831r/mi n0.356Cen为基准值，对应为额定转速 nN =1200r/min(6-24)计算得态速降能满足设383 10 01741200 0.21J =2 81.2% 1.98.12% : 10%计要求7.校核动态最大速降设计指标要求动态最大速降 转速时的动态速降二皿。nN:n 8% 10% 。在实际系统中，厶n可定义为相对于额定Fmax：CmaxCbnbTh0 0174nb =2-z n nN =2 1.9383. 120.6r/min ；

27、Tm0.21查表可知，-2Cmx=8l.2% ,所以.mmax =81.2% 120.6/100 = 97.9r/min ； Cb=n100% = 8.2% : 10%能满足设计n n 1200要求8.转速超调的抑制若退饱和超调量二.0%，则不满足动态指标要求，需加转速微分负反馈。加入这个 环节可以抑制甚至消灭转速超调，同时可以大大降低动态速降。在双闭环调速系统中， 加入转速微分负反馈的转速调节器原理图如图5-5所示。和普通的转速调节器相比，在转速反馈环节上并联了微分电容Cdn和滤波电阻Rdn，即在转速负反馈的基础上再叠加一个带滤波的转速微分负反馈信号。图3-5带转速微分负反馈的转速调节器Un

28、*(s)含有转速微分负反馈的转速环动态结构框图如下图5-6所示:图3-6含有转速微分负反馈的转速环动态结构框图转速微分负反馈环节中待定的参数是Cdn和Rdn，其中转速微分时间常数 n二R)Cdn，转速微分滤波时间常数是以选定，Todn = RdnCdn二Ton，只要确定.dn，就可以计算出Cdn和Rdn 了。由工程设计方法，近似计算公式得：4h 2_=vrKn2二 n *Tm( - z)： nN基于MATLAB/SIMULIN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，环直流调速系统的动态结构框图如

29、图4-1所示:可以参考该系统的动态结构形式,双闭图4-1双闭环直流电机调速系统的动态数学结构框图把这些参数的值代入框图中的公式就可得到以下框图4-2。图4-2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土 13V。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4-3所示图4-3双闭环直流电机转速输出仿真图形从图4-3可以很明显的看出转速的起动和扰动的现象。从仿真得到的转速曲线图中可以25得出转速超调量为、：n100% =1.67%，基本满足设计的要求，但是与设定值相比1490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40r/min，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，符合设计的要求。从仿真的 结果来看，得到这样结论：(1) 工程设计方法在推导