《运动控制系统》课程设计说明书双闭环直流调速系统设计

1、武汉理工大学华夏学院课程设计报告书题 目双闭环直流调速系统设计院 系 信息工程系专 业自动化班 级姓 名学 号指导教师2011年6月21日 武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计说明书 课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 自动化1081班 指导教师： 工作单位： 信息工程系 题 目: 双闭环直流调速系统设计 初始条件：1.直流电机参数： 10kw， 220v， 55a， 1000 r/min ，电枢电阻ra0.5电机过载倍数1.5，ks40，tl0.03 s，tm0.18 s，设0.07 v.min/r,=0.05 v/a2.测速发电机参数：23w，110v，0.21a，1900 r/mi

2、n，永磁式3.主电路采用三相全控桥，进线交流电源：三相380v要求完成的主要任务: 1.转速调节器asr及电流调节器acr的设计2.转速反馈和电流反馈电路设计3.集成触发电路设计4. 主电路及其保护电路设计课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。满足如下要求： 1转速和电流稳态无差，电流超调量小于5，转速超调量小于10。 2. 对系统设计方案的先进性、实用性和可行性进行论证，说明系统工作原理。 3. 画出单元电路图，说明工作原理，给出系统参数计算过程。4. 画出整体电路原理图，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。时间安排：2011.6.132011.6.15

3、收集课程设计相关资料2011.6.162011.6.23 系统设计2011.6.242011.6.26 撰写课程设计及答辩指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日 绪 论 在电气时代的今天，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。直流电机是最常见的一种电机，具有良好的起动、制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动等各领域中领域中得到了广泛的应用。因此研究直流电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要的意义。电机调速问题一直是自动化领域比较重要的问题。不同领域对于电机的调速性能有着不同的要求，因此，不同

4、的调速方法有着不同的应用场合。 本文设计分析直流双闭环的组成，设计直流双闭环的系统电路图，同时采用采用工程设计的方法对直流双闭环的转速和电流两个调节器进行设计。因为电流调节器是内环，因此首先设计电流调节器，对其进行必要的变化和近似处理，电流环设计完后，把电流环等效成转速环的一个环节进行处理，从而设计转速环。同时双闭环直流调速系统的设计进行了分析及其原理进行了一些说明，介绍了其主电路、检测电路的设计，并介绍电流调节器和转速调节器的设计和一些参数选择、计算，使其设计参数要求的指标。关键词：直流调速 双闭环 原理图 工程设计 参数整定 触发电路目 录1、设计任务与分析1 1.1、设计内容11.2、设

5、计要求11.3、设计方案综合分析12、双闭环直流调速系统总体设计3 2.1系统快速启动过程类比分析3 2.2双闭环直流调速系统整体框图43双闭环直流调速系统电路设计63.1系统主电路设计63.2系统保护和整流电路的设计63.3系统触发电路的设计73.4转速检测电路的设计83.5电流检测电路的设计84双闭环直流调速系统调节器设计94.1电流调节器9 4.1.1电流调节器设计9 4.1.2电流调节器结构的选择9 4.1.3电流调节器的参数10 4,2转速调节器11 4.2.1转速调节器设计12 4.2.2转速调节器参数选择134.2.3校核转速超调量144.3两调节器启动过程分析155心得与体会1

6、7参考文献 18附录19- 5 -双闭环直流调速系统设计1、设计任务与分析1.1、设计内容 1.转速调节器asr及电流调节器acr的设计；2.转速反馈和电流反馈电路设计；3.集成触发电路设计；4.主电路及其保护电路设计；1.2、设计要求1采用配合控制，能够实现可逆运行，转速和电流稳态无差，电流超调量小于5，转速超调量小于10。2. 对系统设计方案的先进性、实用性和可行性进行论证，说明系统工作原理。3. 画出单元电路图，说明工作原理，给出系统参数计算过程。4. 画出整体电路原理图，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。1.3、设计方案综合分析 同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈

7、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。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直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值 idcr 以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。另外，单闭

8、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。 根据自动控制原理，将系统的被调节量作为反馈引入系统，与给定量进行比较，用比较后的偏差对系统进行控制，可以有效地抑制甚至消除扰动的影响，

9、而维持被调量很少的变化或不变，这就是反馈控制的基本作用。因此，在直流调速系统中把转速反馈给系统，便形成转速反馈控制直流调速系统，其有一定的抗扰动性能，如采用转速pi调节器，还可以实现转速稳态无静差系统。但是，如果对系统的动态性能要求比较高，例如：要求快速起动、制动；突加负载动态速降小等等，转速单闭环系统就难以满足需要。原因是因为转速单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电流的动态过程。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。按照反馈控制规律，如采用电流负反馈能够得到近似的恒流过程。但是，我们希望在起动过程中只有电流负反馈，没有转速负反馈；在达到稳态转速后，又

10、希望只有转速负反馈，不再让电流负反馈发挥作用。怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？转速、电流双闭环直流调速系统很好的解决了这个问题。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。转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统，采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、电流双闭环直流调速系统的控制规律、性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础，所以掌握双闭环直流调速系统对于电力拖动控制系统的学习有很重要的作用。本课程设计就要求结合给定的初始条件来完成双闭环直流调速

11、系统的设计，其中包括绘制该调速系统的原理图，对调节器进行工程设计，选择调节器的参数等。要实现双闭环直流调速系统的设计需先对控制系统的组成及工作原理有一定深入的理解，弄清楚调速系统每个组成部分的作用，弄清楚转速环和电流环的工作原理，合理选择调节器的参数以便进行合理的工程设计。2、双闭环直流调速系统总体设计2.1、系统快速启动过程类比分析带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程如图1-1 所示，起动电流达到最大值 idm 后，受电流负反馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。理想起动过程波形如图1-2所示，这时，理起动电流呈方形波，转速按线性增长。这是在最大电流（转矩）受限制

12、时调速系统所能获得的最快的起动过程。 idlntidoidmidcr 图 1-1 带电流截止负反馈的单闭环调速系统idlntidoidm 图1-2理想的快速起动过程通过分析可知，为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值idm的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。我们希望能实现控制：起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈；稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。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。双闭

13、环控制电路的稳态工作原理的分析，可以根据系统的稳态结构框图来分析，分析稳态工作原理的关键是要了解pi调节器的稳态特征，一般都会存在着两种状况：饱和输出达到限幅值，不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，pi的作用使输入偏差电压在稳态时总为零。在实际的正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，只有转速调节器饱和和不饱和两种情况。当转速调节器不饱和时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。而当转速调节器饱和时

14、，asr输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。在稳态工作点上，转速是由给定电压决定的，asr的输出量是由负载电流决定的，而控制电压的大小则同时取决于转速和负载电流。pi调节器的输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到时，对应于转速调节器的饱和输出，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个pi调

15、节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好 最后是对其动态抗干扰性能的分析，对于调速系统，最重要的动态性能是抗干扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器asr来产生抗负载扰动的作用。就静特性而言，系统对它们的抗干扰效果是一样的。但从动态性能上看，由于扰动作用点不同，存在着能否及时调节的差别。负载扰动能够比较快地反映到被调量n上，从而得到调节，而电网电压扰动的作用电力被调量稍远，调节作用受到延滞，因此单闭环调速系统抑制电压扰动的性能要差一点。 综上所述，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到

16、比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗干扰性能大有改善。因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。2.2、双闭环直流调速系统整体框图 双闭环直流调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(asr)和电流调节器(acr), 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，两者之间实行嵌套连接，电流反馈作为内环，转速调反馈作为外环。双闭直流调速系统原理如图21所示。 图2-1转速、电流双闭环直流调速系统结构 asr转速调节器 acr电流调节器 tg测速发电机ta电流互感器 upe电力电子变换器 图22 双闭环直流调速系统原理图图中2-2表出

17、，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；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。 双闭环直流调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，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。 双闭环直流调速系统稳态结构图如图23所示： 图2-3双闭环直流调速系统稳态结构图3、双闭环直流调速系统电路设计3.1、系统主电路的设计 晶闸管-电动机调速系统（简称v-m系统，又称静止的

18、ward-leonard系统），图中vt是晶闸管可控整流器，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，即可改变整流电压ud ，从而实现平滑调速。如图3-1所示为v-m系统的主电路图。 图31 v-m系统主电路原理图3.2、系统保护和整流电路的设计 图3-2整流及晶闸管保护电路 晶闸管的过电压保护，晶闸管的过电压能力比一般的电器元件差，当它承受超过反向击穿电压时，也会被反向击穿而损坏。如果正向超过管子的正向转折电压，会造成晶闸管硬开通，不仅使电路可能出现的过电压，常采用简单有效的过电压保护措施。对于晶闸管的过电压保护可参考主电路的过电压保护，我们使用阻容保护。 晶闸管的过电

19、流。当保护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。快速熔断器保护是最有效，使用最广泛的一种措施。3.3、系统触发电路的设计 晶闸管可控整流电路，通过控制触发角的大小即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小。为保证相控电路正常工作，很重要的是应保证按触发角的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。晶闸管相控电路，习惯称为触发电路。大、中功率的交流器广泛应用的是晶闸管触发电路，其中以同步信号为锯齿波的触发电路应用最多。可靠性高，技术性能好，体积小，功率低，调试方便。晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，已逐步取代分立式电路

20、。此外就是采用集成触发产生触发脉冲。触发电路如图如图3-3所示： 图3-3 集成触发电路 为了让变流器按规律正确工作，同步电压的相位极为重要，它应能准确提供自然换相点，保证在移相范围内对晶闸管元件进行移相控制，从而可对输出电压进行连续控制。在已知整流变压器的接线组别，选择同步变压器时的定相步骤如下：1）据整流变压器的接线组别，绘制主电路变压器次级电压的向量图，有vt1的移相范围和触发电路移相控制原理，确定触发电路需要的同步信号us2的相位。2）选取超前us2相位/3或/6的电压为同步电压us1，确定阻容滤波器；由相控触发电路同步方式确定同步变压器次级相数；由主电路电压向量图及对us1的相位要求

21、确定同步变压器的接线组别。3）按相位关系选取其他元件的同步电压。当为三相桥式全控变流电路且为按元件独立同步时，各元件的同步电压应按顺序滞后/3，从而可以确定其他各元件的同步电压us13.4 、转速检测电路的设计转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号，滤除交流分量，为系统提供满足要求的转速反馈信号。转速检测电路主要由测速发电机组成，将测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号，经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系统。其原理图如图3-4所示。图3-4 转速检测电路3.5、电流检测电路的设计使用霍尔电流传感器可以检测电流，把接到霍尔

22、传感器上。霍尔效应传感器，可以测量任意波形的电流和电压。输出端能真实地反映输入端电流或电压的波形参数。如图3-5所示 图3-5 电流检测电路4、双闭环直流调速系统调节器设计4.1、电流调节器4.1.1、电流调节器设计用工程设计方法来设计转速、电流反馈控制直流调速系统的原则是先内环后外环。因此，电流反馈作为内，首先进行电流调节器的设计，然后再进行转速调节器的设计。双闭环直流调速系统动态结构图如图4-1所示： 图4-1 双闭环直流调速系统动态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) / ，则电流环便等效成单位负反馈系统。图4-2电流环的动态结构框图及其

23、化简（等效成单位负反馈系统）最后，由于ts 和 toi 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 ti = ts + toi 查表得，三相桥式电路的平均失控时间为，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（12）=3.33ms，因此取=0.002s电流环小时间常数之和ti = ts + toi=0.0037s。简化的近似条件为：电流环结构图最终简化成图4-3。 图4-3电流环的动态结构框图及其化简（小惯性环节的近似处理）4.1.2、电流调节器结构的选择根据设计要求：电流超调量小于5，转速超调量小于10,可按典型i型

24、系统设计电路调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用pi型电流调节器其传递函数为： 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。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i=tl则电流环的动态结构图便成为图3-7所示的典型形式 图3-7电流环的典型形式电枢回路电磁时间常数：tl=0.03s。检查对电源电压的抗扰性能： ，参照典型i型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表1，可知各项指标都是可以接受的。 表1 典型i型系统动态跟随性能指标与参数的关系4.1.3、电流调节器的参数计算电流调节器参数 电流调节器超前时间常数：。电流开环增益：要求时，查表得，应选取，因此

25、，有：于是，acr的比例系数为：。（4）校验近似条件 电流环截止频率：1） 校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件，满足近似条件。2） 校验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） 校验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电流调节器原理图如图3-4所示，按所用运算放大器取，各电阻和电容值计算如下：，取，取，取按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为：，满足设计要求。 图5-3 含滤波环节的pi型电流调节器4.2转速调节器4.2.1转速调节器设计转速调节器的结构用电流环的等效代替图4-1的电流环后，电流环闭环传递函数为进行工程近似计算后

26、，整个转速控制动态系统结构如图所示4.2.1所示 图4.2.1用等效环代替电流环后转速环的代替结构框图 若把转速的给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改为u*n/，再把时间常数为1/ki和ton两个小惯性环节合并起来，近似为一个惯性环节即： 则转速环节结构图可以简化成如图4.2.2所示。 图4.2.2等效单位负反馈系统和小惯性近似处理的转速环动态结构框图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，现在扰动作用点后面已经有一个积分环节，因此转速开环传统函数因共有两个积分环节，所以应该设计成典型系统，这样的系统也能满足动态抗扰性能的要求。在

27、理论计算中，线性系统的阶跃超调量较大，但在实际中转速调节器的饱和非线性的性质会使超调量大大降低。故而，asr也用pi调节器，其传递函数为 这样的调速系统的开环传递函数为校正为典后转速环动态结构框图如图4.2.3所示 图4.2.3 校正成典型的转速环的动态结构框图4.2.2转速调节器参数选择（1）确定时间常数 1）电流环等效时间常数。由电流调节器设计时，已取，则 2）转速滤波时间常数。根据所用速发电机汶波情况，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 根据设计要求，并且转速无静差，因此可选择pi调节器，其含给定滤波与反馈滤波结构如图35所示，其传递函数为：（

28、3）计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取，则asr的超前时间常数为：则转速环开坏增益为：。则直流电动机的电动系数为：因此，可计算出asr比例系数为： （4）检验近似条件转速环截止频率为：。1） 电流环传递函数简化条件，满足简化条件2） 转速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转速调节器原理图如图3-5所示，取，则，取，取1.28，取4.2.3校核转速超调量当时，查表2得，不能满足的设计要求。但实际上，系统在突加阶跃给定时，asr饱和，此时不符合线性系统的前提，因此应按asr退饱和的情况重新计算超调量。则实际上超调量计算如下：式中，理想空载时，查表3得出

29、。因此，以上所述参数，满足设计要求。表2典型型系统阶跃输入系统跟随性能指标式中，理想空载时，查表4得出。因此，以上所述参数，满足设计要求。表3典型型系统动态抗干扰性能指标与参数的关系图4.2.4 含给定滤波与反馈滤波的pi型转速调节器4.3、两调节器启动过程分析前已指出，设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。双闭环直流调速系统突加给定电压u*n由静止状态起动时，转速和电流的动态过程如图4.3.1。idl id n n* idm ooiiiiiit4 t3 t2 t1 图4.3.1调节器冬天过程示意图对其起动过程

30、的分析，由于在起动过程中转速调节器asr经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成i、ii、iii三个阶段。第i阶段（电流上升阶段）。突加给定电压后，经过两个调节器的跟随作用，、都跟着上升，但是在没有达到负载电流以前，电动机还不能转动。当后，电动机开始起动。由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器asr的输入偏差电压仍较大，其输出电压保持限幅值，强迫电枢电流迅速上升。直到电流调节器很快就压制了的增长，标志着这一阶段的结束。第ii阶段（恒流升速阶段）。这是起动过程中的主要阶段。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

31、上保持电流恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长，对电流调节系统来说，e是一个线性渐增的扰动量，为了克服它，和也必须基本上按线性增长，才能保持恒定。第iii阶段（转速调节阶段）。当转速上升到给定值时，转速调节器asr的输入偏差减小到零，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。转速超调后，asr输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，和很快下降。但是，只要仍大于负载电流，转速就继续上升。直到时，转矩，则，转速n才到达峰值。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，当时，直到稳定。215、心得与体会 通过两周的课程设计，我首先对直流双闭环调速系统有了更深的认识，加深了理解，是对课堂所学知识的一次很好的应用。我想无论是在学习还是在生活上只有自己有心去学习和参与才可能有收获，这也算是这次设计给我的一点小小的感悟。以前一直觉得理论知识离我们很远，经过课程设