转速、电流双闭环不可逆V-M直流调速系统的设计与仿真

1、 运 动 控 制 系 统 大 作 业 转速、电流双闭环不可逆V-M直流调速系统的设计与仿真V-M double closed loop irreversible cocurrent Velocity modulation system's design and simulation院（部）： 电子信息与电气工程学院 专业班级： 学生姓名： 学生学号： 指导教师姓名： 指导教师职称： 讲 师 2015 年 12月转速、电流双闭环不可逆V-M直流调速系统的设计与仿真摘要：直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内

2、平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。本文系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、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转速稳定，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。并通过MATLAB进行系统的数学建模和系统仿真，分析双闭环直流调速系统的特性。关键词：直流调速；晶闸管；双闭环；仿真第一章 绪论1.1 直流调速系统的概述 在现代工业中，为了实现各种生产工艺过程的要求，需要采用各种各样的生产机械，这些生产机械大多采用电动机拖动。随着工艺技术的不断发展，各种生产机械根据其

3、工艺特点，对生产机械和拖动的电动机也不断提出各种不同的要求，这些不同的工艺要求，都是靠电动机及其控制系统和机机械传动装置实现的。可见各种拖动系统都是通过控制转速来实现的，因此，调速控制技术是最基本的电力拖动控制技术。 由于直流调速控制系统具有良好的启制动、正反转及调速等性能，目前在调速领域中仍占主要地位。按供电方式，它可分交流机组供电、水银整流供电和晶闸管供电三类。晶闸管供电的直流调速控制系统具有良好的技术经济指标。因此，在国内外已取代了其他两种供电方式。本文中主电路设计就是依据晶闸管-电动机（V-M）系统组成，其系统由整流变压器TR、晶闸管整流调速装置、平波电抗器L和电动机-发电机

4、组等组成。整流变压器TR和晶闸管整流调速装置的功能是将输入的交流电整流后变成直流电；平波电抗器L的功能是使输出的直流电流更平滑。 该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。1.2 设计参数与要求1.2.1 设计参数他励直流电动机，额定功率29.92kW，额定电压220V，额定电流136A， 额定转速1460r/min，Ce=0.132Vmin/r，允许过载倍数l=1.5。要求电流连

5、续的最小负载电流平均值为10A，晶闸管装置放大系数Ks=40，电枢回路总电阻R=0.1W，机电时间常数Tm=0.18s，电磁时间常数Tl=0.03s ，电流反馈系b=0.05V/A  ，转速反馈系数a=0.007V min/r ，转速反馈滤波时间常数T on=0.005s，T oi=0.005s ，总飞轮力矩GD2 =2.5N.m，h=5。1.2.2 设计要求1、稳态指标：稳态无静差，调速范围D=10，静差率5%；2、动态指标：电流超调量i 5% ，转速超调量n 10%；3、画出完整详细的系统原理图；4、基于 MATLAB

6、7.1 ，仿真启动过程，分析是否满足动态性能指标。第二章 直流调速系统的总体设计2.1 系统的整体设计在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图2.1（a）所示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。在实际工作中,我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，

7、又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形如图2.1（b）所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。 图2.1 调速系统起动过程的电流和转速波形 实际上，由于主电路电感的作用，电流 不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，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，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就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希

8、望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。 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，二者之间实行串级连接，原理图如图2.2所示，即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。该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调

9、速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单环系统就难以满足需要。这是就要考虑采用转速、电流双环控制的直流调速系统。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。二者之间实行嵌套（串联）联接。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电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。稳态结构图如图2.3所示，动态结

10、构图如图2.4所示。图2.2 转速、电流双闭环直流调速系统原理图图2.3 转速、电流双闭环直流调速系统稳态结构图图2.4 转速、电流双闭环直流调速系统动态结构图2.2 主电路的确定1957年晶闸管问世，已生产成套的晶闸管整流装置，即图2.5晶闸管-电动机调速系统(简称V-M系统)的原理图。通过调节阀装置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。和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现实出较大的优越性。图2.5 VM系统原理虽然三相半波可控整流电路使用的晶闸管个数只是三相全控桥整流电路的一半，

11、但它的性能不及三相全控桥整流电路。三相全控桥整流电路是目前应用最广泛的整流电路，其输出电压波动小，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（将近50）。把该电路应用于本设计，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。主电路图如图2.6所示。图2.6 主电路原理图三相全控桥整流电路实际上是组成三相半波晶闸管整流电路中的共阴极组和共阳极组串联电路。三相全控桥整流电路可实现对共阴极组和共阳极组同时进行控制，控制角都是 。在一个周期内6个晶闸管都要被触发一次，触发顺序依次为：VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，6个触发脉冲相位依次相差60°。为

12、了构成一个完整的电流回路，要求有两个晶闸管同时导通，其中一个在共阳极组，另外一个在共阴极组。为此，晶闸管必须严格按编号轮流导通。晶闸管与按A相，晶闸管与按B相，晶闸管与按C相，晶闸管接成共阳极组，晶闸管接成共阴极组。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。如图2.4所示。由于电网电压与工作电压（U2）常常不一致，故在主电路前端需配置一个整流变压器，以得到与负载匹配的电压，同时把晶闸管装置和电网隔离，可起到降低或减少晶闸管变流装置对电网和其他用电设备的干扰。考虑到控制角增

13、大，会使负载电流断续，并且负载为直流电动机时，由于电流断续和直流的脉动，会使晶闸管导通角减少，整流器等效内阻增大，电动机的机械特性变软，换向条件恶化，并且增加电动机的损耗，故在直流侧串接一个平波电抗器，以限制电流的波动分量，维持电流连续。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，电路中加入了过电压、过电流保护装置。2.3 控制电路整流电路的触发采用KC04控硅移相触发电路触发，KC04可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中，作可控硅的双路脉冲移相触发。KC04器件输出两路相差180度的移相脉冲，可以方便地构成全控桥式触发器线路。该电路具有输出负载能力大、移相性能好、

14、正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点。第三章 系统主电路和保护电路的设计3.1 整流变压器的参数计算3.1.1 二次侧相电压U2的计算变压器二次测相电压U2的计算公式为式中，为变流装置的最大整流输出电压（ V ） ； R为整流变压器内阻和平波电抗器之和（ ） ；为电动机额定电流（A ） ；为主电路中电流经过几个串联晶闸管的正向压降（ V ） ；A为时与之比，本设计整流电路用的是三相桥式整流，故A取2.34；为电网波动系数，通常取；为最小控制角，一般可控系统，不可逆系统取，C 为线路接线方式系数，本设计取C=0.5，变压器短路电压比，100以下，

15、1001000取=0.050.08，1000以上=0.080.1；为变压器二次实际工作电流与二次额定电流之比。忽略R，则有所以变压器电压比为：3.1.2 二次侧相电流I2与一次侧相电流I1对不同型式的整流线路，变压器二次、一次电流有效值，与负载电流的关系不同，三相全控桥式电路有，K为电压匝数比（）。故二次侧相电流：一次侧相电流：3.1.3 变压器容量的计算变压器二次容量、一次容量、平均计算容量（视在容量）分别为二次容量：一次容量：平均计算容量：式中，和为整流变压器一次侧、二次侧的相数3.2 主电路器件的参数计算及选择正确合理地选择晶闸管元件是保证主电路可靠运行的重要条件之一。所谓正确合理地选择

16、元件，系指晶闸管元件额定电流（通态平均电流）和额定电压一定要考虑合适的电流储备和电压储备系数，通常称安全系数。从设计和使用的经验来看，其安全系数应适当选大些，以保证系统工作可靠，特别是对某些生产上的关键设备更应如此。3.2.1 整流元件的额定电压3.2.2 整流元件额定电流最大负载电流3.3 主电路保护环节的设计与计算3.3.1 过电压保护交流侧过电压的保护如图3.1。 图3.1 交流侧过电压保护电路 采用RC过电压抑制电路如图一所示，在变压器次级并联RC电路，以吸收变压器铁心的磁场释放的能量，并把它转换为电容器的电场能而存储起来，串联电阻是为了在能量转换过程中可以消耗一部分能量并且抑制LC回

17、路可能产生的震荡。本设计采用三相全控桥整流电路，变压器的绕组为Y联结，阻容保护装置采用星接法，直流侧的过电压保护如图：图3.2 直流侧过电压保护电路本设计用压敏电阻抑制过电压，在直流侧之间接入的是压敏电阻。压敏电阻用于中小功率整流器操作过电压保护。晶闸管换相过电压保护如图： 图3.3换相过电压保护电路 如上图，在晶闸管元件两端并联RC电路，起到晶闸管换相过电压的保护。串联电阻R的作用一是阻尼LTC回路的震荡，二是限制晶闸管开通瞬间的损耗且可减小电流上升率di/dt。3.3.2 过电流保护过电流保护采用快速熔断器图3.4 过电流保护第四章 调速系统控制单元的确定和调整4.1 检测环节4.2.1

18、转速检测常用的转速检测装置是各种测速发电机和脉冲测速装置。由于直流测速发电机无需另设整流装置，且无剩余电压，故在直流调速系统中转速反馈信号广泛采用直流测速发电机，将转速转换成电压。ZCF系列直流测速发电机系封闭自冷式具有换向器的他激直流发电机，在恒定的激磁电流下产生的电枢电压正比于电枢转速。在自动控制系统中作为测速和反馈元件。如ZCF110 型测速发电机，一般取负载电阻左右。为减小输出纹波电压影响，应选用换向片数较多的直流测速发电机。如选用高灵敏度的测速发电机，它的线性精度可达到 0.01%0.05%。4.2.2 电流检测在主电路直流侧串接低阻值电阻Rc以取得电流检测信号，如图4.1所示。这种

19、电流检测方法，在电阻上会产生压降或损耗。有时可利用电动机的换向绕组和补偿绕组上的压降作为电流信号。上述方法主电路与控制电路在电路上需接入电流隔离器。将Ui作为隔离输入信号，隔离器的输出再作为电流反馈信号。图4.1 直流电流检测4.2.3 电压检测在调速系统中常用整流装置主回路的直流电压作为电压反馈信号， 最简单的方法是在尽量靠近电动机电枢两端的位置 （主回路平波电抗器之后） ，直接引出直流电压反馈信号，但其输入与输出之间没有电气隔离，容易造成事故。这种方法只适用于小容量系统中。在较大容量系统中， 主回路直流电压都在数百伏以上， 而控制回路电压一般都在±15v 左右，故必须设置直流电压

20、隔离器。利用直流电压隔离器，将输入的直流电压 U_调制成方波，通过变压器的磁耦合，再将交流方波解调成较小的直流反馈信号，如图 4.2 所示图4.2 电压检测4.2 调节器设计作为系统校正环节的调节器，是控制电路的关键部件，在系统中使用各种类型的调节器可实现输入输出的 P、I、D、PI、PD、PID 等多种运算关系。调节器的选择与参数整定是系统设计中极其重要的一环，它对系统静、动态性能指标的优劣起着决定作用。 4.2.1 调速系统对调节器的一般要求是：1） 调节器须能够调零，如果调节器在比例状态下不能调零，当输入为零时，输出较大，则应更换器件。2） 调整消振电路参数，能消除高频振荡。3） 调节器

21、的正、负输出电压不能过小，一般要求输出电压接近直流稳压电源电压（±15v） 。对于 PI 调节器一般都要求输出限幅。4） 调速系统中具有积分作用的电流和转速调节器， 必须设置调节器锁零环节。5） 调节器的工作电源为直流稳压电源（±15v 或±12v） 。4.2.2 调节器的一般电路系统中所用调节器随着电子元器件集成化的发展，使得线路大为简化，且性能优良、调试方便、运行可靠、成本降低，故目前已普遍采用线性集成电路运算放大器组成多种型式的调节器。 图 4.3 是由 5G24 线性组件组成的 PI 调节器。 它由±15V直流稳压电源供电，其允许最大输出电流为&

22、#177;10mA，一般不用功放电路。5G24 管脚功能： 2 为反相输入端，3 为同相输入端，7为+15V电源，4 为15V电源，6 是输出端，8 和 9 间接消振电容Cf ，1 和 5 间外接调零电位器RP。放大器入口外接限幅二极管VD1、VD2用来限制非共模输入信号幅值以保护组件；二极管VD3 、 VD4和电位器RP1、RP2组成钳位反馈限幅电路； 反馈回路接入R图 4-9 5G24 组成的 PI 调节器1 、C ，构成PI调节器。图4.3 调节器电路4.2.3 调节器的限幅调速系统中，为了保护电气设备和机械设备的安全，须限制电动机的最大电流、最大电压以及晶闸管变流装置的和 角等，一般都

23、要求对调节器输出限幅。调节器输出限幅值的计算与整定是系统设计和调试工作中十分重要的环节。实现限幅的方法大体有两类，即外限幅和内限幅，电路图如图 4.4所示。 a)外限幅电路 b)内限幅电路图4.4 运算放大器的限幅电路4.2.4 调节器的锁零系统中引入 PI 调节器，即使系统在停车期间，未加给定信号，由于其积分作用，调节器在干扰信号作用下也会有较大的输出电压。这个输出信号送给触发装置，就会使触发脉冲从初始相位（ ）前移而使电动机起动，这在控制上是不允许的。所以在系统给出起动指令之前，必须对具有积分作用的调节器锁零，即把它的输出锁到零电位上。系统对调节器锁零电路的要求是： 1) 系统处于停车状态

24、时，具有积分作用的调节器必须用锁零电路将其输出电位锁到零电位上。 2） 系统接到起、停及反向指令之时，或处于正常运行状态时，调节器不能锁零。4.3 给定电源在闭环调速系统中，转速总是紧紧地跟随给定量而变化。给定电源的质量在保证系统正常工作中是十分重要的，因此高精度的调速系统必须要有更高精度的给定稳压电源作保证。所以，设计系统控制方案、拟定控制电路时，必须十分注意对稳压电源的设计与选择。 由三端集成稳压器件所组成的稳压电源，线路简单、性能稳定、工作可靠、调整方便，已逐渐取代分立元件，在生产实际中应用越来越广泛。系统中应尽量采用这种集成稳压源，以保证系统的可靠工作为防止大幅度电网电压波动给稳压电源

25、工作带来的困难，目前已普遍采用恒压变压器作为稳压电源的电源变压器。恒压变压器集稳压、隔离、变压为一体，具有双向滤波功能, 可消除电网杂波干扰, 具有良好的抗干扰能力，输出为正弦波或准方波两种类型，是精密电子仪器、微机及数控等设备的理想稳压电源。第五章 调速系统动态参数的工程设计5.1 调节器工程设计方法的基本思路先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需要的稳态精度。再选择调节器的参数，以满足动态性能指标。设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环地逐步向外扩展。在这里是：先从电流环入手，首先设计好电流调节器，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。5.

26、2 电流调节器的设计5.2.1 时间常数的确定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。电流滤波时间常数=0.005s。电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取。5.2.2 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： ，各项指标可以接受。5.2.3 计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数： 电流开环增益：要求时，取，所以 于是，ACR的比例系数为 式中，为电流反

27、馈系数其值为；晶闸管装置放大系数。5.2.4 近似条件校验 电流环截止频率：。晶闸管整流装置传递函数的近似条件:，满足近似条件。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。电流环小时间常数近似处理条件:，满足近似条件。5.3 转速调节器的设计5.3.1 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 5.3.2 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 5.3.3 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

28、数为则转速环开环增益 可得ASR的比例系数为5.2.4 近似条件校验 由式K=1c得转速环截止频率为：。电流环传递函数简化条件：，满足简化条件。转速环小时间常数近似处理条件：，满足近似条件。第六章 系统仿真利用MATLAB中的simulink库对设计系统进行仿真。6.1 电流环的仿真先构建电流调速系统，系统图如图6.1所示，并对其进行相关参数设定。如，为方便观察，将阶跃信号的开始时间改为0，根据设计要求将幅值改为10。图6.1 电流调速系统的仿真模型在运行simulink之前先执行程序set(0,'ShowHiddenHandles','On')；set(gcf

29、,'menubar','figure')，其作用是使示波器的显示图像可进行编辑，使得效果更佳清晰。示波器显示图像如图6.2所示。图6.2 电流调速系统仿真结果6.2 双闭环的仿真在电流环的基础上加上转速环的控制，系统图如图6.3所示，示波器显示图如图6.4所示。图6.3 双闭环调速系统的仿真模型图6.5 双闭环调速系统仿真结果第七章 结论通过本次对一个V-M双闭环不可逆直流调速系统课程设计使本人对电力电子技术，电力拖动，自动控制系统和运动控制系统有了进一步的了解与认识，并且进一步认识到工程设计时与实际相联系的重要性。该系统中调速系统采用比例积分调节器。可实现转速

30、的无静差调速，有采用电流截止负反馈环节，限制了起（制）动时的最大电流。该系统具有许多特点：具有良好的静特性（接近理想“挖土机特性”）；具有较好的动态特性，启动时间短，超调量也小；系统抗扰动能力强，电流环能较好的克服电网电压波动的影响，而速度环能抑制被它包围的各个环节扰动的影响，并最后消除转速偏差；由两个调节器分别进行设计，分别调整，调整方便。但是在此次设计中还是有许多依然不懂的知识点，在刚开始设计时更是对着课本的设计步骤生搬硬套，使得结果几次错误又推翻重改。对于知识的较弱掌握，本人此次并没有做更加复杂的可逆系统设计。无论如可，亲手做出的设计还是让本人受益匪浅，在设计过程中查阅各种相关资料，并且充分利用MATLAB和Mathtype软件，为毕业设计打下基础。附录电流环系统仿真1图双闭环系统仿真1图电流环系统仿真2图双闭环系统仿真2图电流环系统仿真结果双闭环系统仿真结果草稿1草稿2参考文献1陈伯时. 自动控制原理 M. 北京：机械工业出版社，19812陈伯时 电力拖动自动控制系统 M. 2版 北京：机械工业出版社，19923陈