直流电机双闭环系统课程设计刘新钊

1、I摘摘 要要本课题设计了一套基于 PLC 的变频调速恒压供水系统，该变频恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器、工控机等构成。本系统包含三台水泵电机，它们组成变频循环运行方式。采用变频器实现对三相水泵电机的软启动和变频调速，运行切换采用“先启先停”的原则。压力传感器检测当前水压信号，送入 PLC与设定值比较后进行 PID 运算，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电机的转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近。利用组态软件开发良好的运行管理界面，实现运行状态动态显示及数据、报警的查询。系统能够实现功能：1.具有全自动/手动运行切换、停止及异地操作功能；2.变

2、频器对电机进行软启软停,可消除水锤效应以减少设备损耗，延长电机寿命；3.具有完善的电气安全保护措施，对过流、过压、欠压、过载、断水等故障均能自行诊断并报警。关键词：关键词：变频调速；恒压供水；PLC；组态II目目 录录摘要 .I目录 .II1绪论 .111 直流调速系统的概述.11.1.1 直流电动机的调速方法.11.2 PWM 的相关介绍.22 总体方案设计.42.1 方案比较 .42.2 方案论证 .52.3 方案选择 .52.4 设计内容和要求 .62.4.1 设计内容.62.4.2 设计要求.72.4.3 设计参数.73 单元模块设计.83.1 转速给定电路设计.83.2 转速检测电路

3、设计.83.3 电流检测电路设计.93.4 整流及晶闸管保护电路设计 .104.双闭环直流调速系统设计 .124.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性.124.1.1 双闭环调速系统的组成.124.1.2 稳态结构框图和静特性.154.1.3 稳态参数计算 .174.2 转速、电流双闭环直流调速系统的动态模型.174.2.1 动态抗扰性能分析 .184.3 调节器的设计 .20III4.3.1 电流调节器的设计 .214.3.2 转速调节器的设计 .234.3.3 调速系统的开环传递函数.265 系统调试.275.1 系统 MATLAB 仿真.275.2 系统的建模与参数设置 .2

4、75.3 系统仿真结果的输出及结果分析 .286 单闭环直流调速系统设计.306.1 闭环调速系统的组成及其静特性.306.1.1 系统组成.306.1.2 静特性 .316.2 稳态参数计算 .326.3 传递函数 .33总结 .34参考文献 .35致谢 .36 直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双环闭环系统课程设计11 1绪论绪论11 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

5、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

6、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。1.1.1 直流电动机的调速方法（1）调节电枢供电电压 U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。Ia变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。（2）改变电动机主磁通。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双环闭环系统课程设计2行调速（简称弱磁调速），从电

7、机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。变化时fI间遇到的时间常数同 Ia变化遇到的相比要大得多，（3）改变电枢回路电阻 R。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速

8、为主速。改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：（1）旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。（2）静止可控整流器。用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。（3）直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。1.2 PWM 的相关介绍脉宽调制的全称为：Pulse WidthModulator、简称 PWM、由于它的特殊性能、常被用于直流负载回路中、灯具调光或直流电动机调速、HW-1020

9、型调速器、就是利用脉宽调制(PWM)原理制作的马达调速器、PWM 调速器已经在:工业直流电机调速、工业传送带调速、灯光照明调解、计算机电源散热、直流电扇等、得到广泛应用。自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM 调速系统。与 V-M 系统相比，PWM 系统在很多方面有较大的优越性：主电路简单，需用的电力电子器件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达 1:10000 左右；若与快速响应的直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双

10、环闭环系统课程设计3电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强；电力电子开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。因而，PWM 调速系统的应用日益广泛，特别是在中、小容量的高动态性能系统中，已经完全取代了 V-M 系统。直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双环闭环系统课程设计42 2 总体方案设计总体方案设计2.1 方案比较方案一：单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统。在电动机轴上装一台测速发电机 SF ,引出与转速成正比的电压 Uf 与给定电压

11、 Ud 比较后,得偏差电压 U ,经放大器 FD ,产生触发装置 CF 的控制电压 Uk ,用以控制电动机的转速,如图2.1 所示。图 2.1 方案一原理框图方案二：双闭环直流调速系统该方案主要由给定环节、ASR、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了电流调节器 ACR 和转速调节器 ASR。电流调节器 ACR 和电流检测反馈回路构成了电流环；转速调节器 ASR 和转速检测反馈回路构成转速环，称为双闭环调速系统。因转速环包围电流环，故称电流环为内环，转速环为外环。在电路中，ASR 和 ACR 串联，即把ASR 的输出当

12、做 ACR 的输入，再由 ACR 得输出去控制晶闸管整流器的触发器。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用具有输入输出限幅功能的 PI 调节器，且转速和电流都采用负反馈闭环。该方案的原理框图如图 2.2 所示。直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双环闭环系统课程设计5图 2.2 方案二原理框图2.2 方案论证方案一采用单闭环的速度反馈调节时整流电路的脉波数 m = 2 ,3 ,6 ,12 , ,其数目总是有限的,比直流电机每对极下换向片的数目要少得多。因此,除非主电路电感 L = ,否则晶闸管电动机系统的电流脉动总会带来各种影响,主要有:(1) 脉动电流产生脉动转矩,对生产

13、机械不利; (2)脉动电流(斜波电流) 流入电源,对电网不利,同时也增加电机的发热。并且晶闸管整流电路的输出电压中除了直流分量外,还含有交流分量。把交流分量引到运算放大器输入端,不仅不起正常的调节作用,反而会产生干扰,严重时会造成放大器局部饱和,从而破坏系统的正常工作。方案二采用双闭环转速电流调节方法，虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条

14、件下获得最佳过渡过程，很好的满足了生产需求。直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双环闭环系统课程设计62.3 方案选择1.在单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，系统的动态性能不够好。2.系统中采用电流截止负反馈环节来限制启动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应，即最佳过渡过程。为了获得近似理想的过度过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的方法就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。所以本文选择方案二作为设计的最终方案。而由于电机上网容量较大，

15、又要求电流的脉动小，故选用三相全控桥式整流电路供电方案。电动机额定电压为 220V，为保证供电质量，应采用三相减压变压器将电源电压降低。为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰。主变压器采用 A/D 联结。因调速精度要求较高，故选用转速负反馈调速系统。采用电流截止负反馈进行限流保护。出现故障电流时过电流继电器切断主电路电源。为使线路简单，工作可靠，装置体积小，宜采用 KJ004 组成的六脉冲集成触发电路。该系统采用减压调速方案，故励磁应保持恒定，励磁绕组采用三相不控桥式整流电路供电，电源可从主变压器二次侧引入。为保证先加励磁后加电枢电压，主接触器主触点应在励磁绕组通电后方可闭合

16、，同时设有弱磁保护环节电动机的额定电压为 220V，为保证供电质量，应采用三相减压变压器将电源电压降低；为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰，主变压器采用 D/Y 联结。2.4 设计内容和要求2.4.1 设计内容一、根据给定参数设计转速电流双闭环直流调速系统。直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双环闭环系统课程设计7二、根据给定参数设计转速单闭环直流调速系统，并利用模拟电路元件实现转速单闭环直流调速系统。2.4.2 设计要求一、根据设计要求完成双闭环系统的稳态参数设计计算、判断系统的稳定性、绘制系统的稳态结构图。 二、按工程设计方法设计转速电流双闭环直流调速系统的调节器，选

17、择调节器结构、计算系统的稳定余量 及 GM、计算调节器参数、绘制系统动态结构图。三、设计采用模拟调节器及 MOSFET 功率器件实现的转速单闭环调速系统，绘制控制电路及主电路电路图。四、测试单闭环调速系统的转速反馈波形和直流电动机转速及控制电路的相关波形。五、提交完整的直流电动机转速单闭环、转速电流双环闭环调速系统设计。2.4.3 设计参数一、直流电动机参数:PN=20W、UN=24V、IN=1.5A、nN=3000r/min、电枢电阻Ra=1.8、电枢回路总电阻 R=4.5电枢电感 La=6.76mH、GD2=15.68Ncm2、Tm=30ms、Tl=2.2ms测速发电机参数:Un=80V，

18、nN=3000r/min，PN=16W，IN=200mA，负载电阻R=400二、PWM 主电路：驱动频率 f10kHz三、设计指标转速单闭环直流调速系统：D=20，s5%；转速电流双闭环直流调速系统：U *n=5V，Uim=5V，Idm=1.5IN，i5%，n10%。直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双环闭环系统课程设计83 3 单元模块设计单元模块设计根据设计要求，本文所设计的双闭环直流晶闸管调速系统主要包含转速给定电路、转速检测电路、电流检测电路、控制电路、整流及晶闸管保护电路、电源等几个部分。3.1 转速给定电路设计转速给定电路主要由滑动变阻器构成，调节滑动变阻器即可获得相应大小的给定

19、信号。转速给定电路可以产生幅值可调和极性可变的阶跃给定电压或可平滑调节的给定电压。其电路原理图如图 3.1 所示。图 3.1 转速给定电路原理图直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双环闭环系统课程设计93.2 转速检测电路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 3.2 所示。图 3.2 转速检测电路原理图直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双环

20、闭环系统课程设计103.3 电流检测电路设计电流检测电路的主要作用是获得与主电路电流成正比的电流信号，经过滤波整流后，用于控制系统中。该电路主要由电流互感器构成，将电流互感器接于主电路中，在输出端即可获得与主电路电流成正比的电流信号，起到电气隔离的作用。其电路原理图如图 3.3 所示。图 3.3 电流检测电路原理图直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双环闭环系统课程设计113.4 整流及晶闸管保护电路设计整流电路如图 3.4 所示，在整流电路中主要是晶闸管的保护问题。晶闸管具有许多优点，但它属于半导体器件，因此具有半导体器件共有的弱点，承受过电压和过电流的能力差，很短时间的过电压和过电流就会造

21、成元件的损坏。为了使晶闸管装置能长期可靠运行，除了合理选择元件外，还须针对元件工作的条件设置恰当的保护措施。晶闸管主要需要四种保护：过电压保护和 du/dt 限制，过电流保护和 di/dt 限制。图 3.4 整流电路及晶闸管保护电路直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双环闭环系统课程设计124.4.双闭环直流调速系统设计双闭环直流调速系统设计直流调速系统中应用最普通的方案是转速、电流双闭环系统。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，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

22、和抗扰动性能等，都比单闭环调速系统好。本课题设计主要是设计双闭环的中两个调节器参数计算与检测。4.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性4.1.1 双闭环调速系统的组成速度与电流双闭环调速系统是 20 世纪 60 年代在国外出现的一种新型的调速系统。70 年代以来,在我国的冶金、机械、制造以及印染工业等领域得到日益广泛的应用。 双闭环调速系统是由单闭环自动调速系统发展而来的。单闭环调速系统使用了一个比例积分调节器组成速度调节器可以得到转速的无静差调节。从扩大调速范围的角度来看, 单环系统已能基本上满足生产机械对调速的要求。但是, 任何调速系统总是需要启动与停车的, 从电机能承受的过载

23、电流有一定限制来看, 要求启动电流的峰值不要超过允许数值。为达到这个目的, 采用电流截止负反馈的系统, 它能得到启动电流波形, 直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双环闭环系统课程设计13见图 4.1 中实线所示。波形的峰值正好达到直流电动机所允许的最大冲击电流 Idm, 其启动时间为 t1。图4.1带有截止负反馈系统启动电流波形实际的调速系统, 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, 例如可逆轧钢, 龙门刨床都是经常处于正反转工作状态的, 为了提高生产率, 要求尽量缩短过渡过程的时间。从图 4.1 启动电流变化的波形可以看到, 电流只在很短的时间内就达到了最

24、大允许值 Idm, 而其他时间的电流均小于此值, 可见在启动过程中,电机的过载能力并没有充分利用。如果能使启动电流按虚线的形状变化, 充分利用电动机的过载能力, 使电机一直在较大的加速转矩下启动, 启动时间就会大大缩短, 只要 t2就够了。上述设想提出一个理想的启动过程曲线, 其特点是在电机启动时, 启动电流很快加大到允许过载能力值 Idm, 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 Ifz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, 也上升, 达到稳定转速时, 。这就要求

25、在启动过程中把dmeUIRC nfzeUI RC n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。如下图 4.2。直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双环闭环系统课程设计14图 4.2 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。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 4.2 所示。这就是说把转速调节

26、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。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器都采用调节器。PI两个调节器的输出都是带限幅作用的。转速调节器 ASR 的输出限幅电压是，它决*imU定了电流给定电压最大值；电流调节器 ACR 的输出限幅电压是 Ucm，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。采用型的好处是其输出量的稳态值与输入无关，而是由PI它后面环节的需要决定的。后面需要调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，PI直到饱和为止。双闭

27、环调速系统的静特性在负载电流小于最大电流 时表现为转速无静差，这maxdI时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到 后，转速调节器饱和，电流调maxdI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。这就是采用了两个调节器分别形成内、外两个闭环的效果。PI直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双环闭环系统课程设计15图 4.3 双闭环直流调速系统电路原理图4.1.2 稳态结构框图和静特性为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构框图，如下图 4.4 所示。电流调节器和转速调节器均为具有限幅输出的 PI 调节器，当输出达到饱和值时，输出量的变化不再影响输出，除非产生

28、反向的输入才能使调节器退出饱和。当输出未达到饱和时，稳态的输入偏差电压总是为零。正常运行时，电流调节器设计成总是不会饱和的，而转速调节器有时运行在饱和输出状态，有时运行在不饱和状态。直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双环闭环系统课程设计16图 4.4 双闭环直流调速系统的稳态结构图-转速反馈系数；-电流反馈系数分析静特性的关键是掌握这样的 PI 调节器的稳态特征，一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值。即饱和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。不饱和输出未达到限幅值。即 PI 的作用使输入偏差电压在稳U态时总为零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此

29、，对于静特性来说，只有调速调节器饱和与不饱和两种状况：（1）转速调节器不饱和：稳态时，他们的输入偏差电压都是零，因此，*0nUnn而得到下图 4.5 静特性的 CA 段。（2）转速调节器饱和： 输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化*imU对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的点电流闭环调节系统。稳态时 ，从而得到下图 4.5 静特性的 AB 段。*imddmUII这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点漂移而采用“准 PI 调节器”时，静特性的两段实际上都 N 略有很小的静差，见图 4.5

30、 的虚线。直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双环闭环系统课程设计17图 4.5 双闭环直流调速系统的静特性 ASR 主导，表现为转速无静差ddmII ACR 主导，表现为电流无静差（过电流保护）ddmII双闭环调速系统的静特性在负载电流小于最大允许最大电流时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到最大允许电流时，转速调节器饱和，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。这就是采用两个 PI 调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性要好。4.1.3 稳态参数计算转速反馈系数： （4.1）rVrV

31、nUnmmin/00167. 0min/30005max*电流反馈系数： （4.2）AVAVIUdmim/22. 25 . 15 . 15*直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双环闭环系统课程设计184.2 转速、电流双闭环直流调速系统的动态模型在单闭环直流调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结构，即可绘出双闭环直流调速系统的动态结构图，如下图所示。图 4.6 双闭环直流调速系统的动态结构图图中 WASR(s)和 WACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用 PI 调节器，则有 (4.3) (4.4)双闭环直流调速系统突加给定电压由静止起动时，转速和电流的动态过程

32、示于nU*下图。ssKsWnnnASR1)(ssKsWiiiACR1)(直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双环闭环系统课程设计19图 4.7 双闭环直流调速系统启动时的转速和电流波形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图中标明的 I、II、III 三个阶段。第 I 阶段（0-t1）是电流上升的阶段；第 II 阶段（t1-t2）是恒流升速阶段；第 III 阶段（t2 以后）是转速调节阶段。4.2.1 动态抗扰性能分析1抗负载扰动对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。直流电机双环闭环系统课程设计直流

33、电机双环闭环系统课程设计20图 4.8 直流调速系统的动态抗负载扰动作用由动态结构图中可以看出，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。在设计 ASR 时，应要求有较好的抗扰性能指标。 2抗电网电压扰动由图 4.9a 和 4.9b 对比分析可知1）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。图 4.9a 单闭环系统直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双环闭环系统课程设计212）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

34、才能反馈回来，抗扰性能大有改善。图 4.9b 双闭环系统因此，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。4.3 调节器的设计图 4.10 双闭环调速系统的动态结构图T0i：电流反馈滤波时间常数；T0n：转速反馈滤波时间常数 电流调节器的作用：直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双环闭环系统课程设计22（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3）在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值

35、，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。转速调节器的作用：（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用 PI 调节器，则可实现无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。4.3.1 电流调节器的设计1. 确定时间常数（1）PWM 装置的延长时间 Ts。Ts=0. 1ms=0.0001s。（2）电流滤波时间常数 Toi。（12）Toi=0.1ms，因此取 Toi=0.06ms=0.00006s。（3）电流环小时间常数之和。按小时间常数近似

36、处理，取iT= Ts+Toi=0.00016siT2. 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5%i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 (4.5) ( )(1)iiACR siKsWs式中-电流调节器的比例系数；iK-电流调节器的超前时间常数。i直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双环闭环系统课程设计23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75.1300016. 00022. 0ssTTil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。3. 计算电流调节器的参

37、数电流调节器超前时间常数：。sTli0022. 0电流开环增益：要求时，取，5%i0.5IiK T因此 （4.6） 1312500016. 05 . 0ssKI于是，ACR 的比例系数为 （4.7） 645. 422. 235 . 40022. 031251sKRKKsiIi4. 校验近似条件电流环截止频率： （4.8）13125sKIciPWM 装置传递函数的近似条件 满足近似条件。ciswssT13 .33330001. 03131忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 （4.9） cilmsssTT127.3690022. 003. 01313满足近似条件。电流环小时间常数近似处理条件

38、（4.10） cioissssTT13 .430300006. 00001. 0131131满足近似条件。5. 计算调节器电阻和电容由图 4.9，按所用运算放大器取 R0=40k，各电阻和电容值为, 取 ,8 .185400022. 00KKRKRiiK190，取 FFRiiCi011. 0101900022. 03F011. 0直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双环闭环系统课程设计24取 ,006. 0104000006. 04430FFRTCoioiF006. 0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4.3%5%i要求。图 4.11 含滤波环节的 PI 型电流调节器4

39、.3.2 转速调节器的设计1. 确定时间（1）电流环等效时间常数 1/KI。由前述已知，则0.5IiK T （4.11） ssTKiI00032. 000016. 0221（2）转速滤波时间常数，根据所用测速发电机纹波情况，取.onTsTon003. 0（3）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取nT （4.12） sssTKTonIn00332. 0003. 000032. 012. 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 （4.13） (1)( )nnASRnKsWss3.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

40、数为 （4.14） sshTnn0166. 000332. 05直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双环闭环系统课程设计25则转速环开环增益 （4.15）1122229 .1088600332. 0521521ssThhKnN可得 ASR 的比例系数为 （4.16）4 .1100332. 05 . 400167. 05203. 00071. 022. 262) 1(nmenRThTChK式中 电动势常数 （4.17）。rVnRIUCNaNNemin/.0071. 030008 . 15 . 1244.检验近似条件转速截止频率为： （4.18）1117 .1800166. 09 .10886ss

41、KKnNNcn（1）电流环传递函数简化条件为： （4.19）cniIssTK111 .147300016. 031253131满足简化条件。（2）转速环小时间常数近似处理条件为： （4.20）cnonIssTK112 .340003. 031253131满足近似条件。5计算调节器电阻和电容根据图 4.12 所示，取，则040Rk取,456404 .110KKRKRnnK460, 取FFRCnnn036. 0104600166. 03F04. 0直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双环闭环系统课程设计26, 取FFRTConon3 . 01040003. 040430F3 . 0图 4.12 含

42、滤波环节的 PI 型转速调节器6.校核转速超调量当 h=5 时，不能满足设计要求。实际上，是按线性系统计算的，而37.6%n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。计算超调量。设理想空载起动时，负载系数，已知，0ZAIN5 . 1， ， ，min/3000rnN5 . 15 . 4RrVCemin/0071. 0sTm03. 0。当时，查得 6.4，而调速系统开环机械特性的sTn00332. 05h%2 .81/maxbCC额定稳态速降 (4.21)mnNbbbnTTnnZCCnnCC *)(2*maxmax调速系统开环机械特性的额定稳态

43、速降 : (4.22)min;/7 .9500071. 05 . 45 . 1rCRIneNN为基准值，对应为额定转速。*nmin/3000rnN根据式（4.21）计算得 %10%5 . 803. 000332. 030007 .9505 . 1%2 .812n满足设计要求。4.3.3 调速系统的开环传递函数直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双环闭环系统课程设计27，其中;) 1() 1()(2sTssKsWnnNnmennNTCRKK代入已求数据得；) 100332. 0(23.109142 .181)(2ssssWn5 5 系统调试系统调试直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双环闭环系统

44、课程设计285.1 系统 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。5.2 系统的建模与参数设置转速、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。采用面向电气原理结构图方法构成的双闭环系统仿真模型如图 5.1 所示。图 5.1

45、 转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型转速、电流双闭环系统的控制电路包括：给定环节、ASR、ACR、限幅器、偏置电路、反相器、电流反馈环、速度反馈环等，因为在本次设计中单片机代替了控制电路绝大多数的器件，所以在此直接给出各部分的参数，各部分参数设置参考前几章各部分的参数。本系统选择的仿真算法为 ode23tb，仿真 Start time 设为 0，Stop time 设为2.5。直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双环闭环系统课程设计295.3 系统仿真结果的输出及结果分析当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。图 5.2 是双闭环直流调速系统的电流和转速曲线。从仿真结果可以看出，它非常接

46、近于理论分析的波形。下面分析一下仿真的结果。图 5.2 双闭环直流调速系统的电流和转速曲线启动过程的第一阶段是电流上升阶段，突加给定电压，ASR 的输入很大，其输出很快达到限幅值，电流也很快上升，接近其最大值。第二阶段，ASR 饱和，转速环相当于开环状态，系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统，电流基本上保持不变，拖动系统恒加速，转速线形增长。第三阶段，当转速达到给定值后。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，进入线性调节阶段，使转速保持恒定，实际仿真结果基本上反映了这一点。由

47、于在本系统中，单片机系统代替了控制电路的绝大多数控制器件，所以各项数据处理和调整都是在单片机内完成的，控制效果要好于本次的仿真结果。直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双环闭环系统课程设计306 6 单闭环直流调速系统设计单闭环直流调速系统设计直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双环闭环系统课程设计31对于要求在一定范围内无极平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。调压调速是直流调速系统的主要方法，而调

48、节电枢电压需要有专门向电动机供电的可控直流电源。常用的可控直流电源有以下三种：1）旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。2）静止式可控整流器用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。3）直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。直流 PWM 调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代 V-M 系统成为主要的直流调速方式。本次设计就是采用直流PWM 调速。PWM 变换器的作用是：用 PWM 调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的

49、脉冲电压系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。6.1 闭环调速系统的组成及其静特性根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统应该能够大大减少转速降落。6.1.1 系统组成直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双环闭环系统课程设计32图 6.1 采用转速负反馈的闭环调速系统调解原理：在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机 TG ，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压 Un ，与给定电压 U*n 相比较后，得到

50、转速偏差电压 Un ，经过放大器 A，产生电力电子变换器 UPE 的控制电压Uc ，用以控制电动机转速 n。6.1.2 静特性图 6.2 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图图中各方块内的符号代表该环节的放大系数。运用结构图运算法同样可以推出式（6.1）所表示的静特性方程式，如下： （6.1）)1 ()1 (*KCRIKCUKKnedensp直流电机双环闭环系统课程设计直流电机双环闭环系统课程设计336.2 稳态参数计算1.负载时的稳态速降: （6.2）min/89. 7)05. 01 (2005. 03000)1 (rSDSnnNcl2.闭环系统的开环放大倍数： (6.3)rVrVnRIUC

51、NaNNemin/0071. 0min/30008 . 15 . 124开环系统额定速降为：)5 . 4(min,/70.950min/0071. 05 . 45 . 1RrrCRIneNop则闭环系统的开环放大倍数为： （6.4）49.119189. 770.9501clopnnK因为：msTmsfTmsTlsm2 . 2,1 . 01,30 （6.5）120,3141 . 02 . 21 . 0) 1 . 02 . 2(30)(22KTTTTTTKslsslml取转速反馈系数:rVrVnUNnmin/00167. 0min/30005电压放大系数:，取=3.)7 . 7( ,12. 37 . 72400VUUUKcmcmdo