直流调速系统设计及仿真和和直接转矩控制系

1、电气与电子信息工程学院控制系统设计课程设计报告名 称： 直流调速系统设计及仿真和和直接转矩控制系 统的建模与仿真 专业名称： 电气工程及其自动化 班 级： 2011（1）班 学号： 201140220131 姓 名： 李德武 指导教师： 胡学芝、陈学珍 设计时间： 2014年12月22日2015年1月04日 设计地点： K2-414、306 课程设计任务书20142015学年第一学期学生姓名： 李德武 专业班级：电气工程及其自动化1班 指导教师：胡学芝、陈学珍工作部门：电气学院自动控制教研室 一、课程设计题目：直流调速系统设计及仿真和和直接转矩控制系统的建模与仿真二、设计目的：控制系统课程设计

2、是继“自动控制系统”课之后开设的实践性环节课程。由于它是一门理论深、综合性强的专业课，单是学习理论而不进行实践将不利于知识的接受及综合应用。本课程设计将起到从理论过渡到实践的桥梁作用,通过该环节训练达到下述教学目的：1、通过课程设计，使学生进一步巩固、深化和扩充在交直流调速及相关课方面的基本知识、基本理论和基本技能，达到培养学生独立思考、分析和解决问题的能力。2、通过课程设计，让学生独立完成一项直流或交流调速系统课题的基本设计工作，使学生熟悉设计过程，了解设计步骤，达到培养学生综合应用所学知识能力、培养学生实际查阅相关设计资料能力的目的、培养学生工程绘画和编写设计说明书的能力。3、通过课程设计

3、，提高学生理论联系实际，综合分析和解决实际工程问题的能力。通过它使学生理论联系实际，以实际系统作为实例，对系统进行分析设计，掌握控制系统设计必须遵循的原则、基本内容、设计程序、设计规范、设计步骤方法及系统调试步骤。通过设计培养学生严肃认真、一丝不苟和实事求是的工作作风。培养学生的创新意识和创新精神，为今后走向工作岗位从事技术打下良好基础。三、课程设计内容（含技术指标）1、根据设计课题的技术指标和给定条件，能独立而正确地进行方案论证和设计计算，要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整。2、要求掌握直流调速系统的设计内容、方法、步骤和交流调速系统建模与仿真。3、学会查阅有关参考资料和手册，并能正

4、确选择有关元器件和参数。4、学会绘制有关电气系统原理图和编制元器件明细表。5、学会编写设计说明书。6、通过对所设计的系统进行仿真实验，掌握系统仿真的方法。(一)直流调速系统的设计选题(1)电机数如下表：机架序号电动机型号Pn（KW）Un（V）In（A）nn（r/min）Ra（）GDa2（Nm2）极对数Z2-621123047.814500.96.391(2)技术数据电枢回路总电阻取a；总飞轮力矩：。其他参数可参阅教材中“双闭环调速系统调节器的工程设计举例”的有关数据。要求：调速范围10，静差率：稳态无静差，电流超调量；启动到额定转速时的转速退饱和超调量。要求系统具有过流、过压、过载和缺相保护。

5、要求触发脉冲有故障封锁能力。要求给拖动系统设置给定积分器。(3)设计的内容1.调速的方案选择(1) 直流电动机的选择（根据上表按小组顺序选择电动机型号）(2) 电动机供电方案的选择（要求通过方案比较后，采用晶闸管三相全控整流器供电方案）；(3) 系统的结构选择（要求通过方案比较后，采用转速电流双闭环系统结构）；(4) 确定直流调速系统的总体结构框图。2.主电路的计算（可参考“电力电子技术”中有关主电路技术的章节）（） 整流变压器计算，二次侧电压计算；一、二次侧电流的计算；容量的计算。（） 晶闸管元件的选择。晶闸管的额定电压、电流计算。（） 晶闸管保护环节的计算。a)交流侧过电压的保护；b)阻容

6、保护、压敏电阻保护计算；c)直流侧过电压保护；d)晶闸管及整流二极管两端的过电压保护；e)过电流保护。f)交流侧快速熔断器的选择,与元件全连的快速熔断器的选择,直流侧快速熔断器的选择。（） 平波电抗器计算。3.触发电路的选择与校验触发电路种类多，可直接选用，电路中元器件参数可参照有关电路进行选用。4.控制电路设计计算：主要包括：给定电源和给定环节的设计计算、转速检测环节的设计与计算、调速系统的稳态参数计算、调速系统的稳态参数计算。5.双闭环直流调速系统的动态设计：主要设计转速调节器和电流调节器，可参阅双闭环调速系统调节器的工程设计法进行设计。6. 对系统进行仿真校验并上交设设说明书。(二)交流

7、调速系统建模及仿真直接转矩控制系统的建模与仿真：系统设计数据技术数据：380V，50HZ，三相交流供电电源鼠笼式三相交流异步电动机，额定功率PN=12kW，额定电压UN=380v， 额定电流IN=25A，额定转速nN=1460r/min,，J=0.02kgm2，Rs=0.16891，Rr=0.13973,P=2。建立直接转矩控制系统的建模与仿真模型，并进行参数设置。做出仿真结果，上交说明书。四、课程设计基本要求通过课程设计，学生应掌握控制系统工作原理、总体方案确定原则、主电路设计及元器件选型、控制回路设计及元器件选择、辅助回路设计等。并能熟练应用相应软件绘制原理图，并能应用控制系统仿真软件对所

8、设计系统进行仿真实验。1）本课程设计应根据设计任务书以设计技术规程及规定进行，完成内容：1.根据设计课题的技术指标和给定条件，能独立而正确地进行方案论证和设计计算，要求概念清楚、方案合理、方法正确、步骤完整。2.要求掌握直流调速系统的设计内容、方法、步骤和交流调速系统建模与仿真。3.学会查阅有关参考资料和手册，并能正确选择有关元器件和参数。4.学会绘制有关电气系统原理图和编制元器件明细表。5.学会编写设计说明书。6.通过对所设计的系统进行仿真实验，掌握系统仿真的方法。2）实施过程：1.学生分组、布置题目。按学号分组，然下达课程设计任务书，原则上每小组一个题目。2.熟悉题目并选题，收集资料。设计

9、开始，每个学生根据所选的题目，充分了解技术要求，明确设计任务，收集资料，包括参考书、手册和图表等，为设计做好准备3.直流调速系统设计及仿真。正确选定系统方案，并进行主电路和保护电路设计、计算和元器件选型，认真画出系统总体结构框图。4. 直流调速系统控制电路的方案选定、设计、计算和元器件选型，完成操作电路原理设计和元件选型，最后进行仿真实验并校验是否达到要求。5.交流调速系统的建模与仿真，先简要讲述基本原理，然后进行建模仿真，给出仿真结果。6.校核整个系统设计，编制元件明细表。7.绘制正规系统原理图，整理编制课程设计任务书。五、设计进度安排1、进度表序号设计内容所用时间1布置任务，查阅资料及调研

10、。1天2直流系统部分方案的选择论证1天3直流部分主电路设计1天4直流部分控制电路设计1天5直流部分仿真实验及校验及绘制电路图1天6针对交流部分任务查资料并进行原理分析1天7交流部分建模1天8交流系统仿真调试1天9交流系统仿真调试答辩1天10答辩、撰写设计报告书1天11合 计10天2、时间安排时间2014年12月22日2015年1月4日(共2周)星期一星期二星期三星期四星期五星期一星期二星期三星期四星期五上午12节下午上午下午上午下午上午下午上午下午上午下午上午下午上午下午上午下午上午下午安排查资料指导指导自行设计指导自行设计指导自行设计指导自行设计指导自行设计指导自行设计自行设计指导自行设计编

11、写报告编写报告答辩地点设计指导地点：K2一414，306查阅资料、自行设计地点：K2一电力电子实验室、图书馆、上网地点或其它答辩若在周五没有全部完成资料整理，则答辩时间可另行安排。3、执行要求 （1）直流调速设计的十三题中选做一题，在交流调速仿真四题中选一题。 （2）要求独立完成，并在答辩过程中检测。（3）为了避免雷同，在设计中所采用的方案不能一样。六、设计报告本课程设计的任务包括两部分内容：直流调速系统的设计并校验和交流调速建模与仿真。(一)直流调速系统设计部分提交:1题目及技术要求2系统方案和总体结构。3系统工作原理介绍。4具体设计说明：包括主电路和控制电路。5元件明细表。6系统原理图：绘

12、制原理图纸一张。7.指标校验与仿真实现。8.仿真模型和仿真结果.9.画PCB板图(选做)。(二)交流部分提交对给定的调系统进行原理分析、建模与仿真,并提交仿真结果。七、考核方式及成绩评定评定项目基本内涵分值设计过程考勤10分自行设计、态度认真、按进度完成任务等10分设计报告完成设计任务30分报告规范性、参考文献充分等情况10分设计报告创新性、雷同率等情况10分答 辩回答问题情况30分总分100分0100分：优；8089分：良；7079分：中；6069分，及格；60分以下：不及格八、参考资料1、陈伯时.电力拖动自动控制系统，第版.北京：机械工业出版社，20042、石玉等.电力电子技术题例与电路设

13、计指.北京：机械工业出版社，19983、王兆安.电力电子技术. 第4版北京：机械工业出版社，2004、王离九等. 电力拖动自动控制系统. 武汉：华中科技大学出版社，19915、胡寿松.自动控制原理：第4版.北京：国防工业出版社6、洪乃刚等。电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真。机械工业出版社，2007。7、李华德主编。交流调速控制系统。电子工业出版社，20038、胡崇岳等。现代交流调速系统。机械工业出版社，20019、黄忠霖等。控制系统MATLAB设计及仿真。机械工业出版社，200110、电工手册指导教师：胡学芝 ，陈学珍2014年10月 教研室主任签名：胡学芝2014年10月 10日

14、目 录第一部分 直流调速系统部分摘要1一、直流系统方案选择总体结构设计11.1调速方案选择11.2总体结构设计2二、主电路设计与参数计算32.1整流变压器的选择32.2晶闸管元件的选择42.3晶闸管保护计算52.4平波电抗器的计算72.5励磁电路元件选择8三、触发电路选择9四、控制电路的设计与计算94.1给定环节的选择94.2控制电路的直流电源94.3反馈电路参数的选择与计算104.3.1测速发电机的选择104.3.2电流截止反馈环节的选择104.4电动机和测速发电机电动势常数计算10五、双闭环的动态设计和校验115.1电流调节器的设计和校验115.2转速调节器的设计和校验12六、双闭环直流调

15、速系统仿真14第二部分 直接转矩控制系统部分1、直接转矩控制的基本原理及方案131.1 直接转矩控制的原理131.2 异步电机的电磁转矩模型131.3电压空间矢量的正确选择 152、异步电动机直接转矩控制系统的建模与仿真152.1DTC主要模块功能及实现简述152.2 仿真结果及其分析173、设计总结及心19参考文献 20摘要在电气传动领域，由于直流电动机具有极好的运行性能和控制特性，因此在要求高起、制动转矩，快速响应和宽速度调节范围的电气传动中，仍广泛采用直流电动机作为执行电机的直流调速系统。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑，方便，易于在大范围内平滑调速，过载能力大，能受频繁的冲击负载

16、，可实现频繁的无级快速起制动和反转，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，所以直流调速系统至今仍然被广泛地用于自动控制要求较高的各种生产部门，是调速系统的主要形式。在工程实践中，有许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求有良好的静，动态性能。由于直流电动机具有极好的运行性能和控制特性，在我国许多工业部门，如轧钢，矿山采掘，海洋钻探，金属加工，纺织等场合仍然占有重要地位。而且直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。因此，直流调速系统的应用研究具有实际意义。我国从60年代起试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也

17、得到迅速的发展和广泛的应用。目前，用于中、小功率的04-200KW晶闸管直流调速装置以作为标准化、系列化通用产品批量生产；用于大功率的2000KW系列产品也开始在某些大型轧机上试用。晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛的应用。从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往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度提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。随着各种新型控制器件的发展，直流电动机晶闸管调速系统除向大功率发展以外，正在实现控制单元

18、标准化、集成化、小型化、结构积木式组合。对某些小功率装置，正在做到使电动机和控制设备组合一体化。尤其是今年来，国外各厂家竞相推出全数字直流调速装置，使得直流调速系统在理论和实践方面都迈出了一个新台阶。一、直流系统方案选择总体结构设计1.1调速方案选择本次设计选用的电动机型号Z2-62型，其具体参数如下表1-1所示表1-1 Z2-62型电动机具体参数（1）供电方案选择电动机型号Pn（KW）Un（V）In（A）nn（r/min）Ra（）GDa2（Nm2）极对数Z2-621123047.814500.96.391本文选用静止可控整流器（又称V-M系统），通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的

19、相位，即可改变Ud，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。在V-M系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出，瞬时电压Ud。由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流电路。考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥交流器供电方案。因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、体积小、重量轻、投资省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。综上选晶闸管三相全控桥整

20、流电路供电方案。（2）调速方案选择计算电动机电动势系数：由式= 0.1288,当电流连续时，系统额定速降为668。1. 开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率:=35.54%，大大超过了S5%.若D=10，S5%.，则，可知开环调速系统的额定速降是668，而工艺要求的是7.63，而开环调速系统无能为力，需采用反馈控制的闭环调速系统。因为调速要求较高，故选用转速、电流反馈控制的直流调速系统。1.2总体结构设计内环是电流调节器,它主要作用:（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

21、扰作用。（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，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是负反馈。ASR是转速环，主要作用：（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。直流调速系统的框图如图所示：二、主电路设计与参数计算电动机的额定电压为230V，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

22、响，三次谐波电流对电源的干扰，主变压器采用D/Y联结。2.1整流变压器的选择（1）变压器二次侧电压U2的计算U2是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会造成延迟角加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。一般可按下式计算，即： （2-1）式中Udmax -整流电路输出电压最大值； -主电路电流回路n个晶闸管正向压降；C - 线路接线方式系数； - 变压器的短路比，对10100KVA， =0.050.1；/-变压器二次实际工作电流与额定之比，应取最大值。在要求不高场合或近似估算时，可用下式计算，即： （2-2）式中A-理想情况下，=0时整流电压Ud0与二次

23、电压U2之比，即A=Ud0/U2；B-延迟角为时输出电压Ud与Ud0之比，即B=Ud/Ud0；电网波动系数；11.2考虑各种因数的安全系数；根据设计要求，采用公式： (2-3)由表查得 A=2.34；取=0.9；角考虑10裕量，则 B=cos=0.985取U2=130V。电压比K=U1/U2=380/130=2.923。（2）一次、二次相电流I1、I2的计算由表查得=0.816,=0.816考虑变压器励磁电流得：（3）变压器容量的计算S1=； （2-4）S2=； （2-5）S=1/2(S1+S2)； （2-6）式中m1、m2 -一次侧与二次侧绕组的相数；由表查得m1=3，m2=3S1=3380

24、14=15.96 KVAS2=313039=15.21 KVAS=1/2(S1+S2)=1/2（15.96+15.21）=15.585 KVA取S=20KVA2.2晶闸管元件的选择（1） 晶闸管的额定电流选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值大于实际流过管子电流最大有效值8，即 =1.57 或 =K （2-7）考虑（1.52）倍的裕量=（1.52）K （2-8）式中K=/（1.57）-电流计算系数。此外，还需注意以下几点：当周围环境温度超过+40时，应降低元件的额定电流值。当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。由表

25、查得 K=0.368，考虑1.52倍的裕量 （2-9）取。故选晶闸管的型号为KP25-7。（2)晶闸管的额定电压晶闸管实际承受的最大峰值电压，乘以（23）倍的安全裕量，参照标准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压，即 =（23）整流电路形式为三相全控桥，查表得，则 （2-10）取2.3晶闸管保护计算晶闸管有换相方便，无噪音的优点。设计晶闸管电路除了正确的选择晶闸管的额定电压、额定电流等参数外，还必须采取必要的过电压、过电流保护措施。正确的保护是晶闸管装置能否可靠地正常运行的关键。(1)过电压保护以过电压保护的部位来分，有交流侧过压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。1）交流侧过电压

26、保护阻容保护 即在变压器二次侧并联电阻R和电容C进行保护。本系统采用D-Y连接。S=20kvA, U2=122VIem取值：当 S10KVA时，取Iem=4。=F=28.4F耐压1.5Um =1.5130=275.77V选取30F,耐压275.77V的CZDJ-2型金属化纸介电容器。取=5V，=2.17，取3 =1.23A =W=W选取3、15W的金属膜电阻。压敏电阻的计算 =V=239V流通量取5KA。选MY31-240/5型压敏电阻。允许偏差+10（264V）。2）直流侧过电压保护直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法，可采用阻容保护和压敏电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性

27、，并且会造成加大。因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。=（1.8-2.2）=(1.82.2) 230=414460V选MY31-500/5型压敏电阻。允许偏差+10（500V）。3）闸管及整流二极管两端的过电压保护查下表：表2-1 阻容保护的数值一般根据经验选定晶闸管额定电流/A1020501002005001000电容/F0.10.150.20.250.512电阻/1008040201052抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值的1.11.15倍。由上表得C=0.5F，R=10，电容耐压1.5=1.5=1.513

28、0=477.65V选C为0.5F的CJ40-2型金属化纸介质电容器, 耐压为500V。=500.5=1.27W选R为10普通金属膜电阻器，RJ-0.5。(2) 过电流保护快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。1）晶闸管串连的快速熔断器的选择接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管的有效值=27.6A选取RLS-60快速熔断器，熔体额定电流60A。2）过电流继电器的选择因为负载电流为47.8A，所以可选用吸引线圈电流为100A的JL14-11ZS型手动复位直流过电流继电器，整定电流取1.2547.8=59.75A60

29、A2.4平波电抗器的计算为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路中串入带有气隙的铁心电抗器，称平波电抗器。其主要参数有流过电抗器的电流一般是已知的，因此电抗器参数计算主要是电感量的计算。（1）算出电流连续的临界电感量可用下式计算，单位mH。 （2-11）式中为与整流电路形式有关的系数，可由表查得；为最小负载电流，常取电动机额定电流的510计算。根据本电路形式查得=0.695所以=37.8mH（2）限制输出电流脉动的临界电感量由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的。该脉动电流可以看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。通常负载需要的只是直流分量，对电动机负载

30、来说，过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加，引起过热。因此，应在直流侧串入平波电抗器，用来限制输出电流的脉动量。平波电抗器的临界电感量（单位为m）可用下式计算 （2-12）式中系数，与整流电路形式有关，电流最大允许脉动系数，通常三相电路（510）。根据本电路形式查得=1.045, 所以=28.42mH（3）电动机电感量和变压器漏电感量电动机电感量（单位为mH）可按下式计算 （2-13）式中 、n直流电动机电压、电流和转速，常用额定值代入；p电动机的磁极对数；计算系数。一般无补偿电动机取812，快速无补偿电动机取68，有补偿电动机取56。本设计中取=8、=230V、=47.8A、n=145

31、0r/min、p=1=13.27mH变压器漏电感量（单位为mH）可按下式计算 （2-14）式中 计算系数，查表可得变压器的短路比，一般取5%10%。本设计中取=3.2、=0.05所以 =3.20.05130/（10047.8）=0.00435mH（4）实际串入平波电抗器的电感量考虑输出电流连续时的实际电感量：=24.52mH （2-15）（5) 电枢回路总电感:=24.52+13.27+20.00435=37.8mH2.5励磁电路元件选择整流二极管耐压与主电路晶闸管相同，故取700V。额定电流可查得K=0.367，=(1.52)K=(1.52)0.3673.77A=2.082.77A可选用ZP

32、型3A、700V的二极管。为与电动机配套的磁场变阻器，用来调节励磁电流。为实现弱磁保护，在磁场回路中串入了欠电流继电器 ，动作电流通过 调整。根据额定励磁电流Iex =1.2A，可选用吸引线圈电流为2.5A的JL14-11ZQ直流欠电流继电器。三、触发电路选择选用集成六脉冲触发器电路模块，其电路如附录一:电气原理总图所示。从产品目录中查得晶闸管的触发电流为8-150mA,触发电压3.5V。在触发电路直流电源电压为15V是，脉冲变压器匝数比为2:1，可获得约6V左右的电压，脉冲变压器一次电流只要大于75mA，即可满足晶闸管要求。这里选用3DG12B作为脉冲功率放大管，其极限参数=45V, =30

33、0mA。四、控制电路的设计与计算4.1给定环节的选择已知触发器的移相控制电压为正值，给定电压经过两个放大器它的输入输出电压极性不变，也应是正值。为此给定电压与触发器共用一个15V的直流电源，用一个2.2、1W的电位器引出给定电压。4.2控制电路的直流电源这里选用CM7815和CM7915三端集成稳压器作为控制电路电源，如下图所示 图4-1直流稳压电源原理图4.3反馈电路参数的选择与计算本设计中的反馈电路有转速反馈和电流截止负反馈两个环节，电路图见主电路。4.3.1测速发电机的选择因为V，故这里可选用ZYS-14A型永磁直流测速发电机。它的主要参数见下表。表4-1ZYS-14A型永磁直流测速发电

34、机型号最大功率w最高电压V最大工作电流A最高转速r/minZYS-14A121201003000取负载电阻=2,P=2W的电位器，测速发电机与主电动机同轴连接。4.3.2电流截止反馈环节的选择选用LEM模块LA100-S电流传感器作为检测元件，其参数为：额定电流100A，匝数比1：1000，额定输出电流为0.1A。选测量电阻=47,，P=1W的绕线电位器。4.4电动机和测速发电机电动势常数计算电动机电动势常数=0.1288测速发电机电动势常数=0.04整流装置的内阻K取1.2，则=2.825要求调速系统的稳态速降闭环系统的开环放大倍数KK=136.41五、双闭环的动态设计和校验5.1电流调节器

35、的设计和校验（1）时间常数的确定已知，所以电流环小时间常数=0.0017+0.002=0.0037S。（2）电流调节器结构的选择因为电流超调量，并保证稳态电流无静差，可按典型系统设计电流调节器电流环控制对象是双惯性型的，故可用PI型电流调节器。（3）电流调节器参数的计算：电流调节器超前时间常数=0.03s，又因为设计要求电流超调量，查得有=0.5，所以=，所以ACR的比例系数=。（4）近似条件的校验电流环截止频率=135.1。晶闸管整流装置传递函数的近似条件：，满足条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响条件：，满足条件。电流环小时间常数近似处理条件：，满足条件。（5）调节器电阻和电容的计算取运

36、算放大器的=40，有=1.01340=40.52，取40，取0.75uF，取0.2。故=，其结构图如下所示：图51电流调节器5.2转速调节器的设计和校验（1）时间常数的确定：有则，已知转速环滤波时间常数=0.01s，故转速环小时间常数。（2）转速调节器结构的选择：按设计要求，选用PI调节器（3）转速调节器参数的计算：按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=5,则ASR的超前时间常数为：，转速环开环增益 。ASR的比例系数为：。（4）近似条件的检验转速环截止频率为。电流环传递函数简化条件为，满足条件。转速环小时间常数近似处理条件为：，满足近似条件。（5）调节器电阻和电容的计算：取=40，则，取470。

37、，取0.2，取1。故。其结构图如下：图52 转速调节器校核转速超调量：由h=4，查得，不满足设计要求，应使ASR 退饱和重计算。设理想空载z=0，h=5时，查得=81.2%，所以=2（）=，满足设计要求。六、双闭环直流调速系统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。本次系统仿真采用前一种方法。转速、电流双闭环直流调速系统仿

38、真模型如图6-1图6-1 双闭环直流调速系统原理图(5) 电流环的仿真电流环的仿真模型如图6-2所示图6-2 电流环仿真模型选中Simulink模型窗口的SimulinkConfiguration Parameters菜单项，把Start time和Stop time栏目分别填写为0.0s和0.05s。启动仿真过程，用自动刻度调整示波器模块所显示的曲线，得到图6-3所示的曲线。图 6-3 电流环仿真结果图6-3的参数关系式KT=0.5。在此基础上，利用图6-2的仿真模型，可以观察PI参数对跟随性能的影响趋势，找到符合工程要求的更合适的参数。例如，以KT=0.25的关系按典型型系统的设计方法得到

39、PI调节器的传递函数为0.567+ ，得到电流环的阶跃响应的仿真结果如图6-4所示，无超调，但上升时间长；以KT=1.0的关系式得到了PI调节器的传递函数为2.027+，同样得到电流环的阶跃响应的仿真结果如图6-5所示，超调大，但上升时间段。图 6-4 无超调的仿真结果图 6-5 超调量较大的仿真结果(2) 转速环的系统仿真图 6-6 转速环的仿真模型为了在示波器模型中反映出转速电流的关系，仿真模型中从Signal Routing组中选用了Mux模块来把几个输入聚合成一个响亮输出给Scope。Step1模块是用来输入负载电流的。PI参数为11.7+。双击阶跃输入模块把阶跃值设置为10，得到起动

40、时的转速与电流响应曲线，如图6-7所示，最终稳定运行于给定转速。如把负载电流设置为136，满载起动，其转速与电流相应曲线如图6-8所示，起动时间长，退保和超调量减少。利用转速环仿真模型同样可以对转速环抗扰动过程进行仿真，它是在负载电流的输入端加上负载电流，图6-9是在空载稳定运行时突加额定负载的转速与电流响应曲线。图 6-7 转速环空载高速起动波形图图 6-8 转速环满载高速起动波形图图 6-9 转速环抗扰动波形图第二部分 交流调速系统 1 直接转矩控制的基本原理及方案1.1 直接转矩控制的原理图1-1 直接转矩控制系统原理框图直接转矩控制的结构原理如图3-1 所示 ,它由逆变器、 磁链估算、

41、 转矩估算、 磁链位置估算、 开关表和调节器等部分组成。其工作过程如下:首先由检测单元检测出电机定子电流和电压值、实际转速。输入到感应电机数学模型模块计算出、 和转矩实际值 Te。 和通过磁链计算单元 ,得到了定子磁链s的幅值|s| 和所在区间信号 SN。磁链模型转矩模型1.2 异步电机的电磁转矩模型 异步电动机各量的空间矢量关系如图1-2 所示。并且规定，将旋转空间矢量在轴上的投影称为分量，在正交的轴上的投影称为分量。图 1-2 异步电动机各量空间矢量图图中：is(t)为定子电流空间矢量；ir(t)为转子电流空间矢量；s(t)为定子磁链空间矢量；r(t)为转子磁链空间矢量；为电角速度（机械角

42、速度和极对数的积）；Lm为互感；Ls为定子漏感；Ls 为定子全电感；Lr为转子电感根据以上规定，异步电动机在定子坐标系上由下列方程式表示定、转子磁链： 定子磁链 转子磁链 （1.2）气隙磁链 不同与矢量变换控制系统，直接转矩控制方法是以定子磁链矢量为基准，并维持其幅值为恒定，为此中的第二式计算异步电动机的电磁转矩 Tei。Tei = Cm(Fs F) = Cm Fs Fsin (Fs，F) = Kmm is sin（m，is）由于 m sin（m，is）=ssin（s，is），所以 Tei = Kmsissin（s，is） （1.3） 式中，Km为转矩系数。把 s 和 is 置于定子正交坐标系

43、- 中，如图3-3 所示，得到 sin（s，is）= sin（12）= sin1cos2cos1sin2从而在定子坐标系中，异步电动机的电磁转矩模型可以表达为 Tei = Km（sissis） （1.4） 式中，is、is、s、s分别是 is、s 在 -轴系上的分量。需要明确的是，这些分量都是交流量。根据式（2.4）构成的转矩观测模型如图1-4所示。 图1-3 定子正交 - 坐标系 图1-4 异步电动机转距观测模型框图以定子磁链矢量s 为基准的优越性是，在定子坐标系中计算定子磁链，受电机参数影响最小（只受定子电阻Rs 的影响） ，而且定子电流可以直接测取。 由式（1.3）可以看出，在实际运行中

44、，保持定子磁链矢量s 的幅值为额定值，可充分利用电动机。式中 is sin（s，is）为定子电流 is 的转矩分量，它由转矩决定。如果要改变异步电动机的转矩，可以通过改变定子磁通角（s，is）来实现。 式（1.4）可用来作为异步电动机电磁转矩的观测模型来求取转矩的观测值。1.3电压空间矢量的正确选择正确选择电压空间矢量，可以形成六边形磁链。所谓正确选择，包含两个含义：一是电压空间矢量顺序的选择；二是各电压空间矢量给出时刻的选择。 定子磁链空间矢量的运动轨迹取决于与定子电压空间矢量。反过来，定子电压空间矢量的选择又取决于定子磁链空间矢量的运动轨迹。要想得到六边形磁链，就要对六边形磁链进行分析，为

45、此观察六边形轨迹的定子旋转磁链空间矢量在三相坐标系和A、B、C 轴上的投影（坐标系见图1-5） ，则可以得到三个相差120度相位的梯形波，它们分别被称为定子磁链的、和 分量。图1- 5 六边形磁链及三相坐标系 2 异步电动机直接转矩控制系统的建模与仿真2.1 DTC主要模块功能及实现简述(1) 转速PI调节模块通过对给定转速与反馈转速之间的差值进行PI调节，可以得到系统的给定转矩。图2-1 转速PI调节内部模块本模块在传统的PI调节器的基础上，添加了一个限幅环节，如图2-1。可以使得在调节转速过程中，转矩和转速的上下波动减小，保证了系统的稳定性。(2) 磁链及电磁转矩调节模块磁链滞环比较器与转

46、矩滞环比较器：这两个模块的输出将与磁链所在扇区共同决定选择哪一个电压矢量。 (2.1) (2.2)该模块根据式(4.1)和(4.2)可以构建磁链滞环和转矩滞环如图2-2和图2-3。所示：图2-2 定子磁链模块内部结构图图2-3 转矩磁链模型内部结构图(3) 输出PWM信号子模块根据第二章的分析可以知道，当磁链、转矩滞环比较器和扇区比较器的状态输入同时送入开关状态器后，该控制器发出开关信号经过逆变器产生三相正弦波供给电机。本系统中，开关状态器及逆变器模块均用M函数来代替。具体模块如图2-4。图2-4 开关状态器的内部结构图2.2 仿真结果及其分析这里使用的是Simlink Simpowersys

47、tems 提供的三相异步电动机模块，其参数选择如下：参考坐标系为Stationary定子参考坐标系，电动机类型选为Squirrel鼠笼型，P3hp，U1380V，f50HZ，Np2，Ne1400rpm，Ls=Lr=2.0*103H，Lm69.31*103H，Rs0.435，Rr0.816，Te11.9N.m，J0.089kg.m2，电机参数还可以通过双击电机模块来修改，以期与实际电机参数相一致。电机模型的输入为三相电压，输出为一个含有电机定转子电流、电压、磁通、电机转速、电磁转矩、转子位置的向量。控制系统：给定磁链，磁链滞环比较器，转矩滞环比较器，负载转矩给定值，仿真算法：采用ode23db变步长求解，步长为(2e-5s)。图中的各个图形中的横坐标都是仿真所用的时间单位为秒(s)。图2-5为经过逆变器之后，输入电机的AB相之间的线电压。从图中看到线电压图2-5 电机输入