课程设计任务书
题
目
带电流截至负反馈的转速闭环的数字式直流调速系统
设
计
时
间
18周周四~20周周三
设
计
目的：
应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。
应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。
在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础
设
计
要
求：
1.应详细叙述控制系统各部件的方案选择
2.应详细叙述控制系统的设计过程及参数选择的理由.3.设计报告应包括控制系统原理图一份(用A3图纸),并附系统工作原理说明.4.仿真结果曲线图要有性能分析.5.设计报告应有自己的设计感想.6.设计报告除应交文字版外,还应递交电子版.7.设计报告必须在1月10日前交.总体方案实现：
可控电源选择脉宽调速系统，即采用直流PWM调速系统
主电路选用V-M系统，采用三相桥式全控整流电路，并增加抑制电流脉动的措施，为此设置平波电抗器。触发电路采用三相集成触发器。
确定整流装置的放大倍数
设计电流调节器和转速调节器，确定其参数，调节器结构
用protel99se绘制主电路原理图
系统的matlab仿真运行，确定系统的仿真模型，转速，电流仿真波形
指导教师评语：
一、设计目的应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。
应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。
在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。
二、设计参数
1、直流电动机（4）：
输出功率为:10Kw，电枢额定电压220V
电枢额定电流
55A，额定励磁电流1A
额定励磁电压220V，功率因数0.85
电枢电阻0.1欧姆，电枢回路电感100mH
电机机电时间常数1S，电枢允许过载系数1.5
额定转速1430rpm2、环境条件：
电网额定电压:380/220V，电网电压波动:10%
环境温度:-40~+40摄氏度，环境湿度:10~90%
3、控制系统性能指标：
电流超调量小于等于5%
空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30%
调速范围D＝20，静差率小于等于0.03.三、系统方案选择
1.可控电源选择
直流电动机具有良好的起制动性能在广泛范围内可实现平滑调速，在需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。从生产机械要求控制的物理量来看，各种系统往往都通过控制转速来实现的。因而直流调速系统是最基本的拖动控制系统。直流变电压调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：
①转电流机组
适用于调速要求不高、要求可逆运行的系统但其设备多、体积大、费用高、效率低。
②静止可控整流器
可通过调节触发装置的控制电压来移动触发脉冲的相位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。
③PWM(脉宽调制变换器)或称直流斩波器
利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变平均电压，与V—M系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性：
主电路线路简单，需要的功率器件少，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；若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；功率开关器件工作在开关状态，道通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率高；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流高。因此，本设计应选择脉宽调速，即采用直流PWM调速。
2.转速负反馈的闭环直流调速系统的原理
该系统由转速给定环节为Un*,放大倍数为KP的放大器、移相触发器CF、晶闸管整流器和直流电动机M、测速发电机TG等组成。带转速负反馈的直流调速系统的稳态特性方程为:K=KPKSKa/Ce,KP为放大器放大倍数;KS为晶闸管整流器放大倍数;Ce为电动机电动势常数;
为转速反馈系数;R
为电枢回路总电阻。从稳态特性方程2.10
式可以看到,如果适当增大放大器放大倍数KP电机的转速降△n
将减小,电动机有更好的保持速度稳定的性能。
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
P
I
调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于下图。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。
电流截止负反馈
为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大问题,系统
中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理,要维持哪一
个物理量基本不变,就应该引入那个物理量的负反馈。那么引入电流
负反馈,应该能够保持电流基本不变,使它不超过允许值。但是这种作
用只应在起动和堵转时存在,在正常运行时又得取消,让电流自由地随着负载增减,这样的当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈叫做电流截止负反馈,简称截流反馈。
为了实现截流反馈,须在系统中引入电流截止负反馈环节。如图1所示,电流反馈信号取自串人电动机电枢回路的小阻值电阻RS,IdRS正比于电流。设Idcr为临界的截止电流,当电流大于Idcr时将电流负反馈信号加到放大器的输入端,当电流小于Idcr时将电流反馈切断。为了实现这一作用,须引入比较电压Ucom。图1a中利用独立的直流电源作比较电压,其大小可用电位器调节,相当于调节截止电流。在IdRS与Ucom之间串接一个二极管VD,当IdRS>Ucom时,二极管导通,电流负反馈信号Ui即可加到放大器上去;当IdRS≤Ucom时,二极管截止,Ui即消失。显然,在这一线路中,截止电流Idcr=Ucom/RS。
图2-1b中利用稳压管
VST的击穿电压Ubr作为比较电压,线路要简单得多,但不能平滑调节截止电流值。
图1
电流截止负反馈环节
图2
电流截止负反馈环节的输入输出特性
图3
带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性
电流截止负反馈环节的输入输出特性如图2所示,它表明:当输入信号(IdRs-Ucom)为正值时,输出和输入相等;当(IdRs-Ucom)为负值时,输出为零。这是一个非线性环节(两段线性环节),将它画在方框中,再和系统的其它部分联接起来,即得带电流截截止负反馈的闭环调速系统稳态结构图4,图中Ui表示电流负反馈信号电压,Un表示转速负反馈信号电压。
图4
带电流截止负反馈的闭环调速系统稳态结构图
2双闭环直流调速系统
双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，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需要来控制动态过程的电流或转矩。
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5-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，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5-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。
带电流截止负反馈的单闭环调速系统的启动过程
理想快速启动过程
图5
调速系统启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[1]，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，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。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。
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。
三
主电路设计
主电路和控制系统确定
主电路选用V-M系统，采用三相桥式全控整流电路，并增加抑制电流脉动的措施，为此设置平波电抗器，总电感量的计算公式为
L=0.693U2/Idmin,一般取Idmin为电动机额定电压的5%-10%。触发电路采用三相集成触发器。
图
晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）
图
双闭环直流调速系统电路原理图
确定整流装置的放大倍数
1)
为满足调速系统的稳态性能指标，额定负载时的稳态速降为：
2）闭环系统应有的开环放大系数：
电动机的电动势系数：
则开环系统额定速降为：
则闭环系统的开环放大系数应为：
3）计算转速负反馈环节的反馈系数和参数
在转速反馈系数α包含测速发电机的电动势系数Cetg和其输出电位器RP2的分压系数α2，即α=α2Cetg
根据测速发电机的额定数据有：
试取α2=0.15，如测速发电机与主电动机直接连接，则在电动机最高转速970r/min时，转速反馈电压为
稳态时很小，只要略大于即可，现有直流稳压电源为15V，完全能够满足给定电压的需要。因此，取=0.15是正确的。
于是，转速负反馈系数的计算结果为：
电位器RP2的选择方法如下：为了使测速发电机的电枢电压降对转速检测信号的线性度没有显著影响，取测速发电机输出最高电压时，其电流约为额定值的20%，则
此时RP2所消耗的功率为：
为了不致使电位器温度很高，实选电位器的瓦数应为所消耗功率的一倍以上，故可将RP2选为10w，2kΩ的可调电位器。
4）计算运算放大器的放大系数和参数
根据调速指标要求，前已求出闭环系数应为K165.6，则运算放大器的放大系数Kp应为，取Kp为65
运算放大器的参数计算如下：
根据所用运算放大器的型号，取，则
晶闸管触发整流装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器Y/Y联结，二次线电压，电压放大系数。
1、电流调节器的设计
1）
确定时间常数
A、整流装置滞后时间常数，三相桥式电路的平均失控时间=0.0017s。
B、机电时间常数，电磁时间常数。
C、电流滤波时间常数。三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有，因此取=2ms=0.002s。
D、电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取=+=0.0037s。
2）
选择电流调节器结构
根据设计要求电流超调量，并保证稳态电流无差，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，因此可以用PI型电流调节器，其传递函数为
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，各项指标都是可以接受的。
3）
计算电流调节器参数
电流调节器超前时间常数:。
电流环开环增益：要求时，应取，因此。
于是，ACR的比例系数为
电流反馈系数
4)
校验近似条件
电流环截止频率：。
A、晶闸管整流装置传递函数的近似条件
满足近似条件。
B、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。
C、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
按所用运算放大器取，各电阻和电容值为，取20。
按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标，满足设计要求。
2、转速调节器的设计
1）
确定时间常数
［1］
电流环等效时间常数1/,由上已取，则
［2］
转速滤波时间常数，根据所用测速发电机纹波情况，取=0.01s。
［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
按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为
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h=5，则ASR的超前
时间常数为
转速开环增益
于是，ASR的比例系数为
4）
检验近似条件
转速环截止频率为
A、电流环传递函数简化条件为，满足近似条件。
B、转速环小时间常数近似处理条件为，满足近似条件。
5）
计算调节器电阻和电容
取，则
6）
校核转速超调量
当h=5时，不能满足设计要求。实际上，由于表中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。
由已知有，Ce=0.15Vmin/r，当h=5时，查表可得
代入式
可得
能满足设计要求。
六、系统的MATLAB仿真
1、系统仿真模型
2、转速仿真波形
3、电流仿真波形
七、心得体会
本文主要对转速闭环直流电机的调速系统进行分析并在MATLAB/SIMULINK
建立起仿真图并进行仿真。介绍了转速负反馈的闭环直流调速系统的原理,完成了转速闭环调速系统的优点并建立其原理框图和仿真图。将建立的仿真图在MATLAB软件里面仿真得出直流电动机各物理量的波形。对波形进行分析得出转速负反馈闭环调速系统的优点和不足。本论文具有很强的理论与实际意义。
通过本次设计，加强了我对单片机应用知识的掌握，同时了解了目前工业生产中数字化系统的重要性，巩固了我的专业课知识，使自己受益匪浅。总之，通过本次设计不仅进一步强化了专业知识，还掌握了设计系统的方法、步骤等，为今后的工作和学习打下了坚实的基础。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．
八、参考文献
[1]陈伯石，电力拖动自动控制系统[M]，机械工业出版社，北京，2003
[2]顾绳谷，电机及拖动基础上册[M]，机械工业出版社，北京，2000
[3]陈治明，电力电子器件[M]，机械工业出版社，北京，1992
[4]王兆安，电力电子变流技术[M]，机械工业出版社，北京，2003
[5]张明勋.电力电子设备和应用手册[M]，机械工业出版社，北京，1992
[6]顾绳谷.电机及拖动基础下册[M]，机械工业出版社，北京，2000
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