3转速电流双闭环直流调速系统（5篇范文）

第一篇：3转速电流双闭环直流调速系统

运动控制期中设计

---转速电流双闭环直流调速系统

转速电流双闭环直流调速系统

已知参数有：

V，额定电流Inom3.7A，电动机额定功率Pnom0.2kW，额定电压Unom48额定转速nnom200r/min，电枢电阻Ra6.5，电枢回路总电阻R8,允许过载倍数2，电势系数Ce0.12Vmin/r，电磁时间常数Tl0.015s，机电时间常数Tm0.2s，电流反馈滤波时间常数Toi0.001s，转速滤波时间常数

**Ton0.005s。调节器输入输出电压UnmUimUcm10V,调节器输入电阻R040k。计算得电力晶体管D202的开关频率f1kHz,PWM环节的放大倍数KS4.8。

首先计算电流反馈系数和转速反馈系数: 由U*VInom可知：im10101.35，2Inom*由Unmnnom可知：100.05 nnom

（一）电流环参数的设计：

1、确定时间常数: 因为f1kHz，所以取： Ts0.001s 电流滤波时间常数：Toi0.001s

电流环小时间常数：TiTsToi0.002s 

2、选择电流调节器结构: 根据设计要求：电流超调量i5%，且

Tl0.0157.510 Ti0.002电流环设计为典I系统，选择PI调节器，其传递函数为WACRsKi3、选择电流调节器参数: ACR超前时间常数： iTl0.015s，is1 is

电流开环增益：要求电流超调量i5%，所以应取TiK

KIi0.5，所以

0.50.5250 Ti0.002ACR的比例系数为：KiKI

4、校验近似条件:

iR0.01582504.63 Ks1.354.8电流环截止频率:ciKI250s1（1）晶闸管装置传递函数近似条件：ci1 3Ts11333.3s1ci，满足近似条件。3Ts30.001（2）忽略反电动势对电流环影响的条件：ci31 TmTl311354.7s1ci，满足近似条件。TmTl0.20.01511

3TsToi（3）小时间常数近似处理条件：ci1111333.3s1ci。满足近似条件。

3TsToi30.0010.0015、调节器的电阻电容：因为R040K，则

RiKiR04.6340K185.2K，近似取 Ri185K

CiiRi0.015610F0.081F，取0.08F 318510Coi4Toi40.001106F0.1F。取0.1F 3R04010

（二）转速环参数设计：

1、确定时间常数: 电流环等效时间常数2Ti0.004s

转速滤波时间常数Ton0.005s

转速环小时间常数Tn2TiTon0.009s 

2、选择转速调节器结构: 由于设计要求无静差，且要求设计为典II系统，转速调节必须含有积分环节;故ASR选择PI调节器，传递函数为

WASR(s)Kn3、选择转速调节其参数: 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:

nhTn50.0090.045s

转速环开环增益:KNns1 nsh162 1481.5s2222hTn2250.009所以，ASR的比例系数为:Kn

4、校验近似条件：

h1CeT2hRTnm61.350.120.25.4

100.0580.009转速环截止频率：cnKNn1481.50.04566.7s1（1）电流环传递函数简化条件：cn1 5Ti

11100s1cn，满足简化条件。5Ti50.00211

32TiTon（2）小时间常数近似处理条件：cn

111174.5s1cn，满足条件。

32TiTon320.0020.005

5、计算调节器的电阻和电容：R040K

RnKnR05.44021K6，可近似取220K

CnnRn0.045106F0.20F，取0.20F 322010

Con4Ton40.005610F0.5F，取0.5F 3R040106、校验转速超调量：

CmaxnnomTn%)2(z)

n%(CbTmn当h=5时，CmaxIR3.78 246.7r%81.2%，而nnomdnomminCe0.12Cb246.70.00918.0%20%，满足要求 2000.2所以n%81.2%22

（三）硬件实现原理图

（四）原理图的实现与选取

(1)转速调节器ASR与电流调节器ACR模块

ASR与ACR二者之间为串联连接，转速调节器ASR的输出作为电流调节器ACR的输入，用电流调节器的输出控制整流装置的触发器。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一般都采用PI调节。两个调节器的输出均带限幅，转速调节器输出限幅电压为Unm，决定电流调节器给定电压的最大值；

*Uim电流环输出限幅电压为，限制晶闸管装置输出电压最大值。为了满足转速调

*节无静差，只进行转速放大，虽然响应速度快，但超调大，而且存在静差，所以采用PI无静差调速，并采用典Ⅱ系统设计。为了满足电流设计要求，尽量减小超调，电流环校正成典Ⅰ系统。

ASR实现硬件原理图如下：

ACR实现硬件原理图如下：

ASR和ACR参数选取：

由上文所得的参数得

R040K即图中的R1、R2、R3、R4、R6、R7、R8、R9都为R0/2=20K R5RnKnR0220K

C1CnnRn0.2uF 4Ton0.5uF R0C2C3ConR10RiKiR0185K

C5CiiRi0.08uF

C6C7Coi4Toi0.1uF R0

(2)调制波发生器模块

本次设计我选择的是集成函数发生器8038如下图，脚3输出三角波，通过改变电位器RV4滑动头的位置来调整R18和R19的数值，进而改变三角波的幅值。经过调试使其输出波幅值为10V，频率为1KHz.(3)锯齿波脉宽调制器模块

脉宽调制器本身是由一个运算放大器和几个输入信号组成的电压比较器。运算放大器工作在开环状态，稍微有点输入信号就可以使其输入电压达到饱和值，当输入电压极性改变时，输出电压就在正、负饱和值之间变化这样就完成了把连续电压变成脉冲电压的转换作用。加在运算放大器反向输入端上一个信号是锯齿波调制信号，由调制波发生器模块提供，另一个输入信号时控制电压Uc，其极性与大小随时可变，两者相减，从而在运算放大器的输出端得到周期不变、脉冲宽度可变的调制输出电压。

(4)双极式H型可逆PWM变换器模块

双极式H型可逆PWM变换器其图如下所示，包括4个电力晶体管，其中Q1、Q4为一组，Q2、Q3为一组，要使电机工作，就必须使其中一组电力晶体管导通，另一组关断，当Q1、Q4导通时U1=U4=U，当，Q2、Q3导通时U2=U3=-U,在一个周期内，由于电枢电感释放储能的作用下，如Q1、Q4从导通到关断后Q2、Q3再导通，但此时电流还会续流，此刻Q2、Q3会承受反压。电压U会在 一个周期内正负相间，这就是PWM变换器的特征。

图中给定电动机电压为48V

(5)测速电机模块

转速检测电路如下图，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，与电动机同轴安装一台测速发电机，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*得到转速偏差电压Un输送n相比较后，给转速调节器。测速发电机的输出电压不仅表示转速的大小，还包含转速的方向，通过调节电位器即可改变转速反馈系数。

(6)电流检测模块

如下图，图中电机旁边的小圆点代表霍尔电流检测电路，其原理图如下，原理图中I为流过电机的电流，通过互感作用，使右侧也有相应的直流电，输出端电流流经电阻RL在其两端产生电压id，然后将其反馈给电流反馈端。

霍尔电流检测电路原理图

（五）心得体会

经过了一个月的时间，这次双闭环直流调速系统设计总算是做完了。本次设计总的来感觉做的不是很完美，要求的是用Protel软件来绘制原理图，但由于我所借用的机子装不上Protel，最终我选用了Proteus来绘制原理图。对这次设计总的原理我是明白了，但在一些细节问题上我还是有点模糊。

本次设计基本用到了我们所学的所有的专业课及专业基础课，如模拟电路、数字电路、自控原理、电力电子技术、运动控制等课程的内容。通过本次设计让

我感觉到所学的东西的却很有用。从新温习了以前所学的东西，加深了我对所学知识的理解和记忆，感觉自己离优秀还有很大的差距，应该更加努力地学习。

本次设计是一次挑战，从起初的不懂到到最终的有所领悟，期间经历了无助、着急一直到成功的那一丝喜悦，虽然这个设计做的让我感觉不是很满意，但通过这次设计我的收获还是很大的，感觉学到了很多的东西。

第二篇：双闭环不可逆直流调速系统实验报告

双闭环不可逆直流调速系统实验

一、实验目的(1)了解闭环不可逆直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理。

(2)掌握双闭环不可逆直流调速系统的调试步骤、方法及参数的整定。

(3)研究调节器参数对系统动态性能的影响。

二、实验所需挂件及附件

序号

型

号

备

注

DJK01

电源控制屏

该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。

DJK02

晶闸管主电路

DJK02-1三相晶闸管触发电路

该挂件包含“触发电路”、“正反桥功放”等几个模块。

DJK04

电机调速控制实验

I

该挂件包含“给定”、“调节器I”、“调节器II”、“转速变换”、“电流反馈与过流保护”等几个模块。

DJK08可调电阻、电容箱

DD03-3电机导轨、光码盘测速系统及数显转速表

DJ13-1

直流发电机

DJ15

直流并励电动机

D42　三相可调电阻

慢扫描示波器

自备

万用表

自备

三、实验线路及原理

许多生产机械，由于加工和运行的要求，使电动机经常处于起动、制动、反转的过渡过程中，因此起动和制动过程的时间在很大程度上决定了生产机械的生产效率。为缩短这一部分时间，仅采用PI调节器的转速负反馈单闭环调速系统，其性能还不很令人满意。双闭环直流调速系统是由速度调节器和电流调节器进行综合调节，可获得良好的静、动态性能（两个调节器均采用PI调节器），由于调整系统的主要参量为转速，故将转速环作为主环放在外面，电流环作为副环放在里面，这样可以抑制电网电压扰动对转速的影响。实验系统的原理框图组成如下：

启动时，加入给定电压Ug，“速度调节器”和“电流调节器”即以饱和限幅值输出，使电动机以限定的最大启动电流加速启动，直到电机转速达到给定转速(即Ug

=Ufn)，并在出现超调后，“速度调节器”和“电流调节器”退出饱和，最后稳定在略低于给定转速值下运行。

系统工作时，要先给电动机加励磁，改变给定电压Ug的大小即可方便地改变电动机的转速。“速度调节器”、“电流调节器”均设有限幅环节，“速度调节器”的输出作为“电流调节器”的给定，利用“速度调节器”的输出限幅可达到限制启动电流的目的。“电流调节器”的输出作为“触发电路”的控制电压Uct，利用“电流调节器”的输出限幅可达到限制αmax的目的。

在本实验中DJK04上的“调节器I”作为“速度调节器”使用，“调节器II”作为“电流调节器”使用；若使用DD03-4不锈钢电机导轨、涡流测功机及光码盘测速系统和D55-4智能电机特性测试及控制系统两者来完成电机加载请详见附录相关内容。

四、实验内容

(1)各控制单元调试。

(2)测定电流反馈系数β、转速反馈系数α。

(3)测定开环机械特性及高、低转速时系统闭环静态特性n=f(Id)。

(4)闭环控制特性n=f(Ug)的测定。

(5)观察、记录系统动态波形。

图5-10

双闭环直流调速系统原理框图

五、实验方法

(1)双闭环调速系统调试原则

①先单元、后系统，即先将单元的参数调好，然后才能组成系统。

②先开环、后闭环，即先使系统运行在开环状态，然后在确定电流和转速均为负反馈后，才可组成闭环系统。

③先内环，后外环，即先调试电流内环，然后调试转速外环。

④先调整稳态精度，后调整动态指标。

(2)DJK02和DJK02-1上的“触发电路”调试

①打开DJK01总电源开关，操作“电源控制屏”上的“三相电网电压指示”开关，观察输入的三相电网电压是否平衡。

②将DJK01“电源控制屏”上“调速电源选择开关”拨至“直流调速”侧。

③用10芯的扁平电缆，将DJK02的“三相同步信号输出”端和DJK02-1“三相同步信号输入”端相连,打开DJK02-1电源开关，拨动

“触发脉冲指示”钮子开关，使“窄”的发光管亮。

④观察A、B、C三相的锯齿波，并调节A、B、C三相锯齿波斜率调节电位器（在各观测孔左侧），使三相锯齿波斜率尽可能一致。

⑤将DJK04上的“给定”输出Ug直接与DJK02-1上的移相控制电压Uct相接，将给定开关S2拨到接地位置（即Uct=0），调节DJK02-1上的偏移电压电位器，用双踪示波器观察A相同步电压信号和“双脉冲观察孔”

VT1的输出波形，使α=150°(注意此处的α表示三相晶闸管电路中的移相角，它的0°是从自然换流点开始计算，而单相晶闸管电路的0°移相角表示从同步信号过零点开始计算，两者存在相位差，前者比后者滞后30°)。

⑥适当增加给定Ug的正电压输出，观测DJK02-1上“脉冲观察孔”的波形，此时应观测到单窄脉冲和双窄脉冲。

⑦用8芯的扁平电缆，将DJK02-1面板上“触发脉冲输出”和“触发脉冲输入”相连，使得触发脉冲加到正反桥功放的输入端。

⑧将DJK02-1面板上的Ulf端接地，用20芯的扁平电缆，将DJK02-1的“正桥触发脉冲输出”端和DJK02“正桥触发脉冲输入”端相连，并将DJK02“正桥触发脉冲”的六个开关拨至“通”，观察正桥VT1～VT6晶闸管门极和阴极之间的触发脉冲是否正常。

(3)控制单元调试

①移相控制电压Uct调节范围的确定

直接将DJK04“给定”电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，“三相全控整流”输出接电阻负载R，用示波器观察Ud的波形。当给定电压Ug由零调大时，Ud将随给定电压的增大而增大，当Ug超过某一数值时，此时Ud接近为输出最高电压值Ud＇，一般可确定“三相全控整流”输出允许范围的最大值为Udmax=0.9Ud＇，调节Ug使得“三相全控整流”输出等于Udmax，此时将对应的Ug＇的电压值记录下来，Uctmax=

Ug＇，即Ug的允许调节范围为0～Uctmax。如果我们把输出限幅定为Uctmax的话，则“三相全控整流”输出范围就被限定，不会工作到极限值状态，保证六个晶闸管可靠工作。记录Ug＇于下表中：

Ud＇

280

Udmax=0.9

Ud＇

251.8

Uctmax=Ug＇

5.01

将给定退到零，再按“停止”按钮，结束步骤。

②调节器的调零

将DJK04中“调节器I”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻120K接到“调节器I”的“4”、“5”两端，用导线将“5”、“6”短接，使“调节器I”成为P

(比例)调节器。用万用表的毫伏档测量调节器I的“7”端的输出，调节面板上的调零电位器RP3，使之电压尽可能接近于零。

将DJK04中“调节器II”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻13K接到“调节器II”的“8”、“9”两端，用导线将“9”、“10”短接，使“调节器II”成为P（比例）调节器。用万用表的毫伏档测量调节器II的“11”端，调节面板上的调零电位器RP3，使之输出电压尽可能接近于零。

③调节器正、负限幅值的调整

把“调节器I”的“5”、“6”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“5”、“6”两端，使调节器成为PI

(比例积分)调节器，将“调节器I”所有输入端的接地线去掉，将DJK04的给定输出端接到调节器I的“3”端，当加+5V的正给定电压时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为-6V，当调节器输入端加-5V的负给定电压时，调整正限幅电位器RP1，使之输出电压尽可能接近于零。

把“调节器II”的“9”、“10”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“9”、“10”两端，使调节器成为PI（比例积分）调节器，将“调节器II”的所有输入端的接地线去掉，将DJK04的给定输出端接到调节器II的“4”端。当加+5V的正给定电压时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压尽可能接近于零；当调节器输入端加-5V的负给定电压时，调整正限幅电位器RP1，使调节器I的输出正限幅为Uctmax。

④电流反馈系数的整定

直接将“给定”电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，整流桥输出接电阻负载R，负载电阻放在最大值，输出给定调到零。

按下启动按钮，从零增加给定，使输出电压升高，当Ud=220V时，减小负载的阻值，调节“电流反馈与过流保护”上的电流反馈电位器RP1，使得负载电流Id=l.3A时，“2”端If的的电流反馈电压Ufi=6V，这时的电流反馈系数β=

Ufi/Id=

4.615V/A。

⑤转速反馈系数的整定

直接将“给定”电压Ug接DJK02-1上的移相控制电压Uct的输入端，“三相全控整流”电路接直流电动机负载，Ld用DJK02上的200mH，输出给定调到零。

按下启动按钮，接通励磁电源，从零逐渐增加给定，使电机提速到n

=150Orpm时，调节“转速变换”上转速反馈电位器RP1，使得该转速时反馈电压Ufn=-6V，这时的转速反馈系数α=Ufn/n

=0.004V/(rpm)。

(4)开环外特性的测定

①DJK02-1控制电压Uct由DJK04上的给定输出Ug直接接入，“三相全控整流”电路接电动机，Ld用DJK02上的200mH，直流发电机接负载电阻R，负载电阻放在最大值，输出给定调到零。

②按下启动按钮，先接通励磁电源，然后从零开始逐渐增加“给定”电压Ug，使电机启动升速，转速到达1200rpm。

③增大负载(即减小负载电阻R阻值)，使得电动机电流Id=Ied，可测出该系统的开环外特性n

=f（Id），记录于下表中：

n（rpm）

1200

1198

1189

1187

1169

1158

1148

Id（A）

0.345

0.402

0.414

0.481

0.490

0.722

0.766

将给定退到零，断开励磁电源，按下停止按钮，结束实验。

(5)系统静特性测试

①按图5-10接线，DJK04的给定电压Ug输出为正给定，转速反馈电压为负电压，直流发电机接负载电阻R，Ld用DJK02上的200mH，负载电阻放在最大值，给定的输出调到零。将“调节器I”、“调节器II”都接成P（比例）调节器后，接入系统，形成双闭环不可逆系统，按下启动按钮，接通励磁电源，增加给定，观察系统能否正常运行，确认整个系统的接线正确无误后，将“调节器I”，“调节器II”均恢复成PI（比例积分）调节器，构成实验系统。

②机械特性n

=f(Id)的测定

A、发电机先空载，从零开始逐渐调大给定电压Ug，使电动机转速接近n=l200rpm，然后接入发电机负载电阻R，逐渐改变负载电阻，直至Id=Ied，即可测出系统静态特性曲线n

=f(Id)，并记录于下表中：

n（rpm）

1199

1197

1195

1193

1192

1190

1188

Id（A）

0.302

0.510

0.639

0.810

0.900

1.020

1.200

B、降低Ug，再测试n=800rpm时的静态特性曲线，并记录于下表中：

n（rpm）

800.0

797.8

795.3

793.8

792.5

791.1

776.2

Id（A）

0.261

0.429

0.647

0.777

0.879

1.018

1.189

C、闭环控制系统n=f(Ug)的测定

调节Ug及R，使Id=Ied、n=

l200rpm，逐渐降低Ug，记录Ug和n，即可测出闭环控制特性n

=

f(Ug)。

n（rpm）

1200

961.9

807.1

658.9

557.5

428.0

310.7

Ug（V）

4.46

3.56

2.99

2.42

2.04

1.57

1.16

(6)系统动态特性的观察

用慢扫描示波器观察动态波形。在不同的系统参数下(“调节器I”的增益和积分电容、“调节器II”的增益和积分电容、“转速变换”的滤波电容)，用示波器观察、记录下列动态波形:

①突加给定Ug，电动机启动时的电枢电流Id(“电流反馈与过流保护”的“2”端)波形和转速n(“转速变换”的“3”端)波形。

1）

电动机启动时的电枢电流Id(“电流反馈与过流保护”的“2”端)波形

2）

转速n(“转速变换”的“3”端)波形。

②突加额定负载(20%IedÞ100%Ied)时电动机电枢电流波形和转速波形。

1）

突加额定负载(20%IedÞ100%Ied)时电动机电枢电流波形

2）

突加额定负载(20%IedÞ100%Ied)时电动机转速波形

③突降负载(100%IedÞ20%Ied)时电动机的电枢电流波形和转速波形。

1）

突降负载(100%IedÞ20%Ied)时电动机的电枢电流波形

2）

突降负载(100%IedÞ20%Ied)时电动机的转速波形

六、实验数据处理

(1)

根据实验数据，系统的开环外特性n

=f（Id）。

(2)

根据实验数据，画出两种转速时的闭环机械特性n

=f(Id)。

1）

转速n=1200rpm

2）

转速n=800rpm

(3)

根据实验数据，画出闭环控制特性曲线n

=f(Ug)。

七、注意事项

(1)在记录动态波形时，可先用双踪慢扫描示波器观察波形，以便找出系统动态特性较为理想的调节器参数，再用数字存储示波器或记忆示波器记录动态波形。

文档内容仅供参考

第三篇：长沙理工大学带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统设计

长沙理工大学带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统设计

一、绪论

科学技术的发展日新月异，科技产品涵盖着我们生活的方方面面。电动机作为一种便利的带动工具，是我们生活和工业生产中重要的不可缺少的一部分，人类的生产生活已经离不开它。对于我们来说，如何高效精确地控制电机的运转，并且最低的成本去实现，才是我们最值得深入研究的课题。

直流电动机具有良好的起、制动性能，方便控制，易于实现，宜于在大范围内平滑调速，并且直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，是研究其它调速系统的基础。在直流电动机中，带电流截止负反馈直流调速系统应用也较为广泛，其广泛应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切割机床等很多领域的自动控制中，虽然，在调速的高效性方面存在着局限性，但综合各方面来看，它任然有它独特的运用前景。

1.1设计的目的和意义

（1）应用所学的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，进行运动系统的初步设计。

（2）学会应用MATLAB软件，建立数学模型对控制系统进行仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响；

（3）在理论设计与仿真研究的基础上，应用Protel进行控制系统的设计，为毕业设计打下基础。

1.2设计要求

本课程设计的对象是：

直流电机：2.2kW，220V，12.5A，1500

转/分。电枢电阻1.2，整流装置内阻1.5，触发整流环节的放大倍数为35，堵转电流，临界截止电流。

要求设计一个带直流截止负反馈的转速

单闭环调速系统。

其主要内容为：

（1）测定综合实验中所用控制对象的参数（由实验完成）；

（2）根据给定指标设计带电流截止负反馈的转速调节器，并选择调节器参数和具体实现电路。

（3）按设计结果组成系统，以满足给定指标。

（4）研究参数变化对系统性能的影响。

（5）在时间允许的情况下进行调试。

1.3设计对象及有关数据

（1）完成理论分析：

a.调速范围

D＝20，静差率

S≤10％；

b.转速超调σn≤10%(在额定转速时)；

c.动态速降小于

10％。

d.振荡次数小于

次；

①进行系统参数计算，完成转速调节器及电流截止负反馈的结构与参数设计；

②对整个调速系统的动态性能进行分析；

（2）完成系统电气原理图的设计

①晶闸管－电动机系统主电路设计

②晶闸管整流电路方案的讨论和选择。

③整流变压器额定容量、一次侧和二次测电压、电流的选择。

④晶闸管的选择及晶闸管保护电路的选择。

⑤平波电抗器的计算与选择。

⑥触发电路的选择。

⑦

测速发电机的选择及有关元件的选择与计算。

⑧完成系统电气原理图的设计。

二、带电流截止负反馈的闭环直流调速系设计方案的选择

2.1

普通闭环直流调速系统及其存在的问题

（1）起动的冲击电流---直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电机换向不利，对过载能力低的电力电子器件来说，更是不能允许的。

（2）闭环调速系统突加给定起动的冲击电流---采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压仍为零，相当于偏差电压，差不多是其稳态工作值的1+k

倍。这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压一下子就达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，当然是不允许的。

（3）堵转电流---有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。例如，由于故障，机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。

2.2限流保护—电流截止负反馈的提出

为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，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。通过对电流负反馈和转速负反馈的分析。考虑到，限流作用只需在起动和堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随着负载增减，采用电流截止负反馈的方法，则当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。

2.3

直流调速系统调速方案的分析比较与选择

调节电动机的转速有三种方法：

（1）调节电枢供电电压U。

（2）减弱励磁磁通Φ。

（3）改变电枢回路电阻R。

对于要求在一定范围内的无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式最好。改变电阻只能实现有级调速；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（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变压调速为主。

变压调速是直流调速系统的主要方法，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三种：

（1）旋转变流机组（简称G-M系统）。用交流电动机和直流发电机组成机组，获得可调的直流电压。

（2）静止式可控整流器（简称V-M系统）。用静止式可控整流器获得可调的直流电压。

(3)

直流斩波器或脉宽调制变换器（简称PWM系统）。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，产生可变的平均电压

G-M系统所需要的设备多，体积大，费用高，效率低，安装须打地基，运行有噪声，维护不方便，因此现在已经基本不再使用；PWM系统与V-M系统相比虽然有较大的优越性，但仅在中、小容量系统的高动态应用广泛，而在大功率容量的电机中，对调速精度要求不高的场合，V-M系统任然适用，并且发挥着不可替代的作用。

2.4

V-M系统的工作原理分析

晶闸管—电动机调速系统（简称V—M系统），其原理图如图1-1所示。图中VT是晶闸管的可控整流器，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，即可改变平均整流电压Ud，从而实现平滑调速，也大大提高了系统的动态性能；反并联两组全控整流电路，就可实现电机的四象限运行。

由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难；

元件对过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指标超过允许值都可能在很短时间内损坏元件。

因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时还应有足够的余量。

图1-1

V—M系统原理图

2.5设计参数的选择

（1）电机的参数选择

直流他励电动机：功率PN＝2.2KW，额定电压UN=220V，额定电流IN=12.5A,nN=1500r/min，电枢电阻1.2，整流装置内阻1.5，触发整流环节的放大倍数为35，堵转电流，临界截止电流。

（2）测速发电机

永磁式，额定数据为23.1W，110V，0.21A，1900r/min

（3）调速指标

①调速范围D=20，转差率S≤10%

②转速超调σn≤10%(在额定转速时)；

③动态速降小于

10％。

④振荡次数小于

次；

三、带电流截止负反馈的闭环直流调速系统主回路的选择

3.1

变压器的参数计算及选型

变压器副边电压采用如下公式进行计算：

因此变压器的变比近似为：

一次侧和二次侧电流I1和I2的计算

I1=1.05×287×0.861/3.45=75A

I2=0.861×287=247A

变压器容量的计算

S1=m1U1I1=3×380×75=85.5kVA

S2=m2U2I2=3×110×247=81.5kVA

S=0.5×(S1+S2)=0.5×(85.5+81.5)=83.5kVA

因此整流变压器的参数为：变比K=3.45，容量S=83.5KVA，联结方式为：⊿/Y。

3.2

主电路元器件的参数计算与选型

3.2.1

主电路结构选择

本设计采用桥式整流电路，其主要特点如下：输出电压高，纹波电压小，管子所承受的最大反向电压较低，电源变压器充分利用，效率高。晶闸管的导通顺序依次为VT1--VT2--VT3--VT4--VT5--VT6。

图3-1三相桥式全控整流电路

3.2.2晶闸管的额定参数计算

晶闸管的额定电压通常选取断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压URRM中较小的标值作为该器件的额定电压，考虑到要留有一定的裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压的2～3倍；据有效值相等的原则，晶闸管的额定电流一般选取其通态平均电流的1.5～2倍。在三相桥式全控整流电路中，带纯阻性负载时，晶闸管两端承受的最小峰值为；带反电动势负载时，晶闸管两端承受的最大正反向峰值为；晶闸管的通态平均电流IVT=Id。

则据=(2～3)/(2～3),I2=I,IVT=I,IVT(AV)=

IVT/1.57(1.5～2)

在本设计中，晶闸管的额定电流IVT(AV)=167～334A

晶闸管的额定电压UN=539～1617V

3.2.3

平波电抗器的参数计算

在V-M系统中，脉动电流会增加电机的发热，同时也产生脉动转矩，对机械产生不利，为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施，在本设计中采用设置平波电抗器的方法。

Ud=2.34U2cos

Ud=UN=220V,取=0°

一般取I

dmin

为电动机额定电流的5%-10%,这里取10%

则

U2=

L=0.693

3.2.4

整流装置的保护

与其他类型的电气设相比，晶闸管元件有很多优点，但是由晶闸管的伏安特性可知，元件的反向击穿电压较接近于运行电压，热时间常数小，因此过电压、过电流能力差，在短时间内的过电压、过电流都可能造成元件的发热损坏。为了使晶闸管可靠工作，必须设置保护装置。

（1）过电压保护

如图3-2所示，下图是常见的三相RC过电压抑制电路连接方式。

①交流侧RC过电压保护的参数整定

据公式C1≥3×6×Io%×S1/

(一般取Io%=6.5%)

=3×6×6.5×((85.5/3)×/)

=69μF

R1=×2.3×/

S1×(一般取=5%)

=×2.3×(/

(85.5/3)

×)×

=1.1Ω(取1Ω)

图3-2三相RC过电压抑制电路

②直流侧RC过电压保护的参数整定

C2≥6×Io%×S2/

(一般取Io%=6.5%)

=6×6.5×((81.5/3×)/

=88μF

R2=2.3×/

S2×(一般取=5%)

=2.3×(/(81.5/3×))×

=0.9Ω（取1Ω）

（2）过电流保护

①保护变压器的熔断器的选择

据式IN.FE=(1.5-2)I1.NF

(式中，I1.NF为变压器的额定一次电流为75A)

熔体额定电流为IN.FE=(1.5-2)×75A=（112.5-150）A

所以应选熔断器的型号为RM20-200。

②整流元件的快速熔断器的选择

据式IN=

IVT(AV)/

1.57(式中IVT(AV)取240A)

熔体额定电流为IN=240/1.57=152.8A

所以快速熔断器的型号为RLS-160。

3.2.5晶闸管的触发电路的选择

图3-3给出了常见的三相桥式全控整流电路的晶闸管的触发电路。

对于三相全控整流或调压电路，要求顺序输出的触发脉冲依次间隔60°。本设计采用三相同步绝对式触发方式。根据单相同步信号的上升沿和下降沿，形成两个同步点，分别发出两个相位互差180°的触发脉冲。然后由分属三相的此种电路组成脉冲形成单元输出6路脉冲，再经补脉冲形成及分配单元形成补脉冲并按顺序输出6路脉冲。本设计课题是三相全桥控桥整流电路中有六个晶闸管，触发顺序依次为：VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6，晶闸管必须严格按编号轮流导通，6个触发脉冲相位依次相差60O，可以选用3个KJ004集成块和一个KJ041集成块，即可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，就可以构成三相全控桥整流电路的集成触发电路如图3-3。

图3-3三相桥式全控整流电路的集成触发控制电路

四、带电流截止负反馈的闭环直流调速系统控制电路的设计

4.1控制电路的结构选择

图4-1所示是一个带电流截止负反馈的无静差的直流调速系统，采用比例积分调节器一实现无静差，采用电流截止负反馈来限制动态过程的冲击电流。TA为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号Ui。当电流超过截止电流Idcr时，Ui高于稳压管VS的击穿电压，使晶体三极管VBT导通，则PI调节器的输出电压Uc接近于零，电力电子变换器的输出电压Ud急剧下降，达到限流的目的。改变即可调节电动机的转速。

图4-1无静差直流调速系统原理图

如图4-2所示，上述无静差调速系统的理想静特性如图实线所示。

图3-2

带电流截止的无静差直流调速系统的静特性

当<时，系统无静差，静特性是不同转速的一族水平线；

当≥时，电流截止负反馈起作用，静特性急剧下垂，基本上是一条垂直线。

图3-3无静差直流调速系统稳态结构图（<）

图4-4无静差直流调速系统稳态结构图（≥）

4.2

转速环的参数计算与设计

（1）额定负载时的稳态速降应为:

（2）求闭环系统应有的开环放大系数

①计算电动机的电动势系数

②开环系统额定速降

③闭环系统的开环放大系数

（3）计算转速负反馈环节的反馈系数和参数

①测速发电机的电动势

②转速反馈电压（α=α2Cetg

α2取0.2）

×1500

=0.2

×0.0579×1500=17.37V

③转速反馈系数

=0.2×0.0579V.min/r=0.01158V.min/r

(4)

计算运算放大器的放大系数和参数

①运算放大器放大系数

②运算放大器型号

取R0=40KΩ，R1=R0

=4.11×40KΩ=164.37KΩ

4.3电流截止负反馈环节的参数计算与设计

4.3.1

电流检测与反馈

直流调速系统中的电流截止负反馈的电流检测环节如图4-5所示，电流反馈信号取自串入电动机电枢回路中的小阻值电阻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，图4-5a中用独立的直流电源作为比较电压，其大小可用电位器调节，相当于调节截止电流。在IdRs与Ucom之间串联一个二极管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既消失。截止电流Idcr=Ucom/

Rs。

图4-5b中利用稳压管VS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。

（a）利用独立直流电源作比较电压

（b）利用稳压管产生比较电压

图4-5电流截止负反馈的电流检测环节

所以选择利用独立电源作比较电压环节，见图4-5a。

4.3.2电流检测环节的参数计算

①最大堵转电流

应小于电机允许的最大电流，一般为Idbl

≤2IN，故取

Idbl

=2

IN=2×12.5=25A（已知IN

=12.5A）

②截止电流Idcr=Ucom/

Rs。

从调速系统的稳态性能上看，希望稳态范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取Idcr

≥1.2IN

；故取

Idcr=1.2

IN=1.2×12.5=15A（已知IN

=12.5A）

由式①和式②可求出

Rs=1.05Ω，=15.75V

4.4

系统的动态分析与设计

图4-3为反馈控制闭环直流调速系统的动态结构框图，是由各环节的传递函数，按在系统中的相互关系组合起来的。

图4-3反馈控制闭环直流调速系统的动态结构框图

其开环传递函数为

据系统的闭环传递函数和劳斯判据得，系统稳定条件为

计算系统中各环节的时间常数：（已知L=37.23mH）

电磁时间常数为

机电时间常数为

对于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为

所以为保证系统稳定，开环放大系数应满足稳定条件，即

因为K=12.41≤594.82，所以闭环系统是稳定的。

系统的开环传递函数为：

4.5

调节器的参数计算与设计

作为调速系统的动态校正装置，且该直流调速系统是无静差调速系统，所以常采用PI调节器来实现，其线路图4-6所示。

图

4-6

PI调节器线路图

PI调节器的的传递函数为

为PI调节器的比例放大系数=

/

；=/；

为PI调节器积分时间常数。

所以PI调节器的阻容具体参数计算如下：

已知==4.11，R0=40KΩ，取=0.05；

=×=4.11×40=164.4

KΩ

=

/=0.05/40×=1.25μF

五、带电流截止负反馈闭环直流调速系统总电气原理图

六、课程设计总结

通过本次课程设计，使我对带电流截止负反馈的闭环直流调速系统分析与设计有了更加深刻的认识与理解，并且为以后的学习和工作打下了坚实的基础。更近一步的掌握了最基本的工程设计步骤与方法。我明白了：在大学的课堂的学习里，老师只是把一些重点难点的专业知识梳理一遍，给我们指出学习的正确的方向，让我们在学习中少走弯路，一些最基本的基础知识还是要我们自己下去自学和查阅相关的书籍手册，另外，我们也可以充分利用身边的网络资源，让其更好的帮助我们学习，巩固打牢专业知识。当然，在学习中养成勤学好问的好习惯也是必要的。在日后的工作学习中，我们一定要严格要求自己，事实求是，脚踏实地，我想这是作为一名大学生所必备的素质，有了扎实牢固的专业知识之后，我们也要结合实际去应用，用具体的实践去检验真理发现真理。

七、参考文献：

[1]

电力拖动自动控制系统：运动控制系统/陈伯时主编.机械工业出版社.2003

[2]

电力电子技术/王兆安,刘进军主编.机械工业出版社.2009

[3]

电力拖动自动控制系统设计手册.朱仁初.机械工业出版社.

第四篇：带电流截止负反馈的转速闭环的数字式直流调速系统的仿真与设计课程设计

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

第五篇：实验一开环直流调速系统的仿真实验

实验一

开环直流调速系统的仿真

一、实验目的1、熟悉并掌握利用MATLAB中Simulink建立直流调速系统的仿真模型和进行仿真实验的方法。

2、掌握开环直流调速系统的原理及仿真方法。

二、实验内容

开环直流调速系统的仿真框图如图1所示，根据系统各环节的参数在Simulink中建立开环直流调速系统的仿真模型，按照要求分别进行仿真实验，输出直流电动机的电枢电流Id和转速n的响应数据，绘制出它们的响应曲线，并对实验数据进行分析，给出相应的结论。

图1

开环直流调速系统的仿真框图

开环直流调速系统中各环节的参数如下：

直流电动机：额定电压UN

=

220

V，额定电流IdN

=

A，额定转速nN

=

1000

r/min，电动机电势系数Ce=

0.192

V·min/r。

假定晶闸管整流装置输出电流可逆，装置的放大系数Ks

=

44，滞后时间常数Ts

=

0.00167

s。

电枢回路总电阻R

=1.0

Ω，电枢回路电磁时间常数Tl

=

0.00167

s，电力拖动系统机电时间常数Tm

=

0.075

s。

对应额定转速时的给定电压Un*=4.364V。

三、实验步骤

1、根据开环直流调速系统的各环节参数建立空载时的Simulink仿真框图，如图2所示。

图2

空载时开环直流调速系统的仿真框图

2、设置合适的仿真时间，利用out器件或示波器将相关数据输出到MATLAB的Workspace中，并在MATLAB中利用plot（X,Y）函数绘制出空载时直流电动机的电枢电流Id和转速n的响应曲线，记录并分析实验数据，给出相应的结论。

3、根据开环直流调速系统的各环节参数建立带负载时的Simulink仿真框图，如图3所示。

图3

带负载时开环直流调速系统的仿真框图

4、设置合适的仿真时间，在1s时分别加入负载电流为IdL=10、20、50A，利用out器件或示波器将相关数据输出到MATLAB的Workspace中，并在MATLAB中利用plot（X,Y）函数绘制出在1s时加入负载电流分别为IdL=10、20、50A时直流电动机的电枢电流Id和转速n的响应曲线，记录并分析实验数据，给出相应的结论。

5、设置合适的仿真时间，在1s时分别加入负载电流为IdL=20A，修改给定电压Un*的值（取3组不同的值），利用out器件或示波器将相关数据输出到MATLAB的Workspace中，并在MATLAB中利用plot（X,Y）函数绘制出在1s时加入负载电流分别为IdL=20A时直流电动机的电枢电流Id和转速n的响应曲线，记录并分析实验数据，给出相应的结论。（证明开环时转速降落只与负载电流有关，而与给定电压无关。）

四、数据分析

T/s

0

0.01

0.05

0.5

1.1

1.5

Id/A

0

174.95

102.06

0.37

0.05

0.11

0.05

n/r*min

0

102.95

481.2

999

1000.1

1000.1

1000.1

在0~1s里，电流快速减小，1s后，电流趋于平稳；而在0~1s里，电机转速快速上升，1s后达到稳定。

T/s

0

0.01

0.05

0.5

1.2

1.5

Id1/A

0

174.45

102.06

0.37

0.02

9.37

10.12

n1/r*min

0

102.95

481.2

998.92

1000.1

951.63

948.04

Id2/A

0

174.45

102.06

0.37

0.02

18.73

20.12

n2/r*min

0

102.95

481.2

998.92

1000.1

902.74

896.01

Id3/A

0

174.45

102.06

0.37

0.02

46.75

49.97

n3/r*min

0

102.95

481.2

998.92

1000.1

756.76

739.96

由上表可知，在0~1s内，随着id的减小，n逐渐增大；在1s时突加负载电流，id逐渐增大，n逐渐减小；且随着负载电流的增大，id增大越明显，n减小越明显。

T/s

0

0.01

0.05

0.5

1.2

1.5

Id1/A

0

395.69

229.82

0.59

0.02

19.138

20.5

n1/r*min

0

265.49

1122.5

2289.1

2291.7

2194

2187.6

Id2/A

0

598.33

346.85

1.18

0.17

18.75

20.16

n2/r*min

0

364.14

1675

3433.5

3437.5

3340.2

3333.4

Id3/A

0

801.62

474.26

1.84

-0.07

18.52

19.7

n3/r*min

0

452.76

2171.2

4577.9

4583.3

4486

4479.3

对上表分析，随着给定电压的升高，电枢电流在0~1s所达到的峰值也随着提高，在1s时加入20A固定负载电流后，电枢电流上升的幅度基本相同；电机转速跟电枢电流变化基本相似。

在Un*分别为10V、15V、20V时，转速降落分别为

Δn1=2289.1-2187=102.7(r/min)

Δn2=3437.5-3333.4=104.1(r/min)

Δn3=4583.3-4479.3=104(r/min)

可以看出Δn1≈Δn2≈Δn3，因此可证明转速降落于给定电压Un*无关。