《运动控制系统》大作业
基于转速、电流双闭环的
不可逆V-M直流调速系统的设计与仿真
Design and Simulation of System
Irreversible V-M DC Speed Control Based on the Speed of Current Double Closed-loop
院（部）：电子信息与电气工程学院
专业班级：自动化2011级2班
学生姓名：原加伟
学生学号：201102010105
指导教师姓名：雷慧杰
指导教师职称：讲师
2014 年12月
目录
摘要 (Ⅰ)
引言 (1)
第一章绪论 (2)
1.1设计目的 (2)
1.2 设计要求 (2)
第二章系统总体设计方案 (3)
2.1双闭环直流调速系统 (3)
2.2 主电路设计方案 (3)
2.2.1 整流系统及其主要参数计算 (3)
2.3 控制电路方案设计 (4)
2.3.1 电流调节器的设计 (5)
2.3.2 转速检测电路的设计 (9)
2.3.3 触发电路的设计 (9)
2.3.4 转速调节器的设计 (10)
第三章参数计算和选型设计 (14)
3.1 整流变压器额定参数计算 (14)
3.2 过电压保护和du/dt和di/dt的限制 (16)
3.3 平波电抗器的参数计算 (16)
3.4 直流侧保护 (16)
3.5 交流侧保护 (16)
第四章系统仿真 (18)
4.1 电流环的仿真 (18)
4.2 转速环的仿真 (19)
结果与结论 (21)
收获与体会 (21)
参考文献 (22)
附录 (23)
基于转速、电流双闭环的
不可逆V-M直流调速系统的设计与仿真
摘要：电力拖动实现了电能与机械能之间的能量转换，而电力拖动自动控制系统也即运动控制系统的任务是通过控制电动机电压，电流和频率等输入量，来改变工作机械的转矩，速度和位移等机械量，是各种工作机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。
我们现在要研究的是晶闸管整流器控制的转速电流双闭环直流调速系统，主电路设计是依据晶闸管-电动机系统组成，其系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器和电动机-发电机组等组成。整流变压器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；平波电抗器的功能是使输出的直流电流更平滑；电动机-发电机组提供三相交流电源，整个系统可以实现电动机的平滑调速。
关键词：双闭环电流调节器转速调节器直流调速
引言
随着社会化大生产的不断发展，电力传动装置在现代化工业生产中的得到广泛应用，对其生产工艺、产品质量的要求不断提高，这就需要越来越多的生产机械能够实现制动调速，因此我们就要对这样的自动调速系统作一些深入的了解和研究。本次设计包括主电路和控制回路的设计。本设计通过分析直流双闭环调速系统的组成，设计出系统的电路原理图。同时，采用工程设计的方法对直流双闭环调速系统的电流和转速两个调节器进行设计，先设计电流调节器，然后将整个电流环看作是转速调节系统的一个环节，再来设计转速调节器。遵从确定时间常数、选择调节器结构、计算调节器参数、校验近似条件的步骤一步一步的实现对调节器的具体设计。之后，再对系统的起动过程进行分析，以了解系统的动态性能。
第一章绪论
1.1设计目的
双闭环控制可实现转速和电流两种负反馈的分别作用，从而获得良好的静，动态性能。其良好的动态性能主要体现在其抗负载扰动以及抗电网电压扰动之上。正由于双闭环调速的众多优点，所以在此有必要对其最优化设计进行深入的探讨和研究。本次课程设计目的就是旨在对双闭环进行最优化的设计。
1.2 设计要求
具体设计要求如下：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，C e=0.132Vmin/r，允许过载倍数λ=1.5。晶闸管装置放大系数
K s=40，电枢回路总电阻R=1Ω，机电时间常数T m=0.18s，电磁时间常数T l=0.03s ，电流反馈系β=0.05V/A ，转速反馈系数α=0.007V min/r ，转速反馈滤波时间常数T on=0.005s，T
=0.005s ，总飞轮力矩GD2 =2.5N.m，h=5。
oi
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σi ≤5%，转速超调量σn≤10%；
3、画出完整详细的系统原理图；
4、基于MATLAB 7.5 ，仿真启动过程，分析是否满足动态性能指标。
第二章系统总体设计方案
2.1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。因转速换包围电流环，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1.1所示。
图2.1双闭环直流调速系统原理框图
2.2 主电路设计方案
2.2.1 整流系统及其主要参数计算
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。整理系统示意图如下;
GT
图2.2 V-M系统主电路示意图
图2.2会出了晶闸管整流器-电动机调速系统（简称V-M 系统）的原理图，图中VT 是晶闸管整流器，通过调节触发装置GT 的控制电压U c 来移动触发脉冲的相位，改变可控整流器的平均输出电压U d ，从而实现直流电动机的平滑调速。本次设计采用三相全控桥整流电路，因此，整流电压U d 为：
αc o s 34.22U U d =
当αcos 最大为1时，可得到最大整流电压为电动机额定电压U e ，因此：
V V U U e 9434
.2220
34.22===
——U 2为整流变压器二次侧额定相电压的有效值。
变压器选择，原边相电压为220V ，副边相电压U 2为94V 。电动机额定功率为30Kw ，因此变压器容量可选为50KV*A ，联结组别为Y/d-11。
晶闸管承受最大反向电压为6U 2，因此晶闸管的额定电压为： U 额=（2-3）?6?94V=460-690V 因此晶闸管可选额定电压为500V 。
电动机额定电流I e 为136A ，因此晶闸管额定电流约为：
A A
I 272204136)25.1(-=?-= 因此晶闸管的额定电流可选为200A 。
而晶闸管的触发电压一般为3V 左右，因此，控制电压U c 可选为5V 。
2.3控制电路方案设计
为了提高直流电动机的调速范围，并且降低静差，只能减少负载所引起的转速降落。
但是开环调速，转速降是由电机参数决定的，为此，我们引入了转速反馈控制，有效解决了这一难题。而为了解决电动机匀速起动以及运行故障过电流的问题，我们适当引入了电流负反馈。为了使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。分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套连接。如图所示，把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，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，电流环在里边，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统。为了获得较好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI 调节器。系统示意图如下：
+
-
图2.3转速、电流双闭环直流调速系统示意图
基于转速、电流直流调速系统，我们可以得出其动态结构图。系统中加入电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节，以减少检测信号和给定信号的扰动。这样的滤波环节传递函数可用一届惯性环节来表示，其滤波时间常数按需求来定。动态结构图如下：
图2.4 V-M 双闭环直流调速系统动态结构图
注：电流反馈滤波时间常数T oi =0.005s ，转速反馈滤波时间常数T on =0.005s ，电流反馈系β=0.05V/A ，转速反馈系数α=0.007Vmin/r 。 2.3.1电流调节器的设计 1.电流调节器的工作原理
电流调节器也有两个输入信号。一个是速度调节器输出反映偏差大小的主控信号Un ，一个是由交流互感器测出的反映主回路电流反馈信号Uif ，当突加速度给定一个很大的输入值，其输出整定在最大饱和值上，与此同时电枢电流为最大值，从而电动机在加速过程
中始终保持在最大转矩和最大加速度，使起、制动过渡时间最短。
图2.4所示点划线框内是电流环的动态结构图,其中反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，系统的电磁时间常数T i =0.03s 远小于机电时间常数T m =0.18s ，因此，转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即ΔE≈0。这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，也就算说，可以暂且把反电动势的作用去掉，得到电流的近似结构图如图5a 。如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效的移到环内，同时把给定信号改成U i */β，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图5b 所示。 最后，由于T s 和T oi 一般都比T l 小的多，可以当作小惯性群而近似的看作是一个惯性环节，其时间常数为：
i s oi T T T ∑=+
则电流环结构框图最终可以简化成如图2.5所示。简化的近似条件是
a
b
c
图2.5电流环的动态结构图及其简化
a ）忽略反电动势动态影响
b ）等效单位负反馈
c ）小惯性环节近似处理 含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI 型电流调节器的原理图如图2.6.图中U i *为电流给定电压，-βI
d 为电流负反馈电压。调节器的输出就是电力电子变化器的控制电压U c 。
ci ω≤
根据运算放大器的原理图，可以容易的导出 0
R R K i
i =
i i i C R =τ oi oi C R T 04
1
=
-
图2.6 含给定滤波和反馈滤波的PI 型电流调节器
2.电流调节器结构的选择
首先考虑把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要求上看，希望电流无静差，可以得到理想的堵转特性，由图2.6可以看出，采用Ⅰ型系统就够了。再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要因素。为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型Ⅰ型系统。
图2.6的表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型Ⅰ型系统，显然应采用PI 型的电流调节器，其传递函数可以写成：
s
s K s W i i i A C R
ττ)
1()(+=
为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择
i l T τ=
则电流环的动态结构框图便成图中所示的典型形式，其中：
三相全控桥整流装置的平均失控时间T s =0.0017s ，三相全控桥整流电路每个波头的时
i s i K K K R
βτI =
间是3.3ms ，因此电流滤波时间常数可取T oi =0.002s ，电流环小时间常数之和T ∑i 为：
T ∑i =T s +T oi =0.0037s
根据要求%5≤i σ，并按稳态电流无差，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的，因此采用PI 调节器。电流调节器超前时间常数：τi =T l =0.03s 。电流环开环增益：要求δi ≤5%时，按表2-1，应取K I T=0.5，因此
K I =0.5/T ∑i =0.5/0.0037=135.1s -1
于是，ACR 的比例系数为： 013.105
.0401
03.01.135≈???==
βτs i I i K R K K 3.校验近似条件
电流环截止频率：ωci =K I =135.1s -1 1) 晶闸管整流装置传递函数的近似条件
-1ci 11196.1s 330.0017
S T ω==>? 满足近似条件。
2) 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件
ci ω 满足近似条件。
3) 电流环小时间常数近似处理条件
ci 13ω
满足近似条件。 4.计算调节器电阻和电容
由图2.6所示，按所用运算放大器取R 0=40KΩ，各电阻和电容值为
Ω=Ω?==k k R K R i i 52.4040013.10,取40k Ω
uF F R C i
i
i 75.0104503
.03
=?=
=
τ,取0.75μF
uF uF R T C oi oi 2.040
002
.0440=?==
,取0.2μF 按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为δi =4.3%<5%满足设计要求。 2.3.2转速检测电路的设计
此电路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2.7所示。
+-
U
图2.7转速检测电路原理图
2.3.3触发电路的设计
本系统采用三个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，就构成了完整的三相全控桥触发电路，其中kj041内部是由内部是由十二个二极管构成的六个或门，其作用是讲六路脉冲输入转为六路双脉冲输出 以上触发电路均为模拟量构成，优点是结构简单，可靠，缺点是易受到电网电压影响，触发脉冲的不对称度较高，可达3~4度
在对精度要求高的大容量变流装置中，越来越多的采用了数字触发电路，可获得较好的触发脉冲对称度
kj004集成电路部分与分立元件的锯齿波移相触发电路相似，可分为同步，锯齿波形成，移相，脉冲形成，脉冲分选及脉冲放大几个环节，有一个kj004构成，的触发单元可输出两个香味间隔180度的触发脉冲，其工作原理可参照锯齿波同步的触发电路形成进行分析
向整流电路供电的交流测电源通常来自电网，电网电压的频率不是固定的，而是在允许的范围内有一定的波动，触发电路除了应该保证工作频率与主电路交流电源的频率一致外，还应该保证每个晶闸管的触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定，正确的相位关系
2.3.4转速调节器的设计
用电流环的等效环节代替电流环后，整个转速控制系统的动态结构图如图2.7所示。与电流环一样，把转速给定滤波和反馈滤波同时等效地转移到环前通道上，并将给定信号改成U n * /α，再把时间常数为1/K I 和T on 的两个小惯性环节合并起来，近似为一个时间常数为T ∑n 的惯性环节，其中
m I
n T K T +=∑1
则转速环可以简化为图2.7。
为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前必须有一个积分环节，他应该包含在转速调节器ASR 中，由于扰动作用点后边已有一个积分环节，因此转速开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计为Ⅱ型系统。由此可见，ASR 也应该设计为PI 调节器，其传递函数为：
s s K s W n n n A S R
ττ)
1()(+=
式中Kn 为转速调节器的比例系数，n τ为转速调节器的超前时间常数。这样，调速系统的开环传递函数就可以写为：
)
1()
1()1()1()(2++=
+?+=∑∑s T s T C s R K s T s T C R
s s K s W n m e n n n n m e n n n n βτταβ
αττ 令开环增益K N 为：
m
e n n N T C R
K K βτα=
则 )
1()
1()(2++=
∑s T s s K s W n n n n τ
不考虑扰动时，调速系统的动态结构图如图2.8。
*a
b
c
图2.8转速环的动态结构图及其简化
a ）用等效环节替代电流环
b ）等效为单位负反馈
c ）校正为典型Ⅱ型系统
转速调节器的参数包括K n 和n τ。按照典型Ⅱ型系统的参数关系，应该有
∑=n n hT τ
可得到 ∑+=
n
N T h h K 221
2
因此 ∑+=
n
m
e n RT h T C h K αβ2)1(
含给定滤波与反馈滤波的PI 型调节器原理图如图2.9，图中U n *为转速给定电压，-αn 为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节器的给定电压U i *。与电流调节器相似，转速调节器的电阻电容值关系为
R R K n
n =
n n n C R =τ on on C R T 04
1
=
图2.9含滤波环节的PI 型转速调节器
结合设计要求给定的电动机参数可计算转速调节器的参数。电流环的等效时间常数为1/K I ，已取5.0=∑i I T K ，则
s s T K i I
0074.00037.0221
=?==∑ 转速环小时间常数 s s s T K T on I
n 0079.0005.00074.01
=+=+=∑ 1.计算调节器参数
ASR 的超前时间常数为 s s hT n n 0395.00079.05=?==∑τ 则可求出转速开环增益 2
2222
20000079.0252621--∑≈??=+=
s s T h h K n
n 可求出ASR 的比例系数为 89.120079
.01007.05218.0132.005.062)1(≈???????=+=
∑n m e RT h T C h Kn αβ
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
(1)
()n n ASR n K s W s s
ττ+=
3.检验近似条件 转速截止频率为 111
159.840.13721.9N
cn N n K K s s ωτω--=
==?= （2-15）
（1）电流环传递函数简化条件为
1
163.7cn s ω--==> （2-16） 满足简化条件。
（2）转速环小时间常数近似处理条件为
1
127.4cn s ω--==> （2-17） 满足近似条件。
4.计算调节器的电阻和电容 取R 0=40k Ω则
Ω=Ω?==k k R K R n n 6.5154089.120，取520k Ω uF F R C n
n
n 06.010*******
.03
≈?=
=
τ，取0.1uF
uF 5.010
40005
.0443
0=??==
F R T C on on ，取0.5uF 当h=5时，按退饱和超调量的计算方法可得 %10%31.8<≈σ 满足设计要求。
第三章 参数计算和选型设计
3.1 整流变压器额定参数计算
1.
2
U 的计算
max 22min 2cos d T
sh N U nU U I A CU I βα+=
??- ?
??
max d U —负载要求的整流电路输出的最大值；
T
U —晶闸管正向压降，其数值为0.5—1.1V ，通常取1T U V =；
A —理想情况下0α=时，整流输出电压d U 与变压器二次侧相电压d U 之比；
sh
U —变压器短路电压比，100Kv 以下的取0.05sh U =；
C —线路接线方式系数；
n —主电路中电流回路晶闸管的个数；
β—电网电压波动系数，通常取0.9β=；
min
α—最小控制角，通常不可逆取min 1020o o
α=-；
2
2N
I I —变压器二次侧实际工作电流额定电流之比；
已知m a x 230d U V
=（220±10%左右），取
1T U V
=、2n =，查表得2.34A =，取
0.9β=,min 10o
α=,0.05sh U =,221N
I I =,查表得C ＝0.5代入上式得：
223021
1152.340.9(0.9850.50.05)U V
+?=
=??-?，应用式
2(1~1.2)d U U A B β=，查表得 2.34A =，取0.9β=，cos 0.985B α==，2230
(1~2)111~1332.340.90.985
U V ==??
取
10.816I K =2110U V
=，电压比 12380 3.45110
U K U =
== 2.一次和二次向电流1I 和2I
的计算
由式得
11I d
I K I =，
22I d
I K I =由表得
10.816
I K =，
20.816
I K =，考虑励磁电流和变压
器的变比K ，根据以上两式得：
11221.05/ 1.050.81647.8/3.4511.80.81647.839I d I d I K I K A I K I A ==??===?=
3.变压器的容量计算
111111222222123338011.813.45331103912.8711
()(13.4512.87)13.1622S mU I U I KVA S m U I U I KVA S S S KVA
===??====??==+=+= 晶闸管参数选择
max 2max () 1.547.871.758.526.41.57
N VT VT
VT AV I I A I I A I I A λ==?=====
=
由整流输出电压230d N U U V ==，进线线电压为110V ，晶闸管承受的最大反向电压是变压
器二次线电压的电压峰值，即：2269.5RM U V =，晶闸管承受的最大正向电压是
线电压的一半，即：212134.7FM U V ==。考虑安全裕量，选择电压裕量为2倍关系，电流裕量为1.5倍关系，所以晶闸管的额定容量参数选择为：
2269.55391.526.439.6VTN VTN U V V I A A =?==?=
3.2过电压保护和du/dt 和di/dt 的限制
过电流保护和di/dt 限制由于晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度就会急剧上升可能烧坏PN 结，造成元件内部短路或开路。晶闸管发生过电流的原因主要有：负载端过载或短路；某个晶闸管被击穿短路，造成其他元件的过电流；触发电路工作不正常或受干扰，使晶闸管误触发，引起过电流。晶闸管允许在短时间内承受一定的过电流，所以过电流保护作用就在于当过电流发生时，在允许的时间内将过电流切断，以防止元件损坏。晶闸管过电流的保护措施有下列几种：快速熔断器、硒堆保护等。
对超过晶闸管正常工作是承受的最大峰值电压的都算过电压。产生过压的原因是电路中电感元件聚集的能量骤然释放或是外界侵入电路的大量电荷累积。按过压保护的部位来分，有交流侧保护，直流侧保护和元件保护。元件保护主要是通过阻容吸收电路，阻容吸
《运动控制》课程设计题目：转速，电流双闭环可逆直流宽频调速系统设计 系部：自动化系 专业：自动化 班级：自动化1班 学号：11423006 11423025 11423015 姓名：杨力强.丁珊珊.赵楠 指导老师：刘艳 日期：2018年5月26日-2018年6月13日
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MA TLAB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、系统设计参数 直流电动机控制系统设计参数：< 直流电动机(3> ） 输出功率为:5.5Kw 电枢额定电压220V 电枢额定电流 30A 额定励磁电流1A 额定励磁电压110V 功率因数0.85 电枢电阻0.2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 970rpm 直流电动机控制系统设计参数 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%. 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.
1、设计内容和数据资料 某直流电动机拖动的机械装置系统。 主电动机技术数据为： ,，，电枢回路总电阻，机电时间常数 ，电动势转速比，Ks=40，，Ts=0.0017ms，电流反馈系数，转速反馈系数，试对该系统进行初步设计。2、技术指标要求 电动机能够实现可逆运行。要求静态无静差。动态过渡过程时间，电流超调量，空载起动到额定转速时的转速超调量。 三、主电路方案和控制系统确定 主电路选用直流脉宽调速系统，控制系统选用转速、电流双闭环控制方案。主电路采用25JPF40电力二极管不可控整流，逆变器采用带续流二极管的功率开关管IGBT构成H型双极式控制可逆PWM变换器。其中属于脉宽调速系统特有的部分主要是UPM、逻辑延时环节DLD、全控型绝缘栅双极性晶体管驱动器GD和PWM变换器。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。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原理图
郑州航空工业管理学院 电力拖动自动控制系统课程设计 07 级电气工程及其自动化专业 0706073 班级 题目转速单闭环的直流拖动系统 姓名 学号 指导教师孙标 二ОО十年月日
电力拖动自动控制系统课程设计 一、设计目的 加深对电力拖动自动控制系统理论知识的理解和对这些理论的实际应用能力，提高对实际问题的分析和解决能力，以达到理论学习的目的,并培养学生应用计算机辅助设计的能力。 二、设计任务 设计一个转速单闭环的直流拖动系统
题目：单闭环不可逆直流调速系统设计 1 技术指标 电动机参数：PN=3KW, n N=1500rpm, UN=220V,IN=17.5A,Ra=1.25 。主回路总电阻R=2.5，电磁时间常数Tl=0.017s，机电时间常数Tm=0.075s。三相桥式整流电路，Ks=40。测速反馈系数=0.07。调速指标：D=30，S=10%。 2 设计要求 （1）闭环系统稳定 （2）在给定和扰动信号作用下，稳态误差为零。 3 设计任务（1）绘制原系统的动态结构图； （2）调节器设计； （3）绘制校正后系统的动态结构图； （4）撰写、打印设计说明书。 4 设计说明书 设计说明书严格按**大学毕业设计格式书写,全部打印.另外,设计说明书应包括以下内容: (1)中文摘要 (2)英文摘要
目录 第一章中文摘要 ································································································ - 1 -第二章英文摘要 ············································································错误!未定义书签。第三章课程设计的目的和意义·············································································· - 1 -1．电力拖动简介 ··························································································· - 1 - 2.课程设计的目的和意义·················································································· - 2 -第四章课程设计内容·························································································· - 2 -第五章方案确定 ································································································ - 3 - 5.1方案比较的论证 ······················································································ - 3 - 5.1.1总体方案的论证比较········································································ - 3 - 5.1.2主电路方案的论证比较····································································· - 4 - 5.1.3控制电路方案的论证比较·································································· - 6 -第六章主电路设计····························································································· - 7 - 6.1主电路工作设备选择 ················································································ - 7 -第七章控制电路设计·························································································· - 8 -第八章结论 ·····································································································- 11 -第九章参考文献 ·······························································································- 11 -
摘要 本次课程设计直流电机可逆调速系统利用的是双闭环调速系统，因其具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动系统中得到了广泛的应用。直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 分别调节转速和电流。本文对直流双闭环调速系统的设计进行了分析，对直流双闭环调速系统的原理进行了一些说明，介绍了其主电路、检测电路的设计，介绍了电流调节器和转速调节器的设计以及系统中一些参数的计算。 关键词：双闭环，可逆调速，参数计算，调速器。
目录 1. 设计概述 (1) 1.1 设计意义及要求 (1) 1.2 方案分析 (1) 1.2.1 可逆调速方案 (1) 1.2.2 控制方案的选择 (2) 2.系统组成及原理 (4) 3.1设计主电路图 (7) 3.2系统主电路设计 (8) 3.3 保护电路设计 (8) 3.3.1 过电压保护设计 (8) 3.3.2 过电流保护设计 (9) 3.4 转速、电流调节器的设计 (9) 3.4.1电流调节器 (10) 3.4.2 转速调节器 (10) 3.5 检测电路设计 (11) 3.5.1 电流检测电路 (11) 3.5.2 转速检测电路 (11) 3.6 触发电路设计 (12) 4. 主要参数计算 (14) 4.1 变压器参数计算 (14) 4.2 电抗器参数计算 (14) 4.3 晶闸管参数 (14) 5设计心得 (15) 6参考文献 (16)
直流电动机可逆调速系统设计 1.设计概述 1.1设计意义及要求 直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内实现平滑调速，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。从控制的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础，所以应该首先掌握直流拖动控制系统。本次设计最终的要求是能够是电机工作在电动和制动状态，并且能够对电机进行调速，通过一定的设计，对整个电路的各个器件参数进行一定的计算，由此得到各个器件的性质特性。 1.2 方案分析 1.2.1 可逆调速方案 使电机能够四象限运行的方法有很多，可以改变直流电机电枢两端电压的方向，可以改变直流电机励磁电流的方向等等，即电枢电压反接法和电枢励磁反接法。 电枢励磁反接方法需要的晶闸管功率小，适用于被控电机容量很小的情况，励磁电路中需要串接很大的电感，调速时，电机响应速度较慢，且需要设计很复杂的电路，故在设计中不采用这种方式。 电枢电压反接法可以应用在电机容量很的情况下，且控制电路相对简单，电枢反接反向过程很快，在实际应用中常常采用，本设计中采用该方法。 电枢电压反接电路可以采用两组晶闸管反并联的方式，两组晶闸管分别由不同的驱动电路驱动，可以做到互不干扰。 图1-1 两组晶闸管反并联示意图
第十七单元 晶闸管直流调速系统 第二节 单闭环直流调速系统 一、转速负反馈直流调速系统 转速负反馈直流调速系统的原理如图l7-40所示。 转速负反馈直流调速系统由转速给定、转速调节器ASR 、触发器CF 、晶闸管变流器U 、测速发电机TG 等组成。 直流测速发电机输出电压与电动机转速成正比。经分压器分压取出与转速n 成正比的转速反馈电压Ufn 。 转速给定电压Ugn 与Ufn 比较，其偏差电压ΔU=Ugn-Ufn 送转速调节器ASR 输入端。 ASR 输出电压作为触发器移相控制电压Uc ，从而控制晶闸管变流器输出电压Ud 。 本闭环调速系统只有一个转速反馈环，故称为单闭环调速系统。 1．转速负反馈调速系统工作原理及其静特性 设系统在负载T L 时，电动机以给定转速n1稳定运行，此时电枢电流为Id1，对应转速反馈电压为Ufn1，晶闸管变流器输出电压为Udl 。 n n I C R R C U C R R I U n d e d e d e d d d ?+=+-=+-=0)(φ φφ 当电动机负载T L 增加时，电枢电流Id 也增加，电枢回路压降增加，电动机转速下降，则Ufn 也相应下降， 而转速给定电压Ugn 不变，ΔU=Ugn-Ufn 增加。 转速调节器ASR 输出电压Uc 增加，使控制角α减小，晶闸管整流装置输出电压Ud 增加，于是电动机转速便相应自动回升，其调节过程可简述为： T L ↑→Id ↑→Id(R ∑+Rd)↑→n ↓→Ufn ↓→△U ↑→Uc ↑→α↓→Ud ↑→n ↑。 图17-41所示为闭环系统静特性和开环机械特性的关系。
图中①②③④曲线是不同Ud之下的开环机械特性。 假设当负载电流为Id1时，电动机运行在曲线①机械特性的A点上。 当负载电流增加为Id2时，在开环系统中由于Ugn不变，晶闸管变流器输出电压Ud 也不会变，但由于电枢电流Id增加，电枢回路压降增加，电动机转速将由A点沿着曲线①机械特性下降至B’点，转速只能相应下降。 但在闭环系统中有转速反馈装置，转速稍有降落，转速反馈电压Ufn就相应减小，使偏差电压△U增加，通过转速调节器ASR自动调节，提高晶闸管变流器的输出电压Ud0由Ud01变为Ud02，使系统工作在随线②机械特性上，使电动机转速有所回升，最后稳定在曲线②机械特性的B点上。 同理随着负载电流增加为Id3，Id4，经过转速负反馈闭环系统自动调节作用，相应工作在曲线③④机械特性上，稳定在曲线③④机械特性的C，D点上。 将A，B，C，D点连接起来的ABCD直线就是闭环系统的静特性。 由图可见，静特性的硬度比开环机械特性硬，转速降Δn要小。闭环系统静特性和开环机械特性虽然都表示电动机的转速-电流(或转矩)关系，但两者是不同的，闭环静特性是表示闭环系统电动机转速与电流(或转矩)的静态关系，它只是闭环系统调节作用的结果，是在每条机械特性上取一个相应的工作点，只能表示静态关系，不能反映动态过程。 当负载突然增加时，如图所示由Idl突增到Id2时，转速n先从A点沿着①曲线开环机械特性下降，然后随着Ud01升高为Ud02，转速n再回升到B点稳定运行，整个动态过程不是沿着静特性AB直线变化的。 2．转速负反馈有静差调速系统及其静特性分析 对调速系统来说，转速给定电压不变时，除了上面分析负载变化所引起的电动机转速变化外，还有其他许多扰动会引起电动机转速的变化，例如交流电源电压的变化、电动机励磁电流的变化等，所有这些扰动和负载变化一样都会影响到转速变化。对于转速负反馈调速系统来说，可以被转速检测装置检测出来，再通过闭环反馈控制减小它们对转速的影响。也就是说在闭环系统中，对包围在系统前向通道中的各种扰动(如负载变化、交流电压波动、电动机励磁电流的变化等)对被调量(如转速)的影响都有强烈的抑制作用。但是对于转速负反馈调速系统来说，转速给定电压Ugn的波动和测速发电机的励磁变化引起的转速反馈电压Ufn变化，闭环系统对这种给定量和检测装置的扰动将无能为力。为了使系统有较高的调速精度，必须提高转速给定电源和转速检测装置的精度。
基础课程设计（论文） 直流PWM-M可逆调速系统的设计与仿真 专业：电气工程及其自动化 指导教师：刘雨楠 小组成员：陈慧婷（20114073166） 石文强（20114073113） 刘志鹏（20114073134） 张华国（20114073151） 信息技术学院电气工程系 2014年10月20日
摘要 当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。本文主要研究直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分、直流电动机。长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。微机技术的快速发展，在控制领域得到广泛应用。本文对基于微机控制的双闭环可逆直流PWM调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了双闭环直流PWM调速系统的数学模型，用微机硬件和软件发展的最新成果，探讨一个将微机和电力拖动控制相结合的新的控制方法，研究工作在对控制对象全面回顾的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨，控制策略和控制算法的探讨等内容。在硬件方面充分利用微机外设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件相结合的措施，实现对转速、电流双闭环调速系统的控制。论文分析了系统工作原理和提高调速性能的方法，研究了IGBT模块应用中驱动、吸收、保护控制等关键技术.在微机控制方面，讨论了数字触发、数字测速、数字PWM调制器、双极式H型PWM变换电路、转速与电流控制器的原理,并给出了软、硬件实现方案。 关键词：直流可逆调速数字触发PWM 数字控制器
单闭环直流调速系统的设计与仿真 单回路的直流调速系统的设计和仿真 内容摘要：在对调速性能有较高要求的领域，如果直流电动机开环系统稳态性 能不满足要求，可利用速度负反馈提高稳态精度，而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的，为了消除系统的静差，可利用积分调节器代替比例调节器。 通过对单闭环调速系统的组成部分可控电源、由运算放大器组成的调节器、晶闸管触发整流装置、电机模型和测速电机等模块的理论分析，比较原始系统和校正后系统的差别，得出直流电机调速系统的最优模型。然后用此理论去设计一个实际的调速系统，并用MATLAB仿真进行正确性的验证。 关键词：稳态性能稳定性开环闭环负反馈静差 The design and simulation of Single loop dc speed control system Abstract :In the higher demand for performance of speed, if the open loop dc system's steady performance does not meet the requirements, can use speed inverse feedback to improve steadystate precision, but although the speed inverse feedback system adopts proportion regulator,it still have off, in order to eliminate static, can use integral regulator to replace proportion regulator. Based on the theoretical analysis of the single closed loop system which is made up of controllable power, the regulator which is made up of operational amplifier, a rectifier triggered by thyristor , motor model and tachogenerators module, compare the difference of the open loop system and the closed loop system,the original system and the this paper compares the theory of open loop system and the closed-loop system, the difference of primitive system and calibrated system, conclude the optimal model of the dc motor speed control system. Then use this theory to design a practical control system, and verify the validity with MATLAB simulation. Key words: steady-statebehaviour stability open loop Close-loop feedback offset
CDIO课程项目研究报告 项目名称：H桥可逆直流调速系统设计与实验 姓名； 指导老师： 日期：
摘要 本设计的题目是基于SG3525的双闭环直流电机调速系统的设计。SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。如果对系统的动态性能要求较高，则单闭环系统就难以满足需要。而转速、电流双闭环直流调节系统采用PI调节器可以获得无静差；构成的滞后校正，可以保证稳态精度；虽快速性的限制来换取系统稳定的，但是电路较简单。所以双闭环直流调速是性能很好、应用最广的直流调速系统。本设计选用了转速、电流双闭环调速控制电路，本课题内容重点包括调速控制器的原理，并且根据原理对转速调节器和电流调节器进行了详细地设计。概括了整个电路的动静态性能，最后将整个控制器的电路图设计完成,并且进行仿真。 关键词：双闭环直流可逆调速系统、H桥驱动电路、SG3525信号产生电路、PI调节器、MATLAB仿真
前言 随着交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。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，如要求快速起制动、突加负载动态速降时，单闭环系统就难以满足。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中的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截至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。实际工作中，在电机最大电流受限的条件下，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启动，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。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，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，不要电流负反馈发挥主作用，因此需采用双闭环直流调速系统。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。 项目预期成果： 设计一个双闭环可逆直流无静差调速系统，其稳态性能指标实现要求如下：电流超调量S≤5%调速范围 D=20；其动态性能指标：转速超调量δn=10%；调整时间时间ts=2s；电流超调量δi≤5% 。
实验三不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究 一．实验目的 1．研究晶闸管直流电动机调速系统在反馈控制下的工作。 2．研究直流调速系统中速度调节器ASR的工作及其对系统静特性的影响。 3．学习反馈控制系统的调试技术。 二．预习要求 1．了解速度调节器在比例工作与比例—积分工作时的输入—输出特性。 2．弄清不可逆单闭环直流调速系统的工作原理。 三．实验线路及原理 见图1-7。 四．实验设备及仪表 1．教学实验台主控制屏。 2．NMCL—31A组件 3．NMCL—33组件 4．NMEL—03组件 5．NMCL—18组件 6．电机导轨及测速发电机（或光电编码器）、直流发电机M01 7．直流电动机M03 8．双踪示波器 9．万用表 五．注意事项 1．直流电动机工作前，必须先加上直流激磁。 2．接入ASR构成转速负反馈时，为了防止振荡，可预先把ASR的RP3电位器逆时针旋到底，使调节器放大倍数最小，同时，ASR的“5”、“6”端接入可调电容（预置7μF）。 3．测取静特性时，须注意主电路电流不许超过电机的额定值（1A）。
4．三相主电源连线时需注意，不可换错相序。 5．系统开环连接时，不允许突加给定信号U g起动电机。 6．改变接线时，必须先按下主控制屏总电源开关的“断开”红色按钮，同时使系统的给定为零。 7．双踪示波器的两个探头地线通过示波器外壳短接，故在使用时，必须使两探头的地线同电位（只用一根地线即可），以免造成短路事故。 六．实验内容 1．移相触发电路的 调试（主电路未通电） （a）用示波器观察 NMCL—33的双脉冲观 察孔，应有双脉冲，且间 隔均匀，幅值相同；观察 每个晶闸管的控制极、阴 极电压波形，应有幅值为 1V～2V的双脉冲。 （b）触发电路输出 脉冲应在30°～90°范围 内可调。可通过对偏移电 压调节单位器及ASR输 出电压的调整实现。例 如：使ASR输出为0V， 调节偏移电压，实现 α=90°；再保持偏移电压 不变，调节ASR的限幅 电位器RP1，使α=30°。 2．求取调速系统在 无转速负反馈时的开环 工作机械特性。 a．断开ASR的“3”至U ct的连接线，G（给定）直接加至U ct，且U g调至零，直流电机励磁电源开关闭合。 b．合上主控制屏的绿色按钮开关，调节三相调压器的输出，使U uv、Uvw、Uwu=200V。 c．调节给定电压U g，使直流电机空载转速n0=1500转/分，调节直流发电机负载电阻，在空载至额定负载的范围内测取7～8点，读取整流装置输出电压U d，输出电流i d以及被测
《运动控制系统》实验报告 姓名： 专业班级： 学号： 同组人： 实验一 不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究 一、实验目的 1、了解转速单闭环直流调速系统的组成。 2、加深理解转速负反馈在系统中的作用。 3、研究直流调速系统中速度调节器ASR 的工作原理及其对系统静特性的影响。 4、测定晶闸管--电动机调速系统的机械特性和转速单闭环调速系统的静特性。 二、实验系统组成及工作原理 采用闭环调速系统，可以提高系统的动静态性能指标。转速单闭环直流调速系统是常用的一种形式。图1-1所示是不可逆转速单闭环直流调速系统的实验原理图。 图中电动机的电枢回路由晶闸管组成的三相桥式全控整流电路V 供电，通过与电动机同轴刚性联接的测速发电机TG 检测电动机的转速，并经转速反馈环节FBS 分压后取出合适的转速反馈信号U n ，此电压与转速给定信号U n *经速度调节器ASR 综合调节，ASR 的输出作为移相触发器GT 的控制电压U ct ，由此组成转速单闭环直流调速系统。 在本系统中ASR 采用比例—积分调节器，属于无静差调速系统。 图中DZS 为零速封锁器，当转速给定电压U n *和转速反馈电压U n 均为零时，DZS 的输出信号使转速调节器ASR 锁零，以防止调节器零漂而使电动机产生爬行。 RP 给定 图1-1 不可逆转速单闭环直流调速系统
三、实验注意事项 1. 直流电动机M03参数为：P N =185W ，U N =220V ，I N =1.1A ，n =1500r/min 。 2. 直流电动机工作前，必须先加上直流激励。 3. 系统开环以及单闭环起动时，必须空载，且不允许突加给定信号U g 起动电机，每次起动时必须慢慢增加给定，以免产生过大的冲击电流，更不允许通过突合主回路电源开关SW 起动电机。 4. 测定系统开环机械特性和闭环静特性时，须注意电枢电流不能超过电机额定值1A 。 5. 单闭环连接时，一定要注意给定和反馈电压极性。 四、实验内容 1、晶闸管--电动机系统开环机械特性及控制特性的测定 （1）连接晶闸管—电动机系统为开环控制，不必使用转速调节器ASR ，可将给定电压U g （开环时给定电压称为U g ，闭环后给定电压称为U n *）直接接到触发单元GT 的输入端（U ct ），电动机和测功机分别加额定励磁。 （2）测定开环系统控制特性时，须先使电动机空载（测功机负载回路开路），慢慢加给定电压U g ，使电动机转速慢慢上升至额定转速1500r/min ，在0~1500r/min 之间记录几组 （3）测定开环机械特性时，须先使电动机空载（测功机负载回路开路），慢慢加给定电压U g ，使电动机转速慢慢上升至额定转速1500r/min ，然后合上负载开关SL ，改变负载变阻器R g 的阻值，使主回路电流达到额定电流I N ，此时即为额定工作点（n =n N =1500r/min ，I d =I N =1A ）。然后减小负载变阻器R g 阻值，使主回路负载从额定负载减少至空载，记录几组转速 n 和负载转矩T 的数据，并在图1-3所示坐标系中画出开环机械特性曲线。 U g e 图1-2 开环控制特性曲线 图1-3 开环机械特性曲线
燕山大学 CDIO课程项目研究报告 项目名称： H桥可逆直流调速系统设计与实验 学院（系）：电气工程学院 年级专业： 学号： 学生： 指导教师： 日期： 2014年6月3日
目录 前言 (1) 摘要 (2) 第一章调速系统总体方案设计 (3) 1.1 转速、电流双闭环调速系统的组成 (3) 1.2.稳态结构图和静特 (4) 1.2.1各变量的稳态工作点和稳态参数计算 (6) 1.3双闭环脉宽调速系统的动态性能 (7) 1.3.1动态数学模型 (7) 1.3.2起动过程分析 (7) 1.3.3 动态性能和两个调节器的作用 (8) 第二章 H桥可逆直流调速电源及保护系统设计 (11) 第三章调节器的选型及参数设计 (13) 3.1电流环的设计 (13) 3.2速度环的设计 (15) 第四章Matlab/Simulink仿真 (17) 第五章实物制作 (20) 第六章性能测试 (22) 6.1 SG3525性能测试 (22) 6.2 开环系统调试 (23) 总结 (26) 参考文献 (26)
前言 随着交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，以及交流电动机的经济性和易维护性，使交流调速广泛受到用户的欢迎。但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。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，如要求快速起制动、突加负载动态速降时，单闭环系统就难以满足。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中的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截至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。实际工作中，在电机最大电流受限的条件下，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启动，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。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，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，不要电流负反馈发挥主作用，因此需采用双闭环直流调速系统。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。 项目预期成果： 设计一个双闭环可逆直流调速系统，实现电流超调量小于等于5%；转速超调量小于等于5%；过渡过程时间小于等于0.1s的无静差调速系统。 项目分工：参数计算： 仿真： 电路设计： 电路焊接： PPT答辩： 摘要
比例积分控制的单闭环直流调速系统仿真 一、实验目的 1．熟练使用MATLAB 下的SIMULINK 仿真软件。 2．通过改变比例系数K P 以及积分时间常数τ的值来研究K P 和τ对比例积分控制的直流调速系统的影响。 二、实验内容 1．调节器的工程设计 2．仿真模型建立 3．系统仿真分析 三、实验要求 建立仿真模型，对参数进行调整，从示波器观察仿真曲线，对比分析参数变化对系统稳定性，快速性等的影响。 四、实验原理 图4-1 带转速反馈的闭环直流调速系统原理图 调速范围和静差率是一对互相制约的性能指标，如果既要提高调速范围，又要降低静差率，唯一的方法采用反馈控制技术，构成转速闭环的控制系统。转速闭环控制可以减小转速降落，降低静差率，扩大调速范围。在直流调速系统中，将转速作为反馈量引进系统，与给定量进行比较，用比较后的偏差值进行系统控
制，可以有效的抑制甚至消除扰动造成的影响。 当t=0时突加输入U in时，由于比例部分的作用，输出量立即响应，突跳到U ex(t)=K P U in，实现了快速响应；随后U ex(t)按积分规律增长，U ex(t)=K P U in+ (t/τ)U in。在t=t1时，输入突降为0，U in=0，U ex(t)=(t1/τ)U in，使电力电子变换器的稳态输出电压足以克服负载电流压降，实现稳态转速无静差。 五、实验各环节的参数及K P和1/τ的参数的确定 各环节的参数： 直流电动机：额定电压U N=220V，额定电流I dN=55A,额定转速n N=1000r/min,电动机电动势系数C e= min/r。 假定晶闸管整流装置输出电流可逆，装置的放大系数K s=44，滞后时间常数T s=。 电枢回路总电阻R=Ω，电枢回路电磁时间常数T l=电力拖动系统机电时间常数 T m=。 转速反馈系数α= min/r。 对应额定转速时的给定电压U n?=10V。 稳态性能指标D=20，s 5% 。 K P和1/τ的参数的确定： PI调节器的传递函数为 W PI(s)=K Pτs+1 τs =K P τ1s+1 τ1s 其中，τ1=K Pτ。 （1）确定时间常数 1）整流装置滞后时间常数T s=0.00167s；2）转速滤波时间常数T on=0.001s；
题目：单闭环不可逆直流调速系统设计 1 技术指标 电动机参数：PN=3KW, n N=1500rpm, UN=220V,IN=17.5A,Ra=1.25 。主回路总电阻R=2.5，电磁时间常数Tl=0.017s，机电时间常数Tm=0.075s。三相桥式整流电路，Ks=40。测速反馈系数=0.07。调速指标：D=30，S=10%。 2 设计要求 （1）闭环系统稳定 （2）在给定和扰动信号作用下，稳态误差为零。 3 设计任务（1）绘制原系统的动态结构图； （2）调节器设计； （3）绘制校正后系统的动态结构图； （4）撰写、打印设计说明书。 4 设计说明书 设计说明书严格按**大学毕业设计格式书写,全部打印.另外,设计说明书应包括以下内容: (1)中文摘要 (2)英文摘要
目录 第一章中文摘要 ·························································································································- 1 -第二章英文摘要 ·····························································································错误！未定义书签。第三章课程设计的目的和意义 ··································································································- 1 -1．电力拖动简介····················································································································- 1 - 2.课程设计的目的和意义 ·······································································································- 2 -第四章课程设计内容··················································································································- 2 -第五章方案确定 ·························································································································- 3 - 5.1方案比较的论证·············································································································- 3 - 5.1.1总体方案的论证比较···························································································- 3 - 5.1.2主电路方案的论证比较·······················································································- 4 - 5.1.3控制电路方案的论证比较 ···················································································- 6 -第六章主电路设计 ·····················································································································- 7 - 6.1主电路工作设备选择 ·····································································································- 7 -第七章控制电路设计··················································································································- 8 -第八章结论······························································································································· - 11 -第九章参考文献 ······················································································································· - 11 -
摘要 在可逆调速系统中，电动机最基本的要素就是能改变旋转方向。而要改变电动机的旋转方 向有两种办法：一种是改变电动机电枢电压的极性，第二种是改变励磁磁通的方向。所谓逻辑无环流系统就是在一组晶闸管工作时，用逻辑电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使该组晶闸管完全处于阻断状态，从根本上切断环流通路。这种系统不仅能实现逻辑无环流可逆调速，还能实现回馈制动。对于大容量的系统，从生产角度出发，往往采用既没有直流平均环流，又没 有瞬时脉动环流的无环流可逆系统，无环流可逆系统省去了环流电抗器，没有了附加的环流损耗，和有环流系统相比，因换流失败造成的事故率大为降低。因此，逻辑无环流可逆调速系统在 生产中被广泛运用。 关键词：逻辑无环流；可逆直流调速系统；DLC；保护电路；触发电路。
目录 1绪论 (1) 1.1无环流调速系统简介 (1) 1.2系统设计 (3) 2系统主电路设计 (4) 3调节器的设计 (5) 3.1电流调节器的设计 (5) 3.2速度调节器的设计 (6) 4 DLC 设计 (7) 4.1逻辑控制器的原理 (7) 4.2速度给定环节设计 (9) 4.3无环流控制系统各种运行状态 (10) 4.3.1 正向起动到稳定运转 (10) 4.3.2 正向减速过程 (10) 4.3.3 正转制动 (11) 4.4.4 停车状态 (13) 5触发电路设计 (14) 6保护电路设计 (15) 6.1过电流保护 (15) 6.2过电压保护 (16) 17总结 .............................................................................................................................................. 18参考文献 ...................................................................................................................................... 19附录一 .......................................................................................................................................... 24附录二 ..........................................................................................................................................
； 课程设计任务书 学生姓名：苌城专业班级：自动化0706 指导教师：饶浩彬工作单位：自动化学院 题目: 逻辑无环流直流可逆调速系统设计 初始条件： 1．技术数据： 晶闸管整流装置：R rec=Ω，K s=40。 / 负载电机额定数据：P N=，U N=230V，I N=37A，n N=1450r/min，R a=Ω，I fn=1.14A， GD2= 系统主电路：T m=，T l= 2．技术指标 稳态指标：无静差（静差率s≤2, 调速范围D≥10） 动态指标：电流超调量：≤5%，起动到额定转速时的超调量：≤8%，（按退饱和方式计算） 要求完成的主要任务: ？ 1．技术要求： (1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，具有较宽的调速范围（D≥10），系统在工作范围内能稳定工作 (2) 系统静特性良好，无静差（静差率s≤2） (3) 动态性能指标：转速超调量δn＜8%，电流超调量δi＜5%，动态速降Δn≤10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）t s≤1s (4) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续 (5) 调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施
2．设计内容： ! (1) 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图 (2) 调速系统主电路元部件的确定及其参数计算（包括有变压器、电力电子器件、平波电抗器与保护电路等） (3) 动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR调节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求 (4) 绘制逻辑无环流直流可逆调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图） (5) 整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书 时间安排： 课程设计时间为一周半，共分为三个阶段： （1）： （2）复习有关知识，查阅有关资料，确定设计方案。约占总时间的20% （3）根据技术指标及技术要求，完成设计计算。约占总时间的40% （4）完成设计和文档整理。约占总时间的40% 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日 】