自动控制系统课程
设计报告
课程名称：自动控制系统课程设计
设计题目：配合控制的有环流可逆调速系统设计院系：电气工程系
班级：1102304
设计者：莫胜元
学号：110230419
同组人：关占奇于海洋赵茜梦
指导教师：蔡春伟
设计时间：2014年11月
课程设计（论文）任务书
专业电气工程及其自动化班级1102304
学生莫胜元指导教师蔡春伟
题目配合控制的有环流可逆调速系统设计
子题
设计时间2014年 11月 3 日至 2014年 11月 14日共 1 周
设计要求直流电动机基本参数如下：
直流电动机：220V，36A，1460r/min，Ce=0.127Vmin/r，允许过载倍数λ=1.5。晶闸管装置放大系数：Ks=33。
电枢回路总电阻：R=0.3Ω。
时间常数：Tl=0.03s，Tm=0.18s。
电流反馈系数：β=0.185V/A（≈10V/1.5Inom）。
转速反馈系数：α=0.007Vmin/r（≈10V/Nnom）。
设计目的：
1. 通过课程设计掌握配合控制有环流可逆调速系统分析与设计方法。
2. 掌握有环流可逆调速系统的制动和反向过程，了解配合控制有环流可逆调速系统的应用场合，优缺点和工作原理。
3. 掌握设计的一般方法。
设计内容：
1. 配合控制有环流可逆调速系统的工作原理。
2. 各环节的特点和参数选择。
3. 按设计思想，叙述设计过程。
4. 分析反向制动过程的各点极性变化和两组整流装置的工作状态。
5. 详细分析配合控制有环流可逆调速系统的设计过程。
6. 转速调节器，电流调节器（ASR，ACR）具有抗干扰滤波能力，稳态运行无静差。
8. 稳态指标：无静差。
9. 动态指标：电流超调量σi≤15%，空载起动到额定转速时的转速超调量σn≤10%。
10.用A1号图纸（8个A4）绘制所设计的原理图；原理图要求清楚、工整，含器件参数。
主要参考文献：《电力拖动控制系统设计手册_朱仁初》
一、配合控制的有环流可逆调速系统概述及工作原理 (4)
1) 系统概述 (4)
2) 双闭环直流调速系统概述 (4)
3) V-M调速系统工作原理分析： (6)
二、主回路的设计 (8)
1) 主回路元器件参数计算及型号选择 (8)
2) 主电路保护元件的参数计算及选型。 (11)
3) 抑制环流电抗器参数的计算 (14)
4) 晶闸管脉冲触发电路设计： (16)
5) 电机励磁回路设计： (18)
6) 转速检测及反馈环节 (18)
三、控制回路的设计 (19)
1) 电流调节器ACR 的设计 (19)
2) 转速调节器的设计 (22)
3) 控制器输出限幅环节 (26)
4) 反相器设计 (26)
5) 电流反馈环节 (26)
四、直流稳压供电电源的设计 (27)
6) 工作原理 (27)
五、操作及系统故障保护回路的设计 (28)
六、参考文献 (29)
一、配合控制的有环流可逆调速系统概述及工作原理
1) 系统概述
有许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地起动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是说，需要可逆的调速系统。较大功率的可逆直流调速系统多采用晶闸管-电动机系统。由于晶闸管的单向导电性，需要可逆运行时经常采用两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。
采用两组晶闸管反并联的可逆V-M 系统，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流。配合控制消除平均直流环流的原则是正组整流装置处于整流状态，即为正时，强迫使反组工作在逆变状态，即为负，且幅值与相等，使逆变电压把整流电压顶住，则直流平均环流为零。
图1-1 V-M 可逆调查速系统
2) 双闭环直流调速系统概述
1. 单闭环调速系统存在的问题
*
n U n
U 0
d U +-
R d
I +
-e
C
1
α
n
E
S
K C
U
图1-2 单闭环直流调速系统稳态结构框图(dcr d
I I )
1) 用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，
2) 环内的任何扰动，只有等到转速出现偏差才能进行调节，因而转速动态降落大。 3) 电流截止负反馈环节限制起动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响
应，起动时间较长。
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
-0.5
-0.4-0.3-0.2
-0.100.10.20.30.4
Idm
Idl
-Idm
图1-3 时间最优的理想过渡过程
2. 双闭环调速系统
对于经常正、反转运行的调查系统，如门刨床、可逆轧钢机等级，缩短起，制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在起动（或制动）过渡过程中，始终保持电流为允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运行。当到达稳定态转速时，最好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。这类理想的起动（制动）过程如下图。为了在启动或者制动过程中保持电流最大值，需要再加入一个电流调节器。
ASR
ACR
UPE
M
TG
*
n U n
U *
i
U
c
U +
-
+-
+
-
i
U
图1-4 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图
β
ASR
ACR
*
n
U n
U 0
d U +
-
+
-R
*
i
U
i
U
d
I +
-e
C
1
β
n
E
图1-5 双闭环直流调速系统的稳态结构图
1
1+s T oi ASR
+-
ACR
1
1+ons
T -
+1
+s T Ks s +
-
1
/1+s T R l +
-1
+s T R m Ce
1β
α
*n
U )
(S I dL )
(s E )
(
0s U
d )
(s U c )
(s U i 图1-6 双闭环直流调速系统的动态结构图
3. 双闭环调速系统优点
1) 具有良好的静特性(接近理想的“挖土机特性”)。 2) 具有较好的动态特性，起动时间短(动态响应快) 3) 系统抗扰动能力强，电流环能较好地克服电网电压波动的影响，而速度环能抑制被它包
围的各个环节扰动的影响，并最后消除转速偏差。
4) 由两个调节器分别调节电流和转速。这样，可以分别进行设计，分别调整(先调好电流
环，再调速度环)，调整方便。
3) V-M 调速系统工作原理分析：
图1-7 V-M 调速系统原理图
系统的起动和运行过程与不可逆双闭环调速系统相同，在突加给定信号n
U
*为正时，正
组桥工作于整流状态，反组桥工作于逆变状态，由正组桥向电动机提供正向电流，电动机经历电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段后，进入正转稳定运行阶段，反组桥仅有少量脉动环流通过。在突加给定信号n
U
*为负时，正组桥工作于逆变状态，反组桥工作于整流状态，
由反组桥向电动机提供反向电流，电动机同样经历电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段后，进入反转稳定运行阶段，而正组桥仅有少量脉动环流。
可逆系统的特点在于反转制动过程，电动机反转需要改变转矩的方向，由N e I Ce T Φ=改变转矩方向即需要改变电枢电流的方向，由于电枢回路存在着电感，电枢电流的流向改变则要经历电流的下降和反向电流上升和建立的过程。由于电感是储能元件，电感储能与电流有关，因此电流下降就意味着电感储能的释放，电流上升就意味着电感的储能增加的过程。因此，电动机的反转制动过程可以分为本桥逆变、它组反接制动和它组回馈制动三个主要阶段，现以正转到反转的过程给予说明。
(1)本组逆变阶段。
当转速给定由正变负时，转速调节器的输出即电流调节器的输入i U *
改变极性，从而电流调节器的输出c U 改变符号，使正组桥从整流改变为逆变状态，反组桥从逆变改变为待整流状态，正转回路的电感能量释放，由电感反电动势维持电枢正转回路电流的流通，电动机的正向迅速电流下降，电感储能经正组桥(逆变状态)流向交流电源，而反组整流器由于不能通过反向电流，除少量脉动环流外，没有负载电流通过，处于待整流状态。因时间很短，电动机转速基本不变。 (2)它组反接制动阶段。
当电动机的正向电流下降到零后，电感反电动势作用消失，处于整流状态的反组整流器开始输出电流，电枢电流开始反向，由于整流器输出电压与电动机反电动势的方向相间，电动机处于反接制动状态，电流上升很快。在这阶段中，电动机的转速开始下降，正组整流器同样由于不能通过反向电流，除少量脉动环流外，没有负载电流通过，处于待逆变状态。
(3)它组回馈制动阶段。
在反接制动阶段中由于电流上升很快，当电流反馈大于电流给定值时，电流调节器的输出Uc 又改变极性，使正组整流器处于待整流状态，反组整流器处于逆变状态，这时由于电枢反电动势与整流器输出电压反向相反，且电枢反电动势大于整流器输出电压，这时回路的电流由电枢电动势产生，且经反组整流器(逆变状态)流向交流电源，电动机进入发电回馈制动阶段。这阶段的特点是电动机转速不断下降，电动机的惯性储能经反组整流器回输电网。随着转速的下降，电枢电动势也不断下降，但由于转速调节器的输出在电动机转速没有反向超调时，始终保持着最大限幅状态，这时电流调节器发挥作用，维持电动机以最大电流回馈制动，即电流调节器的输出随转速的下降而减小，力图保持最大的制动电流，取得最快的制动效果。 如果紧接着反转，d dm I I =-的过程就会延续下去，直到反向转速稳定时为止。正转制动和反转启动完全衔接起来，没有间断或死区。
βα=控制的有环流可逆调速方式，在实际应用中由于难以准确保持βα=的状态，
一旦出现βα=时，就有可能产生直流环流，使整流器过载或损坏，故实际上并不采用，但研究βα=控制的有环流可逆系统，对理解直流电动机的可逆过程有很大帮助。
二、主回路的设计
1) 主回路元器件参数计算及型号选择
1. 整流变压器的参数计算
一般情况下，晶闸管变流装置所要求的交流供电电压与电网电压是不一致的，需要通过变压器与电网我连接。另外，合适的输入电压可以使得晶闸管在较大的功率因数下运行；变压器的隔离作用还可以抑制由变流器进入电网的谐波成分，减小对电网的污染。
主电路选用的变压器一次侧绕组采用△联接，二次侧采用Y 联接。电网一次侧线电压为380V 。
整流变压器二次相电压的φ2U 选择：
注意U2过高会使得设备运行中为保证输出直流电压符合要求而导致控制角过大，使得功率因数小，如果U2选择过小又会导致在触发角min αα=的情况下仍然得不到要求的直流电压。可以根据以下公式来计算整流变压器二次相电压的φ2U
3
U 2N
kU =
φ，N U 为电动机额定电压。 在实际运行中整流器输出的平均电压还受其它因素的影响，诸如电网电压的波动，晶闸管的正向导通压降以及回路杂散电阻的影响等。所以系数1.1~05.1∈k 代入数据得：
V V U 72.140~37.1333/220)1.1~05.1(2=?=φ，取V U 138
2=φ 因此变压器的变比近似为
79.2136/38021===
φ
φU U K
整流变压器一、二次侧相电流的计算。
二次侧相电流
dN I I K I =φ2
I K 为二次侧相电流的计算系数,在三相桥式整流中3
2=
I K 。 dN I 为整流器额定直流电流。
代入参数数得：
A I 376.2936816.02=?=φ
则一次侧电流为：05.12
1?=K
I I φ,式中K 为变压器变比 代入数据计算得
A I 055.111=φ
变压器一次容量1S
φφ1111I U m S =
二次侧容量为2S ,φφ2222I U m S =
1m ，2m 为相数，
变量器容量
)(2
1
21S S S +=
代入参数计算得KVA S 382.12=
考虑一定的裕量，选取容量为30KVA 的变压器。
2. 晶闸管的参数计算及选型
选择晶闸管主要是选择它的额定峰值电压(重复峰值电压)T U 、额定电流(通态平均电流))(AV T U 、门极触发电压和门极触发电流即可，尤其是额定峰值电压与额定电流这两个指标。
在本设计我们采用的是三相桥式全控整流电路，在阻感负载中晶闸管承受的最大电压
V U U m 338138623=?=?=φ
考虑电网电压的波动和操作过电压等因素，需乘上一个2～3的安全系数，这样可以得到:
V V U U m TM 1014~676)3~2(==
晶闸管额定电流的计算：
晶闸管在使用是应按实际电流有效值VT I 与通态平均电流有效值相等的原则来选取晶闸管额定电流)(AV T I ，即：
)(57.1AV T VT rel I I K =，rel K 为裕量系数
实际使用时还就留一定的裕量，rel K 一般取2~5.1。 流过晶闸管的电流的有效值为：
max 3
1
d VT I I =
max d I 为直流侧最大电流，代入数据计算得：A I I d 316.6225.12max =?≈
A A I K I VT
rel AV T 832.45~374.3457
.1)(==
在普通电机调速中用普通晶闸管即可，查ZP 系列整流管参数表：
正向平均电流 正向峰值电压 反向得复
峰值电压
VRRM （V ） 反向重复
峰电流
工作结温
推荐用
安装力
型号
IF （AV ）（A ） VFM （V ） IRM （mA)
散热器
ZP5A 5 ≤1.6 50～2000 ≤2 TJ ℃-40～+150
SZ13 ZP 螺旋式
ZP10A 10 ≤1.6 50～2000 ≤5 SZ14
ZP20A 20 ≤1.8 50～2000 ≤5 SZ15 ZP30A 30 ≤2.0 50～2400 ≤7 SZ16 ZP50A 50 ≤2.0 50～2400 ≤8 SZ16 ZP100A 100 ≤2.0 50～3000 ≤10 SL17 ZP200A 200 ≤2.0 50～3000 ≤12 SL18
8 ZP300A 300 ≤2.0 50～3000 ≤15 SL19 11
ZP500A 500 ≤2.0 50～3000 ≤20 SF15 SS12 15 陶瓷型螺旋式
ZP800A 800 ≤2.0 50～3000 ≤25 SF15 SS13 19 ZP1000A 1000 ≤2.0 50～3000 ≤25 SF16 SS 13 24 ZP1500A 1500 ≤2.0 50～3000 ≤30 SS14 30 ZP2000A 2000 ≤2.0 50～3000 ≤30 SS14 36
ZP3000A
3000
≤2.0
50～3000
≤35
SS14
40 图2-1 ZP 系列整流管参数表
选取ZP50型号的晶闸管即可满足要求，其额定电流A I AV T 50)(=。
3. 平波电抗器参数的计算
在V-M 系数中，脉动电流会增加电动机的发热，同时也会产生脉动转矩，对生产机械不利。此外，电流波形的断续给予平均值描述的系统带来一种非线性的因素，也引起机械特性的非线性，影响系统的运行性能。为了减轻电流脉动的影响，这里采用设置平波电抗器的方式来抑制电流脉动。
对于三相桥式整流电路，总电感量的计算公式为：
min
2
693
.0d I U L = 一般情况下min d I 为电动机额定电流的10% ~ 5%。 代入数据计算得mH I U L dN
4275.46.0693
.02
==
其中电动机电枢的电感量为：mH R T L a l a 93.0*03.0=== 因此无需电抗器即可满足要求。
2) 主电路保护元件的参数计算及选型。
1. 变压器二次侧过电压保护
整流设备晶闸管能够承受的最大峰值电压是重要参数之一，该参数表征晶闸管承受过电压的能力。过电压主要是指电气系统内部合闸、分闸和电力电子器件的关断等原因造成的操作过电压。例如，降压变压器初次合闸时，初级施加的高压会通过初、次级绕组间的分布电容耦合到次级，使之出现感应过电压；交、直流侧的分闸操作切断电感回路电流时，会因电感释放磁场储能而形成数倍额定电压的过电压；在晶闸管管断过程中，因反向电流迅速减小。回路电感中会产生很高的换相过电压。除了操作过电压外，还有由于雷击等外部因素侵入电网的偶然性的浪涌过电压，过电压倍数会很高。
采取过电压保护措施后，会使经常发生的操作过电压限制在器件额定电压以下，偶然性的浪涌电压限制在其间的断态和反向不重复峰值电压数值以下。
过电压保护措施有基于吸收原理的阻容保护和基于泄放原理的非线性元件保护两种，其目的都是为将过电压限制在允许范围之内。 阻容保护
图2-1 过电压阻容吸收保护电路原理图
在本设计中采用阻容吸收保护的方式来抑制过电压，阻容吸收装置中)(F C μ的计算公式为：
l
s g U f I K C 22
1
ζ=
R 的阻值（Ω）计算公式为：2
22I U K R l g ζ=
R 的功率（W ）计算公式为：R I K P g R 223)(ζ=
以上各式中，l
U 2为变压器次级空载线电压，V ，2I 为变压器次级线电流，A ，s
f 为电源
频率，Hz ，
1g K 、
2
g K 、
3
g K 为计算系数，见下表，
ζ为变压器励磁电流对额定电流的标
么值，一般取05.0~02.0。
电路形式
单相桥式
三相桥式
三相半波
三相双反星形
1g K
29000
17320 13860 12120 2g K
3.0
17.0 21.0 24.0
3g K
25.0
25.0
25.0
2.0
表2-2
变压器的容量30KV A ，将数据代入公式计算得：
F C μ2772.1=,取E24系列标准电容值F μ3.1。
电容的耐压值：V U U V m 2075.15.12==≥φ 计算电阻阻值：Ω=108.46R
计算电阻功率：W P R 28
.2= 因此电阻可以取标准值Ω47的水泥电阻。 金属氧化物压敏电阻的过电压保护
压敏电阻是由氧化锌，氧化铋等烧结制成的非线性电阻元件，它具有正反相同很陡的伏安特性，正常工作时漏电流小、损耗小，而泄放冲击电流能力强，抑制过电压能力强，除此之外，它对冲击电压反映快，体积又比较小，应用广泛。 压敏电阻的选择可按下式
压峰值压敏电阻承受的额定电?≥
9
.0~8.01ε
mA U
式中mA U 1为压敏电阻的额定电压；ε为电网电压升高系数，一般ε取1.05~1.10。取10.1=ε得：V V U mA 268~23913829
.0~8.010
.11=??≥
，查压敏电阻型号表得知MYG-32D471K
型号的压敏电阻即可满足要求。以下是其技术参数：
型号
最大连续工作
电压 压敏电压
最大限制 电压
通流容量（8/20u s ）
最大能量 （J ）
额定功率
电容量
AC(V) DC(V)
V0.1mA
Vp(V) l p(A) 1次(A) 2次(A) 10/ 1000us 2ms (W)
1KH Z (pF)
MYG-32D471K 300 385 470(423-517) 775 200 25000 20000 380
2800
表2-3 MYG-32D471K 技术参数表
2. 直流侧过电压保护
图2-2 直流侧过压保护
直流侧过电压保护可以用阻容或压敏电阻，但采用阻容保护容易影响系统的快速性，并造成dt di
加大（上升率大会使晶闸管误导通）。因此，一般只用压敏电阻作过电压保护可
以按照下式来计算所需要的压敏电压：
bc
aV V mA
=0.1
a=表示电源电压波动系数一般取1.2
V=表示电路直流工作电压（交流时为有效值） B=压敏电阻的公差，一般取0.85 C=表示元件的老化系数一般取0.9 代入数据计算得:V bc aV V mA 10.3459
.085.0220
2.10.1=??==
查压敏电阻的规格表，选择型号为DC 385V 的MYG-32D471K 的压敏电阻。
3. 晶闸管过电压保护：
图2-3 晶闸管阻容吸收保护电路原理图
为了抑制晶闸管的换相过电压，并限制电路电压上升率
dt du （dt
du 过大会导致晶闸管误导通），确保晶闸管安全工作，需要在晶闸管两端并联RC 阻容吸收网络。
上图中阻容保护的元件参数可以根据下表列出的经验数据进行选定。
电容耐压值，通常按加在晶闸管两端工作电压峰值m U 的1.1~1.5倍计算：
m DC U V )5.1~1.1(=
电阻功率RP （W ）为
62
10-?=m R fCU P
式中f ——电源频率（Hz ），C ——电容值（F ），m U ——晶闸管工作电压峰值（V ）。 晶闸管额定电流（)(AV VT I ） 10 20 50 100 200 500 1000 电容/F μ 0.1 0.15 0.2 0.25 0.5 1 2 电阻/?
100
80
40
20
10
5
2
表2-4 阻容保护的元件参数 晶闸管额定电流/A
在本设计中所选择的晶闸管的型号ZP50的额定电流A I AV T 50)(=，对应上表选择电容
F C μ2.0=，耐压值V V U V m DC 359~262)5.1~1.1(==，相应耐压值为400V 。
选择电阻Ω=40R ，电阻功率为W fCU P m R 57.0106
2
=?=-
4. 晶闸管的过电流保护：
当变流装置内部元件损坏、控制或触发系统发生故障、可逆传动环流过大或逆变失败、交流电压过高、过低或缺相、负载过载等，均会引起装置中电力电子器件的电流超过正常工作电流。由于晶闸管的过流能力比一般电气设备低得多，因此，必须对晶闸管采取过电流保护措施。
在这里我们采用串联快速熔断器的方式来对晶闸管进行过电流保护。一般说来快速熔断器额定电流值（有效值RD I ）应小于被保护晶闸管的额定方均根通态电流（即有效值）TRMS I 即)(57.1AV T I ，同时要大于流过晶闸管的实际通态方均根电流（即有效值）RMS I 。即：
RM S RD TAV I I I ≥≥57.1
通过查表得熔断器可以选用370RSM30Z78-80A 型号的快速熔断器。
3) 抑制环流电抗器参数的计算
图2-4 环流电抗器电路原理图
在采用βα=配合控制之后，r f βα=，使得r d f d U U 00-=，消除了直流平均环流，但这只是就电压的平均值班而言的，由于整流与逆变瞬时电压值上的差异，仍会出现瞬时电压r d f d U U 00->的情况，从而仍能产生瞬时的环流，这类因为瞬时电压差而产生的环流被称为瞬时脉动环流。为了抑制瞬时脉动环流，可在环流回路中串入电抗器，做环流电抗器。上图中电抗器的电感量可以按照把瞬时环流的直流分量cp I 限制在负载额定电流的
%10~%5来设计。
1. 抑制环流电抗器参数的计算
设计环流电抗器须考虑产生环流的最严重情况，反并联线路在
60=α时最为严重，此时
11.22
=U U cm
。
00.0050.010.015
0.020.0250.030.0350.04
-200
-100
100
200
t(s)
U (V )
图2-5 MA TLAB 模拟的环流电压波形 60=α
在Simulink 进行环流仿真：
1L.s
Transfer Fcn1
Scope
Repeating Sequence
图2-6 Simlink 框图
由等式sL
s U s I )
()(=
得出上面的仿真原理图 00.010.02
0.030.040.050.06
123
4t(s)
I (A )
图2-7 当电感mL L
50=时的仿真结果（平均电流%10%41.5,
95.1<==dN
AV
AV I I A I ) 因此抑制环流电抗器的电感量取mL L 50=即可满足要求
4) 晶闸管脉冲触发电路设计：
在配合控制的有环流可逆V-M 调速系统中，要求正组的移相脉冲触发延迟角α和反组的触发延迟角β满足以下关系式：
?=+180βα，避免正组和反组同时工作在整流状态或者状态，从而达到消除直流平均
环流的目的。另外，触发脉冲产生电路还应满足以下一些要求。
1）触发信号应有一定的功率及宽度，以确保晶闸管在各种条件下均能可靠地触发并导通 2）为使晶闸管在每个周期都在相同的控制角α下触发导通，触发脉冲必须与电源同步，也就是说触发信号应与电源保持固定的相位关系。
3）为了防止晶闸管装置在逆变状态工作中逆变角β太小而导致换流失败，出现“逆变颠覆”现象，必须在控制电路中进行限幅，形成最小逆变角min β保护，同时对α角也应实施min α保
护，以免出现βα<而产生直流平均环流，通常取
30min min ==βα。
我们采用的触发脉冲产生电路原理图如下：
图2-8 触发脉冲产生电路原理图
其中集成晶闸管三相移相触发集成芯片TC787，TC787是采用独有的先进IC工艺技术，可单电源工作，亦可双电源工作，主要适用于三相晶闸管移相触发和三相功率晶体管脉宽调制电路，以构成多种交流调速和变流装置，是目前国内市场上广泛流行的TCA785及KJ(或KC)系列移相触发集成电路的换代产品，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点，而且装调简便、使用可靠，只需一个这样的集成电路，就可完成3只TCA785与1只KJ041、1只KJ042或5只KJ(3只KJ004、1只KJ041、1只KJ042)(或KC)系列器件组合才能具有的三相移相功能。因此，TC787可广泛应用于三相半控、三相全控、三相过零等电力电子、机电一体化产品的移相触发系统，从而取代TCA785、KJ004、KJ009、KJ041、KJ042等同类电路，为提高整机寿命、缩小体积、降低成本提供了一种新的、更加有效的途径。
同步电压输入脉冲放大电路
隔离输出电路原理图
图2-9
如上图所示，TC787的同步电压输入经RC滤波电路再输入TC787的同步脉冲端，可以起到抑制高频躁声的作用TC787输出的脉冲信号通过一个达林顿管得到放大，驱动能力得到提升。触发电路通常采用单独的低电压电源供电，因此应采用某种方法将其与主回路电源隔离。常用的是在触发电路与主回路之间连接脉冲变压器或者磁耦隔离电路。与光耦比较采用，些种方式可以避免光耦上速度限制、功耗以及LED老化问题。耦合变压器输出侧接两个反串联的二极管以保证输出电压的方向和晶闸管触发电压方向一致，保证晶闸管可靠导通。
5)电机励磁回路设计：
图2-10 直流电动机励磁回路
通过调节电压输入的变压器的变比或者调节可变电阻RPot的阻值，可以给直流电机动提供所需的额定直流励磁电流。欠电流继电器KA2起失磁保护作用，当励磁回路断开或者励磁电流过低时，KA2能及时动任从而防止直流电动机发生飞车。
6)转速检测及反馈环节
测速发电机接线原理图 转速反馈电压反相放大器
图2-11 转速反馈实现电路图
本设计中转速反馈环节采用测速发电机来实现。其中测速发电机采用CYH 型直流测速发电机，55CYH 型直流永磁测速发电机为环型结构，结构简单，可与各种规格直流伺服电动机同轴安装作为速度检测元件，为系统提供相应的反馈信号，实现闭环、半闭环控制，使直流伺服电动机具有很宽的无级调速比。而且其磁场可以开路，定、转子可以随便脱开，便于安装和维修。如图，可以通过调节可调电位器以获得设计要求的转速反馈系数α，反向放大电路用于形成转速负反馈，以便和运放构成负反馈运算电路。
本设计中电动机额定转速为1000r/min ，选用55CYH02型号的测速发电机即可满足要求。下 型号
输出斜率
)
min (1-??kr V
线性误差(%) 最大工作转速)
min *(1-r 纹波系数(%)
输出电压不对称度(%)
最小负载电阻(Ωk )
-1级
0级
55CYH 02
6≥ <=0.5 <=0.1 2000
<=1
<=1 10
表2-5 55CYH02测速发电机技术数据
三、控制回路的设计
1
1+s T oi ASR
+-
ACR
1
1+ons T -
+1
+s T Ks s +
-
1
/1+s T R l +
-1
+s T R m Ce
11
+s T oi β1
+s T on α*n
U )
(S I dL )
(s E )
(0s U
d )
(s U c )
(s U i 图3-1 双闭环调速系统的动态结构图
1) 电流调节器ACR 的设计
1
1+s T oi +-
ACR
1
+s T Ks s 1
/1+s T R l 1
+s T oi β*
i U )
(s U c )
(s I d +
-
1
1+s T oi ACR
)
1)(1(/++s T s T R K l S s +
-
ACR
)
1)(1(/++∑s T s T R K i l s ββ)(*s Ui )
(s U c β)
(*s Ui )
(s I d )
(s I d (a)
(b)
(c)
图3-2 电流环的动态结构图及其简化
忽略反电动势的影响 （b ）等效成单位负反馈系统
（c ）小惯性环节近似处理
1）确定时间常数
1.整流装置滞后时间常数Ts 通过查下表3-1得s T s 0017.0= 整流电路形式 最大失控时间 平均失控时间 单相半波 20 10 单相桥式 10 5 三相半波 6.67 3.33 三相桥式
3.33
1.67
表3-1
2.电流滤波时间。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oi T )2~1(，因此取s ms T oi 002.02==
3.电流环小时间常数之和s T T T oi s i 0037.0=+=∑
根据设计要求%15≤σ并保证稳态电流无差，可按典型Ⅰ型系统来设计电流调节器。
《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
湖南科技大学 信息与电气工程学院 《课程设计报告》 题目：转速电流双闭环的数字式可逆直流调速系统的仿真与设计 专业：电气工程及其自动化 班级： 姓名： 学号： 指导教师：
任务书 题 目 转速电流双闭环的数字式可逆直流调速系统的仿真与设计 时 间安排 2013年下学期17,18周 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。 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s T s 1.0≤，电流超调量%5%≤i σ，空载起动到额定转速时的转速超调量%30%≤n σ。 总体方案实现：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。 指导教师评语： 评分等级：（ ） 指导教师签名：
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
逻辑无环流可逆直流调速系统设计与研究 ——主电路设计 1 绪论 1.1电力拖动简介 随着科学技术的发展，人力劳动被大多数生产机械所代替。电力拖动及其自动化得到不断的发展。随着生产的发展，生产工艺对电力拖动系统的要求越来越高，尤其在其准确性、快速性、经济性、先进性等方面的要求，与日俱增。因此，需要不断地改进和完善电气控制设备，使电力拖动自动化可以跟得上技术要求。 电力拖动系统由电动机及其供电电源、传动机构、执行机构、电气控制装置等四部分组成。电动机及其供电电源是把电能转换成机械能；传动机构的作用是把机械能进行传递与分配；执行机构是使机械能完成所需的转变；电气控制装置是控制系统按着生产工艺的要求来动作，并对系统起保护作用。 随着生产的要求不断提高，技术不断更新，拖动系统也随之更新。同时，新型电机、大功率半导体器件、大规模集成电路、电子计算机及现代控制理论发展的发展使电力拖动自动化发生了巨大的变革。 1.2直流调速系统 直流电机由于其良好的起、制动性能和调速性能，在电力拖动调速系统中占有主导地位，虽然近年来交流电动机的调速控制技术发展很快，但是交流电动机传动控制的基础仍是直流电动机的传动技术。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统领域中得到了广泛的应用。 直流电机容易实现各种控制系统，也容易实现对控制目标的“最佳化”，直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，掌握直流拖动控制系统可以更好的研究交流拖动系统。从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动控制系统有调速系统、位置
电子控制系统的组成和工作过程 一、教学分析 1．教材分析 本课是第一章第二节“电子控制系统的组成和工作过程”。从对比分析两种路灯控制系统的基本组成入手，再通过搭接一个路灯自动控制的电子模型，来学习电子控制系统的基本组成和工作过程，从而为学生学习后面各章提供了一把钥匙。 2．学情分析 学生在通用技术必修2的学习中，已学过关于控制系统的一些概念，例如输入、控制、输出，以及功能模拟方法的含义，但对电子控制系统内部电子元件，例如发光二极管、光敏电阻、三极管等的工作原理不太了解，教师可用通俗的语言补充解释其作用，以利于学生的学习。 二、教学目标 1．知识与技能目标 （1）知道电子控制系统的基本组成。 （2）能用方框图分析生活中常见电子控制系统的工作过程。 2．过程与方法目标 （1）通过对两种路灯控制系统方框图的对照，知道电子控制系统的基本组成。 （2）通过搭接一个路灯自动控制的电子模型，加深对电子控制系统组成的理解。 3．情感态度和价值观目标 （1）激发学生动手尝试的兴趣和热爱技术的情感。 （2）提高学生比较及分析电子控制系统的能力。 三、教学重难点 1．重点 （1）电子控制系统的基本组成。 （2）能用方框图分析生活中常见电子控制系统的工作过程。 2．难点 电子控制系统内部常见电子元件的工作原理。 四、教学策略 本节课程以多媒体技术为辅助教学手段，通过观察、基本知识讲授、小组探究、分析表达、技术试验、能力展示等教学方法和策略，在教师指导下，通过学生自主探究建构知识和技能。 五、教学准备 通用技术专用教室、多媒体、课件、路灯自动控制模型。 六、课时安排 共1课时 七、教学过程 （一）新课导入 教师展示：路灯自动控制模型 板书：第一章电子控制系统概述 第二节电子控制系统的组成和工作过程
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
目录 １α= β配合控制的直流可逆调速系统的工作原理 2 α ＝β配合控制的有环流直流可逆调速 系统的仿真模型及参数 3 仿真结果及分析 4 心得体会 5 参考文献
摘要: 针对面向系统传递函数结构图仿真方法的不足,提出了一种基于MＡTＬAB的Ｓｉmulink和 Pｏwer Syｓteｍ工具箱、面向系统电气原理结构图的仿真新方法,实现了转速与电流双闭环α= β 配合控制的直流可逆调速系统的建模与仿真。分别介绍了同步脉冲触发器、移相器控制器和PI调节器的建模，给出了直流可逆调速系统的仿真模型和仿真结果,仿真结果表明了仿真算法可信度较高。 关键词: α= β 配合控制;直流电机；ＭATLAB仿真;移项控制器 Absｔｒaｃt: Aｎoveｌmethod oｆｃonｓｔructioｎ& simｕｌaｔiｏn was put forｗard foｒthe modｅｌoｆα ＝βmoderaｔing cｏntrｏｌDC SR sysｔem ｂasｅｄｏn Ｍaｔｌab Ｓimuｌｉｎk &Power SyｓteｍBlocksｅｔ，ｂeca ｕse ｉt was shｏrtagｅfor fａｃｉng system ｔranｓｆｅｒfuｎｃtion constructiｏn dｒawinｇｔo siｍulaｔe.Thｅmｏdel of sｙｎchronizｅｄ6－pulsｅgenerａtor, ｓhiftｅr and ＰI cｏntｒoｌler weｒe ｉntroduced, ａｎdｔhe simulａtioｎreｓｕlts＆mｏdels ｆor theα= βmｏｄeratｉng conｔ ｒｏl DC SＲｓystem wｅｒe ｐrovideｄ. Ｓiｍｕlaｔion ｒesults show that ｓimulａtion metｈoｄis correｃt ｗiｔｈｈｉgｈｃredｉｂiliｔy. Ｋey woｒｄs:α =β moderating contｒol; DC moｔｏr; MAＴＬＡB sｉmulatiｏn；ｓhiｆter 引言 晶闸管反并联的电枢可逆线路是可逆调速系统的典型线路之一。这种线路有能实现可逆运行、回馈制动等优点，同时正转制动和反转启动完全衔接起来，没有间断或死区，这是有环流调速系统的优点，特别是用于要求快速正反转的中小容量的系统。为保证系统安全，必须增加环流电抗器以消除其中的环流[1－2］。本文采用MATLAＢ的Simulｉｎｋ和PowerS ｙstem工具箱，介绍如何实现α＝β配合控制的直流可逆调速系统的建模与仿真。 α= β配合控制的直流可逆调速系统的建模 控制系统传统的计算机仿真是用传递函数方法来完成的，各环节的传递函数是将实际模型经过一定的简化而得到的，很多重要细节会被忽略［3]。PoｗeｒSystｅm 工具箱提供了利用物理模型仿真的可能，其仿真建模方法与构建实际电路相似,仿真结果非常接近于实际。 1 α ＝β 配合控制的直流可逆调速系统的工作原理 α=β配合控制的有环流直流可逆调速系统的电气原理图如图1所示。图中,主电路由两组三相桥式晶闸管全控型整流器反并联组成,并共用同一路三相电惊。由于采用α= 卢配合控制方式，在两组整流器之间没有直流环流，但还存在脉动环流,为了限制脉动环流的大小,在主电路中串入了四个均衡电抗器Lc1-Ｌc4，用于限制脉动环流。平波电抗器L d 用于减小电动机电枢电流的脉动,减小电枢电流的断续区，改善电动机的机械特性。系统的控制部分采用F 转速和电流的双闭环控制。由于可逆调速电流的反馈信号不仅要反映电枢电流的大小还需要反映电枢电流的方向,因此电流反馈一般用直流电流互感器或霍尔电流检测器，在电枢端取电流信号。为了确保两组整流器的工作状态相反,电流调节器的输出分两路,一路经正组桥触发器GTF 控制正组桥 整流器,另一路经倒相器ＡR 、反组桥触发器GTR 控制反组桥整流器。
自动控制系统课程 设计报告 课程名称：自动控制系统课程设计 设计题目：配合控制的有环流可逆调速系统设计
课程设计（论文）任务书
一、配合控制的有环流可逆调速系统概述及工作原理 (4) 1) 系统概述 (4) 2) 双闭环直流调速系统概述 (4) 3) V-M调速系统工作原理分析： (6) 二、主回路的设计 (8) 1) 主回路元器件参数计算及型号选择 (8) 2) 主电路保护元件的参数计算及选型。 (11) 3) 抑制环流电抗器参数的计算 (14) 4) 晶闸管脉冲触发电路设计： (16) 5) 电机励磁回路设计： (18) 6) 转速检测及反馈环节 (18) 三、控制回路的设计 (19) 1) 电流调节器ACR 的设计 (19) 2) 转速调节器的设计 (22) 3) 控制器输出限幅环节 (26) 4) 反相器设计 (26) 5) 电流反馈环节 (26) 四、直流稳压供电电源的设计 (27) 6) 工作原理 (27) 五、操作及系统故障保护回路的设计 (28) 六、参考文献 (29)
配合控制的有环流可逆调速系统概述及工作原理 1) 系统概述 有许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地起动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是说，需要可逆的调速系统。较大功率的可逆直流调速系统多采用晶闸管-电动机系统。由于晶闸管的单向导电性，需要可逆运行时经常采用两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。 采用两组晶闸管反并联的可逆V-M 系统，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流。配合控制消除平均直流环流的原则是正组整流装置处于整流状态，即为正时，强迫使反组工作在逆变状态，即为负，且幅值与相等，使逆变电压把整流电压顶住，则直流平均环流为零。 图1-1 V-M 可逆调查速系统 2) 双闭环直流调速系统概述 1. 单闭环调速系统存在的问题 图1-2 单闭环直流调速系统稳态结构框图(dcr d I I ) 1) 用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响， 2) 环的任何扰动，只有等到转速出现偏差才能进行调节，因而转速动态降落大。 3) 电流截止负反馈环节限制起动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响
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% 。
柴油发电机组控系统工作原理 LIXISE 作者： 作者：LIXISE 柴油发电机组控制系统工作原理和算法是相当的复杂，每个电路的设计都有其特定的算法来予以实现。柴油发电机组的控制器系统犹如发电机组的心脏，智能控制系统的使用大大提高了柴油发电机组的运行，保障了柴油发电机组的稳定工作，那么控制系统是通过何种原理和算法来实现呢？柴油发电机组的控制部分，数字式励磁控制器较传统的模拟电路励磁控制器具有精度高，反应快，控制算法适应性强，对于不同特性的电机只要通过调整程序参数就能适应，甚至可以实现更高端的自适应智能控制算法等优点。 一、数字励磁控制器软件实现与算法研究 主要是对数字式励磁控制器的软件和所采用的控制算法进行论述。首先对数字励磁控制器的主程序进行设计，然后对电量参数采集算法和智能励磁控制算法进行研究，并在ＣＰＵ上进行实现。为了实现精确的数字励磁控制，需要得到实时、精确的电量数据，而要获得实时、精确的电量数据，则需要采用交
流采样方法，并推导出交流采样下各个电量的计算公式，最终编写计算出电量数据的算法程序。交流采样是按一定的规律对被测信号的瞬时值进行采样，再按照一定的数学算法求出被测电量参数的测量方法。下面给出交流电压，交流电流，有功功率，无功功率，功率因素的各种算法中的离散公式。 二、数字式励磁控制器总体设计方案 工作电源：由于微处理器的工作电源要求，我们需要一个５Ｖ的稳定直流电源，信号调理电路的运算电路的供电需要一组±１２Ｖ的直流电源，另外，开关量输出需要驱动继电器，所以需要一个＋２４Ｖ的直流电源，为此我们需要设计一个电源转化模块得到系统正常工作所需的三组ＤＣ电源。 三、交流采样锁相环电路 要进行交流采样，通常需要进行同步采样，目前交流采样方式主要有硬件同步采样、软件同步采样和异步采样三种。硬件同步由硬件同步电路向ＣＰＵ提出中断实现同步。硬件同步电路有多种形式，常见的如锁相环同步电路等。硬件同步采样法是由专门的硬件电路产生同步于被测信号的采样脉冲。它能克服软件同步采样法存在截断误差等缺点，测量精度高。利用锁相频率跟踪原理实
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
目录 1逻辑无环流可逆直流调速系统简介 ..................................................................................... 1 2逻辑无环流直流调速系统参数和缓解特性的测定 . (3) 2.1电枢回路电阻R 的测定 ............................................................................................. 3 2.2主电路电磁时间常数的测定 ...................................................................................... 4 2.3电动机电势常数e C 和转矩常数M C 的测定 ............................................................... 6 2.4系统机电时间常数Tm 的测定 ................................................................................... 6 2.5测速发电机特性)(n f U TG 的测定 .......................................................................... 7 3驱动电路的设计 (9) 3.1电流调节器的设计 (9) 3.1.1电流调节器的原理图 ....................................................................................... 9 3.1.2电流调节器的参数计算 ................................................................................. 10 3.2速度调节器的设计 . (11) 3.2.1速度调节器的原理图 ..................................................................................... 11 3.2.2速度调节器的参数计算 ................................................................................. 12 3.3触发电路的设计 .. (14) 3.3.1系统对触发器的要求 ..................................................................................... 14 3.3.2 触发电路及其特点 ........................................................................................ 14 3.3.3KJ004的工作原理 . (15) 4无环流逻辑控制器DLC 设计 ............................................................................................. 18 5系统主电路设计 . (19) 5.1主电路原理及说明 .................................................................................................... 19 5.2保护电路的设计 ........................................................................................................ 19 总结 .......................................................................................................................................... 21 参考文献 .................................................................................................................................. 22 附录 (23)
； 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 】
直流PWM-M可逆调速系统的设计与仿真 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：PWM调速、直流电动机、双闭环调速
目录 前言 (1) 第1章直流PWM-M调速系统 (2) 第2章UPE环节的电路波形分析 (4) 第3章电流调节器的设计 (6) 3.1 电流环结构框图的化简 (6) 3.2 电流调节器参数计算 (7) 3.3 参数校验 (8) 3.3.1 检查对电源电压的抗扰性能： (8) 3.3.2 晶闸管整流装置传递函数的近似条件 (9) 3.3.3 忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 (9) 3.3.4 电流环小时间常数近似处理条件 (9) 3.4 计算调节器电阻和电容 (9) 第4章转速调节器的设计 (11) 4.1 电流环的等效闭环传递函数 (11) 4.2 转速环结构的化简和转速调节器结构的选择 (11) 4.3 转速调节器的参数的计算 (14) 4.4 参数校验 (14) 4.4.1 电流环传递函数化简条件 (15) 4.4.2 转速环小时间常数近似处理条件 (15) 4.5 计算调节器电阻和电容 (15) 4.6 调速范围静差率的计算 (16) 第5章系统仿真 (17) 5.1 仿真软件Simulink介绍 (17) 5.2 Simulink仿真步骤 (17) 5.3 双闭环仿真模型 (17) 5.4 双闭环系统仿真波形图 (18) 结论 (19) 参考文献 (20)
远程与继续教育学院 本科毕业论文（设计） 题目：逻辑无环流直流可逆调速系统的建模与仿真学习中心：内蒙古学习中心 学 姓名：孔利强 专业：电气工程及其自动化 指导教师：王旭东 2017 年 9 月 5 日
中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院 本科毕业论文（设计）指导教师指导意见表 学生姓名：孔利强学号专业：电气工程及其自动化毕业设计（论文）题目：逻辑无环流直流可逆调速系统的建模与仿真
中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院 本科毕业设计（论文）评阅教师评阅意见表 学生姓名：孔利强学号专业：电气工程及其自动化毕业设计（论文）题目：逻辑无环流直流可逆调速系统的建模与仿真
论文原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的本科毕业论文《交流电机串级调速系统建模与仿真》，是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。论文中引用他人的文献、资料均已明确注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在文中说明并致以谢意。 本人所呈交的本科毕业论文没有违反学术道德和学术规范，没有侵权行为，并愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果。 论文作者（签字）：孔利强 日期：2017年9 月 5 日
摘要 随着科学技术的发展，人力劳动被大多数生产机械所代替。电力拖动及其自动化得到不断的发展。随着生产的发展，生产工艺对电力拖动系统的要求越来越高，尤其在其准确性、快速性、经济性、先进性等方面的要求，与日俱增。因此，需要不断地改进和完善电气控制设备，使电力拖动自动化可以跟得上技术要求。 电力拖动系统由电动机及其供电电源、传动机构、执行机构、电气控制装置等四部分组成。电动机及其供电电源是把电能转换成机械能；传动机构的作用是把机械能进行传递与分配；执行机构是使机械能完成所需的转变；电气控制装置是控制系统按着生产工艺的要求来动作，并对系统起保护作用。 随着生产的要求不断提高，技术不断更新，拖动系统也随之更新。同时，新型电机、大功率半导体器件、大规模集成电路、电子计算机及现代控制理论发展的发展使电力拖动自动化发生了巨大的变革 关键词： 1、直流电机 2、无环流系统 3、调节器
电控系统工作原理 一、电控系统工作原理 随着科技进步和电子工业的发展，国产轿车采用电子控制燃油喷射系统的比率逐年增加，早在2000年，一汽—大众就宣布停止化油器式发动机的生产，产品全部采用电子控制燃油喷射系统。最早研究和开发汽油喷射式发动机的是德国博世(Bosch)公司，汽油喷射技术首先应用于飞机发动机，随着对汽车节能降耗、降低排放和提高舒适性、增加动力性的要求，这一技术被应用于汽车发动机上。目前，博世公司在这一领域的技术和产品仍处于世界领先地位。捷达王轿车就采用了博世公司最新开发的Motronic M3．8．2发动机电控管理系统，并根据中国的国情做了改进和匹配。Motronic M3．8．2发动机电控管理系统为电子控制多点燃油顺序喷射系统，闭环控制，其突出特点是喷油量及点火时刻综合控制。该系统由电子控制单元、传感器、执行器等组成，传感器为燃油喷射系统和点火系统所共用。 1．Motronic M3．8．2发动机电控管理系统的组成及工作原理 Motronic M3．8．2电控系统由电控单元(即ECU，俗称电脑)、发动机转速传感器(也称曲轴位置传感器)、空气流量传感器、节流阀体、进气温度传感器、冷却液温度传感器(发动机水温传感器)、k传感器(即氧传感器)、爆震传感器、相位传感器(也称凸轮轴位置传感器或霍尔传感器)、双点火线圈、油压调节器和喷油器等组成。 驾驶员通过节气门(俗称油门)控制发动机进气量，控制单元通过节气门位置传感器得知节气门开度，再综合发动机转速、空气流量、进气温度、λ探测值等各传感器及电子开关提供的信息，经分析、计算，确定出最佳喷油量和点火时刻，向喷油器和点火线圈发出喷油和点火指令。发动机转速和空气流量信号是ECU计算基本喷油量的主信号，ECU再根据进气温度传感器、冷却液温度传感器、A传感器、爆震传感器和节气门位置等信号对喷油量进行必要的修正，确定出实际喷油量，然后根据转速传感器得到的曲轴位置信号和相位传感器检测到的1缸压缩上止点信号，适时地向喷油器和点火线圈发出动作指令。 发动机工作可分为如下工况： (1)起动工况 发动机被起动机带动运转，当转速低于某值时，ECU识别出发动机处于起动工况，根据转速传感器、凸轮轴位置传感器、节流阀位置传感器、冷却液温度传感器、进气温度传感器等提供的信号，以及ECU中存储的最佳控制参数，计算出起动喷油量、点火角度和怠速直流电机的位置，并驱动喷油器和点火动力组件动作，使节气门处于起动位置，保证发动机顺利起动。发动机起动后，当转速超过某值时，则起动工况结束。捷达王轿车起动时，司机无需踏油门踏板、节气门会自动处于最佳起动位置。 (2)怠速工况 发动机起动后，怠速运转时，节流阀体内的怠速开关触点闭合，ECU根据此信号得知发动机处于怠速工况，同时根据冷却液温度传感器信号计算出目标转速(存储在ECU中的理论转速，温度越低，理论转速越高，以保证发动机在低温时稳定运转并快速暖机)，并与实际转速进行比较，根据转速差的正负和大小，使节气门处于目标位置，以保证发动机怠速转速达到目标值。KCU同时还通过改变点火提前角来稳定发动机怠速。捷达王发动机热车后怠速转速理论值设置为840r／mjn，怠速点火提前角设置为上止点前12°，这些值存储在ECU中，人工不能调整。 (3)运行工况 运行工况又包括部分负荷、全负荷、加减速过渡及被拖动等工况。ECU根据转
一、设计要求： 1、调速范围D=20，静差率S ≤5%。再整个调速范围内要求转速无极、平滑可调； 2、动态性能指标：电流环超调量 δ≤5%： 空载启动到额定转速时转速超量δ≤10% 直流电动机的参数： 直流电动机 型号（KW ） Z2—32 额定容量（KW ） 2.2 额定电压（V ） 220 额定电流（A ） 12.5 最大电流（A ） 18.75 额定转速（rpm ） 1500 额定励磁（A ） 0.61 GD 2 (kg m 2 ) 0.105 电动机电枢电阻RA （） 1.3 电动机电枢电感la （Mh ） 10 名称 数值 整流侧内阻Rn （Ω） 0.037 整流变压器漏感Lt （mH ） 0.24 电抗器直流电阻Rh （Ω） 0.024 电抗器电感Lh （mh ） 3.2 2.1控制系统的整体设计 直流双闭环调速系统的结构图如图1所示，转速调节器与电流调节器串极联结，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制PWM 装置。其中脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速，达到设计要求。总体方案简化图如图1所示。 ASR ACR U *n + - U U i U * i + - U c TA V M + U d I d UPE L - M
2.2桥式可逆PWM变换器的工作原理 脉宽调制器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定宽度可变的脉冲电压序列，从而平均输出电压的大小，以调节电机转速。桥式可逆PWM 变换器电路如图2所示。这是电动机M两端电压的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。 图2 桥式可逆PWM变换器电路