双闭环直流电机调速系统设计课程设计

《自动控制系统论文设计报告》

班级：自动化姓名：

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2012年X月X号指导老师：

大连XX大学信息工程学院自动化研究所双闭环直流电机调速

系统设计摘要转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的

直流调速系统。根据晶闸管的特性，通过调节控制角α大小来调节电压。基于

设计题目，直流电动机调速控制器选用了转速、电流双闭环调速控制电路。在

设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。本文首先确定整

个设计的方案和框图。然后确定主电路的结构形式和各元部件的设计，同时对

其参数的计算，包括整流变压器、晶闸管、电抗器和保护电路的参数计算。接

着驱动电路的设计包括触发电路和脉冲变压器的设计。最后，即本文的重点设

计直流电动机调速控制器电路，本文采用转速、电流双闭环直流调速系统为对

象来设计直流电动机调速控制器。

为了实现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

别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，二者之间实行嵌套

联接。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；

转速环在外边，称做外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。先确定其

结构形式和设计各元部件，并对其参数的计算，包括给定电压、转速调节器、

电流调节器、检测电路、触发电路和稳压电路的参数计算然后最后采用

MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行了仿真分析，最后画出了调速控制电路

电气原理图。

关键词：

双闭环；

转速调节器；

电流调节器目录一.绪论1.1直流调速系统的概

述……………………………………………………………………1.2为何要采

用直流调速系统………………………………………………………………1.3

研究课题的目的和意

义………………………………………………………………………二.直流调速

系统的方案设计2.1设计内容和要

求………………………………………………………………………2.1.1设计

内容……………………………………………………………………2.1.2设计

要求…………………………………………………………………………2.2双

闭环直流调速系统总设计框

图…………………………………………………………2.3主电路的结构形

式………………………………………………………………………三．调节器的

设计………………………………………………………………………………3.1

电流调节器的设计…………………………………………………………3.2转

速调节器的设计…………………………………………………………………

四．基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真……………………………………………五．课程设计总

结………………………………………………………………………………六．参

考文

献………………………………………………………………………………………

绪论1.1直流调速系统的概述三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的

变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直

流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。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提高，应用范围不断扩大。直流调速技术

不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度

的电气传动领域中仍然难以替代。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动

机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参

数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工

作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良

好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖

掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖

动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖

动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，

它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻

重的作用。

1.2为何要采用直流双闭环调速同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优

点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只

要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有

抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。由于闭

环系统的这些优点因此选用闭环系统。

单闭环速度反馈调速系统，采用PI控制器时，可以保证系统稳态速度误差为

零。但是如果对系统的动态性能要求较高，如果要求快速起制动，突加负载动

态速降小等，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

完全按照要求来控制动态过程的电流或转矩。另外，单闭环调速系统的动态抗

干扰性较差，当电网电压波动时，必须待转速发生变化后，调节作用才能产

生，因此动态误差较大。

在要求较高的调速系统中，一般有两个基本要求：一是能够快速启动制动；

二是能够快速克服负载、电网等干扰。通过分析发现，如果要求快速起动，必

须使直流电动机在起动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩，即最大的恒定允

许电枢电流，当电枢电流保持最大允许值时，电动机以恒加速度升速至给定转

速，然后电枢电流立即降至负载电流值。如果要求快速克服电网的干扰，必须

对电枢电流进行调节。

以上两点都涉及电枢电流的控制，所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量，

组成转速、电流双闭环调速系统。1.3研究课题的目的和意义在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被

调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动

的性能要差一些。双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电

流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性

能大有改善因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比

单闭环系统小得多。用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、

快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求，需要设计者有扎实的理

论基础和丰富的实践经验，而初学者则不易掌握，于是有必要建立实用的设计

方法。大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低阶系统近似。若事先深入

研究低阶典型系统的特性并制成图表，那么将实际系统校正或简化成典型系统

的形式再与图表对照，设计过程就简便多了。这样，就有了建立工程设计方法

的可能性。

直流调速系统的方案设计2.1．设计内容和要求2.1.1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形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。

3.驱动控制电路的选型设计。

4．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调节器的结构形式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性

能指标的要求。

5．绘制V—M双闭环直流不可逆调速系统电器原理图，并研究参数变化时对直

流电动机动态性能的影响。

2.1.2设计要求（假想参数）：

1.该调速系统能进行平滑地速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽地转速

调速范围（），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）。

3.动态性能指标：转速超调量，电流超调量，动态最大转速降，调速系统的过

渡过程时间（调节时间）。

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、过电流保护，并且有制动措施。

6.主电路采用三项全控桥。

2.2．双闭环直流调速系统总设计框图在生活中，直接提供的是三相交流760V

电源，而直流电机的供电需要三相直流电，因此要进行整流，本设计采用三相桥式整流电路将三相交流电源变成三相直流电源，最后达到要求把电源提供给

直流电动机。如图2-1设计的总框架。

直流电机三相交流电源三相直流电源整流供电双闭环调速系统驱动电路

保护电路图2-1双闭环直流调速系统设计总框架三相交流电路的交、直流侧

及三相桥式整流电路中晶闸管中电路保护有电压、电流保护。一般保护有快速

熔断器，压敏电阻，阻容式。根据不同的器件和保护的不同要求采用不同的方

法。

驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环

节，它将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电

子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。本设计使用的是晶

闸管，即半控型器件。驱动电路对半控型只需要提供开通控制信号，对于晶闸

管的驱动电路叫作触发电路。

直流调速系统中应用最普遍的方案是转速、电流双闭环系统，采用串级控制的

方式。转速负反馈环为外环，其作用是保证系统的稳速精度；

电流负反馈环为内环，其作用是实现电动机的转距控制，同时又能实现限流以

及改善系统的动态性能。转速、电流双闭环直流调速系统在突加给定下的跟随

性能、动态限流性能和抗扰动性能等，都比单闭环调速系统好。

2.3.主电路的结构形式在直流调速系统中，我们采用的是晶闸管-电动机调速

系统(简称V-M系统)的原理图如图2-2所示。它通过调节处罚装置GT的控制电

压来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压，从而实现平滑调速。与旋

转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性

上都很大提高，而且在技术性能上也显现出较大的优越性。

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，自动控制的直流调速系统往

往以调压调速为主，根据晶闸管的特性，可以通过调节控制角α大小来调节电

压。当整流负载容量较大或直流电压脉动较小时应采用三相整流电路，其交流

侧由三相电源供电。三相整流电路中又分三相半波和全控桥整流电路，因为三

相半波整流电路在其变压器的二次侧含有直流分量，故本设计采用了三相全控

桥整流电路来供电，该电路是目前应用最广泛的整流电路，输出电压波动小，

适图2-2V-M系统原理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，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。

图2-3主电路原理图三相全控制整流电路由晶闸管VT1、VT3、VT5接成共阴

极组，晶闸管VT4、VT6、VT2接成共阳极组，在电路控制下，只有接在电路共

阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的晶闸管，以及接在电路共阳极组中

电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完整的整流电

路。