单闭环直流调速电路

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)(φφφ 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。

实验一 转速单闭环直流调速系统一．开环直流调速系统１．原理图：220VUg励磁回路直流电机主回路２．接线：主回路、励磁回路、负载回路。

３．调整触发脉冲零位：给定电位u g ，双脉冲产生单元输入电位u c ，当0==c g u u 时，调双脉冲产生单元电位器RP ，观察示波器波形显示，使触发角︒︒=120~90α。

(由于电机电枢电阻，非纯电感负载，α应大于90°)4.开环机械特性测试：加励磁，给定0=gu，闭合主回路，强电交流输入电压调到220V。

若电机爬行，适当调双脉冲产生单元电位器RP，确保触发脉冲零位正确。

1) 负载Rg 开路（空载），调节正给定ug，使得电机转速min/1400rn=，记录直流电动机电流Id2) 给定ug保持不变，将负载电阻Rg放在最大，闭合负载回路。

逐步减小Rg，增大电机负载，测试电机静特性。

记录转速ｎ和对应电流Id，并作图。

二．转速单闭环调速系统 1．原理：直流电机主回路2．转速反馈整定：u g + -> u c ，调正给定u g ，开环运行至min /1500r n =。

调转速反馈单元FBS 中的电位器RP,使转速反馈电压V u n 5=(用万用表测量)。

由于转速调节器ASR 是反相器，故转速反馈电压端极性取正。

3．转速调节器ASR 的限幅整定：ASR 接成PI 调节器，不通强电。

负给定u g -（ug<0）接ASR 的输入端,ASR 的输出端连接u c 。

ug<0，调ASR 的电位器RP1（对应正输出），观察示波器波形变化，使触发角︒︒=30~15α。

4．测闭环静特性：负给定u g -和u n 接ASR 的输入端，ASR 的输出端连接u c ，连接成闭环。

方法步骤同开环测试。

1)．有静差：ASR 为P 调节器（电容二端短路），测试静特性，并作图。

2)．无静差：ASR 为PI 调节器，测试静特性，并作图。

实验十三单闭环直流调速系统一、实验目的1．掌握用PID控制规律的直流调速系统的调试方法；2．了解PWM调制、直流电机驱动电路的工作原理。

二、实验设备1．THBCC-1型信号与系统•控制理论及计算机控制技术实验平台2．THBXD数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根)3．PC机1台(含软件“THBCC-1”)三、实验原理直流电机在应用中有多种控制方式，在直流电机的调速控制系统中，主要采用电枢电压控制电机的转速与方向。

功率放大器是电机调速系统中的重要部件，它的性能及价格对系统都有重要的影响。

过去的功率放大器是采用磁放大器、交磁放大机或可控硅（晶闸管）。

现在基本上采用晶体管功率放大器。

PWM功率放大器与线性功率放大器相比，有功耗低、效率高，有利于克服直流电机的静摩擦等优点。

PWM调制与晶体管功率放大器的工作原理：1．PWM的工作原理图13-1 PWM的控制电路上图所示为SG3525为核心的控制电路，SG3525是美国Silicon General公司生产的专用PWM控制集成芯片，其内部电路结构及各引脚如图13-2所示，它采用恒频脉宽调制控制方案，其内部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。

调节Ur的大小，在A、B两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位相互错开180度、占空比可调的矩形波（即PWM信号）。

它适用于各开关电源、斩波器的控制。

2．功放电路直流电机PWM输出的信号一般比较小，不能直接去驱动直流电机，它必须经过功放后再接到直流电机的两端。

该实验装置中采用直流15V的直流电压功放电路驱动。

3．反馈接口在直流电机控制系统中，在直流电机的轴上贴有一块小磁钢，电机转动带动磁钢转动。

磁钢的下面中有一个霍尔元件，当磁钢转到时霍尔元件感应输出。

4．直流电机控制系统如图13-3所示，由霍耳传感器将电机的速度转换成电信号，经数据采集卡变换成数字量后送到计算机与给定值比较，所得的差值按照一定的规律（通常为PID）运算，然后经数据采集卡输出控制量，供执行器来控制电机的转速和方向。

等级: 湖南工程学院课程设计课程名称专业综合课程设计课题名称电压单闭环不可逆直流调速系统专业自动化班级1101班学号201101020114姓名张辉指导教师李祥来、赵葵银、沈细群等2014年9月1日湖南工程学院课程设计任务书课程名称专业综合课程设计课题电压单闭环不可逆直流调速系统专业班级自动化1101班学生姓名张辉学号201101020114指导老师李祥来、赵葵银、沈细群等审批黄峰任务书下达日期2014年9月1日任务完成日期2014年9月 16日设计内容与设计要求设计内容：1. 电路功能：1）用晶闸管缺角整流实现直流调压，控制直流电动机的转速。

2）电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：整流电路及保护电路。

控制电路主要环节：触发电路、电压电流检测单元、驱动电路、检测与故障保护电路。

3）主电路电力电子开关器件采用晶闸管、IGBT或MOSFET。

4）系统具有完善的保护2. 系统总体方案确定3. 主电路设计与分析1）确定主电路方案2）主电路元器件的计算及选型3）主电路保护环节设计4. 控制电路设计与分析1）检测电路设计2）功能单元电路设计3）触发电路设计4）控制电路参数确定设计要求：1．设计思路清晰，给出整体设计框图；2．单元电路设计，给出具体设计思路和电路；3．分析所有单元电路与总电路的工作原理，并进行试验调试。

并给出必要的波形分析。

4．绘制总电路图，5．写出设计报告；主要设计条件1.设计参数1）输入输出电压：（AC）220（1+15%）、2）最大输出电压、电流根据电机功率予以选择3）要求电机能实现单向无级调速4）电机型号布置任务时给定2.可提供实验与仿真条件电力电子与运动控制技术训练室提供实验条件说明书格式目录1．课程设计封面；2．任务书；3．说明书目录；4．设计总体思路，主电路设计；5．控制单元电路设计（各单元电路图）；6．实验或仿真调试等。

7．总结与体会；8．附录（完整的总电路图）；9．参考文献；10、课程设计成绩评分表进度安排设计时间分为二周第一周星期一:课题内容介绍和查找资料；星期二:总体电路方案确定星期三:主电路设计星期四:控制电路设计星期五:控制电路设计；第二周星期一: 控制电路设计星期二：电路原理及波形分析、实验调试及仿真等星期四~五:写设计报告，打印相关图纸；星期五下午:答辩及资料整理参考文献参考文献[1]王兆安．电力电子技术（第5版）．机械工业出版社，2008[2]孙培德．现代运动控制技术及其应用．电子工业出版社，2012[3]陈伯时．电力拖动自动控制系统（第4版））．机械工业出版社，2012[4]曾毅．运动控制系统工程．机械工业出版社，2014[5]刘定建，朱丹霞．实用晶闸管电路大全．机械工业出版社，1996[6]刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．校内，1999目录第1章概述........................... . (1)1.1 设计要求 (2)1.2 设计参数 (2)1.3 系统组成 (2)1.4工作原理 (3)第2章主电路设计 (5)2.1 主电路的分析 (5)2.2 单相桥式全控整流电路的计算 (6)2.3 晶闸管电路参数计算分析 (7)第3章控制电路的设计 (9)3.1 锯齿波同步移相触发电路 (9)3.2检测与保护电路设计 (10)3.3 调节电路设计 (12)第4章电路调试 (13)4.1 主电路调试 (13)4.2 基本单元部件调试 (13)4.3 调试注意事项 (14)总结 (15)参考文献 (16)附录 (17)第1章概述调速控制系统是通过对电动机的控制，将电能转换成机械能，并且控制工作机械按给定的运动规律运行的装置，用直流电动机作为原动机的传动方式称为直流调速。

带电流截止负反馈环节的单闭环直流调速系统设计1设计目的（1）了解带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统的工作原理，熟悉组成环节及每个环节的作用。

（2）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。

（3）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。

2设计参数采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电，基本数据如下：直流电动机UN=220V， IN=65A，nN =1000r/min，电枢电阻Ra=0.15Ω，电枢电感La=0.0002H，励磁电压Uf=220V，励磁电流If=1.5A，电枢绕组和励磁绕组互感Laf=0.82H，供电电源电压U2=130V；晶闸管装置Ts=0.00167s，放大系数Ks=40；电枢回路总电阻R=0.5Ω；电枢回路总电感L=15mH；电动机轴上的总飞轮惯量GD2=12.5N·m2；转速调节器最大给定值*nmU=10V；3 设计任务(1)分析电流截止负反馈环节的工作原理，画出系统稳态结构图；(2)在MATLAB中建立带电流截止负反馈环节的单闭环直流调速系统；(3调节控制器参数，确定最佳调节参数。

将Simulink仿真模型，以及启动过程中的电流、转速波形图附在设计说明书中。

比较带电流截止负反馈环节和不带电流截止负反馈环节启动过程的差异。

4设计要求1.稳态指标：转速无静差；2.动态指标：启动电流的最大值150 A。

空载启动到额定转速的转速超调量σn≤15%。

4 设计基本内容4.1问题的提出在转速反馈控制直流调速系统中存在一个问题，在启动、制动过程和堵转状态时，电枢电流会过大。

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。

引入电流负反馈，可以使它不超过允许值。

但这种作用只应在起动和堵转时存在，在正常的稳速运行时又得取消，让电流随着负载的增减而变化。

实验一、单闭环直流调速系统实验（注意：本实验为本学期的考核试验，考核时间为第14~15教学周，第14周为1、2班考核时间，第15周为3、4班考核时间。

考核前学生可以到实验室进行实验复习。

实验室开放时间为：每周一、二、三、四下午。

）二、实验所需设备及仪器三、转速单闭环直流电机调速系统原理及实验系统组成以直流电机转速为反馈信号的单闭环系统叫做转速单闭环直流电机调速系统。

在本实验系统中，用以测量电机转速的装置为测速发电机，该装置可将电动机实际转速转换位于电机转速成正比的电压信号反馈到系统输入端。

反映转速变化的电压信号在与期望转速相关的给定电压比较后，其偏差信号送入速度调节器。

速度调节器对偏差进行控制运算后得到的便是控制晶闸管的移相控制电压U ct，整流桥的触发电路产生的触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间以改变“三相全控整流”的输出电压，进而改变直流电机的转速，从而构成了速度负反馈闭环系统。

其动态结构框图如图1所示。

单闭环直流电机调速实验系统由被控对象、控制器和执行器三部分组成，它们之间的关系如图2所示。

（1）被控对象被控对象就是直流电动机M，它在主回路直流电压的作用下旋转，其转速为系统的被控参数。

测量直流电动机转速的装置为与直流电动机同轴安装的测速发电机TG，TG的输出电压与直流电机转速成正比，该电压通过速度变换电路反馈到控制器的输入端与给定信号相比较。

本系统使用一台带有负载电阻R的发电机来模拟直流电机的负载，改变可变电阻R的大小也就改变了直流电动机M的负载。

为平滑直流电动机的电流，在供电回路中接有300mH的平滑电抗器。

（2）控制器控制器为本实验的主要内容之一，为使系统为无差系统，本系统采用了PI（比例-积分）调节器，依靠其中的积分作用实现了转速的无差调节。

（3）执行器执行器就是三相整流电路及其触发电路部分，它起着将控制器输出电压转换为电动机两端的直流电压的作用。

四、实验内容（1）基本单元测试。

单闭环不可一、实验目的逆直流调速系统实验（1）了解单闭环直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理。

（2）掌握晶甲管直流调速系统的一般调试过程。

（3）认识闭环反馈控制系统的基本特性。

二、实验原理为了提高直流调速系统的动、静态性能指标，通常采用闭环控制系统（包挂单闭环系统和多闭环系统）。

对调速指标要求不高的场合，采用直流调速系统，而对调速指标要求较高的则采用多闭环系统。

按反馈的方式不同可分为转速负反馈、电流反馈、电压反馈等。

在单闭环系统中，转速负反馈单闭环使用较多。

转速负反馈单闭环系统原理如图5.11所示。

图中将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，经“速度反馈”后接到“电流调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较经放大后，得到移相控制电压Ua，用作控制整流桥的“触发电路”。

触发脉冲经功放后加到晶甲管的门极的阴极之间，以改变“三相全控整流”的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环系统。

电动机的转速随给定电压的变化，电动机最高转速由电流调节器的输出限幅所决定。

若电流调节器采用比列（p）调节，对阶跃输入由稳态误差，则需将调解器换成比列积分（pi）调节。

这时若“给定”电压恒定，闭环系统对速度变化起到了让制作用，当电动机负责或电源电压波动时，电动机的转速能稳定在一定的范围内变化。

电流反馈单闭环系统原理图如图5.12所示，图中反映电流变化的电流互感器输出电压信号作为反馈信号加到“电流调节器”的输入端，与“给定”电压比较，经放大后，得到移相控制电压Uct，控制整流电桥的“触发电路”，关改变“三相全控整流”的电压输出，从各构成了电压反馈闭环系统。

电动机的最高转速也有电流调节器的输出限幅所决定。

同样，若电流调节器采用比例（P）调节，则对阶跃输入由稳态误差，要消除该误差可将调节器换成比例积分(PI)调节。

当”给定”电压恒定时，闭环系统对电枢电压电流变化起到了抑制作用，当电动机负载或电源电压波动时，电动机的电枢电流能稳定在一定的范围内变化。