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双闭环直流电机调速控制

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湖南工程学院 课 程 设 计 课程名称 运动控制系统课程设计 课题名称 双闭环直流电机控制系统 专 业 自 动 化 班 级 0981 学 号 200913110107 姓 名 冯 靓 指导教师 唐勇奇、刘星平

2012年 11月 14日 湖南工程学院 课程设计任务书

课程名称： 运动控制系统课程设计 题 目：双闭环直流电机控制系统设计

专业班级： 自动化0981 学生姓名： 冯 靓 学号： 07 指导老师： 唐勇奇、刘星平 审 批： 唐勇奇

任务书下达日期 2012年 11月03日 设计完成日期 2012年 11月14日 设计内容与设计要求 一． 设计内容： 1． 系统总体方案确定： 1.1用晶闸管整流实现直流调压，实现直流电动机的无级调速。 1.2系统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。 1.3 主电路电力电子开关器件采用晶闸管、IGBT 1.4 系统具有完善的保护 2. 主电路设计与分析 2.1设计主电路； 2.2 计算主电路参数并选择主电路元器件选型； 2.3 设计主电路保护环节； 3. 控制电路设计与分析 3.1 确定控制电路总体结构，要求采用双闭环控制； 3.2 设计速度调节器电路； 3.3 设计电流调节器电路 3.3 设计触发电路 4. 双闭环直流调速控制系统的调试或仿真 4.1 在实验室对设计的单闭环直流调速控制系统进行调试； 4.2 设计单闭环直流调速控制系统仿真模型，确定设计系统的性能指标。 二． 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，给出具体设计电路； 3． 系统仿真时需给出仿真波形并进行分析。 4． 绘制总电路图 5． 写出设计报告； 主要设计条件 1． 设计依据主要参数 1） 输入输出电压：三相交流，380V ; 2） 主电路最大输出电压、电流根据电机参数予以确定； 3） 要求电机能实现单向无级调速 4） 电机型号 电机型号1：Z2-22 额定参数2.2KW 220V 12.35A 3000 r/min 电机型号2：Z2-71 额定参数30KW 225V 158.5A 3000 r/min 2. 可提供实验设备或上机仿真

说明书格式 1． 课程设计封面； 2． 任务书； 3． 说明书目录； 4． 系统方案确定； 5． 主电路设计 6． 控制电路设计（各单元电路图）； 7． 系统实验、电路改进、仿真等。 8． 总结与体会； 9． 附录（完整的总电路图）； 10． 参考文献； 11、课程设计成绩评分表 进 度 安 排 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:主电路元件选型 星期五:控制电路设计； 第二周星期一: 控制电路设计 星期二~三:：系统调试及仿真等 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 1．王兆安，电力电子技术（第5版）．机械工业出版社，2008. 2．刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．校内，2009. 3. 浣喜明，姚为正．电力电子技术．高等教育出版社，2008. 4．刘祖润，胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，1995. 5. 林飞，杜欣．电力电子应用技术的MATLAB仿真 ．中国电力出版社，2009. 6．钟炎平 ．电力电子电路设计 ．华中科技大学出版社，2010. 7．徐德鸿．现代电力电子器件原理与应用技术 ．机械工业出版社，2011. 8．洪乃刚．电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真 ．机械工业出版社，2006. 第1章 系统总体方案确定 1.1用晶闸管整流实现直流调压，实现直流电动机的无级调速。 本设计采用的转速电流反馈控制直流调速系统各个模块如图1-1所示。系统可分为三个部分：主电路和控制电路以及保护电路和反馈环节。 主电路主要包括整流变压器和电力电子变换装置，起到将交流变换成直流，从而为直流电动机提供电源电压的作用。 控制电路主要包括电流调节器和转速调节器以及触发器，其中电流调节器与电流反馈环构成电流环，起到稳定电流的作用；转速调节器和转速反馈环构成转速环，使转速稳态无静差；触发器则用于为整流晶闸管组提供触发脉冲。 保护电路主要为晶闸管保护电路，包括由整流变压器交流侧的快速熔断器组构成的保护电路，以及与晶闸管并联的阻容电路构成的保护电路。保护电路的设置使得晶闸管免受过电压以及过电流的影响，从而使系统工作可靠。 反馈环节包括电流反馈环节和转速反馈环节。前者由电流互感器进行电流检测，再进行整流滤波得到电流反馈信号，后者则使用测速发电机来得到实际转速信号。 此外，还有其它部分的电路。包括减小电流脉动的平波电抗器，以及减小直流电压脉动的滤波电容。

图1-1 转速电流反馈控制直流调速系统组成框图 + + - + - M

G + -

+ - RP2 n U*n R0 R0 Uc Ui TA L Id Ri Ci Ud + + - R0 R0 Rn Cn ASR ACR LM GT V RP1 Un U*i LM M TU第2章 主电路设计 2.1 主电路结构

在图2-1中，SB1 为停止按扭，SB2为启动按扭。主电路的工作过程为：先合上开关QS1，接通三相电源，经整流变压器变压后，一路经整流二极管VD1~VD6组成的三相不可控桥式整流电路转换成直流电，作为直流电机的励磁电源。当励磁电流达到最小允许值后，过电流继电器吸合，此时按下启动按扭SB2，接触器KM得电吸合，其主触头闭合，从整流变压器输出的三相电压经热继电器后加到由晶闸管VT1~VT6组成的三相全控整流电路上，在触发电路的控制下得到可调的电压，从而调节电机的转速。

图2-1 晶闸管三相全控整流电路

MV

I<

SB1SB2KMKAKA2

KM

L1L2L3NFU1T1

1R1--1R31C1--1C3KMFR11RV1--1RV31R41R51R61R71R81R91C41C51C61C71C81C91VT11VT21VT31VT41VT51VT6LdFU2FU3FU4FU5FU6FU7VD1VD2VD3VD4VD5VD6RW1RW2KA2QS1

U

WVV1

U1

W1

I>KA1

FR1

TA1TA2TA3UVW2.2参数设计和元件选型 2.2.1.整流变压器参数计算与选型 在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致。此外，为了尽量减小电网与晶闸管装置的相互干扰，要求它们相互隔离，故通常要配用整流变压器。本设计采用变压器的接线型式为一次侧绕组采用△联接，二次侧绕组采用Y联接。 为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式（△/Y）和负载要求的额定电压（UN=220V）确定之后，晶闸管交流侧的电压U2只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算整流变压器次级电压U2。 影响U2值的因素有： （1）首先要保证满足负载所需求的最大电流值的Idmax。 （2）晶闸管并非是理想的可控开关元件，故导通时有一定的管压降VT。 （3）变压器漏抗的存在会产生换相压降。 （4）平波电抗器有一定的直流电阻，当电流流经该电阻时就要产生一定的电压降。 （5）电枢电阻的压降。 综合以上因素得到的U2精确表达式为：

max2max[1(1)]%[]100dNaT

d

dK

d

IUrnUIUICUABI



式中，A=Ud0/U2表示当控制角α=0°时，整流电压平均值与变压器次级相电压有效值之比；B=Udα/Ud0表示当控制角为α与0°时，整流电压平均值之比；C是与整流电路形式有关的系数；Uk%是变压器的短路电压百分比，100kVA以下的变压器取Uk%=5，100kVA~1000kVA的变压器取Uk%=5~10；ε为电网电压波动系数，通常取0.9~1.05，供电质量较差，电压波动较大的情况应取较小值；ra=INRΣ/UN表示电动机电枢电路总电阻RΣ的标幺值，对于小容量容量的电动机，通常取ra=0.04~0.08；UT表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降；Idmax/IdN表示电动机允许过载倍数，即λ。 考虑到本设计为了保证电动机负载能在额定转速下运转，并且所取U2留有一定裕量，根据经验，公式中的控制角α应取30°为宜。 电动机电枢电路总电阻标幺值ra=INRΣ/UN=12.35×1.2/220=0.067。 其它部分参数可查附表1-1取值如下：ε=0.9，A=2.34，B=cosα=cos30°=0.866，C=0.5，Uk%=5。 则U2==132V。可取U2=135V。 根据主电路接线方式，得KI2=I2/Id=0.816，考虑到电动机的允许过载倍数，忽略变压器初次侧间的能量损耗，则次级电流有效值应为I2=λKI2·IN=1.5×0.816×12. 3 5 =15.116A。 根据变压器特性，即m1U1I1=m2U2I2。取m1=m2=3，则U1I1=U2I2，故整流变压器容量为S=（1/2）（S1+S2）=（1/2）（m1U1I1+m2U2I2）=m2U2I2=3×135×15.116=6.12kVA。 综上，整流变压器容量可取为6kVA，型号可选为S9-6/0.38。

2.2.2.整流晶闸管参数计算与选型 已知本设计采用的是三相桥式整流电路，则在阻感负载中晶闸管承受的最大电压（考虑到2~3倍裕量）： URM=（2~3）·2.45U2=（2~3）×2.45×135=661V~993V。取为URM=800V。 又已知直流电动机过载倍数为λ=1.5，则电路中允许流过的最大电流为： Idmax=λIdN=1.5×12.35=18.53A 故晶闸管应能承受的电流有效值： IVT=Idmax/1.732=18/1.732=10.7A 取11A 故晶闸管额定电流（考虑到1.5~2倍裕量）： IT（AV）=（1.5~2）·IVT/1.57=（1.5~2）×11/1.57=11A~14A。可取为IT（AV）=10A。 综上，晶闸管型号可选为：KP-10。 查资料可得KP-10型晶闸管主要参数： 额定电压：800V；额定电流：10A；门极触发电压：≤2.5V；门极触发电流 5mA~45mA。 则晶闸管整流装置放大系数为KS=220/2.5=88。

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双闭环直流调速系统特性与原理

双闭环直流调速系统特性与原理

双闭环直流调速系统特性与原理双闭环直流调速系统是一种用于控制直流电动机转速的调速系统。

它由两个闭环控制回路组成，分别是转速外环和电流内环。

其中，转速外环控制直流电机的转速，通过调节电压来控制直流电机的转矩；而电流内环则控制直流电机的电流，通过调节电压来控制直流电机的转矩。

1.稳定性：双闭环控制系统能够有效地控制直流电动机的转速和电流，使其在运行过程中保持稳定的转矩输出。

通过转速外环对转速进行控制，可以实现精确的转速调节；而电流内环则能够控制电机的电流，防止过载和短路等故障。

2.响应速度：双闭环控制系统的转速外环具有较快的响应速度，能够实现快速的转速调节。

而电流内环的响应速度则相对较慢，主要起到电机保护的作用。

3.鲁棒性：双闭环控制系统具有较好的鲁棒性，能够对外部干扰和参数变化具有一定的抗干扰能力。

通过合理的控制策略和参数调整，可以提高系统的鲁棒性。

1.转速外环控制原理：转速外环将输出电压与给定的转速进行比较，得到转速误差，并通过调节电压反馈回内环控制器中。

转速外环控制器通常采用PI控制器，根据转速误差和积分项来控制输出电压。

通过不断调节输出电压，使得转速误差趋于零，从而实现对直流电机转速的调节。

2.电流内环控制原理：电流内环控制器将输出电压与给定的电流进行比较，得到电流误差，并通过调节输出电压来控制电流。

电流内环控制器通常也采用PI控制器，根据电流误差和积分项来控制输出电压。

通过不断调节输出电压，使得电流误差趋于零，从而实现对直流电机电流的调节。

3.反馈信号处理：双闭环直流调速系统中，转速和电流测量信号需要经过滤波和放大等处理，以便传递给控制器进行计算。

滤波器通常采用低通滤波器，用于去除高频噪声，放大器则用于放大信号强度。

4.控制指令处理：由上位机或人机界面输入的控制指令需要经过处理，包括限幅、线性化等，以确保输入信号符合控制系统的要求。

处理后的指令将送入控制器，进行计算和控制输出电压。

通过双闭环直流调速系统的控制，可以实现对直流电机的转速和电流的精确调节，并具有较好的稳定性、响应速度和鲁棒性，广泛应用于工业自动化领域。

双闭环直流电机调速系统设计

双闭环直流电机调速系统设计

双闭环直流电机调速系统设计嘿，大家好！今天咱们聊聊一个挺酷的话题：双闭环直流电机调速系统。

虽然听起来有点像外星人的科技，但是其实它就是咱们日常生活中的一些电机背后的“聪明脑袋”。

没错，电动工具、电动汽车，甚至是你家那台洗衣机，都可能用到这种技术。

别担心，我会用简单易懂的语言，把这个“高大上”的话题聊得通俗易懂，让你像喝水一样轻松明白。

1. 什么是双闭环系统？首先，咱们得搞清楚什么是双闭环系统。

你可以把它想象成一辆高科技的赛车。

车上有两个智能系统，一个负责控制车速，另一个负责检查车速是不是正好。

第一个环节，叫做“速度闭环”，就像是车里的加速器，它根据你给的油门信号来调整速度。

第二个环节，叫做“电流闭环”，就是车上的仪表盘，它会实时监控实际速度和预定速度的差异，确保车速始终如你所愿。

两个环节相互配合，就像是赛车手的左右手，协作得天衣无缝。

1.1 速度闭环的作用速度闭环系统，简单来说，就是确保电机转得刚刚好。

你可以把它想成是你的车速表，告诉你车速到底快不快。

当你设定了目标速度后，速度闭环就会一直“盯着”电机的实际速度，看是不是达到了你想要的。

要是电机转得快了或者慢了，速度闭环会发出“警报”，让电机调整到正确的速度。

就像你开车的时候，如果超速了，车上的警报器就会提醒你：“嘿，慢点！”1.2 电流闭环的作用而电流闭环呢，就是确保电机在运行时不会超负荷。

你可以把它想象成你的车载电脑，时刻监控电机的“健康状态”。

如果电机的电流过大，就像是车上的发动机超负荷一样，电流闭环会自动调整电流，防止电机“过劳”工作，保障电机的长寿命和稳定性。

这就像车上的“健康检查”，时刻关注电机的“身体状况”，让它保持在最佳状态。

2. 如何设计双闭环系统？说到设计双闭环系统，那可不是简单的“煮熟的鸭子嘴里跑”，而是要细心雕琢的“工艺品”。

设计时，你需要考虑到很多细节，就像调配一杯完美的鸡尾酒一样，必须把每个成分都搭配得恰到好处。

2.1 控制器的选择首先，你得挑选一个靠谱的控制器。

Pid控制直流双闭环调速系统ppt课件

Pid控制直流双闭环调速系统ppt课件


比例部分
比例部分的数学式表示是：Kp*e(t)
在模拟 PID 控制器中，比例环节的作用是对偏差瞬间作 出反应。偏差一旦产生控制器立即产生控制作用，使控制量 向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数 Kp ，比例系数Kp越大，控制作用越强，则过渡过程越快， 控制过程的静态偏差也就越小；但是Kp越大，也越容易产生 振荡，破坏系统的稳定性。故而，比例系数Kp选择必须恰当， 才能过渡时间少，静差小而又稳定的效果。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
直流双闭环调速系统
单闭环直流调速系统 同开环调速系统一样，转速闭环调速系统
中电机的转速大小受转速给定电压Un*控制， 给定电压为零时，电机停止；给定电压增大 时，电机转速升高；给定电压减小时，电机 转速下降。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
整定方法
凑试法 临界比例法 经验法
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
这种算法的缺点是：由于全量输出，所以每次 输出均与过去状态有关，计算时要对ek进行累加，工作 量大；并且，因为计算机输出的uk对应的是执行机构的 实际位置，如果计算机出现故障，输出的u将大幅度变 化，会引起执行机构的大幅度变化，有可能因此造成严 重的生产事故，这在实生产际中是不允许的。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
直流电动机双闭环调速系统设计

直流电动机双闭环调速系统设计

1 设计方案论证电流环调节器方案一，采用PID调节器，PID调节器是最理想的调节器，能够平滑快速调速，但在实际应用过程中存在微分冲击，将对电机产生较大的冲击作用，一般要小心使用。

方案二，采用PI调节器，PI调节器能够做到无静差调节，且电路较PID调节器简单，故采用方案二。

转速环调节器方案一，采用PID调节器，PID调节器是最理想的调节器，能够平滑快速调速，但在实际应用过程中存在微分冲击，将对电机产生较大的冲击作用，一般要小心使用。

方案二，采用PI调节器，PI调节器能够做到无静差调节，且电路较PID调节器简单，故采用方案二。

2双闭环调速控制系统电路设计及其原理综述随着现代工业的开展，在调速领域中，双闭环控制的理念已经得到了越来越广泛的认同与应用。

相对于单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程的弱点。

双闭环控制那么很好的弥补了他的这一缺陷。

双闭环控制可实现转速和电流两种负反应的分别作用，从而获得良好的静，动态性能。

其良好的动态性能主要表达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展深入的探讨和研究。

本次课程设计目的就是旨在对双闭环进展最优化的设计。

整流电路本次课程设计的整流主电路采用的是三相桥式全控整流电路，它可看成是由一组共阴接法和另一组共阳接法的三相半波可控整流电路串联而成。

共阴极组VT1、VT3和VT5在正半周导电，流经变压器的电流为正向电流；共阳极组VT2、VT4和VT6在负半周导电，流经变压器的电流为反向电流。

变压器每相绕组在正负半周都有电流流过，因此，变压器绕组中没有直流磁通势，同时也提高了变压器绕组的利用率。

三相桥式全控整流电路多用于直流电动机或要求实现有源逆变的负载。

为使负载电流连续平滑，有利于直流电动机换向及减小火花，以改善电动机的机械特性，一般要串入电感量足够大的平波电抗器，这就等同于含有反电动势的大电感负载。

三相桥式全控整流电路的工作原理是当a=0°时的工作情况。