运控课程设计双闭环直流调速系统设计

1、武汉理工大学题 目院 系 专 业班 级姓 名学 号指导教师双闭环直流调速系统设计摘要 直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统，它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。根据晶闸管的特性，通过调节控制角大小来调节电压，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，调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。摘要21 绪论31.1 选题背景31.2 方案论证41.2.1 单闭环直流调速系统41.2.2 双闭环直流调速

2、系统51.3 本课题主要讨论的问题62 控制系统的设计62.1 转速反馈和电流反馈电路设计62.2 双闭环直流调速系统总设计框图72.3 主电路的设计82.4 保护电路的设计92.4.1过电压保护92.4.2 过电流保护102.5 集成触发电路设计102.6 转速调节器asr及电流调节器acr的设计112.6.1 电流环的设计122.6.2 转速环的设计153 双闭环直流调速系统在simulink下的仿真173.1 绘制仿真模型原理图183.2 仿真波形图184 总结19参考文献201 绪论1.1 选题背景 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

3、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

4、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。 直流电动机因具有良好的起、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领域中得到了广泛应用。晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管电动机调速系统。采用速度、电流双闭环直流调速系统,可以充分利用电动机的过载能力获得最快的动态过程，调速范围广

5、，精度高，和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有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性，动态和静态性能均好，且系统易于控制。双闭环系统的转速环用来控制电动机的转速，电流环控制输出电流；该系统可以自动限制最大电流，能有效抑制电网电压波动的影响；且采用双闭环控制提高了系统的阻尼比，因而较之单闭环控制具有更好的控制特性。1.2 方案论证1.2.1 单闭环直流调速系统 单闭环直流调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统。在电动机轴上装一台测速发电机sf ,引出与转速成正比的电压uf 与给定电压ud 比较后,得偏差电压u ,经放大器fd ,产生触发

6、装置cf 的控制电压uk ,用以控制电动机的转速,如图1-1 所示。图1-1 单闭环直流调速系统原理图 此方案采用单闭环的速度反馈调节时整流电路的脉波数m = 2 ,3 ,6 ,12 , ,其数目总是有限的,比直流电机每对极下换向片的数目要少得多。因此,除非主电路电感l = ,否则晶闸管电动机系统的电流脉动总会带来各种影响,主要有:(1) 脉动电流产生脉动转矩,对生产机械不利; (2)脉动电流(斜波电流) 流入电源,对电网不利,同时也增加电机的发热。并且晶闸管整流电路的输出电压中除了直流分量外,还含有交流分量。把交流分量引到运算放大器输入端,不仅不起正常的调节作用,反而会产生干扰,严重时会造成

7、放大器局部饱和,从而破坏系统的正常工作。1.2.2 双闭环直流调速系统 双闭环直流调速系统主要由给定环节、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

8、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1-1 双闭环直流调速系统原理图 此方案采用双闭环转速电流调节方法，虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好的满足了生产需求。 在单闭环调速系统中用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器

9、动态参数的调整，系统的动态性能不够好。系统中采用电流截止负反馈环节来限制启动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应，即最佳过渡过程。为了获得近似理想的过度过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的方法就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。所以本文选择双闭环直流调速系统作为设计的最终方案。1.3 本课题主要讨论的问题1.研究双闭环直流调速系统的研究和应用现状。2.设计方案的论证3.转速调节器asr及电流调节器acr的设计4.转速反馈和电流反馈电路设计5.集成触发电路设计6. 主电路及其保护电路设计2

10、 控制系统的设计2.1 转速反馈和电流反馈电路设计 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图2-1所示，即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。 该双闭环调速系统的两个调节器asr和acr一般都采用pi调节器。因为pi调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。

11、一般的调速系统要求以稳和准为主，采用pi调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。图2-1 转速、电流双闭环直流调速系统图中u*n、un转速给定电压和转速反馈电压 u*i、ui电流给定电压和电流反馈电压 asr转速调节器 acr电流调节器 tg测速发电机 ta电流互感器 upe电力电子变换器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380v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2-2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 集

12、成触发电路保护电路图2-2 双闭环直流调速系统设计总框架2.3 主电路的设计 在直流调速系统中，我们采用的是晶闸管-电动机调速系统的原理图如图2-3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

13、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 晶闸管-电动机调速系统原理图 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

14、整流电路。为了使元件免受在突发情况下超过其所承受的电压电流的侵害，在三相交流电路的交、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。主电路原理图如图2-4所示。图2-4 主电路原理图2.4 保护电路的设计2.4.1过电压保护 通常分为交流侧和直流侧电压保护。前者常采用的保护措施有阻容吸收装置、硒堆吸收装置、金属氧化物压敏电阻。这里采用金属氧化物压敏电阻的过电压保护。 压敏电阻是有氧化锌，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，正常工作是漏电流小，损耗小，而泄放冲击电流能力强，抑制过电压能力强，此外，它对冲击电压反映快

15、，体积又比较小，故应用广泛。在三相的电路中，压敏电阻的接法是接成星形或三角形如图2-5所示。 图2-5 二次侧过电压压敏电阻保护 压敏电阻额定电压的选择可按下式计算： 压敏电阻承受的额定电压峰值 （2-1）式中 （2-1） 压敏电阻的额定电压， vyj型压敏电阻的额定电压有：100v、200v、440、760v、1000v等；为电网电压升高系数，可取。压敏电阻承受的额定电压峰值就是晶闸管控制角=300时输出电压。由此可转化 可得压敏电阻额定电压 所以压敏电阻额定电压取850v型压敏电阻。2.4.2 过电流保护 在本设计中，选用快速熔断器与电流互感器配合进行三相交流电路的一次侧过电流保护，保护原

16、理图2-6如下： 图2-6 一次侧过电流保护电路（1）熔断器额定电压选择：其额定电压应大于或等于线路的工作电压。本课题设计中变压器的一次侧的线电压为380v，熔断器额定电压可选择400v。（2）熔断器额定电流选择：其额定电流应大于或等于电路的工作电流。 本课题设计中变压器的一次侧的电流 =熔断器额定电流 463a因此，如图2-6在三相交流电路变压器的一次侧的每一相上串上一个熔断器，按本课题的设计要求熔断器的额定电压可选400v，额定电流选463a。2.5 集成触发电路设计 晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在必要的时刻由阻断转为导通。晶闸管触发电路往往包括触发时刻进行

17、控制相位控制电路、触发脉冲的放大和输出环节。触发脉冲的放大和输出环节中，晶闸管触发电路应满足下列要求： （1）触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通，三相全控桥式电路应采用宽于60或采用相隔60的双窄脉冲。 （2）触发脉冲应有足够的幅度，对户外寒冷场合，脉冲电流的幅度应增大为器件最大触发电流35倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达12aus。 （3）所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压、电流和功率定额，且在门极的伏安特性的可靠触发区域之内。 （4）应有良好的抗干扰性能、温度稳定性及与主电路的电气隔离。本设计课题是三相全三相全控桥整流电路中有六个晶闸管，触发顺序依次为：vt1vt2vt3vt4v

18、t5vt6，晶闸管必须严格按编号轮流导通，6个触发脉冲相位依次相差60o，可以选用3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，就可以构成三相全控桥整流电路的集成触发电路如图2-7。图2-7 三相全控桥整流电路的集成触发电路2.6 转速调节器asr及电流调节器acr的设计 在设计双闭环调速系统时，一般是先内环后外环，调节器的结构和参数取决于稳态精度和动态校正的要求，双闭环调速系统动态校正的设计与调试都是按先内环后外环的顺序进行，在动态过程中可以认为外环对内环几乎无影响，而内环则是外环的一个组成环节。由于典型型系统的跟随性能由于典型型系统，而典型型系

19、统的抗扰性能优于典型型系统，因此一般来说，从快速启动系统的要求出发，可按典型型系统设计电流环；由于要求转速无静差，转速环应按典型型系统设计。工程设计法是建立在频率特性理论基础上的，只需将典型系统和典型系统的开环频率特性作为调速系统仅有的两种预期特性。工程设计的步骤如下： 1）对已知系统的固有特性做恰当的变换和近似处理，以简化调节器结构。 2）根据具体情况选定预期特性，即典型系统或典型系统，并按照零极点相消的原则，确定串联调节器的类型。 3）根据要求的性能指标，确定调节器的有关p、i、d参数。 4）校正。2.6.1 电流环的设计设计分为以下几个步骤：1）电流环的简化：图2-8简化后电流环按典型i

20、型系统设计，acr选pi调节器。i=tl，ki=（kiks）(ir)动态结构图id(s)+-图2-9 动态结构图l/db-20db/dec-40db/dec0图8开环对数幅频特性2）确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数。三相桥式电路的平均失控时间；（2）电流滤波时间常数。三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤平波头，应有，因此取；（3）电流环小时间常数。按小时间常数近似处理，取。3）确定将电流环设计成何种典型系统根据设计要求，而且，因此，电流环可按典型型系统设计。4）电流调节器的结构选择电流调节器选用pi型，其传递函数为：5）选择电流调节器参数acr超前时间常数：；电流环开环增

21、益：因为要求，故应取，因此于是，acr的比例系数为。6）计算电流调节器的电路参数图2-10 电流调节器原理图电流调节器原理如图9所示，按所用运算放大器，取，各电阻和电容值计算如下：，取；，取；，取。7）校验近似条件电流环截止频率（1）校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足。因为，所以满足近似条件。（2）校验忽略反电动势对电流环影响是否满足。现在，满足近似条件。（3）校验小时间常数的近似处理是否满足条件。现在，满足近似条件。2.6.2 转速环的设计1）转速环的简化：idl(s)u*n(s)an (s)+-asrcetmsrid (s)a /b tsns+1+-图2-11简化后的转速环2）确定时

22、间常数：（1）电流环等效时间常数为；（2）转速滤波时间常数。根据所用测速发电机纹波情况，取；（3）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取。3）转速环设计系统：由于设计要求转速无静差，转速调节器必须含有积分环节；有根据动态设计要求，应按典型型系统设计转速环。4）转速调节器的结构选择转速调节器选用pi型，其传递函数为：。5）选择转速调节器参数按跟随和抗干扰性能都较好的原则取h=5，则asr超前时间常数：；转速开环增益：；于是asr的比例系数为：。6）计算转速调节器的电路参数转速调节器原理图如图6所示，按所用运算放大器，取，各电阻和电容值计算如下：，取；，取；，取。图2-12 转速调节器原理图7

23、）校验近似条件转速环截止频率（1）校验电流环传递函数的近似条件是否满足。现在，满足简化条件。（2）校验小时间常数的近似处理是否满足条件。现在，满足近似条件。（3）校核转速超调量。当h=5时，；而，因此，能满足设计要求。3 双闭环直流调速系统在simulink下的仿真 matlab是矩阵实验室（matrix laboratory）的简称，是美国mathworks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括matlab和simulink两大部分。simulink是matlab最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的

24、集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于simulink。simulink是matlab中的一种可视化仿真工具，是一种基于matlab的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的

25、采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(gui) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。. 构架在simulink基础之上的其他产品扩展了simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。simulink与matlab紧密集成，可以直接访问matlab大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。3.1 绘制仿真模型原理图图3-1 直流双闭环控制系统的电气原理仿真