北科大电机课程设计

1、摘要调速系统是当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一种系统。目前对调速性能要求较高的各类生产机械大多采用直流传动，简称为直流调速。从上世纪50年代末开始，晶闸管出现，且晶闸管变流技术日益成熟，使直流调速系统更加完善。晶闸管电动机调速系统已经成为当今主要的直流调速系统，特别是大型电机项目，广泛应用于世界各国。直流双闭环调速系统具有调速范围广、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

2、一些说明，介绍了其主电路、检测电路的设计，详细介绍了电流调节器和转速调节器的设计以及一些参数的选择和计算，使其满足工程设计参数指标。关键词： ASR ACR 电机调速AbstractSpeed electric drive system is the automatic control system of the most widely used system . Current speed high performance requirements of various types of production machinery they use a DC drive , referred

3、to as DC converter . From the late 1950s , the thyristor appears and thyristor technology matures, the DC speed control system more perfect. Thyristor - motor speed control system has become the main DC speed control system , especially for large motor project , widely used in the world.DC double lo

4、op speed control system, which has been widely used in the electrical transmission system, has a great amount of advantages including wide speed range, high accuracy, good dynamic performance and ease of control. Double Closed Loop DC Speed Control System sets up two regulators, automatic speed regu

5、lator(ASR) and automatic current regulator(ACR), which adjust the speed and current, respectively. This article analyses the design of DC double loop speed control system, describes a number of principles of the system and introduces the design of its main and detection circuit. And then the article

6、 lists some details of the design of current regulator and speed regulator and tells how to choose parameters and calculation , making it meet the indicators of the design parameters.Keywords： ASR ACR motor speed control电机及其运动控制系统课程设计1摘要2一、原理介绍51、双闭环V-M调速系统整体工作原理52、系统各环节原理62.1 ASR极其限幅电路62.2 ACR及其限幅电

7、路72.3 检测电路原理82.4 电机控制电路原理92.5 保护电路原理12二 、 系统设计、参数计算及仿真131、系统设计及参数计算131.1 设计对象131.2系统设计原则141.3系统设计步骤142、仿真212.1 基本仿真212.2 综合性能指标要求优化系统232.3 双闭环调速系统其它性能的研究仿真24三 、心得收获25参考文献26一、原理介绍 1、双闭环V-M调速系统整体工作原理在V-M直流调速系统的设计过程中，保证系统稳定工作是前提，实现转速无静差是基本目标，较好的动态性能则是更高的要求。单闭环系统在满足快速起制动、突加负载动态速降小等动态性能要求方面具有局限性，而双闭环V-M直

8、流调速系统则能满足该需求。我们设计的双闭环V-M直流调速系统主要环节由主电路、电流调节器ACR、转速调节器ASR、检测电路组成。转速是调速系统的主要被控对象，而调速的关键是转矩控制，控制转矩的有效方式是对电枢电流进行单独的闭环控制。故此在系统中设置ACR构成内环、 ASR构成外环；ACR与ASR串级连接，用ASR的输出作为ACR的输入，再用ACR的输出去控制电力电子变换器UPE。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。转速、电流两个闭环都带有输出限幅电路。转速调节器ASR的输出限幅值Iim决定了电枢电流的最大值Idm，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。起

9、动过程中负载电流小于Idm时，电流Id迅速上升，ASR起主要调节作用，系统静特性表现为转速无静差；负载电流达到Idm后，ASR饱和，ACR起主要调节作用，转速呈线性增长，系统静特性表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。ASR、ACR均采用PI调节器以期获得良好的静、动态性能。PI调节器可以保护系统的稳态精度，同时提高系统的稳定性，又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。图1 总体系统组成2、系统各环节原理2.1 ASR极其限幅电路ASR为转速调节器，为了获得转速无静差以及良好的动态性能，转速调节器也采用PI调节。由图可知：ASR的传递函数为ASR的加入使外环转速环成为II型系统环节，所以可对

10、负载变化产生的扰动起主要抗扰作用，且由于ASR作为ACR的输入，使得转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差。通常，调节器输出的限幅方法有三种，一种是采用二极管钳位的外限幅电路，一种是采用二极管钳位的负反馈内限幅电路，第三种是采用晶体三极管负反馈内限幅电路。在这里，我们采用第一种限幅方式，即二极管钳位的外限幅电路。图2 二极管钳位的外限幅电路这其电气原理图如图3所示：图3 ASR 转速调节器PI调剂极其限幅电路2.2 ACR及其限幅电路ACR为电流调节器，为了获得良好的静、动态性能，电流调节器一般均采用PI调节器。由图可知，ACR的传递函数为：。ACR的加入使作为内环的电流环成为I型

11、系统环节，使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化，实现了时间最优控制。其电气原理图如图4所示：图4 电流调节器ACR极其限幅电路2.3 检测电路原理2.3.1 转速检测电路设计因为电刷两端的感应电势与电机的转速成正比，所以直流发电机能够把转速信号换成电势信号，从而用来测速。由直流电机电势公式得：根据直流电机电枢回路电压方程，又所以负载时测速发电机的输出电压为：如图5所示：、图5 转速检测2.3.2 电流检测电路设计常用的电流检测方法有：（1）电枢回路串检测电阻；（2）电枢回路接直流互感器；（3）交流电路接交流互感器；（4）采用霍尔传感器。在这里我们用了电枢回路串联小的检测电阻后通

12、过放大器放大的方法。图6 电流检测2.4 电机控制电路原理下图中，VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）主电路原理图如下：图7 晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）主电路原理图图中VT是晶闸管可控整流器，它由三相全控桥式整流电路组成，如图8：图8 三相全控桥式整流电路 三相全控桥式整流电路的控制采用单片机控制，根据控制时序，控制6个晶闸管的通断，使得角移动，达到控制输出电压的Uc的控制。其原理图如图9所示：图9 单片机控制电路图10 系统原理图2.5 保护电路原理选用用储能元件

13、吸收生产过电压的能量的保护。使用RC吸收电路，这种保护可以把变压器绕组中释放出的电磁能量转化为电容器的电场能量储存起来。由于电容两端电压不能突变，所以能有效抑制过电压，串联电阻消耗部分产生过电压的能量，并抑制LC回路的震动。如图11图11 RC吸收电路2.5.1 晶闸管的过电压保护晶闸管对过电压很敏感，当正向电压超过其断态重复峰值值电 压一定值时，就会误导通，引发电路故障；当外加的反向电压超过其反向重复峰值电压 一定值时，晶闸管将会立即损坏。因此，必须研究过电压的产生原因及抑制过电压的方法。过电压产生的原因主要是供给的电压功率或系统的储能发生了激烈的变化，使得系统来不及转换，或者系统中原来积聚

14、的电磁能量不能及时消散而造成的。本设计采用如图12阻容吸收回路来抑制过电压。图12 阻容保护电路2.5.2 晶闸管的过电流保护 在整流中造成晶闸管过电流的主要原因是：电网电压波动太大负载超过允许值，电路中管子误导通以及管子击穿短路等。所以我们要设置保护措施，以避免损害管子。 晶闸管不仅有过电压保护，还需要过电流保护。由于半导体器件体积小、热容量小，特别像晶闸管这类高电压、大电流的功率器件，结温必须受到严格的控制，否则将遭至彻底损坏。当晶闸管中流过的大于额定值的电流时，热量来不及散发，使得结温迅速升高，最终将导致结层被烧坏。晶闸管过电流保护方法中最常用的是快速熔断器。快速熔断器由银质熔丝埋于石英

15、砂内，熔断时间极短，可以用来保护晶闸管。 图 13 晶闸管保护二 、 系统设计、参数计算及仿1、系统设计及参数计算1.1 设计对象设计书要求该系统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 =220V， =136A， =1460r/min，电枢电阻 =0.2，允许过载倍数=1.5；晶闸管装置 =0.00167s，放大系数 =40；平波电抗器：电阻 、电感 ；电枢回路总电阻R=0.5；电枢回路总电感L=15mH；电动机轴上的总飞轮惯量GD2=22.5Nm2；电流调节器最大给定值 =10.2V，转速调节器最大给定值 =10.5V；电流滤波时间常数 =0.002s，转速滤波时间常数

16、 =0.01s。设计要求：1.稳态指标：转速无静差；2.动态指标：电流超调量 ；空载启动到额定转速的转速超调量。我们就要为该直流电机设计转速、电流双闭环调速系统。如图所示：-IdLUd0Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*iUcKs Tss+1Id1Ce+Eb T0is+11 T0is+1ASR1 T0ns+1a T0ns+1U*nn图14 电流双闭环调速系统1.2系统设计原则“先内环后外环” ：从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。1.3系统设计步骤1.3.1 控制对象的参数计算1、固有参数电动

17、势系数：转矩系数：电磁时间常数：机电时间常数：晶闸管整流器滞后时间常数：2、预置参数ACR限幅输入：ASR限幅输入：电枢回路最大电流：电流反馈系数：转速反馈系数：1.3.2 电流环的设计（1）电流环结构图的简化在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即DE0。这时，电流环如图18所示：图15 电流环结构图如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成U*i(s) /b ，则电流环便等效成单位负反馈系统最后，由于Ts 和 T0i 一般都比Tl 小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为 Ti = Ts + Toi ，电流环结构图最

18、终简化成图19：图16 电流环结构图最终简化（2）电流调节器结构的选择从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由上图可以看出，采用 I 型系统就够了。从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择，则其开环对数幅频特性为：图17电流环典型型系统开环对数幅频特性（3）电流调节器的参数计算电流滤波时间常数：调节器参数：电流环开环增益：要求时，应取，因此： ACR的传递函数为：4、校

19、验近似条件：电流环截止频率： （1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件满足近似条件（2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：满足近似条件（3）电流环小时间常数近似处理条件满足近似条件5、电流调节器的实现图18 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器 Ui* 为电流给定电压；bId 为电流负反馈电压；Uc 电力电子变换器的控制电压。电流调节器电路参数的计算公式：，取=100，电流环校正为典型I型系统时：1.3.3转速环的设计1、电流环的等效闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。可知 忽略高次项，上式可降阶近似为 ：近似条件可由式（2-52）求出 ：式

20、中wcn 转速环开环频率特性的截止频率。 接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为U*i(s)，因此电流环在转速环中应等效为 这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。2、转速调节器结构的选择用电流环的等效环节代替图19中的电流环后，图19 双闭环调速系统的动态结构图整个转速控制系统的动态结构图便如图20所示：图20 转速控制系统的动态结构图和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成 U*n(s)/a，再把时间常数为 1 / KI 和 T0n 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中

21、为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR 中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为：式中 Kn 转速调节器的比例系数； t n 转速调节器的超前时间常数。 这样，调速系统的开环传递函数为：令转速环开环增益为则图21 校正后系统结构3、转速调节器参数的选择综合系统和特性考虑，选取h=5，有：电流环等效时间常数：转速滤波时间常数：转速环小时间常数：ASR的超前时间常数为：可求得转速

22、环开环增益：可得ASR的比例系数为： 截止频率：ASR传递函数为：4、校验近似条件：（1）电流环传递函数简化条件为：满足简化条件（2）转速换小时间常数近似处理条件为：满足近似条件5.转速调节器的实现图22 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器U*n为转速给定电压；-a n 为转速负反馈电压；U*i调节器的输出是电流调节器的给定电压。转速调节器电路参数的计算公式：，取=100，转速环校正为典型II型系统时：2、仿真2.1 基本仿真由电路特性知，积分饱和值为一定，我们对积分进行限幅，可以将PI效果提升的很好。下图给出了积分带限幅的PI调节器Simulink仿真模型。图中不仅把PI调节器的比例部分

23、和积分部分分开，对PI调节器的输出设置上、下限幅，还要对积分设置上、下限幅。而且这种积分是积分环节本身所带的。在Simulink环境下，这种积分限幅的实现需要双击积分模块，在对话框中选中Limit output项，然后设置上、下限幅。图23积分带限幅的PI调节器系统的结构图如下：图24 系统simulink仿真图由以上原理图可得出仅在PI调节器的输出端简单加一限幅环节时的起动转速波形和电流波形。图25 空载启动到额定转速的转速、电流曲线使用积分带限幅的PI调节器Simulink仿真模型的工作过程分三种情况：当积分器未饱和和且比例加积分的和小于限幅值时，调节器表现为线性的PI调节器；当积分输出未

24、饱和而比例加积分的和大于限幅值时，调节器的输出等于限幅值，积分器继续积分；当积分的输出达到本身的限幅值时，其输出便停止增长，调节器的输出等于其限幅值。此时，如果输入信号改变极性，比例积分调节器是从积分本身的限幅值开始退去饱和的。相比起带普通限幅环节的PI调节器，空载到额定转速的转速曲线震荡减少，超调量减少，相应的电流曲线震荡也减少，启动性能大大增强。综上，使用积分带限幅的PI调节器能够获得最好的转速，电流波形。2.2 综合性能指标要求优化系统考核稳态性能：从图中可知，转速无静差，符合要求；考核动态性能：转速超调符合要求；电流超调为，不符合题目要求，所以需要优化参数。转速超调过大，决定采用积分分离法，并调节各环节参数，经过一些列的参数尝试，且考虑到工程上K值一般均为整数，且考虑到实际的硬件电路的实现情况，最终确定ASR调节器参数为Kp=11,Ki=125，、，；