基于ARM的双闭环直流电动机调速系统项目报告

1、电气工程与自动化学院课程设计报告（电机运动控制系统实践）题 目：基于ARM双闭环直流电动机调速系统专业班级：自动化102班学 号：02号学生姓名：曹炜指导老师：汤青波 2013 年 1月 12日摘 要直流电动机具有良好的起动、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的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。转速、

2、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

3、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的电气原理图。关键词 双闭环； 转速调节器；电流调节器；Simulink；目 录第一章（空两格）（小三号、宋体）×1.1 （四号宋体）×1.2 ×1.3 &

4、#215;第四章（空两格）（小三号、宋体）×4.1 ×4.2 ×致谢（小三号、宋体）×参考文献（小三号、宋体）×附录（含外文资料和中文译文）（小三号、宋体）×不标页码第一章 绪论11 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

5、、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

6、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 研究课题的目的和意义以相应的课程理论知识和课程实践为基础，通过理论设计和实践操作、巩固和加深对理论知识的理解，增强设计自动控制系统和调试的能力。1.3 课程设计任务（1）双闭环直流电动机控制系统设计：分析系统工作原理，进行系统总体设计；分析设计出控制系统框图，控制系统动态结构图，控制系统稳态结构图。（2）双闭环直流电动机控制系统原理图设计：根据系统框图和任务分解结果，进行典型环节和模块电路的设计。设计转速电流环电路，触发电路驱动控制电路的选型设计（模拟触发电路、集成触发电路、数字触发器电路均可），控制主电路元部件的确定

7、及其参数计算（包括有变压器、电力电子器件、平波电抗器与保护电路等），检测及给定电路。（3）控制系统各单元参数测试和计算：测出各环节的放大倍数及时间常数，在确定调速范围时比较开环、单环和双环时的动态响应。（4）PID控制算法的确定：以仿真结果或实验结果为根本依据，结合理论，确定合理的PID控制策略和控制参数。（5）MATLAB仿真验证：利用MATLAB下的SIMULINK软件进行系统仿真，同时将结果在示波器上显示出来，以验证设计的正确性。第二章 双闭环直流调速系统设计框图直流电机的供电需要三相直流电，在生活中直接提供的三相交流380V电源，因此要进行整流，则本设计采用三相桥式整流电路变成三相直流

8、电源，最后达到要求把电源提供给直流电动机。如图2.1设计的方框图。图2.1 双闭环直流调速系统设计方框图 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。根据选用的方法，分别计算保护电路的各个器件的参数。 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，对整个装置的性能有很大的影响。采用性能良好的驱动电路，可使是电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。驱动电路的基本任务，就是就将信息电

9、子电路穿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。对与晶闸管的驱动电路叫作触发电路。所以对晶闸管的触发电路也是重点设计。 直流调速系统中应用最普通的方案是转速、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。本课题设计主要是设计双闭环的中两

10、个调节器参数计算与检测。最后是用MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行了仿真分析。第三章 系统电路的结构形式和双闭环调速系统的组成3.1主电路的选择与确定 直流调速系统常用的直流电源有三种 旋转变流机组；静止式可控整流器；直流斩波器或脉宽调制变换器。 机组供电的直流调速系统在20世纪60年代以前曾广泛地使用着，但该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机还要仪态励磁发电机，因此设备多，体积大，费用高，效率低。图3.1 VM系统原理图 1957年晶闸管问世，已生产成套的晶闸管整流装置，即右图3.1晶闸管-电动机调速系统(简称V-M系统)的原理图。通过调节触发装置

11、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。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很大提高，而且在技术性能上也现实出较大的优越性。 直流斩波器-电动机系统的原理图示于图3.2，其中VT用开关符号表示任何一种电力电子开关器件，VD表示续流二极管。当VT导通时，直流电源电压US加到电动机上；当VT关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经VD续流，两端电压接近于零。如此反复，得到电枢端电压波形，如图3.3所示,好像是电源电压US在时间内被接上,又在(T-)时间内被斩断,故称“斩波”。这样，电动机得到的平均电压为 （3-1）式中 T

12、-功率开关器件的开关周期； Ton-开通时间； -占空比，其中为开关频率。图3.2 直流斩波器-电动机系统原理图图3.3 波形图 因此，根据本设计的要求应选择第二个可控直流电源。 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好，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，故不采用，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

13、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。主电路原理图如图3.4所示图3.4 主电路原理图3.2三相全控桥整流电路工作原理 三相桥式全控整流原理电路结构如图1所示。三相桥式全控整流电路是应用最广泛的整流电路，完整的三相桥式整流电路由整流变压器、6个桥式连接的晶闸管、负载、触发器和同步环节组成（见图1-1）。6个晶闸管以次相隔60度触发，将电源交流电整流为直流电。三相桥式整流电路必须采用双脉冲触发或宽脉冲触发方式，以保证在每一瞬时都有两个晶闸管同时导通（上桥臂和下桥臂各一个）。整流变压器采用三

14、角形/星形联结是为了减少3的整倍次谐波电流对电源的影响。 元件的有序控制，即共阴极组中与a、b、c三相电源相接的三个晶闸管分别为VT1、VT3、VT5，共阳极组中与a、b、c三相电源相接的三个晶闸管分别为 VT、VT。它们可构成电源系统对负载供电的6条整流回路，各整流回路的交流电源电压为两元件所在的相间的线电压。 图3-5 三相桥式全控整流原理电路 在三相桥式全控整流电路中，对共阴极组和共阳极组是同时进行控制的，控制角都是。由于三相桥式整流电路是两组三相半波电路的串联，因此整流电压为三相半波时的两倍。很显然在输出电压相同的情况下，三相桥式晶闸管要求的最大反向电压，可比三相半波线路中的晶闸管低一

15、半。 为了分析方便，使三相全控桥的六个晶闸管触发的顺序是1-2-3-4-5-6，晶闸管是这样编号的：晶闸管KP1和KP4接a相，晶闸管KP3和KP6接b相，晶管KP5和KP2接c相。 图3.6 三相桥式全控整流电路晶闸管KP1、KP3、KP5组成共阴极组，而晶闸管KP2、KP4、KP6组成共阳极组。 图3.7 三相桥式整流电路的触发脉冲为了搞清楚变化时各晶闸管的导通规律，分析输出波形的变化规则，下面研究几个特殊控制角，先分析=0的情况，也就是在自然换相点触发换相时的情况。图3.6是电路接线图。为了分析方便起见，把一个周期等分6段（见图3.7）。在第（1）段期间，a相电压最高，而共阴极组的晶闸管

16、KP1被触发导通，b相电位最低，所以供阳极组的晶闸管KP6被触发导通。这时电流由a相经KP1流向负载，再经KP6流入b相。变压器a、b两相工作，共阴极组的a相电流为正，共阳极组的b相电流为负。加在负载上的整流电压为Ud=Ua-Ub=Uab 经过60°后进入第(2)段时期。这时a相电位仍然最高，晶闸管KPl继 续导通，但是c相电位却变成最低，当经过自然换相点时触发c相晶闸管KP2，电流即从b相换到c相，KP6承受反向电压而关断。这时电流由a相流出经KPl、负载、KP2流回电源c相。变压器a、c两相工作。这时a相电流为正，c相电流为负。在负载上的电压为Ud=Ua-Uc=Uac 再经过60

17、°，进入第(3)段时期。这时b相电位最高，共阴极组在经过自然换相点时，触发导通晶闸管KP3，电流即从a相换到b相，c相晶闸管KP2因电位仍然最低而继续导通。此时变压器bc两相工作，在负载上的电压为Ud=Ub-Uc=Ubc其余相依此类推。由上述三相桥式全控整流电路的工作过程可以看出：1.三相桥式全控整流电路在任何时刻都必须有两个晶闸管导通，而且这两个晶闸管一个是共阴极组，另一个是共阳极组的，只有它们能同时导通，才能形成导电回路。2. 三相桥式全控整流电路就是两组三相半波整流电路的串联，所以与三相半波整流电路一样，对于共阴极组触发脉冲的要求是保证晶闸管KPl、KP3和KP5依次导通，因此

18、它们的触发脉冲之间的相位差应为120°。对于共阳极组触发脉冲的要求是保证晶闸管KP2、KP4和KP6依次导通，因此它们的触发脉冲之间的相位差也是120°。3.由于共阴极的晶闸管是在正半周触发，共阳极组是在负半周触发，因此接在同一相的两个晶闸管的触发脉冲的相位应该相差180°。4. 三相桥式全控整流电路每隔60°有一个晶闸管要换流，由上一号晶闸管换流到下一号晶闸管触发，触发脉冲的顺序是：1234561，依次下去。相邻两脉冲的相位差是60°。5.由于电流断续后，能够使晶闸管再次导通，必须对两组中应导通的一对晶闸管同时有触发脉冲。为了达到这个目的，可

19、以采取两种办法；一种是使每个脉冲的宽度大于60°（必须小于120°），一般取80°100°，称为宽脉冲触发。另一种是在触发某一号晶闸管时，同时给前一号晶闸管补发一个脉冲，使共阴极组和共阳极组的两个应导通的晶闸管上都有触发脉冲，相当于两个窄脉冲等效地代替大于60°的宽脉冲。这种方法称双脉冲触发。6.整流输出的电压，也就是负载上的电压。整流输出的电压应该是两相电压相减后的波形，实际上都属于线电压，波头Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca、Ucb均为线电压的一部分，是上述线电压的包络线。相电压的交点与线电压的交点在同一角度位置上，故线电压的交点同样

20、是自然换相点，同时亦可看出，三相桥式全控的整流电压在一个周期内脉动六次，脉动频率为6×50=300Hz，比三相半波时大一倍。7晶闸管所承受的电压。三相桥式整流电路在任何瞬间仅有二臂的元件导通，其余四臂的元件均承受变化着的反向电压。例如在第(1)段时期，KP1和KP6导通，此时KP3和KP4,承受反向线电压Uba=Ub-Ua. . KP2承受反向线电压Ubc=Ub-Uc .KP5承受反向线电压Uca=Uc-Ua .晶闸管所受的反向最大电压即为线电压的峰值。当从零增大的过程中，同样可分析出晶闸管承受的最大正向电压也是线电压的峰值。总之，三相全控制整流电路由晶闸管VT1、VT3、VT5接成

21、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。晶闸管的控制角都是，在一个周期内6个晶闸管都要被触发一次，触发顺序依次为：VT1VT2VT3VT4VT5VT6，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，只有这样才能使电路正常工作。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，电路中加入了过电压、过电流等保护装置如图3-4。3.3双闭环调速系统的组成速度与电流双闭环调速系统是20 世纪60 年代在国

22、外出现的一种新型的调速系统。70 年代以来, 在我国的冶金、机械、制造以及印染工业等领域得到日益广泛的应用。 双闭环调速系统是由单闭环自动调速系统发展而来的。单闭环调速系统使用了一个比例积分调节器组成速度调节器可以得到转速的无静差调节。从扩大调速范围的角度来看, 单环系统已能基本上满足生产机械对调速的要求。但是, 任何调速系统总是需要启动与停车的, 从电机能承受的过载电流有一定限制来看, 要求启动电流的峰值不要超过允许数值。为达到这个目的, 采用电流截止负反馈的系统, 它能得到启动电流波形, 见图3.5中实线所示。波形的峰值正好达到直流电动机所允许的最大冲击电流, 其启动时间为。图3.8 止负

23、反馈系统启动电流波形实际的调速系统, 除要求对转速进行调整外, 很多生产机械还提出了加快启动和制动过程的要求, 例如可逆轧钢, 龙门刨床都是经常处于正反转工作状态的, 为了提高生产率, 要求尽量缩短过渡过程的时间。从图3.6启动电流变化的波形可以看到, 电流只在很短的时间内就达到了最大允许值, 而其他时间的电流均小于此值, 可见在启动过程中,电机的过载能力并没有充分利用。如果能使启动电流按虚线的形状变化, 充分利用电动机的过载能力, 使电机一直在较大的加速转矩下启动, 启动时间就会大大缩短, 只要就够了。上述设想提出一个理想的启动过程曲线, 其特点是在电机启动时, 启动电流很快加大到允许过载能

24、力值, 并且保持不变, 在这个条件下, 转速得到线性增长, 当开到需要的大小时, 电机的电流急剧下降到克服负载所需的电流值,对应这种要求可控硅整流器的电压在启动一开始时应为, 随着转速的上升, 也上升, 达到稳定转速时, 。这就要求在启动过程中把电动机的电流当作被调节量, 使之维持在电机允许的最大值, 并保持不变。这就要求一个电流调节器来完成这个任务。带有速度调节器和电流调节器的双闭环调速系统便是在这种要求下产生的。如下图3.9图3.9 速、电流双闭环直流调速系统原理框图（注: ASR转速调节器 ACR电流调节器 TG直流测速发电机TA电流互感器 UPE电力电子装置 Un*转速给定电压 Un转

25、速反馈电压 Ui*电流给定电压 Ui 电流反馈电压）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，二者之间实行串级联接，如图3.7所示。这就是说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，叫内环；转速调节环在外边，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器都采用调节器。采用型的好处是其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。双闭环调速系统

26、的静特性在负载电流小于最大电流 时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到 后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个调节器分别形成内、外两个闭环的效果。3.4稳态结构框图和动态数学模型3.4.1稳态结构框图为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构框图，如下图3.8所示。电流调节器和转速调节器均为具有限幅输出的PI调节器，当输出达到饱和值时，输出量的变化不再影响输出，除非产生反向的输入才能使调节器退出饱和。当输出未达到饱和时，稳态的输入偏差电压总是为零。正常运行时，电流调节器设计成总是不会饱和

27、的，而转速调节器有时运行在饱和输出状态，有时运行在不饱和状态。 图3.10 环直流调速系统的稳态结构框图a转速反馈系数; b 电流反馈系数 分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征，一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值。即饱和调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。不饱和输出未达到限幅值。即PI的作用使输入偏差电压在稳态时总为零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有调速调节器饱和与不饱和两种状况：（1）转速调节器不饱和：稳态时，他们的输入偏差电压都是零，因此，而得到下图3.5静特性的CA段。 （2）转速调节器饱和：输出达到限

28、幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的点电流闭环调节系统。稳态时 ，从而得到下图3.8静特性的AB段。 这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点漂移而采用“准PI调节器”时，静特性的两段实际上都N略有很小的静差，见图3.11的虚线。 图3.11 双闭环直流调速系统的静特性 n0IdIdmIdNOnABC ASR主导，表现为转速无静差 ACR主导，表现为电流无静差（过电流保护） 3.4.2动态数学模型如下图3.12表示双闭环直流调速系统的动态框图，图中和分别表示转速

29、调节器和电流调节器的传递函数。在分析双闭环直流调速系统的动态性能时，着重分析电机的起动过程及抗扰动性能。在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，抗扰动性能包括抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。在起动过程有三个特点：随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态。当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环则表现为电流随动系统。这就是饱和非线性控制的特征。准时间最优控制即恒流升速阶段，电流保持恒定，一般选择为允许的最大值，以便充分发挥电机的过载能力，是起动过程尽可能的最快。

30、转速超调： 由于采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速调节器退出饱和状态。按照PI调节器的特性，只有使转速超调，ASR的输入偏差电压为负值，才能使ASR退出饱和。即采用PI调节器的双闭环调速系统的转速动态响应必然有超调。-IdLUd0Un+-+-UiACR1/RTl s+1RTmsU*iUcKs Tss+1Id1Ce+Eb T0is+11 T0is+1ASR1 T0ns+1a T0ns+1U*nn 图3.12 双闭环调速系统的动态结构框图 电流反馈滤波时间常数 转速反馈滤波时间常数 在实际动态系统中，常增加滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。由于

31、电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要选定，以滤平电流检测信号为准然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同的延时，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上加入时间常数为的给定滤波环节。第四章 电路参数的设计及电路原件的选

32、择4.1整流变压器的计算变压器副边电压可以采用如下公式计算：负载所要求的整流输出的最大值。晶闸管正向压降，通常为0.4-1.2v,这里取=1v。n 主电路中电流回路晶闸管个数。A理想情况下=0时，整流输出电压与二次边相电压之比。C线路接线方式系数。电网电压波动系数，通常取=0.9。最小控制角，取=。变压器短路电压比，100kv一下取=0.05。变压器二次侧实际工作电流额定电流比。已知=220v，=1v，n=2，查表的A=2.34，取=0.9，=，=0.05， =1，查表得C=0.5。代入上式得因此变压器变比取：整流变压器容量：42 电流调节器的设计1. 确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数T

33、s。三相桥式电路的平均失控时间 Ts=0.0017s。（2）电流滤波时间常数Toi。三相桥式电路的每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（12）Toi=3.3ms，因此取Toi=2ms=0.002s。（3）电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取。（4）电磁时间常数的确定。由前述已求出电枢回路总电感。 则电磁时间常数 2. 选择电流调节器的结构：根据设计要求，并保证稳态电流无静差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型调节器，其传递函数为： 式中 -电流调节器的比例系数；-电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能：。3. 计算电流

34、调节器的参数：电流调节器超前时间常数：。电流开环增益：要求时，取，因此 ， 于是，ACR的比例系数为： 式中 电流反馈系数；晶闸管专制放大系数。4. 校验近似条件：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。 电流调节器结构示意图如图5-1所示：图5-1含滤波环节的PI型电流调节器4.3 转速调节器的设计1. 确定时间常数：（1）电流环等效时间常数1/KI。由前述已知，则： （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

35、间常数近似处理，取： 2. 选择转速调节器结构：按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数式为： 3. 计算转速调节器参数：按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5，则ASR的超前时间常数为： 则转速环开环增益： K 可得ASR的比例系数为： 转速反馈系数。4.检验近似条件：转速截止频率为： （1）电流环传递函数简化条件为： 满足简化条件。（2）转速环小时间常数近似处理条件为： 满足近似条件。转速调节器的结构示意图入图5-2所示：图5-2含滤波环节的PI型转速调节器4.4晶闸管的选型晶闸管的额定电压通常取段态重复峰值和反向重复峰值电压中较小的标值作为该晶闸管的额定电压，晶闸管的额定电流一般取通态

36、平均电流的1.5-2倍。在桥式整流电路中，晶闸管承受的最大正反电压均为，晶闸管额定电压一般选取最大反向电压的2-3倍。带反电动势时，变压器二次侧电流有效值为其输出平均电流的一半。而对于对于桥式整流电路，晶闸管的通态平均电流 ,则在本设计中晶闸管额定电流11.03A。第五章 主电路保护电路设计5.1过电压保护设计过电压保护可分为交流侧和直流侧过电压保护，前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。1交流侧过电压保护压敏电阻采用由金属氧化物（如氧化锌、氧化铋）烧结制成的非线性压敏元件作为过电压保护，其主要优点在于：压敏电阻具有正反向相

37、同的陡峭的伏安特性，在正常工作时只有很微弱的电流（1mA以下）通过元件，而一旦出现过电压时电压，压敏电阻可通过高达数千安的放电电流，将电压抑制在允许的范围内，并具有损耗低，体积小，对过电压反映快等优点。因此，是一种较好的过电压保护元件。 本设计采用三相全控桥整流电路，变压器的绕组为Y联结，在变压器交流侧，采用压敏电阻的保护回路，如下图4.1所示。图4.1 二次侧过电压压敏电阻保护 （1）压敏电阻的额定电压选择可按下式： （4-22）式中，-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；-变压器二次侧的线电压有效值，对于星形接法的线电压等

38、于相电压，。 （4-23）（2）计算压敏电阻泄放电流初值，即三相变压器时： （4-24）式中，-能量转换系数，； -三相变压器空载线电流有效值，。 （4-25）（3）计算压敏电阻的最大电压的公式为 （4-26）式中，-压敏元件特性系数； -压敏元件非线性系数。一般 在2025之间，在取时，。 （4-27）因此，压敏电阻额定电压取700V型压敏电阻。2直流侧过电压保护 图4.2 压敏电阻保护电路整流器直流侧在快速开关断开或桥臂快速熔断等情况，也会在A、B之间产生过电压，可以用非线性元气件抑制过电压，本设计压敏电阻设计来解决过电压时(击穿后)，正常工作时漏电流小、损耗低，而泄放冲击电流能力强，抑制

39、过电压能力强，除此之外，它对冲击电压反应快，体积又比较小，故应用广泛。其电路图如右图4.2所示 。 压敏电阻的额定电压的选取可按下式计算： 压敏电阻承受的额定电压峰值 式中为压敏电阻的额定电压；为电网电压升高系数，一般取1.051.10。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 。 （4-28）对于本设计： （4-29）因此，压敏电阻额定电压取380V 型压敏电阻。3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

40、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的电磁能量不能及时消散而造成的。本设计采用如右图4.3阻容吸收回路来抑制过电压。通过经验公式 ： 图4.3 阻容吸收回路得： （4-30） （4-31）由于一个周期晶闸管充放电各一次，因此： （4-32） （4-33）功率选择留56倍裕量： （4-34）因此，电阻R选择 阻值为,功率选择2W的电阻。电容C选择容量为的电容。5.2过电流保护设计 过电流保护措施有下面几种，可以根据需要选择其中一种或数种。（1）在交流进线中串接电抗器或采用漏抗较大的变压器，这些措施可以限制短路短

41、路电流。（2）在交流侧设置电流检测装置，利用过电压信号去控制触发器，使脉冲快速后移或对脉冲进行封锁。（3）交流侧经电流互感器接入过电流继电器或直流侧接入过电流继电器，可以在发生过电流时动作，断开主电路。（4）对于大容量和中等容量的设备以及经常逆变的情况，可以用直流快速开关进行过载或短路保护。直流开关的应根据下列条件选择：快速开关的额定电流额定整流电流 .快速开关的额定电压额定整流电压 .快速开关的分断能力直流侧外部短路时稳态短路电流平均电流平均值。快速开关的动作电流按电动机最大过载电流整定 式中，K为电动机最大过载倍数，一般不大于2.7；为直流电动机的额定电流。（5）快速熔断器 它可以安装在交

42、流侧或直流侧，在直流侧与元件直接串联。在选择时应注意以下问题：快熔的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值。熔断器的额定电流应大于溶体的额定电流。溶体的额定电流可按下式计算 。5.2.1三相交流电路的一次侧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，保护原理图4.4如下：图4.4 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 （4-35）熔断

43、器额定电流 （4-36）因此，如图4.4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70A。5.2.2晶闸管过电流保护 图4.5 晶闸管过电流保护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砂内，熔断时间极短，可以用来保护晶闸管。如右图4.5快速熔断器保护。根据快速熔断器的要求熔断器的额定电压 ： （4-37） 因此，按本课题的设计要求，用于晶闸管过电流保护的快速熔断器的额定电压可选择360V。第六章 仿真实现利用MATLAB-Simulink工具箱进行仿真，具体如下：6.1 原理框图设计:6.1电流调节器()原理图 6.2转速调节器()原理图6.3 直流双闭环调速系统原理图 6.2 仿真图:6.2.1 电流调节器()仿真: 6.2.2 转速调节器()仿真:6.2.3 直流双闭环调速系统仿真: 6.2.4 系统空载运行时心得体会本次课程设计是关于双闭环直流调速系统的设计