三机架冷连轧机直流调速系统设计

1、三机架冷连轧机直流调速系统设计学生姓名：学号：专业班级：自动化指导教师：李京完成时间： 2016.9目录第一章课程设计概述11.1 设计背景及目的11.2 设计要求1第二章直流调速系统的方案设计32.1 现行方案的讨论与比较32.2 晶闸管电动机系统 (V-M 系统 )42.3 无环流控制的可逆晶闸管电动机系统52.4 转速负反馈直流调速系统62.5 直流双闭环调速系统6第三章直流调速系统主电路设计83.1 励磁电流的设计83.2 电机主电路的设计93.3 电力电子变换电路的设计9第四章直流调速系统控制电路设计104.1 速度调节器104.2 电流调节器104.3 电流反馈与过流保护114.4

2、 转速变换134.5 转矩极性鉴别144.6 零电平检测154.7 逻辑控制15第五章双闭环调速系统设计175.1 设计准备175.2 电流调节器的设计185.3 转速调节器的设计20第六章电路元件选择与参数计算236.1变压器236.2晶闸管236.3晶闸管保护措施236.4平波电控器24第七章心得体会24第一章课程设计概述1.1 设计背景及目的运动控制系统是自动化专业的主干专业课，具有很强的系统性、实践性和工程背景，运动控制系统课程设计的目的在于培养学生综合运用运动控制系统的知识和理论分析和解决运动控制系统设计问题， 是学生建立正确的设计思想， 掌握工程设计的一般程序、 规范和方法， 提高

3、学生调查研究、 查阅文献及正确使用技术资料、标准、手册等工具书的能力，理解分析、制定设计方案的能力，设计计算和绘图能力，实验研究及系统调试能力，编写设计说明书的能力。轧机控制的核心是板形和厚度控制。 要达到良好的板形和保证可接受的厚度公差，轧机就必须保证良好的速度、张力的稳定性。在控制方式上，主机的速度控制，给整个轧机提供稳定的线速度基准。 开卷机和卷曲机为恒张力控制。 速度设定由主操作手在操作台控制， 控制信号传送到各个传动系统， 速度设定是以主机为线速度基准， 计算减速箱速比以及传动辊工作辊辊径， 可以得出电机每分钟需要的转速是多少。根据控制功能，具有正反点动功能，用于穿带及断带处理。按照

4、线速度同步的原则计算转速分配给传动系统。 张力控制在冷轧行业是个必须面对和正确处理的问题，在整个轧制过程中至关重要。本文基于三机架冷连轧机直流调速系统的设计， 通过对逻辑无环流控制系统研究，设计出应用于直流电机的速度、 电流双闭环控制系统。 根据控制系统的设计技术指标要求， 论述不同方案的区别并选择适合的方案。 再分步对控制系统各个模块进行详尽的设计说明、其中包括设计原理、参数计算和器的选择。1.2 设计要求(一)轧机工艺及对电力拖动系统的要求：1、轧机用途：轧制紫铜、合金条材，将厚度为2.5-6.0mm 扎成成品厚度为1.0-2.5mm。2、设备配置：1234来料5+6789图2-1 中：1

5、、 2 、 3- 主工作架，4- 卷取机，5- 减速机6、 7、 8-工作要架主电机，9- 卷宗取机电动机3、生产工艺对电力拖动的要求：(1)启动到给料速度到规定速度制动到给料速度停止。(2)机架速度自动保持不变，机架间张力自动保持不变。(3)各机架可单独起、制动和联合起制动。(4)可以用任何轧制速度。直到电动机的极限值。(5)连轧机除正常停机外，还应有快速停车。(6)在连轧过程中或在过渡过程中，卷取机和第三机架的条材的张力应保持不变。(7)当断带时，能自动限制卷取机的速度。 轧机因事故停止时， 卷取机也应停止。(二)设计要求：1、三台主工作机架的主电机参数及要求均一样，只设计一台控制系统就行

6、。2技术指标： 稳态无静差，电流超调量，空载起动至额定转速时的转速超调量，能实现快速制动。（三）直流电机参数：,允许电流过载倍数 =1.5。第二章直流调速系统的方案设计2.1 现行方案的讨论与比较直流电动机的调速方法有三种：(1)调节电枢供电电压：改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速， 属恒转矩调速方法。 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但需要大容量可调直流电源。(2)改变电动机主磁通?：改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。

7、变化遇到的时间常数同调压方式电流变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。(3)改变电枢回路电阻 R ：在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用； 还会在调速电阻上消耗大量电能。 改变电阻调速缺点很多，目前很少采用， 仅在有些起重机、 卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。 弱磁调速范围不大， 往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。 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。 因此，自动控制的直流调速系统往往

8、以调压调速为主速。改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法， 调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：(1)旋转变流机组。 用交流电动机和直流发电机组成机组， 以获得可调的直流电压。由交流电动机 (异步机或同步机 )拖动直流发电机 G 实现变流，由 G 给需要调速的直流电动机 M 供电，调节 G 的励磁电流 a 即可改变其输出电压 U，从而调节电动机的转速 n。这样的调速系统简称 G-M 系统。(2)静止式可控整流器。 用静止式的可控整流器， 如汞弧整流器和晶闸管整流器，获得可调的直流电压。通过调节触发装置GT 的控制电压来移动触发装置的相位，即可改变整流平

9、均电压,从而实现平滑调速。和旋转变流机组及离心变流拖动装置相比， 晶闸管整流装置不仅在经济型和可靠性上都有很大的提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。(3)直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电网供电。采用直流斩波器或脉宽调制变换器(PWM) 控制。2.2 晶闸管电动机系统(V-M 系统 )图 2-2 给出了晶闸管电动机系统的基本原理图，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，即可改变平均整流电压 Ud，从而实现平滑调

10、速。和旋转发电机组及离心拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有提高， 而在技术性能上也显示出较大的优越性。 晶闸管可控整流器的功率放大倍数在 104 以上，其门极电流可以直接电子控制， 不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。 在控制作用的快速性上，变流机组是秒级， 而晶闸管整流装置是毫秒级， 这将大大提高系统的动态性能。图 2-2 晶闸管电动机系统的基本原理图晶闸管直流装置也有它的缺点。首先，由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难，必须采用正、反两组全控整流电路。其二，晶闸管对过电压、过电流和过高的 du/dt 与 di/dt 都十分敏感，其

11、中任一指标超过允许值都可能在很短时间内损坏器件， 因此必须有可靠的保护电路和符合要求的散热条件， 而在选择器件时还应留有适当的余量。 由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。2.3 无环流控制的可逆晶闸管电动机系统在有环流系统中，虽然其具有反向快、过度平滑等优点，但设置几个环流电抗器终究是个累赘。因此，对于大容量的系统，从机器生产可靠性出发，常采用既没有直流平均环流又没有瞬间脉动环流的无环流可逆系统。当一组晶闸管工作时，用逻辑电路（硬件）或逻辑算法（软件）去封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，以确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路

12、，这就是逻辑控制的无环流可逆系统。逻辑控制无环流可逆调速系统的组成及工作原理图如图所示：图 2-3 逻辑控制无环流可逆调速系统原理框图系统结构的特点：主电路采用两组晶闸管装置反并联线路；由于没有环流，不用设置环流电抗仍保留平波电抗器 Ld，以保证稳定运行时电流波形连续；控制系统采用转速、电流双闭环方案；电流环分设两个电流调节器， 1ACR 用来控制正组触发装置GTF，2ACR 控制反组触发装置GTR。1ACR 的给定信号经反号器 AR 作为 2ACR 的给定信号，因此电流反馈信号的极性不需要变化， 可以采用不反映极性的电流检测方法。为了保证不出现环流， 设置了无环逻辑控制环节 DLC ，这是系

13、统中的关键环节。它按照系统的工作状态，指挥系统进行正、反组的自动切换，其输出信号Ubl 来控制正组触发脉冲的封锁或开放，Ublr 用来控制反组触发脉冲的封锁或开放。2.4 转速负反馈直流调速系统图 2-4 转速负反馈直流调速系统根据自动控制原理， 反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差， 它就会自动产生纠正偏差的作用。调速系统的转速降落正是由负载引起的转速偏差， 显然，引入转速闭环将使调速系统大大减少转速降落。闭环控制系统的代价是：增加放大器和转速检测元件。2.5 直流双闭环调速系统采用 PI 调节的单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差

14、。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起动，突加负载动态速降小等等， 单闭环系统就难以满足要求。 在单闭环调速系统中， 只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的， 但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击， 并不能很理想地控制电流的动态波形。 电流从最大值降低下来以后， 电机转矩也随之减小， 因而加速过程必然拖长。 实际中往往希望在起动过程中只有电流负反馈， 而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输人端， 到达稳态转速后， 又希望只要转速负反馈， 不再靠电流负反馈发挥主要的作用。因此，本设计中采用转速、电流双闭环直流调速。为了实现转速和电流两种负反馈分别

15、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，系统结构图如图2-5 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， 叫做内环；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一般都采用PI 调节器，其原理如图2-5-1 所示。图 2-5 双闭环直流调速系统的组成ASR转速调节器 ACR电流调节器TG测速发电机TA电流互感器 GT电力电子变换器图 2-5-1 双闭环直流调速系统电路原理图IdRUiUn

16、*+Ui*+ -UcUd0+-nACR-ASRKs1/CeUn图 2-5-2 双闭环直流调速系统稳态结构框图第三章直流调速系统主电路设计主电路的稳定安全运行直接影响整个系统的性能，为了保证冷连轧机的卷取机系统具有稳定的正反运行特性，则需要设计可逆的调速系统， 采用六个晶闸管构成三相桥式整流电路的反并联装置可以解决电动机的正反转运行和回馈制动的问题。3.1 励磁电流的设计直流调速系统主电路由三相Y 变压器接电网供电。变压器分别给电动机和励磁回路供电，励磁回路采用不可控的二级管整流器产生，并采用大电容C滤波，以获得恒定的直流电压。如图所示，直流调速调速系统励磁回路电路图。VDC图 3-1 直流调速

17、系统励磁回路三相变压器主回路的接法能够消除电网中主要存在的三次谐波，防止三次谐波流到副边。励磁回路输出电压为220V 而三相不可控整流输出电压与输入电压的关系为 Ud=2.34U2。3.2 电机主电路的设计电动机回路也由三相Y 变压器接电网供电，经三相晶闸管整流得到直流电流向电动机供电。如图3-2 所示，直流电动机回路电路图。图 3-2 直流电动机回路电路图图中主回路中都连接了熔断器对电路进行过流保护， 当回路中电流过大时熔断器熔断主电路断开设备得到保护。当起动按钮按下时接触器KM得电，起动自锁开关合上防止起动按钮误动作造成电路断电。同时主回路中接触器KM合上，主电路接通。图中TA1和 TA2

18、为电流互感器，用于检测电流的大小，实现对电路的过流保护及电流反馈环节的电流检测。电流互感器均采用星形接线方式，对各种短路故障均起作用。电流互感器的选取由主回路中的电流值决定。而变压器副边连接的三相阻容负载用于平衡负载滤除副边电网中的谐波的作用。其参数的选择可根据所要滤除的谐波决定。3.3 电力电子变换电路的设计电力电子变换器UPE 采用三相桥式晶闸管连接方式，分为正组和反组两套整流桥。 具体结构如右图所示。晶闸管三相桥式可控电路的输出电压与输入电压的关系为 Ud=2.34U2cos。第四章直流调速系统控制电路设计控制回路主要功能是通过逻辑无环流控制系统实现系统的安全稳定地运行，达到设计的要求，

19、 满足设计指标，并保证控制系统的实用性使得对系统控制变得易于操作。控制电路主要包括速度环、电流环及无环流逻辑控制环节电路。4.1 速度调节器速度调节器由运算放大器、输入与反馈环节及二极管限幅环节组成，对给定和反馈两个输入量进行加法、减法、比例、积分和微分等运算。其原理如图 4-1 所示：图 4-1 速度调节器在图中“ 1、 2、 3”端为信号输入端，二极管VD1和 VD2起运放输入限幅，保护运放的作用。 二极管 VD3、VD4和电位器 RP1、RP2组成正负限幅可调的限幅电路。由 C1、 R3组成微分反馈校正环节，有助于抑制振荡，减少超调。 R7、C5组成速度环串联校正环节。 改变 R7的阻值

20、改变了系统的放大倍数， 改变 C5的电容值改变了系统的响应时间。 RP3为调零电位器。4.2 电流调节器电流调节器由运算放大器、限幅电路、互补输出、输入阻抗网络及反馈阻抗网络等环节组成，工作原理基本上与速度调节器相同。电流调节器与速度调节器相比，增加了几个输入端，其中“ 3”端接推 信号，当主电路输出过流时， 电流反馈与过流保护的 “ 3”端输出一个推 信号（高电平）信号，击穿稳压管，正电压信号输入运放的反向输入端，使调节器的输出电压下降，使角向 180 度方向移动， 使晶闸管从整流区移至逆变区， 降低输出电压，保护主电路。“5、7”端接逻辑控制器的相应输出端， 当有高电平输入时，击穿稳压管，

21、三极管 V4、V5 导通，将相应的输入信号对地短接。在逻辑无环流实验中“4、6”端同为输入端， 其输入的值正好相反， 如果两路输入都有效的话，两个值正好抵消为零，这时就需要通过“ 5、7”端的电压输入来控制。图 4-2 电流调节器4.3 电流反馈与过流保护本单元有两个功能，一是检测主电源输出的电流反馈信号，二是当主电源输出电流超过某一设定值时发出过流信号切断电源。TA1,TA2,TA3 为电流互感器的输出端，它的电压高低反映三相主电路输出的电流大小，面板上的三个园孔均为观测孔，不需再外部进行接线，只要将DJK04挂件的十芯电源线与插座相连接，那么 TA1、TA2、TA3就与屏内的电流互感器输出

22、端相连，当打开挂件电源开关，过流保护即处于工作状态。图 4-3 电流反馈与过流保护原理图(1) 电流反馈与过流保护的输入端 TA1、TA2、TA3，来自电流互感器的输出端，反映负载电流大小的电压信号经三相桥式整流电路整流后加至RP1、RP2、及 R1、R2、VD7组成的 3 条支路上，其中 :R2 与 VD7并联后再与 R1 串联，在其中点取零电流检测信号从1 脚输出，供零电平检测用。当电流反馈的电压比较低的时候，“1”端的输出由 R1、 R2分压所得， VD7 截止。当电流反馈的电压升高的时候，“1”端的输出也随着升高，当输出电压接接近 0.6V 左右时， VD7导通，使输出始终保持在 0.

23、6V 左右。将 RP1 的滑动抽头端输出作为电流反馈信号，从“ 2”端输出，电流反馈系数由 RP1进行调节。RP2的滑动触头与过流保护电路相连，调节RP2可调节过流动作电流的大小。(2) 当电路开始工作时，由于电容 C2的存在， V3 先与 V2 导通， V3 的集电极低电位， V4 截止，同时通过 R4、VD8将 V2 基极电位拉低，保证 V2 一直处于截止状态。(3) 当主电路电流超过某一数值后， RP2 上取得的过流电压信号超过稳压管V1 的稳压值，击穿稳压管，使三极管V2 导通，从而 V3 截止， V4 导通使继电器K 动作，控制屏内的主继电器掉电，切断主电源，挂件面板上的声光报警器发

24、出告警信号，提醒操作者实验装置已过流跳闸。 调节 RP2的抽头的位置， 可得到不同的电流报警值。(4) 过流的同时， V3 由导通变为截止，在集电极产生一个高电平信号从“3”端输出，作为推 信号供电流调节器使用。(5)SB 为解除过流记忆的复位按钮， 当过流故障己经排除， 则须按下 SB以解除记忆，才能恢复正常工作。当过流动作后，电源通过SB、 R4、VD8及 C2 维持V2 导通， V3 截止、 V4 导通、继电器保持吸合，持续告警。只有当按下SB 后，V2 基极失电进入截止状态，V3 导通、 V4 截止，电路才恢复正常。4.4 转速变换转速变换用于有转速反馈的调速系统中，它将反映转速变化并

25、与转速成正比的电压信号变换成适用于控制单元的电压信号。图 4-4 速度变换图使用时，将电压输出端接至转速变换的输入端“ 1”和“ 2”。输入电压经 R1 和 RP1分压，调节电位器 RP1可改变转速反馈系数。图 4-4-1 电压给定原理图电压给定由两个电位器RP1、RP2及两个钮子开关S1、S2 组成。 S1 为正、负极性切换开关，输出的正、负电压的大小分别由RP1、RP2来调节，其输出电压范围为 0士 l5V ，S2 为输出控制开关，打到“运行”侧，允许电压输出，打到“停止”侧，则输出为零。按以下步骤拨动S1、 S2，可获得以下信号：(1) 将 S2 打到“运行”侧， S1 打到“正给定”侧

26、，调节 RP1使给定输出一定的正电压，拨动 S2 到“停止”侧，此时可获得从正电压突跳到 0V的阶跃信号，再拨动 S2 到“运行”侧，此时可获得从 0V 突跳到正电压的阶跃信号。(2) 将 S2 打到“运行”侧， S1 打到“负给定”侧，调节 RP2使给定输出一定的负电压，拨动 S2 到“停止”侧，此时可获得从负电压突跳到 0V的阶跃信号，再拨动 S2 到“运行”侧，此时可获得从 0V 突跳到负电压的阶跃信号。(3) 将 S2 打到“运行”侧，拨动 S1，分别调节 RP1和 RP2使输出一定的正负电压，当 S1 从“正给定” 侧打到 “负给定” 侧，得到从正电压到负电压的跳变。当 S1 从“负

27、给定”侧打到“正给定”侧，得到从负电压到正电压的跳变。元件 RP1、RP2、S1 及 S2 均安装在挂件的面板上，方便操作。此外由一只3位半的直流数字电压表指示输出电压值。要注意的是不允许长时间将输出端接地，特别是输出电压比较高的时候，可能会将RP1、RP2损坏。4.5 转矩极性鉴别转矩极性鉴别为一电平检测器，用于检测控制系统中转矩极性的变化。它是一个由比较器组成的模数转换器， 可将控制系统中连续变化的电平信号转换成逻辑运算所需的“ 0”、“ 1”电平信号。其原理图如图 4-5-1 所示。转矩极性鉴别器的输入输出特性如图 4-5-2 所示，具有继电特性。调节运放同相输入端电位器 RP1可以改变

28、继电特性相对于零点的位置。 继电特性的回环宽度为 :U=U=K1(U)ksr2 一 Usr1scm2 一 Uscm1式中， K1 为正反馈系数， K1 越大，则正反馈越强，回环宽度就越小； Usr2 和Usr1 分别为输出由正翻转到负及由负翻转到正所需的最小输入电压；Uscm1 和 Uscm2分别为反向和正向输出电压。 逻辑控制系统中的电平检测环宽一般取0.2 0.6V，环宽大时能提高系统抗干扰能力，但环太宽时会使系统动作迟钝。图 4-5-1 转矩极性鉴别原理图图4-5-2 转矩极性鉴别器特性4.6 零电平检测零电平检测器也是一个电平检测器，其工作原理与转矩极性鉴别器相同，在控制系统中进行零电

29、流检测， 当输出主电路的电流接近零时，电平检测器检测到电流反馈的电压值也接近零，输出高电平。其原理图和输入输出特性分别如图4-6-1 和图 4-6-2 所示。图 4-6-1 零电平检测器原理图4-6-2 零电平检测器输入输出特性4.7 逻辑控制逻辑控制用于逻辑无环流可逆直流调速系统，其作用是对转矩极性和主回路零电平信号进行逻辑运算，切换加于正桥或反桥晶闸管整流装置上的触发脉冲，以实现系统的无环流运行。 其原理图如图 4-7 所示。其主要由逻辑判断电路、 延时电路、逻辑保护电路、推电路和功放电路等环节组成。图 4-7 逻辑控制器原理图(1) 逻辑判断环节逻辑判断环节的任务是根据转矩极性鉴别和零电

30、平检测的输出UM和 UI 状态，正确地判断晶闸管的触发脉冲是否需要进行切换 ( 由 UM 是否变换状态决定 ) 及切换条件是否具备 ( 由 UI 是否从“ 0”变“ 1”决定 ) 。即当 UM变号后，零电平检测到主电路电流过零 (UI =“1”) 时，逻辑判断电路立即翻转，同时应保证在任何时刻逻辑判断电路的输出 UZ 和 UF 状态必须相反。(2) 延时环节要使正、反两组整流装置安全、可靠地切换工作，必须在逻辑无环流系统中的逻辑判断电路发出切换指令 UZ 或 UF 后，经关断等待时间 t 1（约 3ms）和触发等待时间 t 2 ( 约 lOms)之后才能执行切换指令，故设置相应的延时电路，延时

31、电路中的 VD1、 VD2、 C1、C2 起 t 1 的延时作用， VD3、VD4、C3、C4 起 t 2 的延时作用。(3) 逻辑保护环节逻辑保护环节也称为“多一”保护环节。当逻辑电路发生故障时，UZ、UF 的输出同时为“ 1”状态，逻辑控制器的两个输出端Ulf 和 Ulr 全为“ 0”状态，造成两组整流装置同时开放，引起短路和环流事故。加入逻辑保护环节后。当UZ、UF全为“ 1”状态时，使逻辑保护环节输出 A 点电位变为“ 0”，使 Ulf 和 Ulr 都为高电平，两组触发脉冲同时封锁，避免产生短路和环流事故。(4) 功放电路由于与非门输出功率有限， 为了可靠的推动Ulf 、Ulr , 故

32、增加了 V3、V4 组成的K s 为晶闸功率放大级。第五章双闭环调速系统设计四辊冷轧机直流调速系统要求实现转速无静差，所以两个调节器都采用 PI 调节器。转速、电流双闭环直流调速系统稳态结构框图如图 5-1 所示。 转速反馈系数；电流反馈系数； ASR转速调节器； ACR电流调节器；管触发整流装置的电压放大系数；R 为电枢回路总电阻；Ce 为电动机的电动势系数； I d 为电枢电流。其中两个调节器的输出都是带限幅作用的。转速调节器ASR的输出限幅电压U im* 决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压U cm 限制了电力电子变换器的最大输出电压U dm ，也就限制了电动机的最

33、大起动电流。5.1 设计准备根据经验，电动机转速达到额定值时的取转速给定U nm* 为10V ，ASR输出的限幅值 U im* 为 8V，ACR输出的限幅值 U cm 为 6V。晶闸管放大系数为K sU dm / U cm 230V / 6V 38.3333，取 K s40 。图 5-1 转速、电流双闭环直流调速系统稳态结构图1系统固有参数计算电动机的电动势常量Ce 为电动机的转矩常量 Cm 为=9.55=9.55 × 1.19=11.36N?m/A机电时间常数 Tm 为电枢回路电磁时间常数Tl 为2预先设定反馈参数调节器输入回路电阻Ro20k电流反馈系数为转速反馈系数为U nm*1

34、0Vnnom0.027V / rpm370rpm5.2 电流调节器的设计1确定时间常数1)整流装置之后时间常数Ts ：三相桥式电路的平均失控时间为Ts0.0017s 。2)电流滤波时间常数 Toi ：三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有 (12)Toi3.3ms，因此取 Toi2ms0.002s 。3)电流环小时间常数之和T i ：按小时间常数近似处理。取T iTsToi0.0037s2.选择电流调节器结构根据设计要求 i5%，并保障稳态电流无静差，可按典型I 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 电流调节器。其传递函数为 Wi ( s) Ki

35、i s 1 ，式中 K i 为电流调节器的比例系数；i 为电流调节器的超前i s时间常数。Tl0.0208sT i5.620.0037s检查对电源电压的抗扰性能： 参照典型 I 型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。3计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：iTl0.13s 。电流环开环增益：要求 i5%，取 K I T i0.5 ，因此K I0.50.5135.1s 1Ti0.0037s于是， ACR的比例系数为4校验近似条件1电流环截止频率：ciK I135.1s（ 1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件11196.1s 1ci3Ts3 0.0017s满足近似条件。（ 2）忽略反电动

36、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1111180.8s 1ci3TsToi30.0017s0.002s满足近似条件。5计算调节器电阻和电容给定滤波和反馈滤波的模拟式PI 型电流调节器原理图如图5-2 所示。按照已经设定的 R040k，各电阻和电容值为RiK i R05.17 20k103.4k ，取100kCii / Ri（3）F1.3 F，取1.5 F0.13/ 10010Coi4Toi / R04 0.002 / 20000F0.410 6F0.4 F，取 0.47 F按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为i4.3% 5% ，满足设计要

37、求。图 5-2 电流调节器5.3 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 / K I 。已取 K I T i0.5 ，则1/ K I 2T i 20.0037s 0.0074s2)转速滤波时间常数 Ton 。根据所用测速发电机纹波情况，取Ton0.01s3)转速环小时间常数之和T n 。按小时间常数近似处理，取Tn1/ KITon0.0074s0.01s0.0174s2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WASR( s)K nn s1 。式中n sKn为转速调节器的比例系数；n 为转速调节器的超前时间常数。3计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则

38、，取h5 ，则转速调节器超前时间常数为nhT n50.0174s0.087s得转速环开环增益为K Nh162 s2396.4s22h222 25 0.0174Tn于是， ASR的比例系数为K n(h 1)CeT m60.00851.190.0152hRT n25 0.0270.11.940.01744校验近似条件转速环截止频率为cnK NK N n 396.4 0.087s 134.5s 11（1）电流环传递函数简化条件1K I1135.1s163.7s13T i30.0037cn，满足简化条件。（2）转速环小时间常数近似处理条件1K I1135.1138.7s1cn，满足近似条件。3Ton3

39、s0.015计算调节器电阻和电容给定滤波和反馈滤波的模拟式PI 型转速调节器原理图如图5-4 所示。按照已经设定的 R040k，各电阻和电容值为RnK n R02.011340k80.452k ，取 80kCnn / Rn0.087/ 80000F1.08810 6 F 1.088 F，取1.1 FCon4Ton / R040.01/ 40000F110 6F1 F，取1 F6校验转速超调量当 h=5 时，查附表 3 得 n37.6% ,不能满足n 10% 。实际上，附表 3 是按线性系统计算的超调量，而突加阶跃给定时，ASR 饱和，不符合线性系统的前提，具有饱和非线性特性。所以，应按ASR 退饱和的情况重新计算超调量。设理想空载起动时 z0 ，当 h5 时，查附表2 得：Cmax81.2%CbnNRIdN0.187651142.07 rminCe0.12057进行nCmax2(z)nNT nCbn*Tm0.8122(2.