双闭环直流电动机调速系统设计及MATLAB仿真

1、目录1、引言 . 错误 !未定义书签。二、初始条件： . 错误 !未定义书签。三、设计要求： . 错误 !未定义书签。四、设计基本思路 . 错误 !未定义书签。五、系统原理框图 . 错误 !未定义书签。六、双闭环调速系统的动态结构图 . 错误 !未定义书签。七、参数计算 . 错误 !未定义书签。1. 有关参数的计算. 错误 ! 未定义书签。2. 电流环的设计 . 错误 ! 未定义书签。3. 转速环的设计 . 错误 ! 未定义书签。七、双闭环直流不可逆调速系统线路图 . 错误 !未定义书签。1. 系统主电路图 . 错误!未定义书签。2. 触发电路 . 错误 !未定义书签。3. 控制电路 . 错误

2、 !未定义书签。4. 转速调节器ASR设计 错误！未定义书签。5. 电流调节器ACR设计 错误！未定义书签。6. 限幅电路的设计 错误！未定义书签。八、系统仿真 错误！未定义书签。1. 使用普通限幅器进行仿真 错误！未定义书签。2. 积分输出加限幅环节仿真 错误！未定义书签。3. 使用积分带限幅的 PI 调节器仿真 错误！未定义书签。九、总结 错误！未定义书签。、设计目的1. 联系实际，对晶闸管 -电动机直流调速系统进行综合性设计， 加深对所学 自动控制系统课程的认识和理解，并掌握分析系统的方法。2. 熟悉自动控制系统中元部件及系统参数的计算方法。3. 培养灵活运用所学自动控制理论分析和解决实

3、际系统中出现的各种问题 的能力。4. 设计出符合要求的转速、电流双闭环直流调速系统，并通过设计正确掌 握工程设计的方法。5. 掌握应用计算机对系统进行仿真的方法。、初始条件：1技术数据(1) 直流电机铭牌参数： PN =90KW, UN =440V, I N =220A, n N=1500r/min ， 电枢电阻Ra=Q，允许过载倍数入=;(2) 晶闸管整流触发装置：Rrec=Q, Ks=45-48。(3) 系统主电路总电阻：R=Q( 4)电磁时间常数： T1=( 5)机电时间常数： Tm =( 6)电流反馈滤波时间常数： Toi= ,转速率波时间常数： Ton=.( 7)额定转速时的给定电压

4、： Unm =10V( 8)调节器饱和输出电压： 10V2技术指标( 1)该调速系统能进行平滑的速度调节,负载电机不可逆运行,具有较宽的调速范围(D> 10),系统在工作范围内能稳定工作；(2) 系统静特性良好，无静差(静差率 s<2);(3) 动态性能指标：转速超调量S nv8%电流超调量S i v5%动态速 降Anw8-10%,调速系统的过渡过程时间(调节时间)ts < 1s；( 4)调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。三、设计要求：1) 根据题目的技术要求， 分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速 系统的组成，画出系统组成的原理框图；2) 调速系统主

5、电路元部件的确定及其参数计算。3) 动态设计计算：根据技术要求，用 Mrmin 准则设计转速环，确定 ASR 调节器与ACRS节器的结构型式及进行参数计算，使调速系统工作稳 定，并满足动态性能指标的要求；(4) 绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统线路图(主电路、触发电路、控 制电路)；(5) 对所设计出的双闭环直流电动机调速系统仿真实验， 并给出仿真结果 图；(6) 整理设计数据资料，课程设计总结，对本课程设计提出新设想和新建 议。四、设计基本思路转速、电流双闭环调速系统属于多环控制系统。目前都采用由内向外，一环包围一环的系统结构。每一闭环都设有本环的调节器，构成一个完整的闭环系统。 设计多环

6、系统的一般方法是，由内环向外环一环一环地进行设计。 对双闭环调速 系统而言，先从内环(电流环)开始，根据电流控制要求，确定把电流环校正为 哪种典型系统，按照调节对象选择调节器及其参数。 设计完电流环后，就把电流 环等效成一个小惯性环节，作为转速环的一个组成部分，然后用同样的方法进行 转速环的设计。然后通过 MATLA进行动态分析，根据分析情况更改实现方案， 对参数进行调整等。五、系统原理框图在转速、电流双闭环调速系统中，既要控制转速，实现转速无静差调节，又 要控制电流使系统在充分利用电动机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，其关键是处理好转速控制与电流控制之间的关系，就是将二者分开，用转速调节器

7、 ASR调节转速，用电流调节器 ACRM节电流。ASR与ACF之间实现串级连接，即 以ASR的输出电压Ui作为电流调节器的电流给定信号， 再用ACR勺输出电压Uc 作为晶闸管触发电路的移相控制电压。 从闭环反馈的结构看，转速环在外面为外 环，电流环在里面为内环。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节 器一般都采用具有输入、输出限幅电路的 PI调节器，且转速与电流都采用负反 馈闭环。系统原理图如下：六、双闭环调速系统的动态结构图目前，V-M调速系统多为带电流内环的转速控制系统。设计时需增加电流、转速反馈滤波五节，以抑制反馈信号中的交流分量，同时在转速、电流给定信号通道 中加入两个给定滤波

8、器，其时间常数与相应反馈滤波环节的时间常数相等以平衡 反馈滤波环节给定转速、电流反馈信号带来的延滞。相应的动态结构图如下所示， 图中，ASR和ACF为结构和参数待定的转速和电流调节器。电，氓:弋阡七、参数计算1. 有关参数的计算a. 电动机的机电常数CeUn I N RanN440 220 0.08815000.2804V r 1 minb. 三相桥式晶闸管整流装置的滞后时间11TS 2mf0.0017s2 6 50c. 电流反馈系数为 因为允许过载倍数入二，故最大允许电流Idm 1.5IdUm100.0303V / AI dm1.5 220d. 转速反馈系数nm10nN 15000.0067

9、V r 1 mine. 电流给定和反馈滤波时间常数Toi0.0025 sf. 转速给定和反馈滤波时间常数Ton0.014s2.电流环的设计a.电流环小时间常数T iToi Ts 0.00250.00170.0042sb.电流调节器结构的选择,根据设计要求， 5%，且”般 2.910因此可按典I系统设计,且选用PI调节器，其传递函数为1Wacr(S)c.确定电流调节器参数ACR超前时间常数：i T10.012s电流环开环放大系数Ki:要求i5%时，应按二阶“最佳系统设计，取Ki119.05s 12 0.0042从而，ACR勺比例系数为Ki Ki 卡 119.05 °o30 0.126d

10、.校验近似条件电流环截止频率：ci Kl 119.05s晶闸管装置传递函数近似条件ci3Ts13tS196.1s3 0.0017ci满足近似条件。小时间常数近似条件161.69sci1 1 1 13 TsToi30.0017 0.0025满足近似条件。忽略反电势对电流环影响的条件386.6sci满足近似条件e.计算调节器电阻和电容按所用运算放大器R。20k ，则KiR00.126 202.52k由iRiCi有Ci號1064.76 F1由 ToiRoC。i 得4Coi4ToiR04 0.002520 1030.5 F3.转速环的设计a.转速环小时间常数Tn 2T i Ton 2 0.00420.

11、0140.0224sb.选择转速调节器结构根据稳态、动态性能指标的要求，应按典 II系统设计转速环，为此应 选用PI调节器，其传递函数为ns 1Wasr(S)Kn-nsc.选择转速调节器参数为了使转速环的跟随性能和抗扰性能都较好，应采用M5in准则选择参数，取h=5,因此ASR勺超前时间常数为n hT n 5 0.02240.112s转速环开环放大系数为51r2239.1652 0.02242从而，转速调节器比例系数为d.C tKnKnR(h 1) CeTm2hT n R(5 1) 0.0303 0.2804 0.12 5 0.0224 0.00670.12 283检验近似条件 转速环截止频率

12、cn239.16 0.11226.79s 1电流环传递函数简化条件cn15T47.62s 15T i 5 0.0042cn满足近似条件。小时间常数近似处理条件cn13 2T iTon13 2T iTon2 0.0042 0.014130.74scn满足近似条件。e.计算转速调节器电阻和电容取输入电阻R020k ，则Cn辟 106 0-197 FCon4TonRo4 10620 1032.8 Ff.校核转速超调量因为当h=5时CmaxCb81.2%而 nN IN 0.12220 94.15r/minC e0.2804CII所以 %( Cmax %) 2Idm IlCbInnN足T nTm81.2

13、% 2 1.5 220 094.150 02243.42%8%22015000.1可见，所设计的系统能满足设计要求。必须注意：因为3179.06s 1TmT1cn ( cn27.9s 1），对转速环来说，忽略反电势的条件并不成立，所以转速超调量将比上面的计算值更小， 更能 满足设计要求。七、双闭环直流不可逆调速系统线路图1. 系统主电路图主电路采用三相桥式整流电路，如下图所示:VT4 VT6 VT2说明：三相桥式全控整流电路有如下特点:L(1) 三相桥式全控整流电路必须有两只晶闸管同时导通才能构成电流回路，其 中一只在共阴组，另外一只在共阳组，而且这两只导通的管子不在同一相内。 因 此，负载电

14、压是两相电压之差，即线电压，一个周期内有六次脉动，它为线电压 的包络线。(2) 晶闸管在一个周期内导通120。，关断240 °，管子换流只在本组内进行, 每隔120°换流一次。(3) 出发脉冲需宽脉冲或双窄脉冲，共阴极组及共阳极组内各管脉冲相位差为120°，接在同一相的不同管子脉冲相位差为180°。晶闸管按顺序轮流导通，相邻顺序管子脉冲相位差为60°，即每隔60°换流一次。(4) 晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次侧线电压的电压峰值。2. 触发电路说明：三相桥式全控整流电路有如下特点：(1) 三相桥式全控整流电路必须有两只晶闸管同时

15、导通才能构成电流回路，其中一只在共阴组，另外一只在共阳组，而且这两只导通的管子不在同一相内。因此，负载电压是两相电压之差，即线电压，一个周期内有六次脉动，它为线电压 的包络线。(2) 晶闸管在一个周期内导通120。，关断240 °，管子换流只在本组内进行， 每隔120°换流一次。(3) 出发脉冲需宽脉冲或双窄脉冲，共阴极组及共阳极组内各管脉冲相位差为120°,接在同一相的不同管子脉冲相位差为180°。晶闸管按顺序轮流导通,相邻顺序管子脉冲相位差为60°，即每隔60°换流一次。（4）晶闸管承受的最大反向电压为变压器二次侧线电压的电压峰值

16、。说明：1）脉冲形成及放大环节在上图中，晶闸管V4、V5形成脉冲，V7、V8起放大作用。uk为直流控制 信号，当uk= 0时，V4截止，V5导通，使V7、V8截止，无脉冲输出。此时，电 容 C3充电（+ E RXCIV5V6VD1S E），uc32E。当uk升高，使V4导通，V5截止，V7、V8导通，经变压器TP输出脉冲电 压。此期间C3先放电后反向充电，使B点电位升高，直到uB> E, V5又导通， V7、V8变为截止，脉冲消失。脉冲宽度由 C3反向充电时间常数R11X C3决定。（2）锯齿波形成和脉冲移相环节锯齿波的形成有自举式电路、恒流源电路等。在上图中由VI、RP2和R3R4等组

17、成恒流源电路。电容 C2的冲放电形成锯齿波，锯齿波通过 V3组成的设 计跟随器输出。锯齿波电压ue3、直流控制电压uk、直流便宜电压up经电阻R6 R7、R8与V4基极b4连接，着三个电压叠加决定 V4的基极电位ub4的大小，即 控制V4的工作状态。Up的作用是为了确定uk= 0时脉冲的初始相位。如感性伏在电流连续，三 相全控桥（可逆系统）的脉冲初始相位应定在=90 °，可通过调节up与ue3叠加来实现，锯齿波过零变正点，即为脉冲产生的时刻，对应于=90。，此时变流器输出 Ud= 0。Uk与ue3叠加控制脉冲相位移动（up固定在某值），当uk>0时，过零点N 点向左移动，90。

18、，电路工作整流状态：当uk<0时，N点向右移动，90°电路工作于逆变状态。 该电路要求锯齿波宽度大于 180°，如选 240°。（ 3） 同步环节触发脉冲uG必须与主电路的电源同步。上图电路中，同步环节又由同步变 压器TS和晶体管V2等组成。同步电压us经TS降压产生二次电压uTS来控制 V2的导通与关断，从而控制C2的冲放电过程，V2截止时C2充电，V2导通是C2 放电，这样就形成了锯齿波。正弦波uTS的一个周期内V2截止与导通各一次，对应锯齿波是一个周期， 与主回路电源频率一样，达到同步的目的。锯齿波的宽度由 C1 的充电时间常数 R1C1决定。（4）强

19、触发环节晶闸管采用强触发可缩短开通时间， 有利于改善串并联器件的动态均压和均流，增加触发的可靠性，强触发电路如图所示强触发的电源，由单相桥式整流电路获得50V电压。在V8截止时，C6充电， D点电位上升到50V。当V8导通时，C6迅速放电，D点电位迅速下降，uD<15V 时，VD15导通，由15V电源供电，V8截止后，C6由充电到uD= 50V,为下一次 触发做准备。(5)双窄脉冲形成环节第一个脉冲由本相触发电路的 V4由截止变为导通时使 V5截止而V7、V8导 通所产生；第二个脉冲由滞后 60°相位的后一个相触发电路产生其一个脉冲时 将信号引至本想触发电路 V6的基极，使其截

20、止，V7、V8又导通而产生。这样每 一个触发电路一个周期能输出两个相隔60°的窄脉冲。为防止脉冲互相干扰，加入VD4和R17。三相桥式全控整流电路，晶闸管的导通顺序为：VT1 VTM VTA VTg VTA VT6 -VT1,彼此相隔60°。为能准确产生双窄脉冲，图中的 X和丫断应按图 所示 的顺序连接，即前相的触发电路的 丫端接后相的X端3. 控制电路nul /厶(H说明：转速调节器ASR调节转速，用电流调节器 ACF调节电流。ASR与ACR 之间实现串级连接，即以 ASR的输出电压Ui作为电流调节器的电流给定信号， 再用ACR的输出电压Uc作为晶闸管触发电路的移相控制电

21、压。从闭环反馈的结 构上看，转速环在外面为外环，电流环在里面为内环。为了获得良好的静。动态 性能，转速和电流两个调节器都采用具有输入、输出限幅电路的PI调节器，且转速与电流都采用负反馈闭环。4. 转速调节器ASR设计由参数计算过程可知，ASR采用PI调节。比例调节器响应快，但它使系统 有静差；而积分调节器可以实现系统无检察，但响应慢。若把比例、积分控制结 合起来构成比例积分（PI）调节器，则可以取长补短：作为控制器，它可以兼顾 快速响应和消除静差两方面的要求：作为校正装置，它又能提高系统的稳定性。 故所设计的转速调节器采用PI调节，如下图所示。其中Un为转速给定电压，Ufn 为转速反馈电压。R

22、nCn5. 电流调节器ACR设计与转速调节器的设计类似，电流调节器也采用 PI调节，充分利用了电动机 的过载能力获得最快的动态响应，即最佳过渡过程。其电路图如图四所示，其中 Ui为电流给定电压（即ASM输出电压），Ufi为电流反馈值。-15V6. 限幅电路的设计通常，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。电 路图如图五所示，其中 端接至调节器ASR（或ACR的输出端。VD1Rp1+15VO1UinOR1UoutOVD2Rp2八、系统

23、仿真1.使用普通限幅器进行仿真使用MATLAB勺SIMULINK对双闭环调速系统进行动态函数分析， 其分析原理图如 下：图中ASR限幅值为：上限10下限-130ACR限幅值为：上限100下限-100图中直流电动机的参数、晶闸管整流装置的参数、转速反馈以及电流反馈系 数都是从设计要求中所得，而转速调节器ASR和电流调节器ACR是根据参数按工 程设计法设计出来的。具体计算方法见本报告的参数计算。在双闭环直流调速系统的 MATLA仿真中，电流调节器限幅相对来说比较简 单。只要给出合适的限幅值，采用任何一种限幅方式均不影响仿真结果，因为电 机在整个起动过程中，电流调节器一直处于不饱和状态。而转速调节器

24、在电机起 动过程中，会经历不饱和、饱和及退饱和三个状态；转速调节器采用不同限幅方 式，电机在突加阶跃给定空载起动时会得到不同的转速和电流波形。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。图转速波形图电流波形从上图可以看出，起动时转速超调量较大，振荡次数多，起动时间较长。这 是因为速度调节器输出达到限幅值时，转速并未达到给定值，偏差均大于零，积 分部分的输出一直在增加，这就可能使积分部分的输出达到很大的值。 当转速达 到期望值后，积分调节器的输出不能立即变小，而是需要经过一段时间使积分调 节器的输出恢复到开始限幅瞬间的数值。在这段时间内调节器暂时调节功能

25、。此仿真并不能达到题设要求，为此必须对 ASF和ACR4行改正。2. 积分输出加限幅环节仿真下图给出在积分输出和调节器输出后均加一限幅环节的Simuli nk仿真模型。在这一模型中，积分输出后，再加限幅环节，即积分环节和限幅环节分开。图中ASR限幅值为：上限ASR积分限幅值为：上限ACR限幅值为：上限 ACF积分限幅值为：上限10下限-13010下限-10100 下限-10010下限-10从以上的原理图可得出转速和电流波形如下:从以上图可以看出，采用这种限幅方式时，电机受到扰动后，转速回不到原 来的转速。这是由于电机起动时积分调节器的输出很快达到限幅值， 由于输出的 超调很小，所以在整个起动过

26、程中，积分调节器也没能退出饱和，使得 PI的输 出一直保持在限幅值上。而当增加负载，速度降低，偏差增加， PI调节器仍维 持在限幅值上，转速调节器不起作用。所以受到扰动后，电机的转速回落不到原 来的值。如果增加限幅值，又会使仿真结果如之前一样。为此须对积分环节再加以改变。3. 使用积分带限幅的 PI调节器仿真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

27、 output项,然后设置上、下限幅。CDDIJ-f上图中ASR限幅值为：上限10下限-130ASR积分限幅值为：上限10下限-10ACR限幅值为：上限100下限-100ACR积分限幅值为：上限10下限-10由上图可知，转速超调量较少符合要求，但发现电流上升过快，且相应的调节时 间较长，而通过多次试验发现调节ASR的限幅值可以改变调节时间，但这样将会 使到最后电流过大。如下图：is B 善上图中ASR限幅值为：上限40下限-130ASR积分限幅值为：上限10下限-10ACR限幅值为：上限100下限-100ACR积分限幅值为：上限10下限-10加入负载后，转速，电流波形如下:上图中ASR限幅值为

28、：上限10下限-130ASR积分限幅值为：上限10下限-10ACR限幅值为：上限100下限-100ACR积分限幅值为：上限10下限-10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。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。九、总结一开始接触这个课程设计时，觉得并不会很困难，无论是参数计算还是动态 仿真都能在教材中找到相关的资料， 再加上以前师兄、 师