双闭环直流电动机调速系统设计及MATLAB仿真

1、精选文档名目1、引言3二、初始条件：3三、设计要求：3四、设计基本思路4五、系统原理框图4六、双闭环调速系统的动态结构图4七、参数计算51. 有关参数的计算52. 电流环的设计63. 转速环的设计7七、双闭环直流不行逆调速系统线路图91.系统主电路图92.触发电路103.把握电路144. 转速调整器ASR设计145. 电流调整器ACR设计156. 限幅电路的设计15八、系统仿真161. 使用一般限幅器进行仿真162. 积分输出加限幅环节仿真173. 使用积分带限幅的PI调整器仿真18九、总结21一、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，加深对所学自动把握系统课程的

2、生疏和理解，并把握分析系统的方法。2. 生疏自动把握系统中元部件及系统参数的计算方法。3. 培育机敏运用所学自动把握理论分析和解决实际系统中消灭的各种问题的力量。4. 设计出符合要求的转速、电流双闭环直流调速系统，并通过设计正确把握工程设计的方法。5. 把握应用计算机对系统进行仿真的方法。二、初始条件：1 技术数据（1） 直流电机铭牌参数：PN =90KW, UN =440V, IN =220A, nN=1500r/min，电枢电阻Ra=0.088，允许过载倍数=1.5；（2） 晶闸管整流触发装置：Rrec=0.032，Ks=45-48。（3） 系统主电路总电阻：R=0.12（4） 电磁时间常

3、数：T1=0.012s（5） 机电时间常数：Tm =0.1s（6） 电流反馈滤波时间常数：Toi=0.0025s，转速率波时间常数：Ton=0.014s.（7） 额定转速时的给定电压：Unm =10V（8） 调整器饱和输出电压：10V2 技术指标（1） 该调速系统能进行平滑的速度调整，负载电机不行逆运行，具有较 宽的调速范围（D10），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s2）；（3） 动态性能指标：转速超调量n8%，电流超调量i5%，动态速 降n8-10%，调速系统的过渡过程时间（调整时间）ts1s；（4） 调速系统中设置有过电压、过电流等爱护，并且有制动措施。

4、三、设计要求：（1） 依据题目的技术要求，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） 调速系统主电路元部件的确定及其参数计算。（3） 动态设计计算：依据技术要求，用Mrmin准则设计转速环，确定ASR调整器与ACR调整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双闭环直流不行逆调速系统线路图（主电路、触发电路、把握电路）； （5） 对所设计出的双闭环直流电动机调速系统仿真试验，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

5、于多环把握系统。目前都接受由内向外，一环包围一环的系统结构。每一闭环都设有本环的调整器，构成一个完整的闭环系统。设计多环系统的一般方法是，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）开头，依据电流把握要求，确定把电流环校正为哪种典型系统，依据调整对象选择调整器及其参数。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MATLAB进行动态分析，依据分析状况更改实现方案，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，既要把握转速，实现转速无静差调整，又要把握电流使系统在充分利用电动机过

6、载力量的条件下获得最佳过渡过程，其关键是处理好转速把握与电流把握之间的关系，就是将二者分开，用转速调整器ASR调整转速，用电流调整器ACR调整电流。ASR与ACR之间实现串级连接，即以ASR的输出电压Ui作为电流调整器的电流给定信号，再用ACR的输出电压Uc作为晶闸管触发电路的移相把握电压。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，转速和电流两个调整器一般都接受具有输入、输出限幅电路的PI调整器，且转速与电流都接受负反馈闭环。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把握系统。设计时需增加电流、转速反馈滤

7、波五节，以抑制反馈信号中的沟通重量，同时在转速、电流给定信号通道中加入两个给定滤波器，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ACR为结构和参数待定的转速和电流调整器。七、参数计算1. 有关参数的计算a. 电动机的机电常数b. 三相桥式晶闸管整流装置的滞后时间c. 电流反馈系数为由于允许过载倍数=1.5，故最大允许电流d. 转速反馈系数e. 电流给定和反馈滤波时间常数f. 转速给定和反馈滤波时间常数2. 电流环的设计a. 电流环小时间常数b. 电流调整器结构的选择，依据设计要求，且因此可按典I系统设计

8、，且选用PI调整器，其传递函数为c. 确定电流调整器参数ACR超前时间常数：电流环开环放大系数：要求时，应按二阶“最佳”系统设计，取从而，ACR的比例系数为d. 校验近似条件 电流环截止频率：晶闸管装置传递函数近似条件满足近似条件。小时间常数近似条件满足近似条件。忽视反电势对电流环影响的条件满足近似条件。e. 计算调整器电阻和电容 按所用运算放大器，则由有由得3. 转速环的设计a. 转速环小时间常数b. 选择转速调整器结构 依据稳态、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调整器，其传递函数为c. 选择转速调整器参数 为了使转速环的跟随性能和抗扰性能都较好，应接受准则选择参

9、数，取h=5，因此ASR的超前时间常数为转速环开环放大系数为从而，转速调整器比例系数为d. 检验近似条件转速环截止频率 电流环传递函数简化条件而满足近似条件。小时间常数近似处理条件满足近似条件。e. 计算转速调整器电阻和电容 取输入电阻，则f. 校核转速超调量 由于当h=5时而所以 可见，所设计的系统能满足设计要求。必需留意：由于，对转速环来说，忽视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、双闭环直流不行逆调速系统线路图1.系统主电路图主电路接受三相桥式整流电路，如下图所示：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需有两只晶闸管

10、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）动身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°。晶闸管按挨次轮番导通，相邻挨次管子脉冲相位差为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

11、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需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）动身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°。晶闸管按挨次轮番导通，相邻挨次管子脉冲相位差为60&

12、#176;，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。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为直流把握信号，当uk0时，V4截止，V5导通，使V7、V8截止，无脉冲输出。此时，电容C3充电（ER9C3V5V6VD10E），uc32E。当uk上升，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点电位上升，直到uBE，V5又导通，V7、V8变为截止，脉冲消逝。脉冲宽度由C3反向充电时间常数R11×C3打算。（2）锯齿波形成和脉冲移相

13、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V1、RP2和R3、R4等组成恒流源电路。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、直流把握电压uk、直流廉价电压up经电阻R6、R7、R8与V4基极b4连接，着三个电压叠加打算V4的基极电位ub4的大小，即把握V4的工作状态。Up的作用是为了确定uk0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°，可通过调整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°，此时变流器输出Ud0。Uk与ue3叠加把握脉冲相位移动（up固定在

14、某值），当uk>0时，过零点N点向左移动，°，电路工作整流状态：当uk<0时，N点向右移动，°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必需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来把握V2的导通与关断，从而把握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

15、的充电时间常数R1C1打算。（4）强触发环节晶闸管接受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，增加触发的牢靠性，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快速放电，D点电位快速下降，uD<15V时，VD15导通，由15V电源供电，V8截止后，C6由充电到uD50V，为下一次触发做预备。（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；其次个脉冲由滞后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

16、的基极，使其截止，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。为防止脉冲相互干扰，加入VD4和R17。三相桥式全控整流电路，晶闸管的导通挨次为：VT1VT2VT3VT4VT5VT6VT1，彼此相隔60°。为能精确产生双窄脉冲，图中的X和Y断应按图 所示的挨次连接，即前相的触发电路的Y端接后相的X端3.把握电路说明：转速调整器ASR调整转速，用电流调整器ACR调整电流。ASR与ACR之间实现串级连接，即以ASR的输出电压Ui作为电流调整器的电流给定信号，再用ACR的输出电压Uc作为晶闸管触发电路的移相把握电压。从闭环反馈的结构上看，转速环在

17、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，转速和电流两个调整器都接受具有输入、输出限幅电路的PI调整器，且转速与电流都接受负反馈闭环。4. 转速调整器ASR设计由参数计算过程可知，ASR接受PI调整。比例调整器响应快，但它使系统有静差；而积分调整器可以实现系统无检察，但响应慢。若把比例、积分把握结合起来构成比例积分（PI）调整器，则可以取长补短：作为把握器，它可以兼顾快速响应和消退静差两方面的要求：作为校正装置，它又能提高系统的稳定性。故所设计的转速调整器接受PI调整，如下图所示。其中Un为转速给定电压，Ufn为转速反馈电压。5. 电流调整器ACR设计与转速调整器的设计类似，

18、电流调整器也接受PI调整，充分利用了电动机的过载力量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ASR的输出电压），Ufi为电流反馈值。6. 限幅电路的设计通常，调整器输出的限幅方法有三种，一种是接受二极管钳位的外限幅电路，一种是接受二极管钳位的负反馈内限幅电路，第三种是接受晶体三极管负反馈内限幅电路。在这里，我们接受第一种限幅方式，即二极管钳位的外限幅电路。电路图如图五所示，其中 端接至调整器ASR（或ACR）的输出端。八、系统仿真1. 使用一般限幅器进行仿真使用MATLAB的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 AS

19、R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，而转速调整器ASR和电流调整器ACR是依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MATLAB仿真中，电流调整器限幅相对来说比较简洁。只要给出合适的限幅值，接受任何一种限幅方式均不影响仿真结果，由于电机在整个起动过程中，电流调整器始终处于不饱和状态。而转速调整器在电机起动过程中，会经受不饱和、饱和及退饱和三个状态；转速调整器接受不同限幅方式，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

20、波形。由以上原理图可得出仅在PI调整器的输出端简洁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。这是由于速度调整器输出达到限幅值时，转速并未达到给定值，偏差均大于零，积分部分的输出始终在增加，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，积分调整器的输出不能马上变小，而是需要经过一段时间使积分调整器的输出恢复到开头限幅瞬间的数值。在这段时间内调整器临时调整功能。此仿真并不能达到题设要求，为此必需对ASR和ACR进行改正。2. 积分输出加限幅环节仿真下图给出在积分输出和调整器输出后均加一限幅环节的Sim

21、ulink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，接受这种限幅方式时，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整器的输出很快达到限幅值，由于输出的超调很小，所以在整个起动过程中，积分调整器也没能退出饱和，使得PI的输出始终保持在限幅值上。而当增加负载，速度降低，偏差增加，PI调整器仍维持在限幅值上，转速调整器不起作用。

22、所以受到扰动后，电机的转速回落不到原来的值。假如增加限幅值，又会使仿真结果如之前一样。为此须对积分环节再加以转变。3. 使用积分带限幅的PI调整器仿真下图给出了积分带限幅的PI调整器Simulink仿真模型。图中不仅把PI调整器的比例部分和积分部分分开，对PI调整器的输出设置上、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。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-100A

23、CR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，但发觉电流上升过快，且相应的调整时间较长，而通过多次试验发觉调整ASR的限幅值可以转变调整时间，但这样将会使到最终电流过大。如下图：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：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调整器Si

24、mulink仿真模型的工作过程分三种状况：当积分器未饱和和且比例加积分的和小于限幅值时，调整器表现为线性的PI调整器；当积分输出未饱和而比例加积分的和大于限幅值时，调整器的输出等于限幅值，积分器连续积分；当积分的输出达到本身的限幅值时，其输出便停止增长，调整器的输出等于其限幅值。此时，假如输入信号转变极性，比例积分调整器是从积分本身的限幅值开头退去饱和的。综上，使用积分带限幅的PI调整器能够获得最好的转速，电流波形。九、总结一开头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、师姐的报告，觉得完成课设并不会需要太多时间。但在真正的设计过程中发觉，参数的计算并不会太过简单，只需要花肯定时间，以认真细致的态度对待就可以。而动态仿真过程中却消灭了一系列问题