直流电动机调速系统仿真

1、人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心1控制系统的功能构成的进一步了解，并利用MatlabSimulink工具箱进行系统的动态仿真从而分析转速和电流的仿真波形，并进行调试，使双闭环直流调速系统趋于完善、合理采用工程设计方法对双闭环直流调速系统进行辅助设计，选择调节器结构，进行参MatlabSimulink仿真模型其中电路的设计包括转速显示电路、转速检测电路、电流检测电路、触发脉冲输出电路、过零检测电路以及保护电路。变和电网电压的大幅波动具有良好的抗扰能力但是与理想的电动机的起动特性相比较，该系统的起动和恢复时间显得略长一些等结论关键词: 部分文档来自网络收集，如有侵权，

2、请联系作者删除1人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心2This thesis is based on the DC speed control system design and simulation, through thecontrol system hardware design to realize the control function of the system constitutes afurther understanding Then the Matlab model of double closed - loop DC motor control

3、system was built. The speed and current waveform were analyzed carefully. By trying a greatdeal of simulation the DC motor control system was made better and more reasonable.According to engineering design method a double closed- loop DC motor control systemwas designed, a modulator structure was se

4、lected and computed, and its parameter wascorrected. And establish a Matlab / Simulink simulation model which Include braking,anti-disturbance and anti-grid voltage load disturbance Circuit design, including speed displaycircuit, speed detection circuit and current detection circuit, trigger pulse o

5、utput circuit, zerocrossing detection circuit and protection circuit.we conclude that this Significant mutation system load fluctuations and grid voltage hasa good disturbance rejection capabilities by Simulationt System start-up performance analysisand performance analysis of disturbance rejection

6、but also could find that the Ideal motorstarting characteristics compared to the system start-up and recovery time seems even longerand so onKey words: 摘要 目录部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除2人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心3 概述 研究背景 3 4 1 2 1 23 1 2 3 4 两个调节器的作用 直流电动机的选择 系统的结构选择2 3 4 1AT89C512 3 4 电流检测电路设计5 6

7、过零检测电路设计7 部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除3人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心4 结论致 谢 1.1 研究背景20世纪初，直流电动机的发展己趋于成熟。传统的直流电机以其优良的转矩特性和调速性能在运动系统中有着广泛的应用，但机械电刷却是它的致命弱点。电刷的存在带来了一系列的问题，如：存在机械摩擦、噪声、电火花无线电干扰、寿命短，再加上它制造成本高及维修困难等缺点，从而大大限制了它的应用范围。部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除4人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心5技术(简称KZD调速系统)。尽管当今功率半导

8、体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中KZD系统的应用量还是占有相当的比重 。在工程设计与理论学习过程中，会接触到大量关于调速控制系统的分析、综合与设计问题。传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。多变的“活的数学模型”，在这个“活的数学模型”上进行实验研究，不仅省钱，而且安全，周期短、见效快.鉴于上述优点，我们需要开发和研究既能够进行直流双闭环的系统设计，又能将设计结果进行系统仿真的软件，以方便工程设计和理论学习。1.2 直流双闭环系统介绍直流电机双闭环（电流环、转速环）调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统

9、。它具有动态响应快、抗干扰能力强优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截至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，强烈的负反馈作用限制电流得冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际工作中,我们希望在电机最大电流受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值

10、，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）首相的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。关键是要获得一段使电流保持为最大值得恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启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入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不在*电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除5人生有几件绝对不

11、能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心6电流两种负反馈作用又能使它们作用不同的阶段。分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即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；转速环在外面，叫外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。13 国内外研究现状与趋势现阶段，感应电动机和有换向器的电动机在传动应用中占主导地位，但是无刷直流电机正受普遍的关注。20世纪90年代以来，随着人们的生活水平的提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、数控车床、工业机器人以及精密机械、办公自动化设备都越来越趋于高效、小

12、型及智能化，作为执行元件重要组成部分的控制用电动机必须具有精度高、速度高等特点，无刷直流电机的应用也因此而迅速增长。尤其在节能已成为时代主题的今天，无刷直流电机高效率的特点显示了其巨大的应用价值。无刷直流电机转子采用了永久磁铁，其产生的气隙磁通保持为常数，因而特别适用于恒转矩运行。对改进也是可以获得弱磁控制的效果。无刷直流电机转子的转动惯量小，因而在要求有良好的静态特性和高动态响应的伺服驱动，如数控机床、等的应用中，无刷直流电动机比异步电动机和直流电动机显示了更多的优越性。据统计，现在 PC机中80%以上的CD-ROM机器人、家电、电动汽车、航空航天等领域已得到大量的应用。目前，在美英日德等几

13、为30亿台左右。14 本论文主要工作再进行功能模块的有机结合，搭建无刷直流电机调速系统的仿真模型，系统采用双闭环控制速度外环采用参数自整定模糊PID控制，电流内环采用电流滞环控制。仿真结果证部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除6人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心7响应速度更快、超调更小、稳定性和跟踪性能更好的特点。 本文研制的直流调速装置采用双闭环数字Pl调速控制，以单片机AT89C51作为主控制器，晶闸管触发和转速测量等环节都实现全数字化的微机控制。系统结构简单，可靠性高，操作维护方便，电动机稳态运行时转速精度可达到较高水平，静动态各项指标均能较好地实现

14、设计的要求。21 系统的工作原理本课题的研究内容主要是通过控制三相全控整流电路中晶闸管的对应导通将三相交流电源转化成可变的直流电源，控制系统配以双闭环PI控制M，实现对直流电机的调速控制。系统通过键盘对转速进行给定，同时将转速给定变换成电压信号。通过数字测触发控制信号，换算成晶闸管的控制角口，再根据控制角口的不同换算出对应得触发时刻，向对应导通的两个晶闸管同时输出触发脉冲，使其输出可控的整流电压。通过上下两行4位数码管进行转速检测与转速给定实时比较，最终达到转速检测与转速给定相平部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除7人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心8的不

15、同，在硬件电路不变的前提下，系统的软件要相应的发生变化。例如，整流电路是三相半控，触发脉冲就为三路输出；整流电路是三相全控，整流电路就为六路输出：由于本装置采用双闭环数字PI控制，整流电路采用三相全控整流电路，因此下面对两者作详细介绍：22 双闭环调速系统的构成转速、电流双闭环调速系统 (简称双闭环调速系统)是由单闭环调速系统发展而来以下问题需要解决。图 (l)在单闭环调速系统中用1个调节器综合多种信号，各参数问相互影响，难于进行调节器动态参数的调整，系统地动态性能不够好。(2)系统中采用电流截止负反馈环节来限制启动电流，不能充分利用电动机的过载能力获得最快的动态响应；即最佳过渡过程。为了获得

16、近似理想的过渡过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，别调节转速和电流。构成转速、电流双闭环调速系统。221 转速、电流双闭环调速系统的组成在转速、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ASR调节转速，用电流调部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除8人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心9节器ACR调节电流。ASR与ACR之间实现串级联接，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作晶闸管触发电路的移相控制电压。从闭环反馈的结构看，转

17、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、动态电流都采用负反馈闭环。2调节器输出限幅值的整定*在双闭环系统中转速调节器ASR的输出电压U i值U 为最大电流给定值，因此，ASR的限幅值完全取决于电动机所允许的过载能力和系im统对最大加速度的需要。而ACR的输出电压限幅值U ，表示对最小口角的限制，也表示cm意义及其计算和整定方法。23 双闭环调速系统的动态特性一般来说调速系统的动态性能主要指系统对给定输入 (阶跃给定)的跟踪性能和系统的动态性能或称动态品质。1 双闭环调速系统突加给定时的启动过程先讨论双闭环调速系统突加给定时的启动过程。当双闭环调速系统突加给定电压 Un*由转速调

18、节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，因此整个启动过程分为三个阶段，在图中分别标以、。部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除9人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心10图 (l)第阶段(Ot1)：强迫电流上升阶段；(2)第阶段(t1t2)：恒流升速阶段，即电动机保持最大电流作等加速启动阶段；(3)第阶段(t2t4)：转速超调进入稳定的阶段，即转速调节阶段；2 双闭环调速系统的制动停车过程由于晶闸管的单向导电性。因此不可逆双闭环调速系统不可能实现回馈制动。在制动时，当电流下降到零以后，就只好自由停车。若须加快制动；则只能采用电阻能耗制动或电磁抱闸的方式。3

19、 双闭环调速系统的抗扰性能制它们所引起的动态转速降(升)和恢复时间，就说明系统具有较强的动态抗扰性能。（l）抗负载扰动。负载扰动作用在电流环，转速环内，只能靠转速调节器产生抗具有良好的跟随性能就可以了。（2）抗电网电压扰动从静特性上看，单、双闭环系统对电网电压扰动的抗扰效调量n较远的电网电压波动引起的扰动作用，先要经过电磁惯性滞后才能影响到电枢电部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除10人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心11在双闭环调速系统中，电网电压扰动被包围在电流环内，它的影响不必等到波及到转速比单闭环系统小得多。4 两个调节器的作用转速调节器和电流调节

20、器在双闭环调速系统中的作用可以归纳如下：（1）转速调节器的作用使转速n跟随给定电压U*m变化，稳态无静差；对负载变化起抗扰作用；其输出限幅值决定允许的最大电流。(2)电流调节器的作用对电网电压波动起及时抗扰作用；起动时保证获得允许的最大电流；在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压U*i变化；如果故障消失，系统能够自动恢复正常。部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除11人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心123.1 直流调速系统的方案选择3.1.1 直流电动机的选择本次设计选用的电动机型号 Z2-31型，额定功率4.2KW，额定电压230V，额定电流18.25A

21、,额定转速1450r/min， 12,Ra,P级对数为为1。G D3 . 2a3.1.2 电动机供电方案的选择单相整流电路虽元件小，线路简单，维修方便对触发电路要求也低，但它职能用于小功率的电路，而且电压波动大，易能使电网不平衡，按规定，4KW以下的可用单相，而4KW以上的要用三相整流电路。虽然三相半波也是元件少，易调整等优点，但其致命弱点是电压脉动系数大，变压器利用率低。故采用三相桥式。半控桥使用可控硅少，触发电路也简单但其有自然续流和可能出现“失控”现象。因此系统的要求精度选择全控桥。由上可知，选择三相全控整流方式。为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波对电源干扰主变压器采用D/Y联结。

22、因调速精度要求高，为获得良好的静、动态性能，故选用转速电流双闭环调速系部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除12人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心器切断这电路电源。发电路。13该系统采用减压调速方案，故励磁应该保持恒定，励磁绕组采用三相不控桥式整流电路供电，电源可从主变压器二次侧引入，为保证先加励磁后加电枢电压，主接触器主触点应该在励磁绕组通电后方可闭合，同时设有弱励磁保护环节。3.1.3 系统的结构选择若采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统虽然可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差，不过当对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速

23、降小等等，单闭环系统难以满足要求，因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩，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，当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减少，因而加速过程必然拖长。若采用双闭环调速系统，则可以近似在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这

24、是在最大电流（转矩）受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。采用转速电流双闭环调速系统，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，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。所以选用转速电流双闭环系统结构。32 系统硬件结构的总体设计直流调速系统的硬件结构主要包括智能控制芯片AT89C51，再配必转速给定、转速显示、转速检测、电流检测、触发电路、过零检测电路和整流电路等部分。通过键盘对转速进行给定，通过两行4位数码管对转

25、速给定和转速检测进行显示；转速检测电路主要是采用光电编码器和定时/计数芯片8253进行检测；电流检测电路主要考虑到检测精部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除13人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心14产生；整流电路由三相全控整流电路、三相电源变压器：小型直流电机等构成。硬件结构框图如图31所示键盘/ 显示电路同步变）触发脉图33 系统主要芯片介绍8279可编程键盘、显示接口芯片，用于转速设定和电机控制命令的输入以及电机运行中转速的显示。移相。A/D57412位A/D转换芯片，将电枢电流 Id转化为数字量的电压信号。34 系统硬件电路组成部分文档来自网络收集，

26、如有侵权，请联系作者删除14人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心151 AT89C51单片机的性能及特点Flash Programmable and Erasable Read Only 编程器对程序存储器重复编程。AT89C51(以下简称89C51将具有多种功能的8位CPU与EPEROM结合在一个芯片上，为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适宜的方案。89C51的主要性能包括：(l)片内有4KB可在线重复编程的快闪擦写存储器(FlashMemory)；(2)存储器可循环写入/擦除1000次；(3)存储数据保存时间为10年；(4)宽工作电压范围：Vcc可为276

27、V；(5)全静态工作：可从0MHz至16MHz；(6)程序存储器具有3级加密保护；(7)128x8位内部RAM；(8)32条可编程I/O线；(9)两个16位定时器，计数器；(10)中断结构具有5个中断源和2个优先级；(11)可编程全双工串行通道：(12)空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。1 AT89C5l硬件结构及引脚AT89C51的内部硬件结构如图32 所示。部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除15人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心16图 其引脚配置如图33 所示。图 部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除16人生有几件绝对不能失去的东西

28、自制的力量，冷静的头脑，希望和信心172 键盘显示电路设计8279是Intel公司生产的可编程键盘显示IO专用芯片，8279能够以较简单的硬示器的自动扫描，并识别键盘上闭合的键号，不仅可大大节省CPU对键盘显示器的操作时间，而且显示稳定，程序简单很少出现误动作。因此，本设计键盘和显示部分选用统的所有操作。键盘显示电路主要通过键盘进行转速的设定，通过上行数码管显示；转速反馈值通过下行数码管显示。键盘显示电路如下图34所示。图 根据8279STB端应该与按键通过一个8路与非门连接，那样当有按键按下时，信号的上升沿可将RL0RL7的数据存入FIFORAM中，此时SHIFT无效。电路不需要上拉电阻，因

29、为8279芯片RL0RL7内部本身就是高电平。显示电路选择编码扫描方式，那样SL0SL2经3-8译码器74HCl38后，可以直接驱动数码管。显示电路经过调试，不需要加任何驱动，数码管就已经达到了显示的要求。出于参数设置简便方面的考虑，本文中设计8个按键分部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除17人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心18别是启动键、停止键、改参键、确定键、左右移动键和上下增减键。参数的调节系统，这时可以对第一位数码管进行设置；通过左右移动键改变预置数码管次参数的调节动作，同时将设定转速转换成给定的电压信号。在改参的过程中，直流调速系统仍然以上一次

30、设定的转速进行转速调节控制，直到确定键按下，调速系统才以新的设定转速进行调节控制。8位LED数码管，分两行布置，上面一行显示转速设定值，下面一行显示转速反馈值，显示值均用BCD码表示看起来更直观。由于8279接口芯片在初始化后就能自动实现对传感器阵列进行扫描和刷新显示，所以89C51单片机既能及时地对调速系统状态和转速值进行处理，又不会因为这些功能而加重单片机 CPU的负担。为了节省中断源和充分利用执行同步脉冲中断服务程序执行的间隙时问，所以 89C51单片转速检测电路中读计数值中断。3 数字测速硬件电路设计前转速，作为转速反馈信号本文中将光电编码器与电机轴用软性联轴器连接，光电编ZSF6.2

31、155V，每转输出脉冲数为10004V进行计数。本设计通过可编程定时/计数芯片8253的0号和1号计数器进行转速检测。0号计数器检测转速脉冲的个数；1号计数器定时采样时间。可编程计数/定时器8253率发生器，分频器、实时钟、单脉冲发生器等。这些功能是通过对8253编程，写入控制字来实现的，本文采用的是计数器0和计数器l联合进行转速检测，具体电路原理图如图35所示。部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除18人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心19图 用计数器l2MHz，那样根据存入数值的不同采样时间也随之变化。这里设定采样时间为lms，那样存入计数累加器中的十进

32、制数就为2000。定22门控信号GATEGATE端出现上升沿信号或是重新启动时，计数初值会自动重新装入累加器中，使软件程序更加简单；三是当启动计数器后，输出变为高电平，计数执行单元执行减l0变为低电平，产生0中的数值，进行转速的累加和计数。用计数器00GATE端出现上升沿信号或是重新启动时，计数初值能自动重新装入计数累加器中；门控信号GATE也决定了计数器的启、停。由于累加器是减一操作，所以计数初值存入最大值00H。根据转速脉冲的发生频率，计数器的工作频率远远高于转速频率，不会出现在检测过程中漏检的现象；在单位采样时间内转速脉冲也不会超过这个存入的最大值。因此，此转速检测系统的设计是合理、可行

33、的。4 电流检测电路设计为了尽量满足系统精度的要求，电流检测尽可能选择更多位数的A/D转换器。现选择应用较广的AD574芯片作为电流检测。AD574是美国AD(Analog Devices)公司研制的12位逐次逼近型ADC，适合在高精度快速采样系统中使用。它内部集成有转换时钟、参考电压源和三态输出锁存器，使用方便，可与微机直接接口，无需外按时钟；转换时间为15s35s输入模拟电压既可以是单极性也可以是双极性。单极性输入时为0或0+5V或-10V8位或部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除19人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心者12位。A/D转换的时间是有限的

34、，AD574的转换时间是15s一35s。如取35s，就要求20被转换的信号在至少35 s内保持电平不变，否则转换结果就不准确，在该电路中，即1使转换时间是35 s也能满足要求。图 和5 触发脉冲输出电路设计触发脉冲输出电路主要是通过8155芯片的PA产生可控的直流电源，实现调压调速的目的。345 . 1 触发电路触发脉冲采用的方式与双窄脉冲方式相似，也是在每个晶闸管导通时，同时给上一个晶闸管补发一个触发脉冲。唯一不同的是每个触发脉冲的宽度不再是180而是60由8155的PA口产生的六路脉冲时间间隔60，每个导通120，那样就会产生60的重TlT3T5晶闸管在正相电压中各占120T6T2T4在负

35、相电压中也占120导通角。触发脉冲如图37所示部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除20人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心21图 触发脉冲要想触发晶闸管的导通，还必须经过脉冲的隔离和放大，因为脉冲的发生端是工作电压为5V冲变压器的隔离，这样系统才会更加可靠、安全、稳定。脉冲发生电路如图38所示。图 342 信号的隔离设计场仅保持信号联系，但不直接发生电的联系。隔离的实质是把引进的干扰 、通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的。一般工业应用的微机测控系统既包括弱电控制部分，又包括强电控制部分。为了使两者之间即保持控制信号联系，又要隔绝电气方面的联系，即实行弱电和

36、强电隔离，是保证系统工作稳定，设备与操作人员安全的重要措施。测控装置与现场信号之间，弱电和强电之间，常用的隔离方式有光电隔离、变压器隔离、继电器隔离等。另外，在布线上也应该注意隔离。这里选择脉冲变压器作为隔离器件主要有两个原因：第一，脉冲变压器相对光耦隔离效果更好，响应速度更快；第二，是因为在三相全控整流桥中，六路晶闸管中有些晶闸管的阴极相连，有些是晶闸管的阳极相连。所以，如果要使用光耦进行隔离驱动就需要每个光耦之间没有任何联系，也就是要需要至少4个独立的电源给其供电，那样在任何一个控制系统中都很难做到。如果整流电路是三相半控的，就可以部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除21人生有几

37、件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心22采用光耦进行隔离了。所以最后决定用脉冲变压器替代光耦隔离。脉冲变压器可实现数字信号的隔离，因为脉冲变压器的匝数较少，而且一次和二次PF脉冲变压器隔离法传递脉冲输入/号输入/得到广泛应用。6 过零检测电路设计系统的好坏。如果过零检测不准确，就会使触发脉冲产生错乱，导致晶闸管的误导通，严重时会导致整个控制系统失灵，甚至会烧毁电路中的元器件。341 过零检测的意义在直流调速系统中，尤其是采用可控整流器作为改变直流电源电压的方法时，过零检测就是其必不可少的部分控制可控整流器来改变直流端的电枢电压，主要是控制晶晶闸管的导通角越小，整流电压就越大。

38、晶闸管不同于二极管，主要是因为它的可控性。当二极管两端承受正向电压时，二极管就发生导通：而晶闸管的导通条件不仅两端要有正向电压，而且触发极要有能使晶闸管导通的触发信号，只有两者同时具备，晶闸管才会导通。根据其这一特性，它在工业生产中，得到了广泛的应用，也使电力电子技术发展的更加成熟、更加完善。从晶闸管承受正向电压的t0 表示，Ud 必须出现在电源电压u2的正半波范围内，这就要触发脉冲电压Ug和电压U2在频率和相位上必须密切配合，这种相互协调配合的关系称为主电路和触发信号的同步。晶闸管每周期导通的电角度以 表示， 0的大小随 角大 小的改变而变化。在上面电路中，改变控制角 的大小，就能改变晶闸管

39、在U2正半波的导通时间，也就达到了改变负载电压Ud波形和平均电压Ud大小的目的，这 有不同的限制范 角增大，整流平均电压Ud =0时，整流电压最大Ud=Udm。当Ud 的变化范围，称作该电路的移相范围。不同的可控整流电路不同的负载有不同的移相范围，该电路的移相范围是部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除22人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心0180。346 . 2 过零检测电路23 的定时与上述理论相一致，不同的是在检测到过零30 所对应的时间。两者一起定时，无论从硬件上还是软件上都简便了很多。等到整个定时时间结束后，发出触发脉冲，进行整流控制。具体电路图如

40、39所示。图 在过零检测电路中，采用了光电耦合器作为检测元件，主要考虑的就是光电耦合器体积小，价格低，占用空间小等优点。光电耦合器的种类很多，但工作的基本原理相同。它由发光二极管和光敏三极管组成。当发光二极管通以一定的电流时，它会发光。该光照射到光敏三极管的基极上就使它的发射极C和集电极ECE相电压从负电压变为正电压时，发光二极管两端产生电位差，有电流流过发光二极管，发光照射到光敏三极管的基极，光敏三极管导通，那样就有电流流过电阻R2，8253芯片的GATE2端就会产生一个上升沿的电压信号，启动8253定时器2进行定时。7 整流电路中晶闸管保护设计整流电路如图39所示，在整流电路中主要是晶闸管

41、的保护问题。晶闸管具有许多优点，但它属于半导体器件，因此具有半导体器件共有的弱点，承受过电压和过电流的能力差，很短时间的过电压和过电流就会造成元件的损坏为了使晶闸管装置能可靠长部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除23人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心24期运行，除了合理的选择元件外，还必须针对元件工作的条件设置恰当的保护措施。分析一下晶闸管的特性就会知道它需要四种保护，它们是过电压保护和 限制，过电流保护和 限制。图341 过电压保护和du 限制dt的部位来分，有交流侧保护，直流侧保护和元件保护。这里重点介绍元件保护：39所示。阻容吸收电路的参数计算是根据

42、变压器铁芯磁场释放出来的能量转化为电容器电场的能量存起来为依据的。由于电容两端的电压不能突变，所以可以有效地抑制尖峰过电压。串联电阻的目的是为了在能量转化过程中能消耗一部分能量，并且抑制LC回路的振荡。经过计算，图中RC参数的选定是经过计算得出，经实验符合要求。342 过电流保护和di/dt限制PN结烧坏，造成元件内部短路或开路。晶闸管发生过电流的原因主要有：负载端过载或短路；某个晶闸管被击穿短路，造成其他元件的过电流；触发电路工作不正常或受干扰，使晶100A的晶闸管当过电流为400A时，仅允许持续0.02s，否则将因过热而损坏。由此可知，晶闸管允许在短时部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系

43、作者删除24人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心25间内承受一定的过电流，所以过电流保护的作用就在于当发生过电流时，在允许的时间内将过电流切断，以防止元件损坏。图晶闸管过电流的保护措施有下列几种：（l坏之后熔断器还没有熔断，这样就起不了保护作用。因此必须采用专用于保护晶闸管的快速熔断器。快速熔断器用的是银质熔丝，在同样的过电流倍数之下，它可以在品闸管损坏之前熔断，这是晶闸管过电流保护的主要措施。（2）硒堆保护。硒堆硒整流片是一种非线性电阻元件，具有较陡的反向特性。当硒堆上电压超过某一数值后，它的电阻迅速减小，而且可以通过较大的电流，把过电压能量消耗在非线性电阻上，而硒

44、堆并不损坏。硒堆可以单独使用， 也可以和阻容元件并联使用。在本系统采用快速熔断器对可控硅进行过流保护保护。部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除25人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心26 4.1 电流截止反馈环节的选择电流变换为电压信号检测进来。4.2 调速静态精度的计算（1）电动机和测速发电机电动势常数计算电动机电动势常数测速发电机电动势常数E40C0.02（4-1）TGn2000eTGTGNTG（2）整流装置的内阻Ri部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除26人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心27查资料得：取1.2，则

45、U UK1.22.34120230R5.86（4-2）d0IN18.25iN（3）要求调速系统的静态速降ns14500.05nr/min r/min（4-3）（4-4）NDS) N（4）求闭环系统的开环放大倍数KI R18.25(5.861.2)K 11116.27NC n0.1447.63eN（5）触发器与整流装置的放大倍数的估算15V在触发器选用电源情况下，锯齿波同步电压最大值应小于15V，这里仍按最大移相控制电压为15V计算，则有U230K15（4-5）d maxcmaxU15S（6）计算转速反馈系数由于取约12V左右，而故。C（4-6）TGeTGTG（7）计算放大器的放大倍数K KK

46、PSC（4-7）eCK 116.270.144K93eK0.01215PS因Kp较大，故选用放大倍数可调的放大器，采用运算放大器，如图4.1所示。部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除27人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心28图 4.3给定环节的选择由于放大器输入电压和输出电压极性相反，而触发器的移相控制电压 Uc又为正电压，故给定电压Ugd就得取负电压，而一切反馈均取正电压，可参看图中电压极性。为此给定电压与触发器共用一个15V电源，用一个2.2k 、1w电位器引出给定电压。4.4控制电路的直流电源选择这里选用CM7815和CM7915三端集成稳压器作为控

47、制电路电源。4.5继电器-接触器控制电路的设计为使电路工作更可靠，总电源由自动开关引入，由于变压器一次电流I =4.9A,1故选DZ5-5030A的三极自动断路器即可满足要求。用交流接触器控制主电路通断，由于I2=14.9A,故选CJ10-60、线圈电压为220V的交流接触器。可选用吸引线圈电流为60A的电流可在7/10至3倍范围内调节。在励磁回路中，串联吸引线圈电流为2.5 A的直流欠电流继电器，吸引电流可在3/10至65/100范围内调节，释放电流在1/10至2/10范围内调节。部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除28人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心

48、29 5.1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Ts.三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s。2)时间滤波时间常数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）Toi=3.33ms,因此取Toi=2ms0.02s3)电流还小时间常数之和T.i按小时间常数近似处理：T T T 0.0037s(5-1)is部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除29人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心302.选择电流调节器结构电动机的电动势系数U I R23018.251.2C0.1435(5-2)NNan1450N根据上

49、面选择，整流变压器的二次电压为 =120V，则电枢回路总电感量为U0.693120L 0.693 45.56mHU(5-3)2I10%10%18.25aN取L=0.046H。计算系统中各环节的时间常数：电磁时间常数L 0.046H l R0.02s(5-4)T1.22机电时间常数GD22.53.4321.2R375C CTs 0.279s(5-5)30m3750.1435 0.1435em电流反馈系数10V10V0.36V / A(5-6)1.51.518.25AIN根据设计要求i5%，并保证稳态电流无差，可按典型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

50、数是K( W(s) (5-7)iisACRiT0.02s检查对电源电压的抗扰性能：，参照典型型系统动态抗扰性能，lT0.0037si各项指标都是可以接受的。3计算电流调节器参数部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除30人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心31 s。TilK T电流环开环增益：要求 时，按表 2-2，应取 0.5，因此iIi0.5T0.5K135.1s（5-8）10.0037sIiKR 135.10.0221.2K于是，ACR 的比例系数是4效验近似条件0.45 （5-9）IiK400.36isK135.1s电流环截止频率： ci（5-10）1I

51、晶闸管整流装置传递函数的近似条件：11s196.1 1T30.0017ss满足近似条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：1T T1s33 （5-12）10.279s0.02sciml满足近似条件。电流环小时间常数近似处理条件：131T T11s180.8 （5-13）13 0.0017s0.002sciSoi满足近似条件。5计算调节器电阻和电容部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除31人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心32图由电流调节器的原理图如图 5.1 所示，按所有运算发大器取 40k，各电阻和电容R0值为R K R 0.4540k 18k（5-

52、14）（5-15）ii04TR40.002 0.2F 0.2 FC6oi 403i0按照上面参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为 =4.3%5%,满足设计要求。i5.2 转速调节器的设计1确定时间常数K T1 电 流 环 等 效 时 间 常 数， 已 取 0.5 ， 则KInI1K 2T 2 0.0074s（5-16）iI转速滤波时间常数T。根据所用测速发电机纹波情况，取T=0.01s。转速环小时间常数T。n按小时间常数近似处理，取1KTT0.0074ss 0.174s（5-17）nI部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除32人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望

53、和信心332选择转速调节器结构K( 按照设计要求，选用 PI 调节器，其传递函数W3计算转速调节器参数。( ) s snsASRn按跟随和抗扰性能都较好的原则，取 h=5，则 ASR 的超前时间常数为 5 （5-18）hTssnnh1hTK由式可求得转速环开环增益222Nnh1hTK396.4s（5-19）1222Nn于是得 ASR 的比例系数为C T(h60.360.14350.279K 29.6（5-20）em2hRT250.00721.20.174nn4检验近似条件转速环截止频率为KK396.40.087 34.5s（5-21）（5-22）1NcnNn1电流环传递函数简化条件为K131

54、135.13 s63.71ITi满足简化条件。转速环小时间常数近似处理条件为K131 135.13 0.01s38.7（5-23）1IT满足近似条件。5计算调节器电阻和电容部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除33人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心34根据图 5.2，取=40 ，则KR0R K R 29.640 1184K（5-24）（5-25）nn03CC0.01 FnRnn4TR4 1F 1 F（5-26）6on403on0图 6校核转速超调量当 h=5 时，查表 5-1 得， =37.5%，不能满足设计要求。实际上，由于表 5-1 是按线n性系统计算的

55、，而突加阶跃给定时，ASR 饱和，不符合线性系统的前提，应该按 ASR 退饱和的情况重新计算超调量。表h345678910t2.402.652.853.03.13.23.33.35rT部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除34人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心35t10.45 11.30 12.25 13.25 14.20sTk32211111 Simulink 是 MATLAB的一个重要的分支产品，是一个结合了框图界面和交互仿真能力的系统设计和仿真软件。它以 MATLAB的核心数学、图形和语言为基础，可以让用户毫不费力地完成从算法开发、仿真或者模型验证的全

56、过程，而不需要传递数据、重写代码或改变软件环境。下面我们借助 SIMULINK 来分析一下双闭环 KZ-D计算得到的参数，得到双闭环调速系统的动态结构图如下所示：部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除35人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心36图经过仿真，在没有扰动的情况下，得到理论设计条件下输出转速曲线如图：理论设计条件下输出转速曲线n/r/n0012345图 从图 6.2 中可以清楚地看出，输出转速由很大的超调，最大可达 83.3%，调整时间达 1.7s 之久，这是与我们理论上的设计目的存在较大的差距，问题在那呢？经过反复分析发现问题原因主要有:（1）设计

57、应该从内环到外环;（2）外环调节器设计受“饱和非线性”特性的影响较大。（）调节器，并且调节器参数的计算方法较多采用以经典控制理论为基础的工程设计法。实践表明：应用这些工程设计方法来设计电流调节器参数，其实际电流特性与预期的比较接近。但是，由于这两种设计方法从理论上来讲都只适用于零初始条件下对线性控制系统的设计，因此，对于含有非线性环节的可控硅调速系统来说，理论和实际的矛盾比较突出。尤其是速度调节器，由于存在饱和与退饱和过程引起的“非零初始条件”问题，因此，速度调节器的设计参数与实际调试结果相差比较大，使系统对负载扰动引负载时，动态速降（升）大等缺点。对象中的大惯性时间常数，提早退饱和的时间，抑

58、制振荡，减少超调量，并在保证系m部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除36人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心37统的稳态精度基础上改善系统的动态品质。其实其它的方法如，由于线性二次型（LQ）最优闭环系统具有一系列优良的工程特性，如无穷的增益裕量，至少60%的相位裕量、有界超调和一定的非线性容限，并且最优性与初始条件无关，也能很好的解决的速度超调过大的问题，但是这种方法本身也存在着计算量大，难实现的问题。因此，在原来的设计基础上可以对速度环控制器进行适当的调整，方便、简单，而比例系数，或者增大都能减小被控量的超调。n所以，我们对ACR 和 ASR 的参数进行整

59、定，特别是速度控制器的参数。我们就对0.8s1其作出了适当的调整，将速度控制器的传递函数改成，将电流调节器的传递函s0.018s1数改为。0.067s修正后的系统动态结构图如下所示：图6.1 仿真参数的配置这里仅就需要用到的参数设定方法进行简单的介绍Simulink 默认的仿真时间是10 可以在模型编辑窗中执行“SimulinkSimulink Parameters”菜单命令，或者按下快捷键“Ctrl+E”，打开 Simulink 仿真参数配置对话框，如图6.4 所示：部分文档来自网络收集，如有侵权，请联系作者删除37人生有几件绝对不能失去的东西自制的力量，冷静的头脑，希望和信心38图 1“S

60、imulink time”选项区域在“Simulink time”选项区域中通过设定“Start time（仿真开始时间）”和“Stoptime（仿真结束时间）”2 个参数可以实现对仿真时间的设定。2“Solver options”选项区域仿真解法大体上分为 2 类：变步长仿真解法和定步长仿真解法。（1）变步长仿真解法Simulink 会在保证仿真精度的前提下，从尽可能节约仿真时间Max step sizeMin stepsizeInitial step size Relative tolerance（相对误差）和 Absolute tolerance（绝对误差）两个参数来设置。每个状态的误差