双闭环直流调速控制系统设计

湖南文理学院

课程设计报告

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专业班级:

学生姓名:石扬

指导老师:潘湘高

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湖南文理学院制

双

闭

环

直

流

调

速

控

制

系

统

设

计

目录

1、设计要求...........................................................6

2、设计的作用与目的...................................................6

3、所用设备与软件.....................................................7

4、系统设计方案.......................................................8

4.1、整流电路和整流器件的选择..............................8

4.2、整流变压器参数的计算..................................8

4.3、整流器件的爱惜........................................9

4.4、平波电抗器参数的计算..................................9

4.5、触发电路的选择.......................................10

4.6、双闭环直流调速限制系统原理图设计.....................10

、系统的组成..................................................10

、系统的电路原理图............................................12

5、系统硬件设计......................................................13

5.1、直流双闭环调速系统调整器设计.........................13

、获得系统设计对象............................................13

5.2、电流调整器的设计.....................................15

、电流环结构框图的化简........................................15

、电流调整器结构的选择........................................16

、电流调整器的参数计算........................................17

、电流调整器的实现............................................20

5.3、转速调整器的设计..................................20

、电流环的等效闭环传递函数....................................20

、转速调整器的结构选择........................................21

、选择转速调整器结构..........................................23

、计算转速调整器参数..........................................23

、计算调整器电阻和电容........................................24

5.4、转速调整器的实现.....................................24

6、系统软件设计......................................................25

6.1、系统起动过程........................................25

7、试验调试结果分析..................................................26

7.1、仿真试验............................................26

7.2.仿真波形分析.........................................30

8、心得体会..........................................................31

9、参考文献..........................................................32

前B

直流电机调速系统在现代化工业生产中已经得到广泛应用。直流电动机具

有良好的起、制动性能和调速性能，易于在大范围内平滑调速，且调速后的效率很

高。针对直流电机调速的方法也很多，目前国内外也探讨了一些调速的限制器。例

如已经用于实际生产的直流电机无极电子调速限制器接受国际先进的IGBT大功率

模块器件和独特自行设计的PWM微电子限制技术，以与节能反馈电路和丰富的爱惜

功能限制电路。适用于无轨机车、矿山井下窄轨机车、磨床、木工机械、服装制作、

纺织、造纸印刷等场所。该限制器具有调速平稳，平安牢靠，提高生产效率；直流

电机正反转限制简便；可以与计算机连接限制等特点。

直流电动机有三种调速方法，分别是变更电枢供电电压、励磁磁通和电枢回路

电阻来调速。对于要求在确定范围内无级平滑调速的系统来说，以调整电枢电压方

式为最好，调压调速是调速系统的主要调速方式。

1、设计要求

设计一个直流电机的转速、电流双闭环限制系统。接受限制电枢电压变更电动

机的转速，电枢电压由三相桥式整流电路供应。

系统具体参数：直流电机：UN=220V,IN=136A,nN=1480r/min,允

许过载系数；1=1.5；电机轴上总飞轮力矩：GD2=22.5Nm2；电枢回路总电阻:

R=0.5O；电枢回路总电感：L=\5mH-,晶闸管装置放大系数=40,电动机

工作在额定负载下。

设计要求：

(1)稳态指标：系统静差率＜2%；

(2)动态指标：电流超调量＜8%,空载起动到额定转速时超调量

＜10%,起动速度快；

(3)基于直流电机基本方程，建立直流电机转速、电流双闭环调

(4)速系统数学模型，给出系统动态结构图；

(5)对系统进行仿真试验与实际调试。

2、设计的作用与目的

三十多年来，直流电机调速限制阅历了重大的变革。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与水银整流装置使

直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，限制电路已经实现高集成化、小型化、

高牢靠性与低成本。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、系列化、标准化,

在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中照旧难以替代。直流调速是指人为地或

自动地变更直流电动机的转速，以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过

变更电动机的参数或外加工电压等方法来变更电动机的机械特性,从而变更电动机

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更。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、高层电梯等须要高性能可控电力

拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，沟通调速系统发展很快，然而直流拖动

系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环限制的角度来看，它又是

沟通拖动限制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。

直流调速系统中应用最一般的方案是转速、电流双闭环系统。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

限制，同时又能实现限流以与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。

3、所用设备与软件

运用了protel绘制电气原理图，一些简洁的图形用画图板和Word中的画图工

具画出来，电流调整器、转速调整器等。

4、系统设计方案

4.1、整流电路和整流器件的选择

目前在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，其原理

图如图1所示，其中阴极连接在一起的三个晶体管(VT„VT3,VT5)称为共阴极组;

阳极连接在一起的三个晶体管(VT,„VT6,VT2)称为共阳极组。

4.2、整流变压器参数的计算

接受三相双绕组变压器。设计参数如下：

U2N=UN=220V；I2N=IS=136A；

额定容量：Sksqr(3)*U2N*I2N=518.23KV•A

三相双绕组变压器原理图

4.3、整流器件的爱惜

电力电子器件中不行避开的会发生过电压，会损坏电力电子器件。对于大容量

的电力电子装置,可以接受如下图所示的反向阻断式RC电路来限制和吸取过电压。

反向阻断式RC电路

4.4、平波电抗器参数的计算

负载为直流电动机时，假如出现电流断续则电动机的机械特性将很软。当电

流断续时，随着晨的增大，转速n（与反电动势成比例）着陆很大，机械特性较软,

相当于整流电源的内阻增大。较大的电流峰值在电动机换向时简洁产生火花。同时,

对于相等的电流平均值，若电流波形底部较窄，则其有效值越大，要求电源的容量

也大。

为了克服以上缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来削

减电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。

总电感：LE=T1RE=0.002*0.6=1.2mH

平波电抗器的电感量：L=LLO.693U2/Idmin=2.74mH

4.5、触发电路的选择

如图所示的晶体管触发电路，它由VI,V2组成的脉冲放大环节和脉冲变压器

TM与附属电路构成的脉冲输出环节两部分组成。当VI,V2导通时，通过脉冲变压

器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。VD1和R3是为了VI,V2由导通变为

截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设的。为了获得触发脉冲波形中的强脉

冲部分，还需适当附加其它电路环节。

晶体管触发电路

4.6、双闭环直流调速限制系统原理图设计

、系统的组成

转速、电流双闭环限制的直流调速系统是应用最广、性能很好的直流调速系统。

接受PI调整的单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。但是，假如对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足要求了。

图1志向快速启动过程电流和转速波形

如图1所示，为了实现在允许条件下的最快启动，关键是要获得一段使电流保

持为最大值心的恒流过程。依据反馈限制规律，接受某个物理量的负反馈就可以

保持该量基本不变，那么，接受电流负反馈应当能够得到近似的恒流过程。所以,

我们希望达到的限制：启动过程只有电流负反馈，没有转速负反馈；达到稳态转速

后只有转速负反馈，不让电流负反馈发挥作用。故而接受转速和电流两个调整器来

组成系统。为了实现转速和电流两种负反馈分别在系统中起作用，可以在系统中设

置两个调整器，分别调整转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者

之间实行嵌套（或称串级）连接，如图2所示。把转速调整器的输出当作电流调整

器的输入，再用电流调整器的输出去限制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，

电流环在里面，称作内环；转速环在外面，称作外环。这就组成了转速、电流双闭

环调速系统。

5fv

-----ASRAURUPE

图2转速、电流双闭环直流调速系统

、系统的电路原理图

图3直流双闭环调速系统电路原理图

为了获得良好的静、动态性能，转速和电路两个调整器一般都接受PI调整器，这

样组成的直流双闭环调速系统电路原理图如图3所示。图中ASR为转速调整器,ACR

为电流调整器，TG表示测速发电机，TA表示电流互感器，GT是触发电路，UPE是

电力电子变换器。图中标出了两个调整器输入输出电压的实际极性，它们是依据电

力电子变换器的限制电压上为正电压的状况标出的，并考虑到运算放大器的倒相

作用。图中还标出了两个调整器的输出都是带限幅作用的，转速调整器ASR的输出

限幅电压外确定了电流给的电压的最大值，电流调整器ACR的输出限幅电压4，"限

制了电力电子变换器的最大输出电压〃加。

5、系统硬件设计

5.1、直流双闭环调速系统调整器设计

本设计将运用工程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调整器。

依据设计多环限制系统先内环后外环的一般原则，从内环起先，逐步向外扩展。在

双闭环系统中，应当首先设计电流调整器，然后把整个电流环看作是转速调整系统

的一个环节，再设计转速调整器。

、获得系统设计对象

依据图3直流双闭环调速系统电路原理图可以便利的绘出系统的稳态结构框图

图4直流双闭环调速系统的稳态结构框图

在考虑双闭环限制的结构的基础上，即可绘出直流双闭环调速系统的动态结构

框图，如图5所示。图中叼SRG）和叼以⑸分别表示转速调整器和电流调整器的传

递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必需把电枢电流显示出

来。

图5直流双闭环调速系统的动态结构框图

在实际设计过程中，由于电流检测信号中常含有沟通重量，为了不使它影响

到调整器的输入，需加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可以用一阶惯性环节来

表示，其滤波时间常数〃按须要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制沟

通重量的同时，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协作，从而带

来设计上的便利。

由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也须要滤波，滤波时间

常数用方“表示。依据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为却

的给定滤波环节。

所以直流双闭环调速系统的实际动态结构框图应当与图5有所不同，应当增加

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。如图6所示。

电流内环

图6直流双闭环调速系统的实际动态结构框图

5.2、电流调整器的设计

、电流环结构框图的化简

在图6点画线框内的电流内环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将

给设计工作带来麻烦。事实上，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流环的影

响。在一般状况下，系统的电磁时间常数7；远小于机电时间常数7；,因此，转速的

变更往往比电流变更慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变更慢的扰动，在电

流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即这样，在按动态性能设

计电流环时，可以暂不考虑反电动势变更的动态影响，也就算说，可以暂且把反电

动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如图7所示。可以证明，忽视反电

动势对电流环作用的近似条件是：

式中均一一电流环开环频率特性的截止频率。

图7忽视反电动势的动态影响时的电流环动态结构框图

假如把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效的移到环内，同时把给定信号改成

U*ZB，则电流环伸等效成单位侦反馈系统，如图8所示。

50)

-7^

图8等效成单位负反馈系统的电流环动态结构框图

最终，由于7；和7；一般都比7；小的多，可以当作小惯性群而近似的看作是一个

惯性环节，其时间常数为:

TH

则电流环结构框图最终可以简化成如图9所示。简化的近似条件是

co<-

SO)

(3-

图9小惯性环节近似处理的电流环动态结构框图

、电流调整器结构的选择

首先考虑把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要求上看，希望电流无静差,

可以得到志向的堵转特性，由图9可以看出，接受I型系统就够了。再从动态要求

上看，实际系统不允许电枢电流在突加限制作用时有太大的超调，以保证电流在动

态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的与时抗扰作用只是次要因素。为此,

电流环应以跟随性能为主，即应选用典型I型系统。

图9的表明，电流环的限制对象是双惯性型的，要校正成典型1型系统，明显

应接受PI型的电流调整器，其传递函数可以写成：

卬皿⑸二卷空里2

式中K,——电流调整器的比例系数；

7,——电流调整器的超前时间常数。

为了让调整器零点与限制对象的大时间常数极点对消，选择

Ti=T!

则电流环的动态结构框图便成图10所示的典型形式，其中:

图10校正成典型I型系统的电流环动态结构框图

、电流调整器的参数计算

、确定时间常数

1）整流装置滞后时间常数1。通过表1可得出，三相桥式电路的平均失控时

间I=0Q017s。

2）电流滤波时间常数与。依据初始条件有Toi=0.002so

3）电流环小时间常数之和6；。按小时间常数近似处理，取

匕=（+与=0.0037o

表1各种整流电路的失控时间（f=50HZ

整流电路形式最大失控时间平均失控时间

（max（侬）Turns'）

单相半波2010

单相桥式（全波）105

三相半波6.673.33

三相桥式、六相半3.331.67

波

、选择电流调整器结构

依据设计要求，按典型I型系统设计电流调整器。电流环限制对象是双惯性型

的，因此可用PI型电流调整器，其传嘉等

TtS

检查对电源电压的抗扰性能：7；/7^,.=0.035/0.0042=7.14,参照表2的典型I型

系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。

表2典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系

T1T1111

m=——二——

4T25102030

AC

—100%55.5%33.2%18.5%12.9%

g

t"T2.83.43.84.0

tv/T14.721.728.730.4

表3典型I型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系

参数关系0.250.390.500.691.0

KT

阻尼比41.00.80.7070.60.5

超调量（T0%1.5%4.3%9.5%16.3

%

上升时间006.6T4.7T3.32.4

TT

00

峰值时间8.3T6.2T4.73.6

tpTT

相角稳定76.369.965.559.251.8

裕度/Ooooo

截止频率0.240.3670.4550.560.78

31TITIT9/T6/r

、计算调整器电阻和电容

由图11,按所用的运算放大器R0=40KQ各电阻和电容值为:

Ri=KiRO=O.0018*40=0.072kQ取0.07kQ

Ci=(i/Ri=0.24nF,取0.24uF

Coi=4Toi/Ro=0.25HF,取0.25uF

依据上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标，满足设计要求。

、电流调整器的实现

含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调整器原理图如图11所示。图中°；

为电流给的电压，一以4为电流负反馈电压，调整器的输出就是电力电子变换器的限

制电压依据运算放大器的电路原理，可以导出：

5.3、转速调整器的设计

5.3.1、电流环的等效闭环传递函数

电流环经简化后可视作转速环的一个环节，由图10可知，电流环的闭环传递

函数%⑸为叱“⑸=夕（s）=K,/s（qs+l）=]

忽视高次项，嬴）痴神枢/+K//s（qs+i）2/+L+i

K1K1

近似条件

式中为——转速开环频率特性的截止频率。

接入转速环内，电流环等效环节的输入量应声/⑸，因此电流环在转速环中应等

效成/“⑶%⑶一B

U：（s）PL+1

这样，原来是双惯性环节的电流环限制对象，经闭环限制后，可以近似的等效成只

有较小时间常数1/K,的一阶惯性环节。

、转速调整器的结构选择

用电流环的等效代替图6中的电流环后，整个转速限制系统的动态结构框图如

图12转速调整器的结构

把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改为U：⑸/2,再

把时间常数为1/K,和&的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为用的

惯性环节，其中

则转速环结构框图可简化成如图13所示。

A（S）

SCO

图13等效成单位负反馈系统和小惯性近似处理的转速环动态结构框图

为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必需有一个积分环节，它应当包

含在转速调整器ASR中。现在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环

开环传递函数应共有两个积分环节，所以应当设计成典型n型系统，这样的系统同

时也能满足动态抗扰性能好的要求。在理论计算中，线性系统的阶跃超调量较大,

但在实际系统中转速调整到融螫幽质会使超调量大大降低。故而，ASR也

接受PI调整器，其传递函数为

式中K,,——转速调整器的比例系数;

"——转速调整器的超前时间常数。

这样，调速系统的开环传递函数为

W⑶二二（小1）aRl/3=%/?（加+1）

"勿G7>（&s+1）9Q7>2（&S+1）

令转速环开环增益。为

则院（加+1）

叱（s）=

S2（修+1）

不考虑负载扰动时，校正后调速系统的动态结构框图如图14所示。

上述结果所听从的近似条件归纳为：

、选择转速调整器结构

依据设计要求，选用PI调整器，其传递函数为

2T

、计算转速调整器参数

依据跟随和抗扰性能的原则，取h=5,则ASR的超前时间常数为:

Cn=h*TEn=0.059s

转速开环增益：KN=(h+l)/2h2TEn=19.35s-2

于是，ASR的比例系数为

Kn=(h+1)8CeTm/2haRTSn=633

U*n（S）

〃（S）

a十八匹「©s+I）

一（与户+1）

图14校正后成典型II型系统的转速环的动态结构框图

、计算调整器电阻和电容

依据图15,取R0=40kC则

Rn=KnRo=774kQ取770kQ

Ce=Cn/Rn=0.04uF,取0.04uF；Con=4Ton/Ro=l.4RF,取1.4□F。

依据表4,△Cmax/Cb=81.2,此时，

on=3.45%<10%,能满足设计要求。

表4典型H型系统阶跃输入跟随性能指标

h34567891

0

a54332222

2.6%3.6%7.6%3.2%9.8%7.2%5.0%3.3%

覃7122233333

.40.65.85.0.1.2.3.35

，11911111

2.151.65.550.451.302.253.254.20

k32211111

5.4、转速调整器的实现

含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调整器原理图如图15所示，图中u；为转速

给定电压，-珈为转速负反馈电压，调整器的输出是电流调整器的给定电压U；。

与电流调整器相像，转速调整器参数与电阻、电容值的关系为

.=

图15含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调整器

6、系统软件设计

6.1、系统起动过程

直流双闭环调速系统突加给定电压■：时由静止状态起动时，转速和电流的动态

过程图如图16所示。由于在起动过程中转速调整器ASR阅历了不饱和、饱和、退

图16转速和电流的动态过程图

图17环调速系统仿真模型流程图

7、试验调试结果分析

7.1、仿真试验

依据图17所示：双闭环系统仿真波形与分析:

U*im=邓1*=1.5*3*1.2=5.4V(4-1)

〃Cn-^I.R0.113*1600+1.2*9.5

Ur=-----------=---------------------------=o.41v

K、30（4-2）

调整限度器1将ASR输出限幅值的UpperLimit和LowerLimit进行适当的调

整。可得到上升时间最大的波形（"=7.7s限幅值=±3.8V）和上升时间最小（"=0.7s

限幅值=±14V）的波形。上升时间最大波形如图18所示:

图18双闭环调速系统上升时间最大波形图

上升时间最小波形如图19所示:

图19双闭环调速系统上升时间最小波形图

经过双闭环调速系统上升时间最大波形与双闭环调速系统上升时间最小波形

对比可知：限幅值越大上升时间力越小，限幅值越小上升时间。越大；同时■力值越

大，超调越小；"值越小，超调越大。

在符合设计要求的状况下，经过多次的参数调整，得到一组较好的调整参数，如表

5和图20所示：

晶闸机电电磁时电流转速反允许

管放大系时间常数间常数。反馈系数馈系数a过载倍数

数KsTm2

300.Is0.01s3V/A0.005v1.5

min/r

TonToiCeRtrASR限

幅值

0.02s0.0020.113V9.5。2s±6.1

smin/rV

ACRASRACR限Tn

幅值

K.KnKN+8.7V0.137s

0.143135.115.6159.8

-1

S4s”

RiCiR„CnT\

6KQ1.75550KC0.220.01s

表5双闭环调速系统调整参数

图20双闭环调速系统波形图

由此可得：双闭环调速系统接受PI调整规律，它不同于P调整器的输出量总

是正比与其输入量，PI调整器它的输出量在动态过程中确定于输入量的积分，到

达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，是由它后面的环节的须要来确定

的。

7.2.仿真波形分析

从波形中，我们分析可知其起动过程可分三个阶段来分析：

第I阶段：电流上升阶段。

突加给定电压Un*后，通过两个调整器的限制，使Ua,Ud,UdO都上升。由于

机电惯性的作用，转速的增长不会很快。在这一阶段中,ASR由不饱和很快达到饱

和,而ACR不饱和,确保电流环的调整作用.

第H阶段：是恒流升速阶段。

从电流升到最大值起先，到转速升到给定值n*为止，这是起动过程中的重要

阶段。在这个