单闭环直流电机调速课程设计.docx
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单闭环直流电机调速课程设计
课程设计任务书
课程名称：
电力电子技术课程设计
题目：
闭环直流电机控制系统设计
设计内容与设计要求
一．设计内容：
1.系统总体方案确定：
1.1用晶闸管整流实现直流调压，实现直流电动机的无级调速。
1.2系统电路由主电路与控制电路组成：
主电路主要环节：
整流电路及保护电路。
控制电路主要环节：
触发电路、电压电流检测单元、驱动
电路、检测与故障保护电路。
1.3主电路电力电子开关器件采用晶闸管、IGBT
1.4系统具有完善的保护
2.主电路设计与分析
2.1设计主电路；
2.2计算主电路参数并选择主电路元器件选型；
2.3设计主电路保护环节；
3.控制电路设计与分析
3.1确定控制电路总体结构，要求采用单闭环控制；
3.2设计速度调节器电路；
3.3设计触发电路
4.单闭环直流调速控制系统的调试或仿真
4.1在实验室对设计的单闭环直流调速控制系统进行调试；
4.2设计单闭环直流调速控制系统仿真模型，确定设计系统的性能指标。
一．设计要求：
1．设计思路清晰，给出整体设计框图；
2．单元电路设计，给出具体设计电路；
3．系统仿真时需给出仿真波形并进行分析。
4．绘制总电路图
5．写出设计报告；
主要设计条件
1．设计依据主要参数
1）输入输出电压：
三相交流，380V;
2）主电路最大输出电压、电流根据电机参数予以确定；
3）要求电机能实现单向无级调速
4）电机型号
电机型号1：
Z2-22额定参数2.2KW220V12.35A3000r/min
电机型号2：
Z2-71额定参数30KW225V158.5A3000r/min
2.可提供实验设备或上机仿真
说明书格式
1．课程设计封面；
2．任务书；
3．说明书目录；
4．系统方案确定；
5．主电路设计
6．控制电路设计（各单元电路图）；
7．系统实验、电路改进、仿真等。
8．总结与体会；
9．附录（完整的总电路图）；
10．参考文献；
11、课程设计成绩评分表
进度安排
第一周星期一:
课题内容介绍和查找资料；
星期二:
总体电路方案确定
星期三:
主电路设计
星期四:
主电路元件选型
星期五:
控制电路设计；
第二周星期一:
控制电路设计
星期二~三:
系统调试及仿真等
星期四~五:
写设计报告，打印相关图纸；
星期五下午:
答辩及资料整理
参考文献
1．王兆安，电力电子技术（第5版）．机械工业出版社，2008.
2．刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．校内，2009.
3.浣喜明，姚为正．电力电子技术．高等教育出版社，2008.
4．刘祖润，胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，1995.
5.林飞，杜欣．电力电子应用技术的MATLAB仿真．中国电力出版社，2009.
6．钟炎平．电力电子电路设计．华中科技大学出版社，2010.
7．徐德鸿．现代电力电子器件原理与应用技术．机械工业出版社，2011.
8．洪乃刚．电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真．机械工业出版社，2006.
第1章概述
目前调速系统分为交流调速和直流调速系统，由于直流电动机具有良好的起、制动性能，调速范围广，静差率小，稳定性好以及具有良好的动态性能，在很多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
近年来，高性能交流调速技术发展很快，随着其应用范围的逐渐扩大，有着取代直流调速系统的发展趋势。
为了提高直流调速系统的动态、静态性能，通常要采用闭环控制系统。
在对调速指标要求不高的场合，采用转速单闭环系统是最经济的选择，正因为这样，单闭环直流电机调速系统在日常生活中的应用越来越广泛，其良好的调速性能也被大众所认同。
闭环系统把一部分的输出信号反馈回输入端，与输入端的信号进行比较，其差值作为实际的输入信号，能自动地调节输入量，提高系统的稳定性。
在对调速系统有较高要求的领域，常利用直流电动机，然而，直流电动机开环系统稳定性不高，系统有较大转速差，不能够满足要求，所以可以利用转速单闭环系统来提高稳态精度。
但是，采用比例调节器的负反馈调速系统还是有静差的，为了消除系统静差，可以采用积分调节器代替比例调节器。
单闭环直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、测速发电机、闭环控制系统组成。
通过调整晶闸管的控制角来调节转速，非常方便，高效。
第2章系统总体方案确定
直流电动机有三种调速方法：
①改变电枢电压调速
②改变励磁磁通调速
③改变电枢回路电阻调速
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢电压的调速方式是最好的。
减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围小，只能在基速上作小范围弱磁升速。
改变电阻只能实现有极调速。
对于小功率调速系统调压调速的实现也是非常简单的。
所以本设计方案确定调速方式为调压调速。
调节电枢电压需要有专门的可控直流电源，经常采用的3种
直流电源如下：
①旋转变流机组：
由交流电机和直流电机组成，以获得
可调的直流电压。
②静止式可控整流器：
用静止式可控整流器也可获得可
调的直流电压。
③直流斩波器\脉宽调制变换器：
利用电力电子开关器件
斩波或进行脉宽调制，产生可变平均电压。
旋转变流机组组成的（V-M）调速系统需要至少两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，因此设备多，体积大，费用高，效率低，安装须打地基，运行有噪声，维护不方便，所以基本不被采用。
由全控型电力电子器件组成的PWM调速系统比较先进，可靠性高、不会失控（避免了逆变颠覆恶性故障发生）且功率因数为1（节能减排），缺点是价格（成本）太高了。
晶闸管整流控制直流的技术虽然落后了，但是技术成熟、价格（成本）低廉，虽然对电网依赖性强，容易失控导致逆变颠覆，但对于不可逆小功率电机控制系统来说
不必考虑逆变颠覆的情况，在考虑到成本的情况下，选择晶闸管是最优的。
由于直流电动机开环系统稳定性不高，系统有较大转速降落，不能够满足要求，所以采用转速单闭环系统来提高稳态精度。
综合上述情况，本设计采用由晶闸管组成的不可逆单闭环直流调压调速。
2.1闭环调速系统的组成及其静特性
由自动控制原理可知，反馈控制的闭环调速系统是按被控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，引入转速反馈环的调速系统可以大大减少转速落差。
2.1.1系统组成
图2-1系统控制原理图
与电动机同轴安装一台测速发电机TG，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Un，与给定电压Un*相比较后，得到转速偏差电压△Un，经过放大器A，产生电力电子变换器UPE所需的控制电压Uc，用以控制电动机的转速。
这样的反馈控制系统按被调量（转速n）的偏差进行控制，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。
这里的平波电抗器用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。
第3章主电路设计
3.1主电路结构设计
由于三相半波可控整流电路在其变压器的二次电流中含有直流分量，不适合变压器的长期运行，所以不予采用。
本设计采用三相桥式全控整流电路。
图3-1主电路原理图
3.2主电路参数计算及元器件选型
3.2.1整流变压器T1参数计算
根据电机参数Ud=UN=220V，Id=IN=12.35A，忽略晶闸管导通
压降，由三相全控整流电路平均值公式：
当α=0时
解得:
U2=90.0V
I2=0.816Id=10.10A
由
得变压器容量:
S=1.57kw
3.2.2晶闸管参数计算
加在管子上的最大反向电压:
=220.4V
流过管子的平均电流:
Iv=Id/3=4.12A
所以可选额定电流为10A（考虑到两倍裕量），最大反向工作电压为100-1000V的整流二极管。
由于本设计对高速型能要求不高，考虑到成本所以选择普通（螺栓）型号为KP-10的晶闸管。
3.2.3滤波电容计算
在电源设计中,滤波电容的选取原则是，对于50HZ的正弦交流电的整流滤波来说：
电容的耐压≥电压有效值（1+30%）
大电容C≥2.5T/R，即C的大小：
RC≥（3--5）×0.1s
由于Ra=1.7Ω，取C≥（0.016854-0.028089）F。
大电容在电路中，负载越重，吸收电流的能力越强，这个电容的容量应该取得很大。
C的值应大于16854μF，这里取18000μF，用两个电容C0、C1串联组成，即每个电容9000μF，当然，若经济允许取到C≥5T/R都没问题。
本设计中大电容耐压300V。
小电容C1的耐压取300V，电容量凭经验，一般104μF即可。
3.2.4平波电抗器计算
（mH）
三相全控桥中K1=0.693；U2Φ=0.46；最小负载电流（对应直流电机最小机械负载）一般取电动机额定电流的5%-10%。
这里取Idmin=10%IN=1.24A。
所以L1=0.26mH。
3.3主电路保护设计
3.3.1过电流保护
常用的过电流保护方法有：
限流控制保护、控制极脉冲封锁（动作时间在10ms左右）、快速熔断器保护。
本设计直接采用快速熔断器保护。
3.3.2过电压保护
本设计使用组容吸收电路，即在晶闸管器件上并联电阻电容。
它的作用是保护晶闸管器件关断引起的过电压。
因电容C两端电压不能突变，可吸收关断时引起的反向尖峰电压。
电阻R有两个作用，一是阻止LC电路发生振荡（因电路总有电感L存在），二是限制晶闸管导通时电容C放电电流的上升率。
图3-2过压保护电路
第4章单元控制电路设计
4.1主控制芯片的详细说明及其外围元件设计
本系统控制回路由转速闭环回路，触发电路，和电流截止负反馈电路组成，其电路原理图如下所示。
图4-1转速负反馈原理图（带电流截止负反馈）
4.2检测及控制保护电路设计
本设置使用了电流截止负反馈，主要使用霍尔电流传感器对电流进行检测，传感器串联如电枢回路中。
有电流流过时，在输出端产生偏差电压，经过分压电阻调节，输入到电流截止负反馈环中。
4.3驱动电路的设计
随着技术的发展，集成的电力电子触发电路已经非常成熟，而且价格低廉。
所以本设计主要使用TC787（AP）这款芯片。
TC787（AP）是采用先进IC工艺设计制作的单片集成电路，适用于三相可控硅移相触发电路，能构成多种调压调速和变流装置。
该电路作为TCA785的换代产品，与目前国内市场上流行的KC系列电路相比，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽，外接元件少等优点；而且装调简便，使用可靠。
只需要一块这样的集成电路，就可以完成三块TCA785或五块KC系列器件组合（三块KC009或KC004，一块KC041，一块KC042）才能具有的三相移相功能。
其为提高整机寿命，缩小体积，降低成本提供了一种新的更加有效的途径。
该芯片特点如下：
1.电路采用单电源工作，电源电压8V～15V。
2.三相触发脉冲调相角可在0～180°之间连续同步改变。
3.识别零点可靠，可方便地用作过零开关。
4.器件内部设计有交相锁定电路，抗干扰能力强。
5.可用于三相全控触发（6脚接VDD），也可用于三相半控触
发（6脚接地）。
6.电路备有输出保护禁止端，可在过流过压时保护系统安全。
7.TC787输出为调制脉冲列，适用于触发可控硅及感性负载。
8.调制脉冲或方波的宽度可根据需要通过改变电容Cx而选择。
电路原理：
三相同步电压经过T型网络进入电路，同步电压的零点设计为1/2电源电压（电路输入端同步电压峰峰值不宜大于电源电压），通过过零检测和极性判别电路检测出零点和极性后，在Ca、Cb、Cc三个电容上积分形成锯齿波。
由于采用集中式恒流源，相对误差极小，锯齿波有良好的线性。
电容的选取应相对误差小，产生锯齿波幅度大且不平顶为宜。
锯齿波在比较器中与移相电压比较取得交相点，移相电压由4脚通过电位器或外电路调节而取得。
抗干扰电路具有锁定功能，在交相点以后锯齿波或移相电压的波动将不能影响输出，保证交相唯一并且稳定。
脉冲形成电路是由脉冲发生器给出调制脉冲（TC787），调制脉冲宽度可通过改变Cx电容的值来确定，需要宽则增大Cx，窄则减小Cx,1000P电容约产生100μS的脉冲宽度。
被调制脉冲的频率-8/调制脉冲宽度。
脉冲分配及驱动电路是由6脚控制脉冲分配的输出方式，6脚接高电平VH，输出为全控方式，分别输出A、-C；-C、B；B、-A；-A、C；C、-B；-B、A的双触发脉冲，用户可以选择。
5脚为保护端，当系统出现过流过压时，将5脚置高电平VH，输出脉冲即被禁止。
5脚还可以用作过零触发系统的控制端，输出端可驱动功率管，经脉冲变压器触发可控硅；也可直接驱动光电耦合器，经隔离触发可控硅或驱动三级管。
图4-3TC787（AP）内部结构
图4-4触发脉冲芯片电路
第5章系统仿真
5.1仿真参数计算
Z-22型直流电机参数：
电机极对数（p）：
1
额定电压（UN）：
220V
额定电流（IN）：
12.35A
电枢电阻（Ra）：
1.7Ω
励磁电流（If）：
0.34A
额定转速（nN）：
3000r/min
电机转动惯量（J）：
0.055kg·m2
（1）计算电机参数
励磁电感Lf在恒定磁场控制下可取0，则
电枢电感估算为：
因为
因此
励磁电阻
额定负载转矩为
被设计的给定电压范围（UN）：
0~10V
转速反馈系数
5.2系统仿真实验
在Simulink仿真环境下的实验步骤：
①绘制系统仿真结构图，如同5-1所示。
并设置好相关参数。
在各处观察点设置示波器模块。
②对仿真模式进行设置，系统默认的仿真算法为ode45，由于系统结构复杂，该算法仿真过慢，所以修改为ode15s。
在该算法下，系统仿真速度合适，但是引入了误差。
但该误差不影响仿真结果。
③启动仿真。
图5-1系统仿真结构
为了解决反馈控制单闭环调速系统起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须设有自动限制电枢电流的环节。
根据反馈控制的基本概念，要维持某个物理量基本不变，只要引入该物理的负反馈就可以了。
由于电流负反馈的引入会使系统的静特性变得很软，不能满足一般调速系统的要求，电流负反馈的限流作用只应在起动和堵转时存在，在正常运行时必须去掉，使电流能自由地随着负载增减，所以要用到DeadZone（死区）模块来限制截止负反馈的时间。
同步脉冲信号模块有一个选通信号输入口，置零选通，所以用了一个0常量模块。
控制同步脉冲信号模块触发脉冲输出的输入信号是一个角度信号，所以应该把电压信号装换成角度信号。
为了模拟由空载到额定负载下的波形，所以增加了一个斜坡信号输入到电机模块的转矩输入口。
5.3仿真结果
图5-2依次为额定负载转速、电枢电流、励磁电流、转矩波形图
由图5-2的波形可以看出，在空载增加到额定负载这段时间内，电机的转速基本没有发生改变，电机的机械特性非常硬。
由于增加了电流截止负反馈，所以没有了电机电流的冲击。
可以说牺牲了电机反应时间来延缓电枢电流对电机的冲击。
图5-3为不加电流截止负反馈（空载到超载）波形图
从图5-3可以看出，在转矩不断增大的情况下，转速没有变化，只有当过载很大的情况下才会产生偏差。
所以可以说转速负反馈对电机的机械特性影响非常大，在额定负载下可以达到无静差运行。
但是转速负反馈下的电枢电流的冲击非常大，如果不加电流截止负反馈对电机会有损坏。
图5-2的波形就没有这种电流冲击的情况发生。
图5-4依次为三相电源电压、各晶闸管导通图
从图5-4可以看出，由于选择了ode15s算法加快了仿真速度，但却使波形发生了畸变。
但不影响仿真的效果。
图5-5依次为触发脉冲、触发角变化波形图
从图5-5可以清晰地了解到转速负反馈电路的调制效应。
在转速上升阶段，输出触发较大，使晶闸管桥输出的电压较小，电机转速缓慢上升。
到电机平稳是，输出触发角也相对平稳。
第6章总结
经过了两周单闭环直流调速系统的课程设计，在总结阶段，首先我先简单总结一下本次设计的大体框架内容：
在概述中介绍了调速系统的相关知识，接着介绍了本次设计的方案选择基于各方面的考虑本次设计本设计采用由晶闸管组成的不可逆单闭环直流调压调速，再接着是闭环调速系统的组成及其静特性，再次介绍了该系统的各电路的设计及其参数的选择，主要包括主电路设计及参数选择和各单元电路的设计，最后，运用MATLAB进行了仿真和调试。
在仿真调试过程中并不是一次成功，由于各种原因我进行了多次的调试最终达到一个比较满意的状态。
设计中最困难的环节是对触发脉冲芯片进行模拟，其中控制同步脉冲的信号困扰了我好久，后来在唐老师让我阅读的书的内容中，才了解到，原来该信号是把转速控制信号转换成角度信号，从而进行控制。
这样的转换是非常简单的。
在MATLAB中都用角度或者说频率信号来表示转速。
虽然同步脉冲的原理和现实中的芯片原理不大一样，但控制原理是一样的，主要矛盾是主电路和反馈电路的参数设置问题。
通过对单闭环直流电机调速系统的设计，加深了我对运动控制系统这门课的认识及相关专业知识的了解，不但复习和巩固了专业知识还使自己能更加熟练地运用自控理论分析和解决问题。
在设计过程中，涉及到的MATLAB仿真技术，经过这次设计我对MATLAB的运用又熟练了一些。
总的来说经过本次课程设计我学到了许多也发现了自己存在的一些问题，这对我以后走向社会有很大的帮助，专业知识的学习及运用对我以后的工作也有一定的帮助。
感谢唐勇奇老师和刘刘星平老师对我的精心指导！
附录：
图1单闭环直流调速触发电路
图2单闭环直流调速PID控制电路
图3单闭环直流调速主电路图
参考文献
1．王兆安，电力电子技术（第5版）．机械工业出版社，2008.
2．刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．校内，2009.
3.浣喜明，姚为正．电力电子技术．高等教育出版社，2008.
4．刘祖润，胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，1995.
5.林飞，杜欣．电力电子应用技术的MATLAB仿真．中国电力出版社，2009.
6．钟炎平．电力电子电路设计．华中科技大学出版社，2010.
7．徐德鸿．现代电力电子器件原理与应用技术．机械工业出版社，2011.
8．洪乃刚．电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真．机械工业出版社，2006.
电气与信息工程系课程设计评分表
项目
评价
优
良
中
及格
差
设计方案的合理性与创造性
软件设计完成情况
硬件调试完成情况
设计说明书与设计图纸质量
答辩情况
独立工作能力
完成任务情况
出勤情况
综合评分
指导教师签名：
________________
日期：
________________
注：
表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；
此表装订在课程设计说明书的最后一页。
课程设计说明书装订顺序：
封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。
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