运控杨磊自动化号双闭环直流电机调速系统设计方案.docx
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运控杨磊自动化号双闭环直流电机调速系统设计方案
封面
作者：
PanHongliang
仅供个人学习
运动控制系统课程设计
专业：
自动化
设计题目：
双闭环直流电机调速系统设计
班级：
自动化0843学生姓名：
杨磊学号：
10
指导教师：
方健
分院院长：
许建平
教研室主任：
方健
电气工程学院
一、课程设计任务书
1.设计参数
直流他励电动机：
功率Pe＝1.1KW，额定电流Ie=6.7A，磁极对数P=1，ne=1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻Ra=2.34Ω,主电路总电阻R＝7Ω，L∑＝246.25Mh（电枢电感、平波电感和变压器电感之和），Ks=58.4，机电时间常数Tm=116.2ms，滤波时间常数Ton=Toi=0.00235s，过载倍数λ＝1.5，电流给定最大值，速度给定最大值
2.设计内容
1）根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构形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）驱动控制电路的选型设计。
4）动态设计计算：
根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR调节器的结构形式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。
5）绘制V—M双闭环直流不可逆调速系统电器原理图，并研究参数变化时对直流电动机动态性能的影响。
3.设计要求：
1）该调速系统能进行平滑地速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽地转速调速范围（），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）。
3）动态性能指标：
转速超调量，电流超调量，动态最大转速降，调速系统的过渡过程时间（调节时间）。
4）系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续。
5）调速系统中设置有过电压、过电流保护，并且有制动措施。
6）主电路采用三项全控桥。
4.课程设计报告要求
1）、要求在课程设计答辩时提交课程设计报告。
2）、报告应包括以下内容：
A、系统各环节选型
主回路方案确定。
控制回路选择
主要电气设备的计算和选择
系统参数计算
B、系统调试过程介绍，在调试过程中出现的问题，解决办法等；
C、课程设计总结。
包括本次课程设计过程中的收获、体会，以及对该课程设计的意见、建议等；
D、设计中参考文献列表；
E、报告使用B5纸打印，全文不少于2000字。
5.参考资料
[1]朱仁初，万伯任.电力拖动控制系统设计手册[M].北京：
机械工业出版社，1994.
[2]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：
机械工业出版社，2006.
[3]陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统[M],第三版.北京:
机械工业出版社,2007年6月．
[4]孔凡才．晶闸管直流调速系统［M］．北京:
北京科技出版社，1985．
[5]段文泽，童明倜.电气传动控制系统及其工程设计［M］.四川：
重庆大学出版社,1989.10.
[6]运动控制系统课程设计指导书.
6.设计进度（2011年11月29日至12月10日）
时间
设计内容
11月29日
布置设计任务、查阅资料
11月30日-12月2日
方案论证及总体设计
12月3日-12月9日
系统调试及整理课程设计报告
12月10日
课程设计答辩
二、评语及成绩
评分工程
评分标准
量化
分数
1.独立分析与解决问题的能力
很强
较强
一般
不具有
10
2.课程设计的答辩情况
有见解
回答准确
回答正确
基本正确
有错误
25
3.课程设计论文及插图的规范程度
规范
整洁
正确
杂乱
有错误
25
4.工具软件的使用
熟练使用
会使用
需要学习
10
5.辅导答疑
积极
认真
应付
消极
10
6.设计态度
积极
认真
应付
消极
10
7.出勤
全勤
缺勤次数
10
附加评语
量化总分
前言
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，目前国内外也研究了一些调速的控制器。
例如已经用于实际生产的直流电机无级电子调速控制器采用国际先进的IGBT大功率模块器件和独特自行设计的PWM微电子控制技术，以及节能反馈电路和丰富的保护功能控制电路。
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。
该控制器具有调速平稳，安全可靠，提高生产效率；直流电机正反转控制简便；可以与计算机连接控制等特点。
直流电动机有三种调速方法，分别是改变电枢供电电压、励磁磁通和电枢回路电阻来调速。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节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。
直流调压调速需要有专门的可控直流电源给直流电动机，随着电力电子的迅速发展，直流调速系统中的可控变流装置广泛采用晶闸管，将晶闸管的单向导电性与相位控制原理相结合,构成可控直流电源,以实现电枢端电压的平滑调节。
本设计的题目是双闭环直流电机调速系统的设计。
采用静止式可控整流器即改革后的晶闸管—电动机调速系统作为调节电枢供电电压需要的可控直流电源。
由于开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，但是许多需要调速的生产机械常常对静差率有要求则采用反馈控制的闭环调速系统来解决这个问题。
如果对系统的动态性能要求较高，则单闭环系统就难以满足需要。
而转速、电流双闭环直流调节系统采用PI调节器可以获得无静差；构成的滞后校正，可以保证稳态精度；虽快速性的限制来换取系统稳定的，但是电路较简单。
所以双闭环直流调速是性能很好、应用最广的直流调速系统。
本设计选用了转速、电流双闭环调速控制电路，本课题内容重点包括调速控制器的原理，并且根据原理对控制器的两个调节进行了详细地设计。
概括的整个电路的动静态性能，并各个部分的保护和晶闸管的触发电路设计，最后将整个控制器的电路图设计完成,并且进行仿真。
第一章绪论
1．1直流调速系统的概述
三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。
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及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。
同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。
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仍然难以替代。
直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。
从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变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化。
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、高层电梯等需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，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。
1．2研究课题的目的和意义
在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。
双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。
用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求，需要设计者有扎实的理论基础和丰富的实践经验，而初学者则不易掌握，于是有必要建立实用的设计方法。
大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低阶系统近似。
若事先深入研究低阶典型系统的特性并制成图表，那么将实际系统
校正或简化成典型系统的形式再与图表对照，设计过程就简便多了。
这样，就有了建立工程设计方法的可能性。
1．3设计内容和要求
1.3.1设计要求
1.该调速系统能进行平滑地速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽地转速调速范围（），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）。
3.动态性能指标：
转速超调量，电流超调量，动态最大转速降，调速系统的过渡过程时间（调节时间）。
4.系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续。
5.调速系统中设置有过电压、过电流保护，并且有制动措施。
6.主电路采用三项全控桥。
1.3.2设计内容
1.根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构形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（包括有变压器、电力电子器件、平波电抗器与保护电路等）。
3.驱动控制电路的选型设计（模拟触发电路、集成触发电路、数字触发电路均可）。
4．动态设计计算：
根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR调节器的结构形式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。
5．绘制V—M双闭环直流不可逆调速系统电器原理图（要求用计算机绘图），并用Orcad或Matlab软件进行拖动控制系统仿真以及硬件仿真。
（建立传递函数方框图），并研究参数变化时对直流电动机动态性能的影响。
。
第二章双闭环直流调速系统设计框图
直流电机的供电需要三相直流电，在生活中直接提供的三相交流380V电源，因此要进行整流，则本设计采用三相桥式整流电路变成三相直流电源，最后达到要求把电源提供给直流电动机。
如图2.1设计的总框架。
图2.1双闭环直流调速系统设计总框架
三相交流电路的交、直流侧及三相桥式整流电路中晶闸管中电路保护有电压、电流保护。
一般保护有快速熔断器，压敏电阻，阻容式。
根据不同的器件和保护的不同要求采用不同的方法。
根据选用的方法，分别计算保护电路的各个器件的参数。
驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。
采用性能良好的驱动电路，可使是电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。
驱动电路的基本任务，就是就将信息电子电路穿来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。
本设计使用的是晶闸管，即半控型器件。
驱动电路对半控型只需要提供开通控制信号。
对与晶闸管的驱动电路叫作触发电路。
所以对晶闸管的触发电路也是重点设计。
直流调速系统中应用最普通的方案是转速、电流双闭环系统，采用串级控制的方式。
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控制，同时又能实现限流以及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。
本课题设计主要是设计双闭环的中两个调节器参数计算与检测。
最后是用MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行了仿真分析。
第三章系统电路的结构形式和双闭环调速系统的组成
3．1主电路的选择与确定
直流调速系统常用的直流电源有三种①旋转变流机组；②静止式可控整流器；③直流斩波器或脉宽调制变换器。
机组供电的直流调速系统在20世纪60年代以前曾广泛地使用着，但该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机还要仪态励磁发电机，因此设备多，体积大，费用高，效率低。
1957年晶闸管问世，已生产成套的晶闸管整流装置，即右图3.1晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统）的原理图。
通过调节处罚装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压，从而实现平滑调速。
和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不进在经济性和可靠性上都很大提高，而且在技术性能上也现实出较大的优越性。
直流斩波器-电动机系统的原理图示于图3.2，其中VT用开关符号表示任何一种电力电子开关器件，VD表示续流二极管。
当VT导通时，直流电源电压US加到电动机上；当VT关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经VD续流，两端电压接近于零。
如此反复，得到电枢端电压波形，如图3.3所示,好像是电源电压US在时间内被接上,又在（T--）时间内被斩断,故称“斩波”。
这样，电动机得到的平均电压为
（3-1）
式中T------功率开关器件的开关周期；
------开通时间；
------占空比，，其中为开关频率。
图3.2直流斩波器-电动机系统原理图图3.3波形图
因此，根据本设计的要求应选择第二个可控直流电源。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，根据晶闸管的特性，可以通过调节控制角α大小来调节电压。
当整流负载容量较大或直流电压脉动较小时应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。
三相整流电路中又分三相半波和全控桥整流电路，因为三相半波整流电路在其变压器的二次侧含有直流分量，故不采用，本设计采用了三相全控桥整流电路来供电，该电路是目前应用最广泛的整流电路，输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。
主电路原理图如图3.4所示
图3.4主电路原理图
三相全控制整流电路由晶闸管VT1、VT3、VT5接成共阴极组，晶闸管VT4、VT6、VT2接成共阳极组，在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的晶闸管，以及接在电路共阳极组中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完整的整流电路。
晶闸管的控制角都是，在一个周期内6个晶闸管都要被触发一次，触发顺序依次为：
VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6，晶闸管必须严格按编号轮流导通，6个触发脉冲相位依次相差60O，只有这样才能使电路正常工作。
为了使元件免受在突发情况下超过其所承受的电压电流的侵害，电路中加入了过电压、过电流等保护装置。
3．2双闭环调速系统的组成
速度与电流双闭环调速系统是20世纪60年代在国外出现的一种新型的调速系统。
70年代以来,在我国的冶金、机械、制造以及印染工业等领域得到日益广泛的应用。
双闭环调速系统是由单闭环自动调速系统发展而来的。
单闭环调速系统使用了一个比例积分调节器组成速度调节器可以得到转速的无静差调节。
从扩大调速范围的角度来看,单环系统已能基本上满足生产机械对调速的要求。
但是,任何调速系统总是需要启动与停车的,从电机能承受的过载电流有一定限制来看,要求启动电流的峰值不要超过允许数值。
为达到这个目的,采用电流截止负反馈的系统,它能得到启动电流波形,见图3.5中实线所示。
波形的峰值正好达到直流电动机所允许的最大冲击电流,其启动时间为。
图3.5带有截止负反馈系统启动电流波形
实际的调速系统,除要求对转速进行调整外,很多生产机械还提出了加快启动和制动过程的要求,例如可逆轧钢,龙门刨床都是经常处于正反转工作状态的,为了提高生产率,要求尽量缩短过渡过程的时间。
从图3.2启动电流变化的波形可以看到,电流只在很短的时间内就达到了最大允许值,而其他时间的电流均小于此值,可见在启动过程中,电机的过载能力并没有充分利用。
如果能使启动电流按虚线的形状变化,充分利用电动机的过载能力,使电机一直在较大的加速转矩下启动,启动时间就会大大缩短,只要就够了。
上述设想提出一个理想的启动过程曲线,其特点是在电机启动时,启动电流很快加大到允许过载能力值,并且保持不变,在这个条件下,转速得到线性增长,当开到需要的大小时,电机的电流急剧下降到克服负载所需的电流值,对应这种要求可控硅整流器的电压在启动一开始时应为,随着转速的上升,也上升,达到稳定转速时,。
这就要求在启动过程中把电动机的电流当作被调节量,使之维持在电机允许的最大值,并保持不变。
这就要求一个电流调节器来完成这个任务。
带有速度调节器和电流调节器的双闭环调速系统便是在这种要求下产生的。
如下图3.6
图3.6转速、电流双闭环直流调速系统原理框图
（注:
ASR—转速调节器ACR—电流调节器TG—直流测速发电机
TA—电流互感器UPE—电力电子装置Un*—转速给定电压
Un—转速反馈电压Ui*—电流给定电压Ui—电流反馈电压）
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，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，如图3.6所示。
这就是说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；转速调节环在外边，叫做外环。
这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。
为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器都采用调节器。
采用型的好处是其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。
后面需要调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。
双闭环调速系统的静特性在负载电流小于最大电流时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。
当负载电流达到后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。
这就是采用了两个调节器分别形成内、外两个闭环的效果。
第四章主电路各器件的选择和计算
4．1变流变压器容量的计算和选择
在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致；此外，为了尽量减小电网与晶闸管装置的相互干扰，要求它们相互隔离，故通常要配用整流变压器，这里选项用的变压器的一次侧绕组采用△联接，二次侧绕组采用Y联接。
为整流变压器的总容量，为变压器一次侧的容量，为一次侧电压,为一次侧电流,为变压器二次侧的容量，为二次侧电压，为二次侧的电流，、为相数，以下就是各量的推导和计算过程。
为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定之后，晶闸管交流侧的电压只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算整流变压器次级电压。
影响值的因素有：
（1）值的大小首先要保证满足负载所需求的最大电流值的。
（2）晶闸管并非是理想的可控开关元件，导通时有一定的管压降，用表示。
（3）变压器漏抗的存在会产生换相压降。
（4）平波电抗器有一定的直流电阻，当电流流经该电阻时就要产生一定的电压降。
（5）电枢电阻的压降。
综合以上因素得到的精确表达式为：
（4-1）
式中表示当控制角时，整流电压平均值与变压器次级相电压有效值之比；
表示控制角为时和时整流电压平均值之比；
C是与整流主电路形式有关的系数；
为变压器的短路电压百分比，100千伏安以下的变压器取，100～1000千伏安的变压器取；
为电网电压波动系数。
通常取,供电质量较差，电压波动较大的情况应取较小值；
表示电动机电枢电路总电阻的标么值，对容量为的电动机，通常。
表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降。
--负载电流最大值；所以,表示允许过载倍数。
对于本设计：
为了保证电动机负载能在额定转速下运转,计算所得应有一定的裕量,根据经验所知,公式中的控制角应取300为宜。
，，，,，（其中A、B、C可以查表4.1中三相全控桥）
表4.1变流变压器的计算系数
整流电路
单相双半波
单相半控桥
单相全控桥
三相半波
三相半控桥
三相全控桥
带平衡电抗器的双反星形
0.9
0.9
0.9
1.17
2.34
2.34
1.17
C
0.707
0.707
0.707
0.866
0.5
0.5
0.5
0.707
1
1
0.578
0.816
0.816
0.289
（4-2）
以下为计算过程和结果：
（4-3）
这里可以取。
实际选取为标准变压器时可以通过改变线圈匝数来实现。
根据主电路的不同的接线方式，由表4.1查得
即得出二次侧电流的有效值,从而求的、出变压器二次侧容量。
而一次相电流有效值，所以一次侧容量。
一次相电压有效值取决于电网电压。
所以变流变压器的平均容量为。
为各种接线形式时变压器次级电流有效值和负载电流平均值之比。
对于本设计取0.816,且忽略变压器一二次侧之间的能量损耗，故
（4-4）
根据整流变压器的特性，即
取3，所以，所以整流变压器的容量为：
（4-5）
（4-6）
设计时留取一定的裕量，可以取容量为整流变压器。
4．2整流元件晶闸管的选型
正确选择晶闸管能够使晶闸管装置在保证可靠运行的前提下降低成本。
选择晶闸管元件主要是选择它的额定电压和额定电流
首先确定晶闸管额定电压，晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压，考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽2～3倍的安全系数，则计算公式：
（4-7）
对于本设计采用的是三相桥式整流电路，晶闸管按1至6的顺序导通，在阻感负载中晶闸管承受的最大电压，
故计算的晶闸管额定电压为
（4-8）
取。
再确定晶闸管额定电流，额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。
一般取按此原则所得计算结果的1.5～2倍。
（4-9）
（4-10）
由此可求出晶闸管的额定电流，其公式为：
（4-11）
可以取额定电流为50A。
本设计选用晶闸管的型号为KP（3CT）-50A
额定电压：
VDRM800V额定电流：
IT（AV）50A
门极触发电压：
VGT3.5V门极触发电流：
IGT300mA
4．3电抗器设计
直流侧电抗器的选择
直流侧串接一个只有空气隙的铁心平波电抗器，以限制电流的波动分量，维持电流连续,提高整流装置对负载供电的性能及运行的安全可靠性。
直流侧电抗器的主要作用为了限制直流电流脉动；轻载或空载时维持电流连续；在有环流可逆系统中限制环流；限制直流侧短路电流上升率。
（1）用于限制输出电流的脉动的临界电感（单位为mH）
（4-12）
式中-----电流脉动系数，取；
-----电压脉动系数，三相全控桥；
-----输出电流的基波频率，单位为，对于三相全控桥。
即（4-13）
（2）用于保证输出电流连续的临界电感（单位为mH）
（4-14）
式中，-----为要求的最小负载电流平均值，单位为，本设计中；
-----为计算系数，三相全控桥。
即（4-15）
（3）直流电动机的漏电感（单位为mH）
（4-16）
式中，K---计算系数，对于一般无补偿绕组电动机K=8～12，对于快速无补偿绕组电动机K=6～8，对于有补偿绕组电动机K=5～6，其余系数均为电动机额定值。
n----极对数，取n=2。
即（4-17）
（4）折合到交流侧的漏电抗L（单位为mH）
L=（4-18）
式中，%-----变压器短路比，一般取为；
------为计算系数，三相全控桥。
即（4-
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