VM双闭环直流调速系统设计.docx
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VM双闭环直流调速系统设计
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摘要
电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，石油，纺织，军工等行业。
这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。
20世纪90年代前的大约50年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机。
尽管近年来交流电动机及其它电动机有了不小的发展，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制的首选。
因为它具有良好的线性特性，优异的控制性能，高效率等优点。
直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。
转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。
根据晶闸管的特性，通过调节控制角α大小来调节电压。
基于设计题目，直流电动机调速控制器选用了转速、电流双闭环调速控制电路。
其中调速系统的主电路采用了三相桥式全控整流电路来供电。
本文首先确定整个设计的方案和框图。
然后确定主电路的结构形式和各元部件的设计，同时对其参数的计算，包括整流变压器、晶闸管、电抗器和保护电路的参数计算。
接着进行驱动电路的设计包括触发电路和脉冲变压器的设计。
其后，设计直流电动机调速控制器电路，设置两个调节器，分别调节转速和电流。
从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称做外环。
这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
最后采用MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行了仿真分析。
一、整体结构设计
1.1设计条件及指标
（1）技术数据
a.直流电机铭牌参数：
PN=8.5KW,UN=220V,IN=37A,nN=1000r/min，电动势转速比Ce=0.18V.min/r，允许过载倍数λ=1.5；
b.系统主电路总电阻：
R=2Ω
c.电磁时间常数：
T1=0.005s
d.机电时间常数：
Tm=0.2s
e.晶闸管整流装置采用三相桥式电路：
放大系数Ks=48
f.电流反馈滤波时间常数：
Toi=0.0025s，转速率波时间常数：
Ton=0.014s
g.额定转速时的给定电压：
Unm=10V
h.转速调节器饱和输出电压：
Uim=10V
（2）技术指标
a.该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D≥20），系统在工作范围内能稳定工作
；
b.系统静特性良好，无静差；
c.动态性能指标：
空载启动到额定转速的超调量δn＜10%，电流超调量δi＜4%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts≤0.1s；
d.调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。
1.2分析论证
（1）V-M系统
由晶闸管变流装置直接给直流电动机供电的调速系统，称为晶闸管-电动机直流调速系统，简称V-M系统。
这种系统已成为直流调速系统的主要形式。
图1.1是V-M系统的简单原理图。
图中V是晶闸管变流装置，可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，以改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。
V-M系统具有调速范围大、精度高、动态性能好、效率高、易控制等优点，且已比较成熟。
图1.1V-M直流调速系统
（2）总体设计思路
直流电机的供电需要三相直流电，平时我们可得到380V的三相交流电，因此要进行整流，可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1.2设计的总框架。
图1.2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电路保护有电压、电流保护。
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，它将信息电子电路传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。
对于晶闸管的驱动电路叫作触发电路。
按照设计要求用转速、电流双闭环系统进行调速。
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。
1.3主电路结构形式
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，以实现对直流调速系统的调压调速。
如图1.1所示。
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。
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。
如图1.3所示。
图1.3主电路原理图
三相全控整流电路由晶闸管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，当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。
由于电网电压与工作电压常常不一致，故在主电路前端需配置一个整流变压器，以得到与负载匹配的电压，同时把晶闸管装置和电网隔离，可起到降低或减少晶闸管变流装置对电网和其他用电设备的干扰。
考虑到控制角α增大，会使负载电流断续，并且负载为直流电动机时，由于电流断续和直流的脉动，会使晶闸管导通角θ减少，整流器等效内阻增大，电动机的机械特性变软，换向条件恶化，并且增加电动机的损耗，故在直流侧串接一个平波电抗器，以限制电流的波动分量，维持电流连续。
突发情况下，电压、电流可能会过大并超过元件所能承受的范围，所以在三相交流电路的交、直流侧及三相桥式整流电路中有过电压、过电流保护。
1.4调速电路结构形式
为了实现转速和电流的调节作用，在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。
两者之间实行串级连接,转速和电流双闭环调速系统如图1.4所示。
从图中可看出，本系统具有两个反馈回路，称为双闭环。
其中一个是由电流调节器ACR及电流检测反馈环节构成的电流环，另一个是由转速调节器ASR和转速检测反馈环节构成的速度环。
从结构上分析知道，转速环包围电流环，故又称电流环为内环，称转速换为外环。
在电路中ASR和ACR实行串级连接，即由ASR控制ACR，而ACR又控制触发电路，而为了获得良好的静、动态性能，图中ASR和ACR均采用比例积分（PI）调节器，其输入和输出均采用限幅电路。
图1.4转速﹑电流双闭环直流调速系统
ASR—转速调节器，ACR—电流调节器，TG—测速发电机，TA—电流互感器，UPE—电力电子变换器，
—转速给定电压，—转速反馈电压，—电流给定电压，—电流反馈电压
图1.5双闭环直流调速系统电路原理图
如图1.5可得双闭环调速系统的工作原理。
电动机的转速由给定电压U*n决定，速度调节器ASR的输入偏差电压为ΔU=U*n-Un，ASR的输出电压U*i作为电流调节器ACR的给定信号（其输出的限幅值U*im决定了电流调节器给定电压的最大值），电流调节器ACR的输入偏差电压为ΔU=U*i-Ui，ACR的输出电压Uc作为触发电路的控制电压（其输出的限幅值Ucm决定了晶闸管整流输出电压的最大值）。
改变控制电压Uc，就能改变触发器控制角α及整流输出电压Ud0，相应地也就改变了电动机的转速,达到调速的目的。
二、主电路的设计
2.1整流变压器
一般情况下，晶闸管变流装置所要求的交流供电电压与电网电压是不一致的，所以需要整流变压器。
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。
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。
查得的计算公式
（式2-1）
式中为电动机额定电压；；及C见表1-1；，为电动及额定电流，为电动机电枢电路总电阻；表示主电路中电流经过几个串联晶闸管的管压降；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；
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；--负载电流最大值；所以,表示允许过载倍数。
也可以用下述简化公式计算
=（1.0-1.2）
或=（1.2-1.5）
其中，系数（1.0-1.2）和（1.2-1.5）为考虑各种因素的安全系数，为整流输出电压。
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3-1中三相全控桥），，=1.5
表2-1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
把已知条件代入式（2-1）可得结果：
=
=V
根据主电路的不同接线方式，有表3-1查的，即可得二次侧电流的有效值，从而求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
可知本设计中,=，
=A
设计时留取一定的裕量，可以取容量为的整流变压器。
2.2整流元件晶闸管的选型
选择晶闸管元件主要是选择它的额定电压和额定电流。
在这里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，而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，则晶闸管额定电压计算结果：
取。
晶闸管额定电流的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。
已知
可得晶闸管的额定电流计算结果：
取50A。
选用额定电流为50A的晶闸管。
2.3电抗器的设计
（1）交流侧电抗器的选择
为限制短路电流，所以在线路中应接入一个空心的电抗器，称为进线电抗器。
（2）直流侧电抗器的选择
直流侧电抗器的主要作用为限制直流电流脉动；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。
限制输出电流脉动的电感量的计算
式（2-2）
式中，-----电流脉动系数，取，本设计取10%。
-----输出电流的基波频率，单位为，对于三相全控桥
表2-2电感量的相关参数
电感量的有关数据
单相全控桥
三相半波
三相全控桥
带平衡电抗器的双反星形
100
150
300
300
最大脉动时的值
1.2
0.88
0.80
0.80
2.85
1.46
0.693
0.348
3.18
6.75
3.9
7.8
反并联线路
2.52
交叉线路
0.67
输出电流保持连续的临界电感量的计算：
式（2-3）
式中，为要求连续的最小负载的平均值，本设计中；为变流装置交流侧相电压有效值。
代入已知参数，可求的=3.465mH
=13.3mH
和包括了电动机电枢电感量和折算到变流变压器二次侧的每相绕组漏电感，所以应扣除和，才是实际的限制电流脉动的电感和维持电流连续的实际临界电感。
式（2-4）
=式（2-5）
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，这里K取10。
n----极对数，取n=2。
%-----变压器短路比，一般取为；
------为计算系数，三相全控桥。
即=
=
实际要接入的平波电抗器电感
电枢回路总电感
可取13mH。
2.4保护电路的设计
（1）过电压保护
通常分为交流侧和直流侧电压保护。
前者常采用的保护措施有阻容吸收装置、硒堆吸收装置、金属氧化物压敏电阻。
这里采用金属氧化物压敏电阻的过电压保护。
在三相的电路中，压敏电阻的接法是接成星形或三角形如图2-1所示。
图2-1二次侧过电压压敏电阻保护
压敏电阻额定电压的选择可按下式计算：
压敏电阻承受的额定电压峰值式（2-6）
式中------压敏电阻的额定电压，VYJ型压敏电阻的额定电压有：
100V、200V、440、760V、1000V等；为电网电压升高系数，可取。
压敏电阻承受的额定电压峰值就是晶闸管控制角=300时输出电压。
由此可将式（2-6）转化成
可得压敏电阻额定电压
所以压敏电阻额定电压取100V型压敏电阻。
（2）过电流保护
在本设计中，选用快速熔断器与电流互感器配合进行三相交流电路的一次侧过电流保护，保护原理图2-2如下：
图2-2一次侧过电流保护电路
1）熔断器额定电压选择：
其额定电压应大于或等于线路的工作电压。
若变压器的一次侧的线电压为380V，熔断器额定电压可选择400V。
2）熔断器额定电流选择：
其额定电流应大于或等于电路的工作电流。
在这里变压器的一次侧的电流
=
熔断器额定电流6.768A
因此，如图2-2在三相交流电路变压器的一次侧的每一相上串上一个熔断器，熔断器的额定电压可选400V，额定电流选6A。
2.5晶闸管触发电路
晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在必要的时刻由阻断转为导通。
这里的三相桥式全控整流电路中有六个晶闸管，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。
查阅有关触发电路的相关资料，可以选用3个KJ004集成块和一个KJ041集成块，即可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，就可以构成三相桥式全控整流电路的集成触发电路，如图2-3所示。
图2-3三相桥式全控整流电路的集成触发电路
3、双闭环调速系统的设计
3.1工程设计的方法与思路
把调节器的设计过程分为两步：
第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需要的稳态精度。
第二步，再选择调节器的参数，以满足动态性能指标。
在选择调节器结构时，采用典型系统，它的参数与性能指标的关系都可以查到，具体选择参数时只需按公式计算。
按照“先内环后外环”的设计原则，从内环开始，逐步向外扩展。
首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。
图3.1双闭环调速系统动态结构图（不带滤波环节）
而双闭环调速系统的实际动态结构框图如图3.2所示，它包括了电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。
由于电流检测信号中经常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需要加低通滤波。
这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数Toi按需要选定，以滤平电流检测信号为准。
然而，在抑制交流分量的同时，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时间的延时，是二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。
由于测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用Ton表示。
再根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Ton的给定滤波环节。
图3.2双闭环调速系统动态结构图（带滤波环节）
3.2有关参数的计算
（1）三相桥式晶闸管整流装置的滞后时间
（2）电流反馈系数β
最大允许电流=，则β==≈0.18
（3）转速反馈系数α
===0.01
3.3电流环的设计
图3.3电流环动态结构图
图3.3中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，反电动势与转速成反比，它代表转速对电流环的影响。
实际系统中的电磁时间常数TL一般远小于机电时间常数Tm，因而电流的调节过程往往比转速的变化过程快得多，也就是说，比反电动势E的变化快得多。
反电动势对电流环来说只是一个变化缓慢的扰动作用，在电流调节器的调节过程中可以近似的认为E不变，即△E=0。
这样，在设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态作用，而将电动势反馈作用断开，从而得到忽略电动势影响的电流环近似结构图，再把给定滤波和反馈滤波两个环节等效地移到环内。
Ts和Toi一般比Tl小的多，可以当作小惯性环节处理，看作一个惯性环节，取T∑i=Ts+Toi。
简化过程如图3.4（a）（b）。
（a）
（b）
图3.4电流环小惯性环节的近似处理
（1）电流环的小时间常数
=+=0.0025+0.0017=0.0042（s）
（2）电流调节器结构的选择
根据设计要求，，且
因此可按典I型系统设计，且选用PI调节器，其传递函数为
（3）确定电流调节器参数
ACR超前时间常数：
为满足i，应按二阶“最佳”系统设计，取电流环开环放大系数KI为：
电流调节器比例系数为：
（4）校验近似条件
a.电流环截止频率：
晶闸管装置传递函数近似条件为：
故该近似条件满足。
b.小时间常数近似处理条件为：
则
故该近似条件满足。
c.忽略反电动势对电流环影响的条件
满足近似条件。
（5）计算电流调节器电阻和电容
取调节器的输入电阻R0=40KΩ，则电流调节器的各参数为：
查阅资料表格，可知根据上述参数可以达到的动态指标为：
，
勉强能满足设计要求。
3.4转速环的设计
图3.5转速环的动态结构图及其近似处理
用电流环的等效环节代替电流环后，整个转速调节系统的动态结构图如3.5（a）所示。
把给定滤波和反馈滤波环节等效地移到环内，同时将给定信号改为U*n（s）/α；再把时间常数为Ton和2T∑i的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为T∑n的惯性环节，且T∑n=Ton+2T∑I,，则转速环结构图可转化成图3.5（b）。
不考虑扰动，校正后调速系统的动态结构图示于图3.5（c）。
（1）转速环小时间常数为：
（2）选择转速调节器结构
设计要求系统无静差，为了实现这一要求，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中，现在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，所以应该设计成典Ⅱ系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。
为此应选用PI调节器，其传递函数为
（3）选择转速调节器参数
为了使转速环的跟随性能和抗扰性能都较好，应采用准则选取参数，且取h=5（h为中频宽），因此ASR的超前时间常数为
转速环开环放大系数为
ASR比例系数为
（4）检验近似条件
a.转速环截止频率为
电流闭环传递函数简化条件为
故满足该简化条件。
b.小时间常数近似处理条件为：
故满足该简化条件。
（5）计算转速调节器电阻和电容
取转速调节器输入电阻Ro=40kΩ，则
（6）校核转速超调量
当h=5的时候，
（△/）%=81.2%
=11.2%
略大于所要求的10%。
注意到
，对转速环来说，忽略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，可满足设计要求。
（7）校核调节时间
空载起动到额定转速的过渡过程中，由于在大部分时间内ASR饱和而不起调节作用，使过渡过程时间延长，可表示为
=+
其中为恒流升速时间，是退饱和超调过渡过程时间。
退饱和超调过渡过程时间等于动态速升的回复时间。
当h=5时=8.8=0.197s。
但恢复时间是按误差为5%计算的。
这里=2TN=
=138.13r/min，故5%=6.9r/min。
这就是说，转速进入6.9r/min的恢复时间为0.197s。
但这里的恢复时间应按转速进入5%来计算，由于5%=50r/min>>6.9r/min，显然所需时间将远小于0.197s，故可忽略不计，于是=0.324s<1.0s。
可见，能满足设计要求。
4、基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真
根据前面的分析以及计算，参考双闭环直流调速系统的动态数学模型，在MATLAB/SIMULINK软件平台上搭建双闭环直流调速系统的仿真系统。
如图4.1和图4.4。
仿真启动后，观察电流和转速的输出波形，如图4.2、4.3、4.5、4.6。
图4.1系统空载启动的仿真结构图
图4.2电流输出仿真波形（空载启动）
图4.3转速输出仿真波形（空载启动）
图4.4系统带负载启动的仿真结构图
图4.5电流输出仿真波形（负载启动）
图4.6转速输出仿真波形（负载启动）
图4.3所示的是转速环空载启动，最终稳定运行于给定转速。
图4.6所示的是转速环带负载启动，可以发现调节时间变长了，最终稳定运行于给定转速。
分析仿真结果，可得到:
1）ASR从启动到稳定运行的过程中经历了饱和限幅输出与线性调节状态。
2）ACR从启动到稳定运行的过程中只工作在线性调节状态。
3）所设计系统的电机启动特性已十分接近理想特性。
4）考虑系统的性能指标：
空载起动过程中电流的超调量0.6s~0.7s，比计算值大一些。
可以看到，所设计的系统基本达到了设计要求，结果较为理想。
五、设计总结
本次设计是针对双闭环直流电机调速系统，主要内容是设计直流调速控制器的电路，同时也简要讨论了主电路的设计，包括整流变压器、晶闸管、电抗器、保护电路、晶闸管触发电路。
通过相关书籍以及网络资源，查阅了许多关于本设计的资料和信息，本次设计也因此得以展开。
随着设计的不断进行，我对于课设内容有了越来越深入的认识与理解，继书本知识之后，进一步熟悉了双闭环直流调速系统的结构形式、工作原理及各个器件的作用。
除了搜集设计的相关资料外，我与选择相同设计课题的同学也作了交流，发现了自己在设计方法和思路上的不足，解决了不少疑惑，受益良多。
最后利用MATLAB/SIMULINK对系统进行仿真，是对设计成果的验证与直观体现，由此可见软件仿真对于控制系统设计的重要性。
世间之事，知易行难，想明白不一定做得出。
书本及课堂知识是学习的基础，了解这些知识是“学”的过程，通过设计，将知识综合起来，逐渐地去融会贯通，这才是“习”的过程。
通过这样的学习，才能将知识技能真正纳入自己的认知范围。
这或许就是课程设计最大的意义吧。
6、参考文献
[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统-运动控制系统,第三版.北京:
机械工业出版社,2007年6月．
[2]罗飞，郗晓田，文小玲，许玉格.电力拖动与运动控制系统，第二版.北京：
化学工业出版社，2007年2月.
[3]马占军.基于Matlab双闭环直流调速系统设计与仿真.科技信息，高校理科研究，2010年第28期.
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