双闭环直流电动机调速系统设计孙慧课程设计报告精.docx
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双闭环直流电动机调速系统设计孙慧课程设计报告精
HENANINSTITUTEOFENGINEERING
实习报告
题目
双闭环直流电动机调速系统设计学生姓名
专业班级
1121班学号
201150712122系（部）
电气信息工程系完成时间2012年5月20日
摘要.............................................................................................................................IIIAbstract............................................................................................................................III前言............................................................................................................................IV
1绪论...............................................................................................................................1
1.1目的与意义........................................................................................................1
1.2任务与要求........................................................................................................1
1.2.1要求.........................................................................................................1
1.2.2课程设计任务.........................................................................................1
1.3设计内容及要求................................................................................................2
2双闭环直流调速系统设计框图...................................................................................2
3系统电路的结构形式和双闭环调速系统的组成.......................................................3
3.1主电路的选择与确定........................................................................................3
3.2三相全控桥整流电路工作原理........................................................................5
3.3双闭环调速系统的组成....................................................................................7
3.4稳态结构框图和动态数学模型........................................................................9
3.4.1稳态结构框图.........................................................................................9
3.4.2动态数学模型.......................................................................................10
4主电路各器件的选择和计算.....................................................................................11
4.1变流变压器容量的计算和选择......................................................................11
4.2整流元件晶闸管的选型..................................................................................14
4.3电抗器设计......................................................................................................14
4.4主电路保护电路设计......................................................................................16
4.4.1过电压保护设计...................................................................................16
4.4.2过电流保护设计...................................................................................19
5驱动电路的设计.........................................................................................................20
5.1晶闸管的触发电路...........................................................................................20
5.2脉冲变压器的设计...........................................................................................22
6双闭环调速系统调节器的动态设计.........................................................................24
6.1电流调节器的设计..........................................................................................24
6.1.1确定时间常数.......................................................................................24
6.1.2选择电流调节器的结构.......................................................................24
6.1.3计算电流调节器的参数.......................................................................25
6.1.4校验近似条件.......................................................................................25
6.1.5计算调节器电阻和电容.......................................................................25
6.2转速调节器的设计..........................................................................................26
6.2.1确定时间常数.......................................................................................26
6.2.2选择转速调节器结构...........................................................................26
6.2.3计算转速调节器参数...........................................................................26
6.2.4检验近似条件.......................................................................................27
6.2.5计算调节器电阻和电容.......................................................................27
6.2.6校核转速超调量...................................................................................27
6.2.7校核动态最大速降...............................................................................28
7基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真......................................................28
7.1电流环仿真......................................................................................................29
7.2转速电流双闭环仿真......................................................................................30
小结.............................................................................................................................35
致谢.............................................................................................................................35
参考文献.........................................................................................................................37
附表.............................................................................................................................38
附图.............................................................................................................................39
双闭环直流电动机调速系统设计
专业：
电气工程及其自动化学号：
201150712122姓名：
孙慧
指导老师：
程辉
摘要
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。
在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。
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。
接着驱动电路的设计包括触发电路和脉冲变压器的设计。
最后，即本文的重点设计直流电动机调速控制器电路，本文采用转速、电流双闭环直流调速系统为对象来设计直流电动机调速控制器。
为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可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，二者之间实行嵌套联接。
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。
先确定其结构形式和设计各元部件，并对其参数的计算，包括给定电压、转速调节器、电流调节器、检测电路、触发电路和稳压电路的参数计算然后最后采用MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行了仿真分析，最后画出了调速控制电路的电气原理图。
关键词双闭环；转速调节器；电流调节器
Abstract
Speedandcurrentdoubleclosed-loopD.CgovernorsystemisaD.Cspeedcontrolledsystemwhichhasfairlygoodperformanceandthemostextensiveapply.Basedonthecharacteristicofthyristor,itadjustsvoltagebyregulatingthetriggerangle
“α”ofSCR.Inpaper,D.Cmotorspeedcontrollerisusingofcurrentandspeeddoubleclosed-loopspeedcontrolcircuit.Theenergyofpowercircuitissuppliedofthree-phasefull-bridgecontrolledrectifier.Firstly,determinestheentiredesigntheplanandthediagram.Secondly,makesurethestructureofpowercircuitandthedesignofelements,andcalculatetheelementparameter，includingrectifiertransformer,thyristor,reactorandprotectioncircuit.Thirdly,actuatestheelectriccircuitthedesignincludingtotriggertheelectriccircuitandthepulse.Last,Thepapermainlyfocusesonthedesignofspeedcontrollercircuit.Inordertorealizetherotationalspeedandtheelectriccurrenttwokindofnegativefeedbacks,mayestablishtworegulatorsinthesystem,adjuststherotationalspeedandtheelectriccurrentseparately,namelyintroducestherotationalspeednegativefeedbackandtheelectriccurrentnegativefeedbackseparately,betweenthetwoimplementsthenestingjoint.Makesurethestructureofthecircuitanddesigntheelementsfirstly,then,calculatetheelementparameter,includingthesettlingvoltage,speedregulator,currentregulator,triggercircuit,detectioncircuitandVoltage-StabilizingCircuit.Secondly,thepapersimulatethespeedcontrolsystemwithMATLAB/SIMULINK.Atlastdrawtheelectricdiagramofthespeedcontrolcircuit.
keywords：
twoclosed-loop;currentregulator;speedregulator
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
V
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。
1绪论
1.1目的与意义
本课程为自动化专业和电气工程及其自动化专业的必修课。
是在《自动控制系统》理论课程结束后的一次大型实践性教学环节。
本课程以相应的课程理论知识和课程实践为基础，通过理论设计和实践操作、巩固和加深对理论知识的理解，增强设计自动控制系统和调试的能力。
提高学生的工程素质。
1.2任务与要求
1.2.1要求
（1）综合运用自动控制系统课程中所学到的理论知识去独立完成一个自动控制系统综合课程设计与实践课题。
（2）通过查阅手册和文献资料，培养学生独立分析问题和解决实际问题的能力。
（3）进一步熟悉实用的自动控制系统类型和特性，并掌握合理选用的原则。
（4）学会实用、筒单的自动控制系统设计、安装与调试。
（5）进一步熟悉电子仪器的正确使用方法。
（6）学会撰写自动控制系统课程设计与实践报告。
（7）培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。
（8）遵守纪律，注意用电安全。
站在电工橡胶绝缘垫上做实验，防止事故尤其是重大事故发生。
1.2.2课程设计任务
1.2.2.1双闭环直流电动机控制系统设计
分析系统工作原理，进行系统总体设计。
分析设计出控制系统框图，控制系统动态结构图，控制系统稳态结构图。
1.2.2.2双闭环直流电动机控制系统原理图设计
根据系统框图和任务分解结果，进行典型环节和模块电路的设计。
设计转速电流环电路，触发电路驱动控制电路的选型设计（模拟触发电路、集成触发电路、数字触发器电路均可），控制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），检测及给定电路。
1.2.2.3控制系统各单元参数测试和计算
测出各环节的放大倍数及时间常数，在确定调速范围D=１０时比较开环、单环和双环时的动态响应。
1.2.2.4PID控制算法的确定
以仿真结果或实验结果为根本依据，结合理论，确定合理的PID控制策略和控制参数。
1.2.2.5MATLAB仿真验证
利用MATLAB下的SIMULINK软件进行系统仿真，同时将结果在示波器上显
示出来，以验证设计的正确性。
1.3设计内容及要求
为某生产机械设计一个调速范围宽、起制动性能好（可选做）的直流双闭环系统。
已知系统中直流电动机主要数据如下：
（1直流电机型号：
Z2-41型，直流电机额定数据：
PN=18kw,UN=220V,IN=94A,nN=1000r/min，电枢回路总电阻R=0.45Ω。
电磁时间常数Ti＝0.0297s，机电时间常数Tm＝0.427s，电动机系数Ce＝0.2059V·min/r.
（2主要技术指标：
调速范围o-1000r/min,电流过载倍数λ=1.5，系统静特性良好，无静差（静差率s≤2）
（3动态性能指标：
转
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