双闭环直流调速系统的设计论文.docx

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双闭环直流调速系统的设计论文

《电力拖动与运动控制系统》

课程设计

姓名：

学号：

专业：

专题：

双闭环直流调速系统的设计

指导教师：

设计地点：

2014年4月

课程设计任务书

专业年级学号学生姓名

任务下达日期：

2014年4月16日

设计日期：

2014年4月16日至2014年4月30日

设计专题题目：

双闭环直流调速系统的设计

设计主要内容和要求：

直流调速系统凭借其优良的调速性能在现场中得到了广泛使用，虽然交流电机得到了越来越多的使用，但直流调速系统的理论完全适用于交流电机调速系统的设计。

针对附录中提供的直流电机参数，进行直流电机调速系统的设计。

要求该直流调速系统调速范围宽、起制动性能好、可四象限运行，具体设计内容如下：

1.绪论

介绍直流调速在工业生产中的应用及直流调速理论的发展，通过调查市场上的直流调速产品，了解目前直流调速产品的结构与功能。

2.直流调速系统的主电路设计

（1）根据提供的直流电动机参数，选择相应的主电路形式，主电路主要采用两种形式：

基于H桥的直流脉宽调速系统、晶闸管—电动机直流调速系统。

（2）根据附录中所提供的直流电机参数和选择的主电路形式，对主电路中的功率器件进行型号选择，并要求给出选择依据；

（3）根据选择的主电路拓扑结构所采用的电力电子器件，设计或选择电力电子器件的驱动电路。

要求给出所设计或选择的晶闸管触发电路、全控型器件IGBT驱动电路的原理图，并对驱动电路的原理简要说明。

（4）根据系统控制要求，选择相应的电压、电流和温度等传感器，要求给出具体型号；

（5）要求在主回路设计中需给出相应的保护及缓冲电路；

（6）列出所选用主电路的器件清单（包括：

名称、型号、厂商、数量、参考价格）。

3.直流调速系统的控制理论

（1）给出双闭环直流调速系统的动态结构框图，掌握双闭环直流调速系统的起动过程与特点；

（2）根据提供的直流电动机参数和所设计的电力电子变换环节参数，确定动态结构框图各环节的具体参数；

（3）运用工程化设计方法对直流调速系统的调节器进行参数设计，要求必须给出限幅的具体参数及依据，以表格的形式总结所设计的转速调节器、电流调节器的参数；

（4）利用Protel软件绘制带有内外限幅的PI调节器的模拟电路图，要求根据设计的PI调节器参数确定调节器中电阻和电容的参数；

（5）给出确定各环节参数后的直流调速系统完整结构框图。

4.双闭环直流调速系统的Matlab仿真

（1）根据上述双闭环直流调速系统的动态结构框图，建立Matlab仿真模型，并对调节器参数设计的合理性进行验证；

（2）运用Matlab/Simulink下的电机模型，建立基于电机模型的仿真模型，并对调节器的参数作出调整。

5.数字控制器的设计

（1）硬件设计：

根据所选数字处理器，进行相应硬件电路的设计，要求包括PWM输出、AD采样及信号处理电路、编码器接口等；

（2）软件设计：

给出双闭环直流调速系统的整体控制流程图，并给出增量式PI调节器、数字测速的程序流程框图。

选用参数组别：

直流电机3：

额定功率Pe=1.5kW；额定电压Ue=156V

额定电流Ie=11.5A；额定转速ne=1000r/min

电枢回路总电阻R=2.4Ω;

电磁时间常数Tl=0.004s;

机电时间常数Tm=0.07s；

电动势系数Ce=0.144V/（r.min-1）

成绩：

指导教师签字：

日期：

摘要

电力拖动自动控制系统是把电能转换成机械能的装置，它被广泛地应用于一般生产机械需要动力的场合，也被广泛应用于精密机械等需要高性能电气传动的设备中，用以控制位置、速度、加速度、压力、张力和转矩等。

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到应用。

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。

本设计报告首先根据设计要求确定调速方案和主电路的结构型式，主电路和闭环系统确定下来后，重在对电路各元件参数的计算和器件的选型，包括整流变压器、整流元件、平波电抗器、保护电路以及电流和转速调节器的参数计算。

并通过Simulink进行系统的数学建模和系统仿真，分析双闭环直流调速系统的特性。

最后给出参考资料和设计体会。

关键词：

直流调速双闭环转速调节电流调节自动控制

1.绪论

1.1直流调速在工业生产中的应用及直流调速理论的发展

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。

有效地控制电机，提高其运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。

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，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的起动，制动和调速性能。

尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。

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。

1.2现有直流调速产品调查

1.2.1西门子6RA70系列全数字直流调速装置

西门子SIMOREGK6RA23/24系列全数字直流调速产品，自在中国市场推出以来，得到了广大用户的认同。

最新推出的SIMOREGDCMaster6RA70系列全数字直流调速产品，在6RA24产品的基础上更具有以下特点:

1.单台装置输出额定电枢电流:

15A～3000A，额定励磁电流:

3A~85A。

装置并联后输出额定电枢电流可达12000A。

2.输入电压分为6个等级:

400V/460V/575V/690V/830V/950V。

3.强大的通讯能力。

有SIMOLINK高速直接的装置-装置通讯，还可支持PROFIBUS、CAN-BUS、DeviceNet、USS协议等。

4.所有工艺板，通讯板及OP1S操作面板都可与新一代的SIMOVERTMASTERDRIVES矢量控制交流调速产品通用。

主电路特点：

1.单象限工作装置的功率部分为三相全控桥。

2.四象限工作装置的功率部分为两个反并联的三相全控桥。

3.励磁回路采用三相半控桥。

4.功率部分为15－1200A为绝缘式SCR模块，＞1500A的电枢回路采用平板式晶闸管。

散热器是带的。

5.额定电流≤125A自然风冷。

图1.2.1-1数字式直流双闭环PWM调速系统原理图

图1.2.1-2西门子6RA70系列全数字直流调速装置

1.3双闭环直流调速系统的基本组成与工作原理

1.3.1双闭环直流调速系统的基本组成

图1.3.1双闭环直流调速系统原理图

1.3.2双闭环直流调速系统的工作原理

双闭环调速系统是建立在单闭环自动调速系统上的，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,这就需要一个电流截止负反馈系统。

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，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图1.3.1所示，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电力电子变换器UPE。

从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。

这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

为了获得良好的静态和动态性能，转速和电流调节器一般都采用PI调节器。

2.直流调速系统中主电路的设计

2.1本设计中选择的拓扑结构及其依据

2.1.1主电路拓扑结构的选择与依据

模拟系统具有物理概念清晰、控制信号流向直观等优点，便于学习入门，但其

控制规律体现在硬件电路和所用的器件上，因而线路复杂、通用性差，控制效果受

到器件的性能、温度等因素的影响。

单片机作为工业用机它以系统结构简单，可靠性高、速度疑、并且体积小，价

格便宜被广泛用于现代工业自动化控制中。

系统引入微机控制后，用软件取代硬件电路，减少了所用设备的数量，降低了

系统在使用过程中由于元件老化和接触不良等因素造成的故障率，从而使系统的可

靠性大大提高．又由于用软件编程实现各种调节规律，在不改动硬件设备的情况下

可任意改变系统参数和控制程序，易于系统的优化等优点，微机在调速系统上的应

用必将越来越广泛．所以本次设计采用双闭环直流数字调速系统。

主电路采用直流PWM变换器，与V-M系统相比，直流PWM调速系统在许多

方面有较大的优越性：

1.主电路线路简单，需用的功率器件少；

2.开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；

3.低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；

4.系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；

5.功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不

大，因而装置效率较高；

6.直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。

综上所述，本设计选用PWM调速系统。

2.1.2主电路拓扑结构

图2.1.2数字控制双闭环直流调速系统硬件结构

2.2电力半导体器件的选型及其依据

2.2.1逆变器功率元件（IPM）的选择

（1）额定电流的选择

在选用智能功率模块时，需要考虑到电机的过载要求，安全裕度等要求，从逆

变部分的主电路可以看出，流过一只IGBT管子的最大电流应当等于电动机定子一

相的最大电流，所以功率元件的电流额定为：

IIPMn=（1.2∼2）⨯Im=（1.2∼2）×s×Im

其中

:

为电流的过载倍数,这里取=1.2

Ism:

额定电流这里为11.5A

（1.2~2）：

为安全裕量

所以带入试验用电机的相关数据得到，电流额定为：

⊃ipmn=（1.2~2）×1.2×11.5=16.56~27.6ℑ

（2）额定电压的选择

直流电源由380V的三相交流电直接整流得到，所以直流侧电压为

Ud=2.34×1.2×U2=2.34×1.2×156=438.05（V）

其中U2为交流电相电压的有效值，

1.2为考虑到大电容滤波后的电感升高系数。

功率元件的电压额定为

Un≥1.5Ud=1.5×438.05=657.08（V）

所以在实际的应用中选择IGBT的型号为1MBH60D-100

额定电流60A额定功率为260W有续流二极管,可以满足要求。

2.2.2整流部分元件的选择

三相全波整流桥参数的计算

整流部分采用不可控整流，整流二极管的电流额定为IVT,直流侧的最大电流为Im,根据电力电子学的相关知识，三相全控桥通过二极管的电流有效值IVT和直流侧电流Im的关系为

再根据二极管的通态平均电流与电流的有效值的关系为

所以综上二极管的电流的额定电流即二极管的通态平均电流为（考虑到安全裕度），

考虑到滤波电容充电电流的影响，需要有更大的电流裕量,取IND=25A

电压额定：

二极管两端断态重复峰值电压为，交流电源的线电压。

所以电压额定为：

UND=（2∼3）Um=（2∼3）×2×380=1072∼1596（V）

选用UND=1600V

为了减小主电路的体积，使之易于安装，选用25A/1600V的二极管两单元模块三个构成整流桥。

2.3直流滤波电解电容及其依据

由于通过整流桥后的直流是含有脉动的直流，必须通过电容加以滤波。

根据二极管的最大整流平均IF和最高反向工作电压UR分别应满足：

IF>1.1×IO（AV）÷2≈1.1×31.77÷2=17.48（A）

UR>1.1×2×U2=1.1×2×160=352（V）

选用2ZC系列的大功率硅整流二极管，型号和参数如下所示：

在设计主电路时，滤波电容是根据负载的情况来选择电容C值，使RC≥（3～5）T/2,且有

Udmax=0.9×156×0.95=133.38（V）

2×C≥1.5×0.02,即C≥15000uF

故此，选用型号为CD15的铝电解电容，其额定直流电压为400v，22000uF

2.4驱动电路的原理图及其原理说明

具有制动作用的不可逆PWM变换器构成的调速系统，电动机电枢回路中的电流始终是连续的；而且，由于电流可以反向，系统可以实现二象限运行，有较好的静、动态性能。

可逆PWM变换器主电路的结构形式有T型和H型两种，其基本电路如图2-3所示，图中（a）为T型PWM变换器电路，（b）为H型PWM变换器电路。

图2.4可逆PWM变换器主电路的结构形式

T型电路由两个可控电力电子器件和与两个续流二极管组成，所用元件少，线路简单，构成系统时便于引出反馈，适用于作为电压低于50V的电动机的可控电压源；但是T型电路需要正负对称的双极性直流电源，电路中的电力电子器件要求承受两倍的电源电压，在相同的直流电源电压下，其输出电压的幅值为H型电路的一半。

H型电路是实际上广泛应用的可逆PWM变换器电路，它由四个可控电力电子器件（以下以电力晶体管为例）和四个续流二极管组成的桥式电路，这种电路只需要单极性电源，所需电力电子器件的耐压相对较低，但是构成调速系统的电动机电枢两端浮地。

在本次设计中我们选择的是H型。

2.5电压、电流和温度等传感器的具体型号

为有效的监控直流电机的运行情况，需要用于与电路相匹配的传感器如（电流传感器，电压传感器，温度传感器等）

电流传感器：

供应电流互感器型号为JC600W32

电压传感器：

型号为PT02V-450/7.07

温度传感器：

型号为FDY-H2008WS

2.6主回路中的保护电路

发生故障时，必须进行保护，以避免故障进一步扩大。

故障保护一般分为硬

件和软件两级保护。

（1）硬件保护

快速封锁功率变换器UPE的驱动信号，并将UPE与供电电源断开。

（2）软件保护

进入故障保护中断程序，锁存故障信号，禁止UPE驱动信号输出，通过外围电路显

示故障类型，并同时产生声、光等报警信号。

硬件保护起作用后，故障随之消失，如果没有软件保护，系统将重新投入运行，再次导致故障出现。

因此，只有硬件保护是不够的，必须设置软件保护。

2.6.1交流侧过压过流保护

在变压器副边并联电阻和电容，可以把变压器铁芯释放的磁场的能量转换为电场能量并储存再电容中，因为电容不可以使两端电压突变，所以可以达到抑制过电压的目的，而串入电阻的目的是为了在能量转换的过程中消耗一部分能量，从而防止因变压器漏感和并联电容构成的震荡回路再闭合时产生的过电压，抑制了LC回路出现震荡，电路图如下所示：

图2.6.1交流侧过压过流保护

其中，C和R的计算公式为

C≥6i%S/；R≥2.3*/S*

在公式中：

S——变压器每相平均电压计算容量，单位VA

Uk——变压器二次侧相电压有效值，单位V

I%——变压器激磁电流百分数

%——变压器的短路比

2.6.2直流侧的过压过流保护

PWM变换器的直流电源由交流电网经不控的二极管整流器产生，并采用大电容滤波，以获得恒定的直流电压。

由于电容容量较大，突加电源时相当于短路，势必产生很大的充电电流，容易损坏整流二极管，为了限制充电电流，在整流器和滤波电容之间传入电阻Rz，合上电源后，用延时开关将Rz短路，以免在运行中造成附加损耗。

由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电动机制动时只好对滤波电容充电，这式电容器两端电压升高称作“泵升电压”。

为了限制泵升电压，用镇流电阻Rx消耗掉这些能量，在泵升电压达到允许值时接通。

2.6.3快速熔断器短路保护

熔断器的作用：

当电路发生故障或异常时，伴随着电流不断升高，可能损坏电路中的某些重要器件，也有可能烧毁电路甚至造成火灾。

若安装熔断器，则熔断器就会在电流异常升高到一定高度的时候，自身熔断，切断电流，从而起到保护电路的作用。

为了防止由于电流过大而烧毁电力二极管，在二极管回路上加快速熔断器，在主回路中应加入熔断器。

2.6.4过电流保护

在电路中串接的器件是快速熔断器，这是一种最简单有效而应用最普遍的过电流保护元件，其断流时间一般小于10ms，按图四接法熔断器与每一个晶闸管元件相串联，可靠的保护每一个晶闸管元件。

熔断器的额定电压、电流可按下式计算

额定电压URN：

不小于线路正常工作电压的方均根值

额定电流：

：

电流裕度系数，取值1.1~1.5

：

环境温度系数，取值1~1.2

：

实际流过快熔的电流有效值

3.直流调速系统的控制理论

3.1双闭环直流调速系统的动态结构框图

3.1.1双闭环直流调速系统的动态结构框图

图中WASR（s）和WACR（s）分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。

如果

采用PI调节器，则有

3.1.2双闭环直流调速系统的动态过程分析

对调速系统而言，被控制的对象是转速。

跟随性能可以用阶跃给定下的动态响应描述。

能否实现所期望的恒加速过程，最终以时间最优的形式达到所要求的性能指标，是设置双闭环控制的一个重要的追求目标。

起动过程分析：

电流Id从零增长到Idm，然后在一段时间内维持其值等于Idm不变，以后又下降并经调节后到达稳态值IdL。

转速波形先是缓慢升速，然后以恒加速上升，产生超调后，到达给定值n*。

起动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段，

转速调节器在此三个阶段中经历了不饱和、饱和以及退饱和三种情况。

第Ⅰ阶段：

电流上升阶段（0~t1）

在t=0时，系统突加阶跃给定信号Un*，在ASR和ACR两个PI调节器的作用下，Id很快上升，在Id上升到Idl之前，电动机转矩小于负载转矩，转速为零。

当Id≥IdL后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，ASR输入偏差电压仍较大，ASR很快进入饱和状态，而ACR一般不饱和。

直到Id=Idm，Ui=U×Im。

第Ⅱ阶段:

恒流升速阶段（t1~t2）

ASR调节器始终保持在饱和状态，转速环仍相当于开环工作。

系统表现为使用PI调节器的电流闭环控制，电流调节器的给定值就是ASR调节器的饱和值U*im，基本上保持电流Id=Idm不变，电流闭环调节的扰动是电动机的反电动势，它是一个线性渐增的斜坡扰动量，系统做不到无静差，而是Id略低于Idm。

第Ⅲ阶段：

转速调节阶段（t2以后）

n上升到了给定值n*，ΔUn=0。

因为Id>Idm，电动机仍处于加速过程，使n超过了n*，称之为起动过程的转速超调。

转速的超调造成了ΔUn<0，ASR退出饱和状态，Ui和Id很快下降。

转速仍在上升，直到t=t3时，Id=Idl，转速才到达峰值。

在t3~t4时间内，Id

如果调节器参数整定得不够好，也会有一段振荡的过程。

在第Ⅲ阶段中，ASR和ACR都不饱和，电流内环是一个电流随动子系统。

3.2动态结构框图的具体参数

3.2.1电流调节器的设计

1.确定时间常数

（1）整流装置滞后时间常数Ts。

由设计要求，装置延长时间Ts=0.0017s

（2）电流滤波时间常数Toi。

取Toi=0.002s

（3）电流环小时间常数之和。

按小时间常数近似处理,取T=Ts+Toi=0.0037

2.选择电流调节器的结构

根据设计要求，并保证稳态电流无静差，可按典型I型系统设计电流调节器。

电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型调节器，其传递函数为

式中

：

电流调节器的比例系数；

：

电流调节器的超前时间常数。

3.计算电流调节器的参数

电流调节器超前时间常数：

电流开环增益：

要求

时，取

因此KI=0.5/0.0037=135.1

于是，ACR的比例系数为

4.校验近似条件

电流环截止频率：

135.1

（1）PWM装置传递函数的近似条件

196.1>Wci满足近似条件。

（2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

44.23

（3）电流环小时间常数近似处理条件

180.8>Wci满足近似条件。

5.计算调节器电阻和电容

由图1.1，按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为

Ri=Ki*R0，取40

Ci=Ki/Ri，取0.75

取0.006

按照上述参数设计要求。

图3.2.1含滤波环节的PI型电流调节器

3.2.2转速调节器的设计

1.确定时间

（1）电流环等效时间常数1/KI。

由前述已知，

，则

（2）转速滤波时间常数，根据所用测速发电机纹波情况，取

.

（3）转速环小时间常数。

按小时间常数近似处理，取

2.选择转速调节器结构

按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数式为

3.计算转速调节器参数

按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5，

则ASR的超前时间常数为

则转速环开环增益

可得ASR的比例系数为

4.检验近似条件

转速截止频率为

（1）电流环传递函数简化条件为

满足简化条件。

（2）转速环小时间常数近似处理条件为

满足近似条件。

5.计算调节器电阻和电容

根据图2.1.2所示，取

，则

.

取0.3uF

图3.2.2含滤波环节的PI型转速调节器

3.3电路的内外限伏

图3.3.1外限幅电路

图3.3.2内限伏电路

3.4转速、电流双闭环直流调速系统的组成

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。

图3.4转速、电流双闭环直流调速结构图

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

图中，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；转速环在外边，称作外环.这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

3.4.1系统电路结构

3.4.2稳态结构框图和静特性

为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构框图，如下图2-4所示。

电流调节器和转速调节器均为具有限幅输出的PI调节器，当输出达到饱和值时，输出量的变化不再影响输出，除非产生反向的输入才能使调节器退出饱和。

当输出未达到饱和时，稳态的输入偏差电压总是为零。

正常运行时，电流调节器设计成总是不会饱和的，而转速调节器有时运行在饱和输出状态，有时运行在不饱和状态。

图3.4.2双闭环直流调速系统的稳态结构图

4.双闭环直流调速系统的Matlab仿真

4.1建立Matlab仿真模型及其调节器参数设计的验证

根据结构图和计算出的