双闭环直流调速系统调节器设计教材.docx
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双闭环直流调速系统调节器设计教材
课程设计任务书
信息工程与自动化学院学院自动化专业10年级
学生姓名：
11
课程设计题目：
双闭环直流调速系统调节器设计
课程设计主要内容：
根据要求完成调节器的计算与工程设计，实现1、稳态：
无静差；2、动态指标：
电流超调<5%；转速超调<10%；、振荡次数N<2次。
并绘制相关电路原理图。
电机参数及指标要求:
设计一个双闭环直流电动机调速系统，整流装置采用三相桥式电路，电动机参数：
UN=220V,PN=500Kw,IdN=760A,nN=375r/min,Ce=1.82V.min/r,过载倍数λ＝1.5，整流装置放大系数Ks＝75，电枢回路总电阻R＝0.14欧，时间常数Tl=0.031s,Tm=0.112s,电流反馈滤波时间常数Toi=0.002s,转速反馈滤波时间常数Ton=0.02s，要求实现稳态无静差，电流超调量σi％≤5％，空载起动到额定转速时的转速超调量σn％≤10％,取转速调节器和电流调节器的饱和值为12V，输出限幅值为10V，额定转速时转速给定Un*10V。
设计指导教师（签字）：
张寿明
教学基层组织负责人（签字）：
2013年12月10日
摘要：
双闭环直流调速控制系统有较好性能，因而得到广泛应用。
在实际应用中，选定电动机后，其参数是不可变的，只能通过改变双闭环直流调速系统内环电流调节器和外环的转速调节器的参数来提高整个系统的性能。
建立系统的数学模型，分别按二阶最佳和三阶最佳设计方案，采用PI控制算法，对电流调节器和转速调节器进行设计，对所建立的模型在Matlab6．5的环境下进行仿真，试验证明此设计是可行的。
:
关键字:
双闭环；直流调速系统；调节器
注：
本系统设计由课本P95习题及运控大作业提供数据及初步模型
目录
第一章课程设计任务-----------------------------------------------------------2
一、设计内容-----------------------------------------------------------------2
二、电机参数及指标要求-------------------------------------------------------2
三、摘要--------------------------------------------------------------------------------------------------------3
第二章设计过程---------------------------------------------------------------5
一、系统组成原理图-----------------------------------------------------------5
二、稳态结构图和静特性-------------------------------------------------------6
三、电流调节器的设计---------------------------------------------------------6
四、转速调节器的设计---------------------------------------------------------7
第三章MATLAB仿真-----------------------------------------------------------8
一、主电路的建模与仿真参数设置-----------------------------------------------8
二、结果与分析--------------------------------------------------------------10
第四章硬件设计--------------------------------------------------------------12
一、主电路形式的确定-------------------------------------------------------------------------------------13
二、控制电路形式的确定------------------------------------------------------13
第五章结束语--------------------------------------------------------------------------------------------------14
第六章参考文献----------------------------------------------------------------------------------------------15
第二章：
设计过程
一、系统组成原理图
直流电机具有良好的起制动性能，易于在较广范围内平滑调速，在许多高性能可控电力拖动系统中得到了比较广泛的应用，如龙门刨床、高层楼梯高精度机床等。
特别是晶闸管直流电动机调速系统，具有自动化程度高、控制性能好、起动转矩大，易于实现无级调速等优点。
本文以双闭环调速系统为例，建立双闭环调速系统，并以提高系统稳定性、快速响应及带负载的能力为目标研究。
再因电机本身复杂，加上电压反馈、电流反馈、PI校正器设计，整个调速过程、参数选择都须花大量时间。
本文利用工程设计方法和采用Matlab建立电机可视化模型，对整个调速过程进行动态仿真和系统分析。
电流环是由电流调节器ACR和电流负反馈环节组成的闭合回路，二者之间实行串级连接,其主要作用是通过电流检测元件的反馈作用稳定电流；转速环是由转速调节器ASR和转速负反馈环节组成的闭合回路，其主要作用是通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差。
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。
ASR和ACR均采用带有限幅作用的比例积分（PI）放大器。
注：
图中:
U*n、Un—转速给定电压和转速反馈电压
U*i、Ui—电流给定电压和电流反馈电压
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
二、稳态结构图和静特性
双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。
双闭环直流调速系统的动态结构框图如图2.3所示。
图中W（s）ASR和W（s）ACR分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。
为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流Id显露出来。
实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。
因此，对静特性来
说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。
三、电流调节器的设计
对电流环，可以校正成典I系统，也可以校正成典型II型系统，应根据生产机械的要求而定。
一般对抗扰性能要求不是特别严格时，采用典I系统设计即可。
现将电流环校正成典I系统。
在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压*
Ui变化，对电网电压波动起及时抗扰作用；起动时保证获得允许的最大电流，使系统获得最大加速度起动；当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起大快速的安全保护作用。
当故障消失时，系统能够自动恢复正常。
1、确定时间常数：
电流环小时间常数之和Ti=Ts+Toi=0.0037s。
2、选择电流调节器的结构
因为σi<=5%，并保证稳态电流无静差，可以按照典型I型系统设计调节器，电流环控制对象是双惯性型的，因此可选用PI型电流调节器，传递函数为：
由已知可得
，
，
，而
，
故
，
。
（三）校验近似条件
电流环截止频率
，晶闸管装置传函的近似条件
，满足条件。
忽略反电动势影响的近似条件
，满足条件。
小时间常数近似处理条件
，满足条件。
查表得
，满足要求。
四、转速调节器的设计
对速度环，可以校正成典I系统，也可以校正成典II系统，应根据生产机械的要求而定，大多数调速系统的速度环都按典II系统进行设计。
现将速度环校正成典II系统.
1、确定时间常数:
参数已知。
2、典型I型系统，选择PI调节器，
3、转速调节器参数计算：
按照跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，
由已知可得
，
，
而
，故
。
h取5，则
。
故
，
。
其它已知数据则代入电流环相应框图中。
（三）校验近似条件
转速环截止频率
，电流环传函的简化条件
，满足条件。
小时间常数近似处理条件
，满足条件。
查表得
，满足条件。
第三章MATLAB仿真
一、主电路的建模与仿真参数设置：
（1）三相对称交流电压源的建模和参数设置。
首先从SimPowsystem／Electrica1Source路径下提取一个交流电压源模块（ACVoltageSource），再用复制的方法得到三相电源的另外2个电压源模块，并将模块标签分别改为4相，B相，C相，按照图3连接成三相电压源。
然后将A相交流电源参数设置如下：
交流峰值相电压取125√2
V、初相位设置成0。
、频率为50Hz，其他为默认值。
c相则除了将初相位与A相设置成互差120。
外，其他参数与A相相同，由此可得到三相对称交流电源。
（2）晶闸管整流桥的建模和参数设置。
首先从SimPowersvstem，／PowerElectronics中选取“UniversalBridge”（通用变换器桥）模块，将该模块的标签改为“晶闸管整流桥”。
使用该模块时，A、B、c均选择为输入端，DC为输出端；“g（pulse）”端接受来自外部模块的触发信号，缓冲电阻R=0．1Ml2，缓冲电容c、内电阻R、内电感等参数采用默认设置即可。
（3）同步脉冲触发器的建模和参数设置。
通常，工程上将触发器和晶闸管整流桥作为1个整体来研究，所以，在此处讨论同步触发器。
同步脉冲触发器包括同步电源和6脉冲触发器2部分，其图标如图4（a）中所示，其中alpha_deg是移相控制角信号输入端；AB，BC，CA是同步线电压的输入端；Block为触发器的开关信号：
当Block为“0”时，开放触发器；当Block为“1”时，封锁触发器。
封装后的子系统图中，即为触发器控制信号，In2即为触发器的开关输入信号，outl端口输出脉冲信号。
同步6脉冲触发器参数设置的同步电压频率为60Hz，脉冲宽度为10。
，如再勾选了“Doublepulsing”，触发器就能给出间隔60。
的双脉冲信号。
（4）平波电抗器的建模和参数设置。
首先从SimPowersystem／Elements中选取“SeriesRLCBranch”模块，并将模块标签改为“平波电抗器”，然后打开平波电抗器参数设置对话框，将平波电抗器的电感值设为5mH。
（5）直流电动机的建模和参数设置。
首先从SimPowersystem／maehines中选取“DCMachine”模块，并将模块标签改为“直流电动机”。
其中：
“F+”和“F一”为直流电动机的励磁绕组；“A+”和“A一”为电枢绕组；TL端口接恒转矩负载；m为直流电动机模块的输出信号，其输出参数选择为转速n、电枢电流，励磁电流，电磁转矩4个信号。
一般来说，如果不指定直流电动机额定参数的话，可以采用默认设置。
当建模和仿真参数设置完成后，即可开始进行仿真。
相关元件参数如下：
通过查表可得
，
，
，
，
，
，
，
，
，
。
二、结果及分析
经过参数合理范围内的调试，得出
系统仿真模型图：
波形图：
仿真结果分析：
由此图可知，振荡次数N<2,且满足空载起动到额定转速时的转速超调量σn％≤10％,但电流超调量σi％超了。
，不满足电流超调量σi％≤5％的要求。
此时，调节KT，使超调下降。
得到最终结果电流超调量σi％=0.036，≤5％，转速超调量σn％=0.071，≤10％，所以两参数均满足系统要求，设计合格。
编译M文件：
t=ScopeData2（:
1）;
i=ScopeData2（:
2）;
n=ScopeData2（:
3）;
c=（max（i）-760*1.5）/（760*1.5）;
delta_n=（max（n）-375）/（375）;
plot（t,i,t,n）;
title（‘系统输出特性曲线'）;xlabel（‘t/秒'）;ylabel（‘转速/电流'）;
need_str=num2str（double（c））;
str_n=num2str（double（delta_n））;
legend（strcat（‘电流超调',need_str）,strcat（‘转速超调',str_n））;
（此程序由大作业数据中提供）
第4章硬件设计
一、主电路形式的确定
1.整流电路形式
对于容量较大的电动机（4kW以上），其整流电路一般采用三相全控桥式。
2.变压器接线方式确定
一般采用Δ/Y（D,y）或Y0/Y（YN,y）联结。
二、控制电路形式的确定
控制电路包含转速调节器、电流调节器和晶闸管驱动电路组成。
转速调节器由测速发电机测速，将速度转变成电流信号与给定信号，通过运算放大器比较，输出接入电流调节器，电流调节器通过电流互感器检查电流，通过运算放大器与给定比较，输出信号接入晶闸管驱动电路中，通过KJ004和KJ041驱动和控制晶闸管的导通角，以达到控制变换电压的目的，从而实现电机转速的控制。
结束语
首先，特别鸣谢张寿明老师的耐心教导。
这次课程设计的结果，基本实现了双闭环晶闸管直流调速系统的设计，达到了低超调，快速达到额定转速并无静差，硬件设计比较合理，能够达到工业要求，同时设计了保护电路，使实际应用时不会出现安全问题。
其次，通过这次设计，我基本上掌握了直流双闭环调速系统的设计。
具体的说，第一，了解了调速的发展史的同时，进一步了解了交流调速系统所蕴涵的发展潜力，掌握了这一方面未来的发展动态；第二，双闭环直流调速系统的基本组成以及其静态、动态特性；第三，ASR、ACR（速度、电流调节器）为了满足系统的动态、静态指标在结构上的选取，包括其参数的计算；第四，直流电动机数学模型的建立，参数的计算；第六，运用MATLAB仿真系统对所建立的双闭环直流调速系统进行的仿真，与此同时，进一步熟悉了MATLAB的相关功能，掌握了其使用方法。
第七，学会了使用protel和proteus等软件对系统电路图进行仿真与绘制；第八，在整个设计过程中，遇到很多问题，同时到最后也都得到解决，也要感谢同学们和老师的帮助。
总之，在设计过程中，我不仅学到了以前从未接触过的新知识，而且学会了独立的去发现，面对，分析，解决新问题的能力，不仅学到了知识，又锻炼了自己的能力，使我受益非浅。
参考文献
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专,2000.5
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