电电力拖动与控制系统课程设计 6.docx
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电电力拖动与控制系统课程设计6
《电力拖动与运动控制系统》
课程设计
姓名：
学号：
专业：
专题：
指导教师：
设计地点：
2012年6月
课程设计任务书
专业年级学号学生姓名
任务下达日期：
2012年6月10日
设计日期：
2012年6月10日至2012年6月25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.根据直流调速系统的要求，制定系统总体方案，主要包括如下方面：
（1）对现有的直流调速产品进行调查，并运行所学知识加以分析。
要求必须给出一种具有代表性的直流调速产品，并给出系统控制框图；
（2）给出本设计中拟采用的主电路拓扑结构，并给出选择依据；
（3）采用数字处理器作为控制器，对目前调速系统中采用的数字处理器进行调查，并选择一款用于本系统的数字处理器。
2.直流调速系统的主电路设计，针对总体方案中选定的主电路拓扑结构，并结合附录中提供的直流电机参数进行如下设计：
（1）功率器件的选型，要求给出依据；
（2）针对所选择的功率器件，给出其触发或驱动电路的原理图，并对驱动电路的原理简要说明；
（3）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；
（4）要求在主回路设计中需给出相应的保护电路。
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；
（2）根据直流电动机和主回路参数，确定动态结构框图的具体参数；
（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；
（4）根据设计的PI调节器参数，要求给出带有内外限幅的PI调节器的模拟量电路图；
（5）给出直流调速系统的完整结构框图。
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。
指导教师签字：
日期：
目录
摘要2
第一章转速、电流双闭环直流调速系统—主电路设计3
（一）转速、电流双闭环直流调速系统的系统组成3
（二）转速、电流双闭环直流调速系统的原理图：
3
（三）器件的选择及参数的计算4
1.3.1可控整流变压器的选择及计算4
1.3.2晶闸管选择及计算4
1.3.3晶闸管的保护：
5
1.3.4调节器的选择及计算5
第二章转速、电流双闭环直流调速系统——调节器设计6
（一）电流调节器设计6
（二）转速调节器设计7
第三章转速、电流双闭环直流调速系统——原理简述8
（一）触发电路原理8
第四章转速、电流双闭环直流调速系统——反馈、保护及其他电路9
（一）转速反馈环节FBS9
（二）电流反馈环节及过流保护环节9
（三）过电压保护和TA互感器10
（四）稳压电源10
第五章双闭环调速系统的仿真10
（一）模型10
（二）仿真结果……………………………………………………………………………………12
（三）仿真分析…………………………………………………………………………………..13
总结：
14
参考文献：
14
摘要：
对最常用的转速、电流双闭环调速系统的工程设计方法进行了详细的推导。
然后采用Matlab/Simulink方法对实际系统进行仿真，找出推导过程被忽略的细节部分对调速系统的影响，给出工程设计和实际系统之间产生差距的原因，有助于在实际中设计出较优的系统。
关键词：
直流电机调速系统仿真Matlab
第一章转速、电流双闭环直流调速系统—主电路设计
（一）转速、电流双闭环直流调速系统的系统组成
图1-1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
为实现转速和电流两种负反馈分别作用，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。
二者之间实行嵌套连接，如图所示。
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。
（二）转速、电流双闭环直流调速系统的原理图：
图1-2双闭环直流调速系统电路原理图
为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如上图所示。
图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。
图中还表示了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定后了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。
（三）器件的选择及参数的计算
1.3.1可控整流变压器的选择及计算
作为整流装置电源用的变压器称为整流变压器。
一般的变压器有整流跟变压两项功能,其中整流是把交流变直流。
整流的过程中,采用三相桥式全控整流电路。
三相桥式全控整流电路原理图如下：
图1-3三相桥式全控整流电路原理图
可控整流的原理：
当晶闸管的阳极和阴极之间承正向电压并且门极加触发信号晶闸管导通，并且去掉门极的触发信号晶闸管依然维持导通。
当晶闸管的阳极和阴极之间承受反向电压并且门极不管加不加触发信号晶闸管关断。
可控整流变压器的参数计算：
选择一台主变压器计算如下：
一次绕组为0.22KV二次绕组为0.232KV
由直流发电机额定数据得：
PN=2.2KW
P30=PN=2.2KW
查附录表1得实验室小型电热设备的cosφ=1.0tanφ=0
Q30=P30×tanφ=2.2×0=0KV*A
S30=P30×cosφ=2.2×1.0=2.2KV*A
只装一台主变压器应全部满足用电设备总计算负荷S30的需要：
即ST≈SNT≥S30
选择SNT=2.2KV*A
所以所选变压器的型号为：
S9-2.2/0.38型。
1.3.2晶闸管选择及计算
晶闸管导通的条件：
受正向阳极电压，同时受正向门极电压，一旦导通后，门极信号去掉后晶闸管仍导通。
晶闸管维持导通的条件：
继续受正向阳极电压，同时流过晶闸管的电流大于它的维持电流。
晶闸管关断条件：
必须去掉阳极所加的正向电压，或者给阳极施加一反电压，或者设法使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。
晶闸管参数计算如下：
Ud=Cen+IdR=0.1352×1500+12.5×2.5=234.05V
U2=Ud/2.34=234.05/2.34=100.02V
Id0=Udo/R=234.05/2.5=93.62A
Ivt=Id0/3-1/2=30.7A
Ivt（AV）=Ivt/1.57=19.56A
URM=61/2U2=300.06V
∴可选用的晶闸管为：
KP5-8型
表1.1
型号Type
通态平均电流
IT（AV）A
正向电流有效值
IF（AV）A
通态峰值电压
VTM
正反向重复峰值电压
VRRMV
正反向重复峰值电流
IRRMmA
触发电流
IGTmA
触发电压
VGT
V
维持电流
IHMA
断态电压临界上升率dv/dtV/µs
通态电流临界上升率di/dtA/µs
工作结温
Tj℃
结壳热阻
Pjc℃/W
外型
Outline
推荐散热器
KP5A
5
8
≦2.2
200～2000
≤8.0
5～45
≤2.5
5～45
≥500
/
-40～+250
≤3.0
B1
SZ13
1.3.3晶闸管的保护：
晶闸管的保护电路，大致可以分为两种情况：
一种是在适当的地方安装保护器件，例如，R-C阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。
再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。
（1）晶闸管的过流保护
晶闸管设备产生过电流的原因可以分为两类:
一类是由于整流电路内部原因；另一类则是整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，另外，如整流变压器中心点接地，当逆变负载回路接触大地时，也会发生整流桥相对地短路。
1.对于第一类过流，即整流桥内部原因引起的过流，以及逆变器负载回路接地时，可以采用第一种保护措施，最常见的就是接入快速熔短器的方式。
2、对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。
（2）晶闸管的过压保护
晶闸管设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。
同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。
1.过电压保护的第一种方法是并接R-C阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。
2.过电压保护的第二种方法是采用电子电路进行保护。
1.3.4调节器的选择及计算
系统给定:
U*nm=U*im=220Vλ=1.5Idm=λId
转速反馈系数：
α=U*nm/nmax=220/1500=0.147V.min/r
电流反馈系数：
β=U*im/Idm=220/12.5×1.5=18.75V/A
（一）电流调节器结构的选择：
电流环的传递函数可以写成：
电流环以跟随性能为主，即选用典型I系统。
图1.5电流环等效近似处理后校正成为典型I系统框图
ACR选用PI型电流调节器，传函如下：
WACR（S）=Ki（τis+1）/τis
Ki-------电流调节器的比例系数；
τi------电流调节器的超前时间常数。
（二）转速调节器结构的选择：
转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型II系统，系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。
图1-6转速环等效近似处理后校正成为典型II系统框图
ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为：
WASR（s）=Kn（τns+1）/τns
Kn-------转速调节器的比例系数；
τn------转速调节器的超前时间常数。
第二章转速、电流双闭环直流调速系统——调节器设计
（一）电流调节器设计
2.1.1确定时间常数
1）整流装置滞后时间常数Ts。
按表1-2，三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s。
2）电流滤波时间常数Toi。
三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms,为了基本滤平波头，应有（1~2）Toi=3.33ms,因此取Toi=2ms=0.002s。
3）电流环小时间常数之T∑i近似处理，取T∑i=Ts+Toi=0.0037s。
4）电枢回路电磁时间常数Tl
Tl＝0.010s
5）电力拖动系统时间常数Tm由实验测得
Tm=0.073s
2.1.2选择电流调节器结构
根据设计要求σ≤5％，并保证稳态电流无差，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型电流调节器，其传递函数为W（s）=Ki（τiS+1）/τiS。
检查对电源电压的抗干扰性能：
Tl/T∑I=0.010s/0.0037s=2.703,参照书中表2-3的典型型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。
2.1.3计算电流调节器参数
电流调节器超前时间常数：
τi=Tl=0.010s。
电流环开环增益：
要求σi≤5％时,查表得KIT∑i=0.5,因此
KI=0.5/0.0037s=135.1s-1
于是，ACR的比例系数为
Ki=KIτiR/Ksβ=135.1×0.010×2.5/122.5×6.06＝0.167
2.1.4校验近似条件
电流环截止频率：
Wci=KI=135.1s-1
晶闸管整流装置传递函数近似条件
1/3Ts=1/3×0.0017s=191.6s-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
3√1/TmTl=3√1/0.04s×0.010s＝40.72s-1＜Wci
满足近似条件。
电流环小时间常数近似处理条件
1/3√1/TsToi=1/3×√1/0.0017×0.002=180.8s-1＞Wci
满足近似条件。
2.1.5计算调节器电阻和电容
所用运算放大器取R0=40kΩ，各电阻和电容值为
Ri=KiR0=0.167×40＝6.68KΩ
Ci=τi/Ri=0.010/2.5=0.004μF
Coi=4Toi/R0=4×0.002/40=0.2μF
（二）转速调节器设计
2.2.1确定时间常数
1）电流环等效时间常数1/KI
已知KIT∑i=0.5，则
1/KI＝2T∑i＝2×0.0037s＝0.0074s
2）转速时间常数Ton。
根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.01s
3）转速小时间常数T∑n。
按小时间常数近似处理，取
T∑n＝1/KI＋Ton＝0.0174s
2.2.2选择电流调节器结构
由于设计要求无静差,故选用PI型电流调节器，其传递函数为
W（s）=Ki（τiS+1）/τiS。
2.2.3计算转速调节器参数
按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为
τn=hT∑n=5×0.0174s=0.087s
转速开环增益
KN=（h+1）/2h2T∑n2=6/2×52×0.0174=396.4s-2
ASR的比例系数为
Kn=（h+1）βCeTm/2hαRT∑n=6×18.75×0.1352×0.073/2×5×0.147
×2.5×0.0174=17.36
2.2.4检验近似条件
转速环截止频率为
Wcn=KN/W1=KNτn=396.4×0.087=34.5s-1
1）电流环传递函数简化条件为
（√KI/T∑i）/3＝（√135.1/0.0037）/3=63.7s-1＞Wcn
2）转速环小时间常数近似处理条件为
（√KI/Ton）/3=（√135.1/0.01）/3=38.7s-1＞Wcn
2.2.5计算调节器电阻和电容
取R0=40kΩ，各电阻和电容值为
Rn=KnR0=17.36×40=694.4kΩ
Cn=τn/Rn=0.087/158.4×103=5.49×10-3F
Con=4Ton/R0=4×0.01/40×103=1μF
2.2.6校核转速超调量
σn=2（△Cmax/Cb）（λ-Z）（△nN/n*）（T∑n/Tm）=2×81.2%×（1.5-0.5）×
（0.8×2.5/0.155/1500）×0.0174/0.073=13.32%<15%
能满足设计要求。
转速调节器具有将输入的给定信号与反馈信号进行加,减,比例,积分,违反等一些运算的功能,使其输出量能根据输入的信号按照某种预定的规律变化。
上图为转速调节器电路图。
第三章转速、电流双闭环直流调速系统——原理简述
（一）触发电路原理
三相桥式全控整流电路相当于一组共阴极的三相半波和一组共阳极的三相半波可控整流电路串联起来构成的。
习惯上将晶闸管按照其导通顺序编号，共阴极的一组为VT1、VT3和VT5，共阳极的一组为VT2、VT4和VT6。
图4-1 三相桥式电阻性负载全控整流电路
图4-2 三相桥式电阻性负载a=0°时波形
图4-3 三相桥式全控整流电路触发脉冲
第四章转速、电流双闭环直流调速系统——反馈、保护及其他电路
（一）转速反馈环节FBS
（1）转速反馈环节主要作用是将测速发电机输出的电压进行滤波，滤除交流分量并变换为能满足系统需要的与电动机转速成正比的电压作为系统的转速反馈信号，另外还备有转速的检测信号。
图4-1转速反馈环节FBS电路图
（二）电流反馈环节及过流保护环节
（1）交流互感器测得晶闸管交流进线的电流，以获得过电流信号。
图5－4是过流保护电路的电路图。
图4-2过流保护电路的电路图
（三）过电压保护和TA互感器
压敏电阻RV三角形联结进行交流侧的过电压保护，电流互感器TA可取得与主电路电流成正比的电流信号用于控制系统中。
图4-3过电压保护和TA互感器
（四）稳压电源
（1）稳压电源输出稳定的±15V直流电源向所有需要直流电源的各控制单元供电，它由整流、滤波、稳压三个部分组成。
第五章双闭环直流调速系统的仿真
（一）模型
（1）根据所给的要求能够得到此双闭环调速系统的动态结构图如下。
图a转速、电流直流调速系统动态模型
（2）电流环的仿真模型
由于电磁时间常数Tl一般都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，即比反电动势的变化快得多。
反电动势对电流环来说只是一个缓慢变化的扰动作用，在电流调节器的调节过程中可以近似地认为E基本不变，及可以暂不考虑反电动势的变化。
由此得到其结构模型为图b,
图b电流单环控制模型图c转速单环控制模型
（3）转速环的仿真模型
不考虑负载扰动，即Idl=0A,得结构模型为图c
（4）基于数学模型的双闭环直流调速系统仿真
图d转速、电流双闭环直流调速系统仿真模型
（5）通过工程设计的方法建立的转速电流双闭环控制系统并确定了控制器的结构及其参数，也就是说得到了双闭环的数学模型，因此可以实现基于数学模型的双闭环直流调速控制系统仿真。
参照开环系统数学模型的仿真方法很容易建立双闭环系统的Simulink的实现，系统模型如上所示。
仿真参数选择，ode23；开始时间Starttime设为0，停止时间Stoptime设为10s.
（二）仿真结果
1.根据转速调节器控制模型和电流调节器控制模型，建立传递函数，并进行仿真得到结果如下：
图e图f
由图e可知电流调节器调节时间为t=0.1783s,且能达到稳定值，由此可以说明电流调节器仿真结果正确。
由图f可知转速调节器调节时间为t=3.593s,且能够达到稳定，由此可以说明转速调节器仿真结果正确。
2.根据设计要求，按照工程设计方法设计的转速，电流双闭环直流调速系统仿真结果如图所示：
（1）：
额定负载情况下，系统的仿真结果；图g
（2）：
空载情况下，在负载扰动和电流扰动分别作用下该系统的仿真结果（电流扰动为瞬间扰动，电网扰动为阶跃扰动）；图h
（3）：
在多种情况下，系统仿真结果；图i
图g图i图h
（三）双闭环调速系统的仿真分析:
1.由图形g显示结果可知
δi=（1670-1600）/1600=4.4﹪<5％
δn％=（1032-1000）/1000=3.2％<5％
符合设计要求，因此，此次课程设计结果正确。
2.利用转速调节器的饱和特性，使系统保持恒定最大允许电流，在尽可能短的时间内建立转速，在退饱和实现速度的调节和实现系统的无静差特性。
3.由于构成了无静差系统，在负载变化和电网电压波动等扰动情况下，保持系统的恒定输出。
4.转速电流双闭环系统可以很好的克服负载变化和电网电压波动等扰动影响，特别是电网电压扰动点在电流环内，多数情况可以在电流环内就克服，而不会造成电机转速的波动。
5.图形g为转速、电流双闭环直流调速系统满载时的仿真结果，由图可以看出，调节时间为3.4s,转速超调量为3.2％，电流超调量为4.4﹪。
图形h为转速、电流双闭环直流调速系统空载时的仿真结果，有图可以看出，调节时间为2.7s，在3.5s时通过增加电流扰动，可以看出系统通过转速环的自动调节从而使转速回到额定转速，在4s时通过增加电网电压扰动，可以看出系统通过电流环的自动调节作用从而使得转速没有发生变化。
图形i的两张图形都是系统在受到不同干扰信号以及给定信号条件下，系统的变化过程，可以看出，但系统在收到扰动作用时，系统能够依靠自身电流环节负反馈和电压环节负反馈的自动调节作用使得系统能够维持恒定不变值，系统在一系列变化后回到原来状态，但是，当给定发生变化时，系统经过短暂的变化过程后，将会改变原来的稳定运行状态而到达新的稳定状态过程，因此，转速、电流双闭环直流调速系统具有服从给定，抑制扰动的作用。
参考文献
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机械工业出版社,2009.
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机械工业出版社，2007.
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机械工业出版社，2000.
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机械工业出版社，2006
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机械工业出版社，2006.
[8]候志林，过程控制与自动化仪表，机械工业出版社，2004。
[9]胡汉才，微型计算机原理与接口技术，清华大学出版社，2000。
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[11]刘明俊等，自动控制原理，国防科技大学出版社，2000年。
个人小结
本次设计包括了双闭环直流调速系统的市场产品的认识、对转速调节器和电流调节器的设计以及系统的仿真等等。
在本次设计中充分运用了所学知识，在理论和实际相结合下对双闭环直流调速系统进一步加深了理解。
本次设计过程中学会了很多道理，合作、互助、谈论，一起分析着这次设计中遇到的问题，向同学请教自己所缺陷的地方，一步步完善自己设计的同时也在一步步的完善自我。
课程设计期间通过书籍和上网，查询了许多关于设计的资料，与有共同设计内容的同学交流，分析、整理和研究课题，确立了设计基本思路，遇到问题及时与同学沟通，最后完成了整个设计。
设计中，通过查阅书籍，在了解的情况下运用公式按要求设计出所要的型号。
运用了protel绘制原理图及简单电路图，并用MATLAB对整个电路进行仿真。
通过设计进一步了解和掌握了双闭环直流调速系统及其控制电路的一些特性，比较全面的将所学的电力电子和电力拖动方面的知识运用于设计当中，对设计中一些参数的计算也比较清析得到，整个双闭
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