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1、湖南文理学院课程设计报告课程名称： 专业班级： 学生姓名： 石 扬 指导教师： 潘 湘 高 完成时间： 报告成绩： 评阅意见： 评阅教师 日期 湖南文理学院制双闭环直流调速控制系统设计目 录1、设计要求62、设计的作用与目的63、所用设备及软件74、系统设计方案74.1、整流电路和整流器件的选择74.2、整流变压器参数的计算84.3、整流器件的保护84.4、平波电抗器参数的计算94.5、触发电路的选择94.6、双闭环直流调速控制系统原理图设计104.6.1、系统的组成104.6.2、系统的电路原理图115、系统硬件设计125.1、直流双闭环调速系统调节器设计125.1.1、获得系统设计对象12
2、5.2、电流调节器的设计135.2.1、电流环结构框图的化简135.2.2、电流调节器结构的选择155.2.3、电流调节器的参数计算165.2.4、电流调节器的实现185.3、转速调节器的设计185.3.1、电流环的等效闭环传递函数185.3.2、转速调节器的结构选择195.3.3、选择转速调节器结构215.3.4、计算转速调节器参数215.3.5、计算调节器电阻和电容215.4、转速调节器的实现226、系统软件设计236.1、系统起动过程237、实验调试结果分析247.1、仿真实验247.2.仿真波形分析278、心得体会289、参考文献29双闭环直流调速控制系统的设计 前 言 直流电机调速系
3、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极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
4、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，以调节电枢电压方式为最好，调压调速是调速系统的主要调速方式。 1、设计要求设计一个直流电机的转速、电流双闭环控制系统。采用控制电枢电压改变电动机的转速，电枢电压由三相桥式整流电路提供。系统具体参数：直流电机： ，允许过载系数；电机轴上总飞轮力矩：；电枢回路总电阻：；电枢回路总电感：；晶闸管装置放大系数，电动机工作在额定负载下。设计要求：（1） 稳态指标：系统静差率2%；（2） 动态指标：电流超调量8%，空载起动到额定转速时超调量 10%，起动速度快；（3） 基于直流电机基本方程，建立直流电机转速、电流双闭环调（4） 速系统数学模型，给
5、出系统动态结构图；（5） 对系统进行仿真试验与实际调试。2、设计的作用与目的三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加
6、工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。直流调速系统中应用最普通的方案是转速、电流双闭环系统。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
7、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。转速、电流双闭环直流调速系统在突加给定下的跟随性能、动态限流性能和抗扰动性能等，都比单闭环调速系统好。3、所用设备及软件运用了protel 绘制电气原理图，一些简单的图形用画图板和Word中的画图工具画出来，电流调节器、转速调节器等。4、系统设计方案4.1、整流电路和整流器件的选择 目前在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，其原理图如图1所示，其中阴极连接在一起的三个晶体管（VT1，VT3，VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的三个晶体管（VT4，VT6，VT2）称为共阳极组。三相桥式全控整流电路图4.
8、2、整流变压器参数的计算采用三相双绕组变压器。设计参数如下：U2N=UN=220V；I2N=IN=136A；额定容量：SN=sqr(3)* U2N* I2N=518.23KVA 三相双绕组变压器原理图4.3、整流器件的保护电力电子器件中不可避免的会发生过电压，会损坏电力电子器件。对于大容量的电力电子装置，可以采用如下图所示的反向阻断式RC电路来限制和吸收过电压。反向阻断式RC电路4.4、平波电抗器参数的计算 负载为直流电动机时，如果出现电流断续则电动机的机械特性将很软。当电流断续时，随着Id的增大，转速n（与反电动势成比例）降落很大，机械特性较软，相当于整流电源的内阻增大。较大的电流峰值在电动
9、机换向时容易产生火花。同时，对于相等的电流平均值，若电流波形底部较窄，则其有效值越大，要求电源的容量也大。为了克服以上缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。总电感：L=TlR=0.002*0.6=1.2mH平波电抗器的电感量：L=L-0.693U2/Idmin=2.74mH4.5、触发电路的选择如图所示的晶体管触发电路，它由V1，V2组成的脉冲放大环节和脉冲变压器TM及附属电路构成的脉冲输出环节两部分组成。当V1，V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出触发脉冲。VD1和R3是为了V1，V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其
10、储存的能量而设的。为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分，还需适当附加其它电路环节。 晶体管触发电路4.6、双闭环直流调速控制系统原理图设计4.6.1、系统的组成转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广、性能很好的直流调速系统。采用PI调节的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足要求了。 图1理想快速启动过程电流和转速波形如图1所示，为了实现在允许条件下的最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过
11、程。所以，我们希望达到的控制：启动过程只有电流负反馈，没有转速负反馈；达到稳态转速后只有转速负反馈，不让电流负反馈发挥作用。故而采用转速和电流两个调节器来组成系统。为了实现转速和电流两种负反馈分别在系统中起作用，可以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（或称串级）连接，如图2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；转速环在外面，称作外环。这就组成了转速、电流双闭环调速系统。图2转速、电流双闭环直流调速系统4.6.2、系统的电路原理图图3直流双闭
12、环调速系统电路原理图为了获得良好的静、动态性能，转速和电路两个调节器一般都采用PI调节器，这样组成的直流双闭环调速系统电路原理图如图3所示。图中ASR为转速调节器，ACR为电流调节器，TG表示测速发电机，TA表示电流互感器，GT是触发电路，UPE是电力电子变换器。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。图中还标出了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给的电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。5、系统硬件设计5.1、直流双闭环调
13、速系统调节器设计本设计将运用工程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器。按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外扩展。在双闭环系统中，应该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的一个环节，再设计转速调节器。5.1.1、获得系统设计对象根据图3直流双闭环调速系统电路原理图可以方便的绘出系统的稳态结构框图如图4所示。其中为转速反馈系数，为电流反馈系数。图4直流双闭环调速系统的稳态结构框图在考虑双闭环控制的结构的基础上，即可绘出直流双闭环调速系统的动态结构框图，如图5所示。图中和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
14、动态结构框图中必须把电枢电流显示出来。图5直流双闭环调速系统的动态结构框图在实际设计过程中，由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可以用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要选定，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的延时，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。由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，滤波时间常数用表示。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的给定滤波环节。所以直流双闭环调速系统的实际动态结构框图应该与图5有所不同，应当增加滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环
