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1、电机及其运动控制课程设计报告引言调速系统是当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一种系统。目前对调速性能要求较高的各类生产机械大多采用直流传动，简称为直流调速。从上世纪50年代末开始，晶闸管出现，且晶闸管变流技术日益成熟，使直流调速系统更加完善。晶闸管电动机调速系统已经成为当今主要的直流调速系统，特别是大型电机项目，广泛应用于世界各国。常用的直流调速系统包括单闭环直流调速系统和转速、电流双闭环调速系统，以及融合了各种现代、智能控制方法的新型调速系统。在单闭环调速系统中，用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器的参数调速。单闭环调速系统，相对于运行性能要求很高的机床还存在着很多
2、不足，快速性还不够好。为了避免单闭环调速系统的种种缺点，我们可以采用转速、电流串级调速系统，即转速电流双闭环调速系统，采用两个调节器分别对转速和电流进行调节。基于电流和转速的双闭环直流调速系统在静态特性和动态特性上都能很理想，能很好的满足各种应用场所，是经典的控制系统。摘要本课程设计从直流电动机原理入手，建立V-M双闭环直流调速系统，设计双闭环直流调速系统的ACR和ASR结构，其中主回路采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电，触发器采用KJ004触发电路，系统无静差；符合电流超调量i5%；空载启动到额定转速超调量n10%。并详细分析系统各部分原理及其静态和动态性能，且利用Simulink对系统进行
3、各种参数给定下的仿真。关键词：双闭环；直流调速；无静差；仿真Double closed loop speed regulation system of V-MMain circuit current regulator and the design of the speed regulatorAbstractThis course is designed from DC motor, establish the principles of V-M double closed loop DC speed control system design, the double closed loop
4、dc speed control system and the structure, including ACR ASR the main loop thyristor three-phase bridge type all control the power supply and trigger the rectifier circuit KJ004 trigger circuit, the system without the static poor; Accord with current overshoots sigma I 5% or less; No-load start to t
5、he rated speed overshoot sigma n 10% or less. And detailed analysis of the system principle and the static and dynamic performance, and the system of simulink to various parameters set simulation.Key words：double closed loop；DC speed control system；without the static poor；simulation2目录引言1摘要2Abstract
6、31.设计原理11.1系统设计原理11.2各环节原理11.2.1 ACR原理11.2.2 ASR原理21.2.3 主电路原理31.2.4 检测电路原理31.2.5 保护电路41.2.6 电源电路72.系统设计方法及过程82.1系统设计对象82.2系统设计原则92.3系统设计步骤92.3.1电流环的设计92.3.2转速环的设计123.系统仿真及分析173.1 SIMULINK仿真模型建立173.2参数验证及优化193.3仿真分析223.3.1起动过程仿真分析223.3.2抗负载扰动分析243.3.3抗电网电压扰动分析254.设计总结275.心得收获287.附录311.设计原理1.1系统设计原理双
7、闭环V-M调速系统主要包括了以下几部分：ACR调节器、ASR调节器、主电路、检测电路、保护电路还有电源电路。我们着重进行了ACR和ASR的设计，同时也为其配置了合适的外围电路。双闭环调速系统的两个调节器的主要原理如下。调速系统的主要被控对象是转速，故把转速负反馈组成的环作为外环，以保证电动机的转速准确跟随给定电压，把由电流负反馈组成的环作为内环，把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。转速、电流两个闭环之间实行嵌套链接，且都带有输出限幅电路，转速调节器ASR的输出限幅电压 决定了电流给定电压的最大值，电流调节器
8、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。双闭环调速系统的静特性在负载电流小雨Idm时表现为转速无静差，这是，转速负反馈起主要调节作用，当负载电流达到Idm后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。因为PI调节器作为校正装置既可以保护系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性，作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求，一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。图1 总体系统框架1.2各环节原理1.2.1 ACR原理ACR为电流调节器，为了获得
9、良好的静、动态性能，电流调节器一般均采用PI调节器。PI调节器原理如图2，所以有 ACR的加入使作为内环的电流环成为I型系统环节，使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化，实现了时间最优控制。图2 ACR原理图1.2.2 ASR原理ASR为转速调节器，为了获得转速无静差以及良好的动态性能，转速调节器也采用PI调节。PI调节器原理如图3，所以 ASR的加入使外环转速环成为II型系统环节，所以可对负载变化产生的扰动起主要抗扰作用，且由于ASR作为ACR的输入，使得转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差。图3 ASR原理图1.2.3 主电路原理通过调节触发装置GT的控制电压U
10、c来移动脉冲的相位，即可改变平均整流电压Ud，从而实现平滑调速。晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）主电路原理图如下：图4 晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）主电路原理图图中VT是晶闸管可控整流器，它由三相全控桥式整流电路组成，如图5：图5 三相全控桥式整流电路本设计中采用了KJ004集成触发芯片进行触发控制，其基本原理相同。1.2.4 检测电路原理i. 转速检测电路设计转速的检测可把Un接到一个测速发电机上即可检测转速，如图6：图6转速检测ii. 电流检测电路设计使用霍尔电流传感器可以检测电流，把Ui接到霍尔传感器上，霍尔效应传感器可以测量任意波形的电流和电压，输出端能真实的反映输入端或电
11、压的波形参数，如图7：图7 电流检测1.2.5 保护电路i. 限幅电路设计限幅电路为能按限定的范围削平信号电压波幅的电路，又称限幅器或削波器。限幅电路常用于：（1）整形，如削去输出波形顶部或底部的干扰（2）波形变换，如将输出信号的正脉冲削去，只留下其中的负脉冲（3）过压保护，如强的输出信号或干扰有可能损坏某个部件时，可在这个部件前接入限幅电路。限幅电路按功能分为上限限幅电路、下限限幅电路和双向限幅电路三种。在上限限幅电路中，当输入信号低于某一实现设计好的上限电压时，输出电压将随输入电压而增减，但当输入电压达到或者超过上限电压时，输出电压将保持为一个固定值，不再随输入电压而变，这样信号幅度即在输
12、出端受到限制，同样，下限限幅电路在输入电压低于某一下限电平时产生限幅作用，双向限幅电路则在输入电压过高或过低的两个方向上均产生限幅作用。限幅电路原理图如下：图8-1 二极管钳位的的外限幅电路图8-2 稳压管钳位的外限幅电路ii. 过压保护电路电力电子装置中过电压分为外因过电压和内因过电压两类，外因过电压主要来自雷击和系统的操作过程等外部因素。内因主要是由于电力电子装置内部器件的开关过程产生的过电压。对于外因过电压可以设置避雷器、变压器屏蔽层、静电感应过电压抑制电容、压敏电阻过电压抑制器等。本设计采用RC过电压抑制电路和压敏电阻如下图。图9-1 过电压抑制电路 图9-2压敏电阻变压器空载且电源电
13、压过零时原边拉闸，此时变压器励磁电流及铁心中磁通最大，他们的突变将在副变产生出很高的过电压，采用阻容电路利用电容两端电压不能突变的特性，可以有效的抑制变压器绕组的过电压，而串联的电阻能消耗部分过电压能量，同时抑制LC回路的振荡。将RC过电压抑制电路置于供电变压器的两侧或者是电力电子电路的直流侧。对于雷击等更高的浪涌电压，阻容保护还不能吸收或抑制时，采用压敏电阻等非线性电阻进行保护。平时，压敏电阻呈现高阻状态，漏电流极小，一旦发生浪涌电压，超过了压敏电阻的额定电压时，它很快变成低阻状态，通过较大的放大电流，把浪涌的能量吸收掉，过电压就被抑制下来，浪涌电压过后，一切又恢复正常。iii. 过流保护电
14、路当电力电子电路运行不正常或者发生故障时，可能会出现过电流的现象，实际应用的电力电子装置中，一般采用快速熔断丝、直流快速断路器、过电流继电器等几种方式组合使用。快速熔断丝的作用是防止过大电流，其额定电压应大于线路正常工作的电压有效值。快速熔断器的接法有安装在交流侧、与元件串联、安装在直流侧三种，见图3-9。交流侧快速熔断器能够对元件短路和直流侧短路起保护作用，但它对晶闸管元件的保护作用较差。直流侧快速熔断器仅能对直流侧短路与过载起保护作用。与元件串联快速熔断器，由于两者电流相同，故元件保护作用最好，应用极为广泛。对中、小容量系统。一般只采用此种接法。图10 快速熔断器的接法a)交流侧快速熔断器
15、 b)与器件串联快速熔断器 c)直流侧快速熔断器过流保护电路采用采用型过电流保护电路如下图。在三相母线每一相串接如图的过流保护电路。图11 采用型过电流保护电路IV. 缓冲电路缓冲电路的作用是抑制电力电子器件内因过电压或过电流，以减小器件的开关损耗。本设计中采用如图所示的缓冲电路，其中电阻、电容的取值可根据实际流通晶闸管的电流、以及晶闸管的导通时间来选取。 图12 缓冲电路原理图1.2.6 电源电路系统辅助电源设计直流稳压电源主要由两部分组成：整流电路和滤波电路。整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导通作用，因此，二极管是组成整流电路的关键元件。在小功率（1KW）整流电路中，常见的几种整流电流有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。本设计采用桥式整流电路，其主要特点是：输出电压高，纹波电压
