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1、目 录第一章绪论 2第二章主电路结构选择 32.1 变压器参数计算 4第三章双闭环直流调速系统设计 53.1 电流调节器的设计 73.2转速调节器的设计 10第四章触发电路的选择与原理图 14第五章直流调速系统MATLA仿真 16第六章 总结 18第七章参考文献 18第一章绪论转速负反馈控制直流调速系统（简称单闭环调速系统）PI调节器的单闭环转速系统可以实现转速调节无静差，消除负载转矩扰动对稳态转速的影响，并用 电流截止负反馈限制电枢电流的冲击，避免出现过电流现象。但转速单闭环系统 并不能充分按照理想要求控制电流（或电磁转矩）的动态过程。对于经常正、反转运行的调速系统，缩短起、制动过程的时间是
2、提高生产率 的重要因素。在起动（或制动）过渡过程中，希望始终保持电流（电磁转矩）为 允许的最大值，使调速系统以最大的加（减）速度运行。当到达稳态转速时，最 好使电流立即降下来，使电磁转矩与负载转矩相平衡，从而迅速转入稳态运行。 这类理想启动过程示意下图1所示。启动电流呈矩形波，转速按线性增长。这是在最大电流(转矩)受限制时调速系 统所能获得的最快的起动(制动)过程。下面我们引入了一种双闭环系统来对控制系统进行优化。第二章主电路结构选择目前具有多种整流电路，但从有效降低脉动电流保证电流连续和电动机额定参数 的情况出发本设计选用三相桥式全控整流电路，其原理如图2-1所示，习惯将其中阴极连接在一起到
3、3个晶闸管(VT,VT3,VT5)称为共阴极；阳极连接在一起的3个晶闸 管(VT2,VT4,VT6)称为共阳极，另外通常习惯晶闸管从1至6的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与a,b,c三相电源相接的3个晶体管分别是 VTi ,VT3,VT5,共阳极组中与a,b,c三相电源相接的3个晶闸管分别是VT2,VT4,VT6。图2-1三相桥式全控整流电路原理图其工作特点为：1)每个时刻均需2个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中1个晶闸管是共阴极组的，1个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。2)6个晶闸管的触发脉冲按VT VT2 VT3 VT4 VT5 VT6的顺序相为、位依
4、次相差60 ；共阴极组的脉冲依次差120，共阳极组也依次差120 ;同一相的上下两个桥臂即 VT1与VT4，VT3与VT6, VT5与VT?脉冲相差180 。3)整流输出电压 g 周期脉动6 次，每次脉动的波形都一样。4)在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为保证 电路的正常工作，需保证同时导通的 2个晶闸管均有触发脉冲。2.1变压器参数计算由于整流输出电压 山的波形在一周期内脉动 6次的波形相同，因此在计算 时只需对一个脉冲进行计算。由此得整流输出平均电压Ud =2.34U2 cos：(:岂 60)显然Ud、比=440乂如果忽略晶闸管和电抗器的压降，则可以求得变压器副 边输出定的冷却状态下
5、，稳定结温不超过额定结温是允许流过的最大工频正弦半波电 流的平均值。因此在使用时同样应按照实际波形的电流与通态平均电流所造成的发热 效应相等，即有效值相等的原则来选取晶闸管的电流定额，并留有一定裕量。一般取其通态平均电流为此原则所得计算结果的1.5-2倍。可按下式计算：1 T( AV) =(1.52) K fb 1 MAX ，式中计算系数Kfb=Kf/1.57Kb由整流电路型式而定，Kf为波形系数，心为共阴 极或共阳极电路的支路数。当, -0时，三相全控桥电路Kfb =0.368故计算的晶闸管额定电流为It（av）=（1.5-2）KfblMAx =（1.52）0.368 左20 为.5）=18
6、2.16242.88A，取 200A。第三章双闭环直流调速系统设计双闭环直流调速系统控制原理图如图 3.1所示速度调节器根据转速给定电压 Un 和速度反馈电压Un的偏差进行调节，其输出是电流的给定电压 Ui （对于直流电动机 来说，控制电枢电流就是控制电磁转矩，相应的可以调速）。电流调节器根据电流给 定电压Ui和电流反馈电压Ui的偏差进行调节，其输出是功率变换器件（三相整流装 置）的的控制信号Uc。通过Uc电压进而调节镇流装置的输出，即电机的电枢电压， 由于转速不能突变，电枢电压改变后，电枢电流跟着发生变化，相应的电磁转矩也跟 着变化，由Te-T_二jdn，只要Te与Tl不相等那么转速n会相应
7、的变化。整个过程到 dt电枢电流产生的转矩与负载转矩达到平衡，n不变后，达到稳定。图3.1双闭环直流调速系统电路原理图在双闭环直流调速系统中，转速和电流调节器的结构选择与参数设计须从动态 校正的需要来解决。如果采用单闭环中的伯德图设计串联校正装置的方法设计双闭环 调速系统这样每次都需要先求出该闭环的原始系统开环对数频率特性，在根据性能指标确定校正后系统的预期特性，经过反复调试才能确定调节器的特性， 从而选定其结 构并计算参数但是这样计算会比较麻烦。 所以本设计采用工程设计方法：先确定调节 器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需的稳定精度。再选择调节器的参数，以满 足动态性能指标的要求。这样做，
8、就把稳，准，快和抗干扰之间相互交叉的矛盾问题 分成两步来解决，第一步先解决主要矛盾，即动态稳定性和稳定精度，然后再进一步 满足其他动态性能指标。按照“先内环后外环” 的一般系统设计原则，从内环开始，逐步向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速 调节系统中的一个环节，再设计转速调节器如图3.2所示为双闭环直流调速系统动态 结构框图。图3.2双闭环直流调速系统动态结构框图在双闭环调速系统在稳态工作中， 当转速和电流两个调节器都不饱和时， 各变量之间有下列关系:uu =*UiUiUcU d0 _ Cen 打只_ CjJn / IRKsKsKs在稳态工作点上，转速n是由给定电压
9、Un*决定的，ASR勺输出量U*是有负载电 流IdL决定的，而控制电压U的大小则同时取决于n和Id。这些关系反映了 PI调节器不同于P调节器的特点。P调节器的输出量总是正比于其输入量，而 PI调节器则不然，其输出量在动态过程中决定于输入量的积分，达到稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。调节器提供多么大根据各调节器的转速反馈系数“ U n m a x ot =电流反馈系数nm a x本设计中电流调节器输出负限幅值为 0V,正限幅值为10V;转速调节器输出负限幅值为10V,正限幅值为0V。根据已知参数可求得转速
10、反馈系数为:电流反馈系数nmax10V0.0055V min/r 1800r / mi nId 220 1.5A =0.03V/A另外由CeTNRa根据电机参数得Ce440 -220 遊=0.2337min/rnN1800双闭环调速系统的稳态参数计算和无静差系统的稳态计算相似, 给定与反馈值计算有关的反馈系数3.1电流调节器的设计在图3.2画线结构框图中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际反电动势与转速成正比，系统的电磁时间常数远小于机电时间常 数，因此转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基
11、本不变，即：E ： 0.这样在按动态性能设计电流环时，可以不考虑反电动势变化的影响。也就是说可以去掉反电动 势的作用这样得到电流环的近似结构框图如图 3.3所示电流环动态结构图可简化为：图3.3电流环动态结构框图1）确定时间常数根据已知数据得电磁时间常数Tl18 100.42=0.04s三相桥式晶闸管整流电路的平均后时间Ts = 0.0017s，取电流反馈滤波时间常数To 0.002s，可得电流环的小时间常数为乃=Ts + G = 0.0017 s+0.002 s = 0.0037 s2）选择电流调节器结构根据设计要求电流超调量 SV5%并且保证稳态电流无静差，可以按典型 I型系统设计电流调节
12、器。电流环控制对象是双惯性型的，因此电流调节器选用PI调节器，其传递函数为Wacr(S)二 KiiS 1is另检查电源电压的抗扰动性能： 004 10.8参照附表3-1的典型I型系TE 0.0037统动态抗扰性能可采用PI调节器。表3-1典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系KT0.250.390.500.691.0阻尼比E1.00.80.7070.60.5超调量S0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间trOO6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间tpOO8.3T6.2T4.7T3.6T相对稳定裕度Y76.3 69.9 65.5 59.2 51.8 截止频率3C0
13、.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T3）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：i订=0.04s为满足S i%岂5%要求，应取KiTi=0.5，因此电流环开环增益K|为K| =12g1(2 0.0037)S = 135.14 S于是电流调节器的比例系数 Q为Ki= K|= 1.12R = 135.1 汉 0.04 汉 0.42:Ks =48 0.0454）校验近似条件电流环截至频率ci = KI =135.14s,晶闸管装置传递函数近似条件为ci,3Ts13TS故该近似条件满足。忽略反电动势影响的近似条件为 ci _ 3 1/(TmT )，现3.1/(TmT)
14、 = 3 ,1/(0.1 0.04)s，=47.4s，： wci 故该近似条件满足。电流环小时间常数近似处理条件为”*.吋)，现1 , 1/(TsToi) = 11/(0.00170.002) sJ=180.8s ci3，3 故该近似条件满足。5) 取调节器的输入电阻 尺=40匕1】，则电流调节器的各参数为R = K Ro =1.134 40 k1 =45.36k1，取 45 k.160.14 1045 103JF =3.1F，取 3F6取0.476=如=4 O002 /0 牛 “JFRo40 10根据上述参数可以达到的动态指标为S i%=4.3% 乞 5%故能满足设计要求。3.2转速调节器的设计电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，这样用电流环等效环节代替电流环后整个转速控制系统的动态结构图如下图3.4所示：图3.4流环动态结构框图1) 确定时间常数1电流环的等级时间常数为一 =2Ti=0.0074s,(在电流环中已取因KiTE=0.5)。取转Ki一速反馈滤波时间常数Ton =0.01s,那么转速环的时间常数为T卄 2E T=0.0074s+0.01s=0.0174s2) 选择转速调节器结构为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前必须有一个积分环节，它应包含在转速调节器
