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1、 运 动 控 制 系 统 大 作 业 基于转速、电流双闭环的 不可逆V-M直流调速系统的设计与仿真 Design and Simulation of System Irreversible V-M DC Speed ControlBased on the Speed of Current Double Closed-loop 院（部）： 电子信息与电气工程学院 专业班级： 自动化2011级2班 学生姓名： 原加伟 学生学号： 201102010105 指导教师姓名： 雷 慧 杰 指导教师职称： 讲 师 2014 年 12月目 录摘要.引言.1第一章 绪论.2 1.1设计目的.2 1.2 设计要
2、求.2第二章 系统总体设计方案.3 2.1双闭环直流调速系统.3 2.2 主电路设计方案.3 2.2.1 整流系统及其主要参数计算.3 2.3 控制电路方案设计.4 2.3.1 电流调节器的设计.5 2.3.2 转速检测电路的设计.9 2.3.3 触发电路的设计.9 2.3.4 转速调节器的设计.10第三章 参数计算和选型设计.14 3.1 整流变压器额定参数计算.14 3.2 过电压保护和du/dt和di/dt的限制.16 3.3 平波电抗器的参数计算.16 3.4 直流侧保护.16 3.5 交流侧保护.16第四章 系统仿真.18 4.1 电流环的仿真.18 4.2 转速环的仿真.19结果与
3、结论.21收获与体会.21参考文献.22附录.23 基于转速、电流双闭环的不可逆V-M直流调速系统的设计与仿真摘要：电力拖动实现了电能与机械能之间的能量转换，而电力拖动自动控制系统也即运动控制系统的任务是通过控制电动机电压，电流和频率等输入量，来改变工作机械的转矩，速度和位移等机械量，是各种工作机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。 我们现在要研究的是晶闸管整流器控制的转速电流双闭环直流调速系统，主电路设计是依据晶闸管-电动机系统组成，其系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器和电动机-发电机组等组成。整流变压器和晶闸管整流调速装置的功能是将输入的交流电整流后变成直
4、流电；平波电抗器的功能是使输出的直流电流更平滑；电动机-发电机组提供三相交流电源，整个系统可以实现电动机的平滑调速。关键词：双闭环 电流调节器 转速调节器 直流调速 I引 言随着社会化大生产的不断发展，电力传动装置在现代化工业生产中的得到广泛应用，对其生产工艺、产品质量的要求不断提高，这就需要越来越多的生产机械能够实现制动调速，因此我们就要对这样的自动调速系统作一些深入的了解和研究。 本次设计包括主电路和控制回路的设计。本设计通过分析直流双闭环调速系统的组成，设计出系统的电路原理图。同时，采用工程设计的方法对直流双闭环调速系统的电流和转速两个调节器进行设计，先设计电流调节器，然后将整个电流环看
5、作是转速调节系统的一个环节，再来设计转速调节器。遵从确定时间常数、选择调节器结构、计算调节器参数、校验近似条件的步骤一步一步的实现对调节器的具体设计。之后，再对系统的起动过程进行分析，以了解系统的动态性能。23第一章 绪论1.1设计目的双闭环控制可实现转速和电流两种负反馈的分别作用，从而获得良好的静，动态性能。其良好的动态性能主要体现在其抗负载扰动以及抗电网电压扰动之上。正由于双闭环调速的众多优点，所以在此有必要对其最优化设计进行深入的探讨和研究。本次课程设计目的就是旨在对双闭环进行最优化的设计。1.2 设计要求具体设计要求如下：他励直流电动机，额定功率29.92kW，额定电压220V，额定电
6、流136A，额定转速1460r/min，Ce=0.132Vmin/r，允许过载倍数l=1.5。晶闸管装置放大系数Ks=40，电枢回路总电阻R=1W，机电时间常数Tm=0.18s，电磁时间常数Tl=0.03s，电流反馈系b=0.05V/A，转速反馈系数a=0.007Vmin/r，转速反馈滤波时间常数T on=0.005s，T oi=0.005s，总飞轮力矩GD2=2.5N.m，h=5。1、稳态指标：稳态无静差，调速范围D=10，静差率5%；2、动态指标：电流超调量i 5% ，转速超调量n 10%；3、画出完整详细的系统原理图；4、基于 MATLAB 7.5 ，仿真启动过程，分析是否满足动态性能指
7、标。第二章 系统总体设计方案2.1双闭环直流调速系统 该方案主要由给定环节、ASR、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环；转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成转速环，称为双闭环调速系统。因转速换包围电流环，故称电流环为内环，转速环为外环。在电路中，ASR和ACR串联，即把ASR的输出当做ACR的输入，再由ACR得输出去控制晶闸管整流器的触发器。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具有输入输出限幅功能的PI调节器，
8、且转速和电流都采用负反馈闭环。该方案的原理框图如图1.1所示。电流检测整流触发装置ASRACR负载电压电动机转度检测 图2.1双闭环直流调速系统原理框图2.2 主电路设计方案2.2.1 整流系统及其主要参数计算三相全控桥整流电路是目前应用最广泛的整流电路，其输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广（将近50）。把该电路应用于本设计，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。整理系统示意图如下;图2.2 V-M系统主电路示意图图2.2会出了晶闸管整流器-电动机调速系统（简称V-M系统）的原理图，图中VT是晶闸管整流器，通过调节触发装置GT的控制
9、电压Uc来移动触发脉冲的相位，改变可控整流器的平均输出电压Ud，从而实现直流电动机的平滑调速。本次设计采用三相全控桥整流电路，因此，整流电压Ud为： 当最大为1时，可得到最大整流电压为电动机额定电压Ue，因此：U2为整流变压器二次侧额定相电压的有效值。变压器选择，原边相电压为220V，副边相电压U2为94V。电动机额定功率为30Kw，因此变压器容量可选为50KV*A，联结组别为Y/d-11。晶闸管承受最大反向电压为U2，因此晶闸管的额定电压为： U额=（2-3）94V=460-690V因此晶闸管可选额定电压为500V。电动机额定电流Ie为136A，因此晶闸管额定电流约为： 因此晶闸管的额定电流
10、可选为200A。而晶闸管的触发电压一般为3V左右，因此，控制电压Uc可选为5V。2.3控制电路方案设计 为了提高直流电动机的调速范围，并且降低静差，只能减少负载所引起的转速降落。但是开环调速，转速降是由电机参数决定的，为此，我们引入了转速反馈控制，有效解决了这一难题。而为了解决电动机匀速起动以及运行故障过电流的问题，我们适当引入了电流负反馈。为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器。分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套连接。如图所示，把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，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
11、里边，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统。为了获得较好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。系统示意图如下：图2.3转速、电流双闭环直流调速系统示意图 基于转速、电流直流调速系统，我们可以得出其动态结构图。系统中加入电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节，以减少检测信号和给定信号的扰动。这样的滤波环节传递函数可用一届惯性环节来表示，其滤波时间常数按需求来定。动态结构图如下： 图2.4 V-M双闭环直流调速系统动态结构图注：电流反馈滤波时间常数Toi=0.005s，转速反馈滤波时间常数Ton=0.005s，电流反馈系b=0.05V/A，转速反馈系数a=0.007Vmin/r。2.3.1电流调节器的设计1.电流调节器的工作原理电流调节器也有两个输入信号。一个是速度调节器输出反映偏差大小的主控信号Un，一个是由交流互感器测出的反映主回路电流反馈信号Uif，当突加速度给定一个很大的输入
