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1、运动控制课程设计学 院 专业班级 姓 名 学 号 2014年10月摘要设计直流调速系统电气原理图，在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电，根据晶闸管的特性，通过调节控制角大小来调节电压。为了实现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，即分别引入转速负反馈和电流负反馈，二者之间实行嵌套联接。先确定其结构形式和设计各元部件，并对其参数的计算，包括给定电压、转速调节器、电流调节器、检测电路、触发电路和稳压电路的参数计算，最后采用MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行了仿真分析。关键词：双闭环；转速调节器；电流调节器；SimulinkAbstractDC s
2、peed control system design electrical schematics in the design of the main circuit speed control system uses a three-phase full-controlled bridge rectifier circuit to power, according to the characteristics of the thyristor, by adjusting the size of the control angle to adjust the voltage. In order
3、to achieve speed and current, respectively, the two negative feedback works, you can set the two regulators in the system, namely the introduction of speed respectively negative feedback and current negative feedback, implement nested joins between them. First determine its structure and design of t
4、he various component parts, and calculate its parameters, including a given voltage, speed regulator, a current regulator, the detection circuit, triggering parameter calculation circuit and voltage regulator circuit, and finally using MATLAB / SIMULINK right entire speed control system simulation a
5、nalysis. Keywords: double-loop; speed regulator; current regulator; Simulink目录摘要2Abstract31设计任务及要求51.1技术数据51.2设计要求51.3设计内容52双闭环调速系统的总体设计62.1控制电路原理72.2调节器原理82.3保护电路原理92.3.1晶闸管的过电压保护92.3.2晶闸管的过电流保护102.4 检测电路原理112.4.1 电流检测电路设计112.4.2 转速检测电路设计112.5 ACR及其限幅电路122.6 ASR极其限幅电路133 电流调节器设计143.1ACR结构设计143.2电流环
6、参数计算143.3 电流调节器的实现174转速调节器设计184.1ASR结构设计184.2转速环参数计算194.3转速调节器的实现205仿真测试215.1仿真原理图215.2 双闭环调速系统其它性能的研究仿真246总结体会247参考文献251设计任务及要求1.1技术数据采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电，基本数据如下：直流电动机=220V，=136A，=1460r/min，电枢电阻=0.2，允许过载倍数=1.5；晶闸管装置=0.00167s，放大系数=40；平波电抗器：电阻、电感；电枢回路总电阻R=0.5；电枢回路总电感L=15mH；电动机轴上的总飞轮惯量GD2=22.5Nm2；电流调节器最大
7、给定值=10.2V，转速调节器最大给定值=10.5V；电流滤波时间常数=0.002s，转速滤波时间常数=0.01s。1.2设计要求1、稳态指标：转速无静差；2、动态指标：电流超调量 ；3、空载启动到额定转速的转速超调量 。1.3设计内容1、写出设计说明书，内容包括：（1）各主要环节的工作原理；（2）整个系统的工作原理；（3）调节器参数的计算过程。2、画出一张详细的电气原理图3、采用Matlab中的Simulink软件对整个调速系统进行仿真研究，对计算得到的调节器参数进行校正，验证设计结果的正确性。将Simulink仿真模型，以及启动过程中的电流、转速波形图附在设计说明书中。2双闭环调速系统的总
8、体设计图2-1 双闭环直流调速系统设计总框架三相交流电路的交、直流侧及三相桥式整流电路中晶闸管中电路保护有电压、电流保护。一般保护有快速熔断器，压敏电阻，阻容式，根据不同的器件和保护的不同要求采用不同的方法。 驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，它将信息电子电路传来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。本设计使用的是晶闸管，即半控型器件，驱动电路对半控型只需要提供开通控制信号。直流调速系统中应用最普遍的方案是转速、电流双闭环系统，采用串级控制的方式。转速负反馈环为外环，其作用是保证系统的稳速精度；电流
9、负反馈环为内环，转速、电流两个闭环都带有输出限幅电路。转速调节器ASR的输出限幅值Iim决定了电枢电流的最大值Idm，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。起动过程中负载电流小于Idm时，电流Id迅速上升，ASR起主要调节作用，系统静特性表现为转速无静差；负载电流达到Idm后，ASR饱和，ACR起主要调节作用，转速呈线性增长，系统静特性表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。ASR、ACR均采用PI调节器以期获得良好的静、动态性能。PI调节器可以保护系统的稳态精度，同时提高系统的稳定性，又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。2.1控制电路原理下图V-M
10、系统的简单原理图，图中V是晶闸管变流装置，可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，以改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。图2-2 V-M系统的简单原理图整流电路就是把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。主电路多用硅整流二极管和晶闸管组成。滤波器接在主电路与负载之间，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。变压器的作用是实现交流输入电压与直流输出电压间的匹配以及交流电网与整流
11、电路之间的电隔离（可减小电网与电路间的电干扰和故障影响）。三相桥式全控整流电路原理图如下图所示。由阴极接法(VT1，VT3，VT5)和共阳极接法(VT1，VT6，VT2)的串联组合。输出脉动直流电压频率是频率的6倍，比三相半波电路高l倍，脉动减小，而且每次脉动的波形都一样，故该电路又可称为6脉动整流电路。图2-3 三相桥式全控整流电路当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a60时）的平均值为：2.2调节器原理系统设计的一般原则为：先内环后外环。即从内环开始，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。图2-4为转速、电
12、流双闭环调速系统的原理图，图2-5为双闭环调速系统的结构图。图中两个调节器ASR和ACR分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把电流调节器的输出作为转速调节器的输入，再用转速调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。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U*im决定了电流给定电压的最大值；转速调节器ASR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。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。其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。 图2-4 双闭环
13、调速系统电路原理图图2-5 双闭环调速系统结构框图2.3保护电路原理电力电子器件承受过电压、过电流的能力要弱得多，极短时间的过电压和过电流就会导致器件永久性的损坏。因此电力电子电路中过电压和过电流的保护装置是必不可少的，有时还要采取多重的保护措施。2.3.1晶闸管的过电压保护晶闸管对过电压很敏感，当正向电压超过其断态重复峰值值电压一定值时，就会误导通，引发电路故障；当外加的反向电压超过其反向重复峰值电压一定值时，晶闸管将会立即损坏。因此，必须研究过电压的产生原因及抑制过电压的方法。过电压产生的原因主要是供给的电压功率或系统的储能发生了激烈的变化，使得系统来不及转换，或者系统中原来积聚的电磁能量
14、不能及时消散而造成的。本设计采用如图2-6阻容吸收回路来抑制过电压。图2-6 阻容保护电路2.3.2晶闸管的过电流保护在整流中造成晶闸管过电流的主要原因是：电网电压波动太大负载超过允许值，电路中管子误导通以及管子击穿短路等。所以我们要设置保护措施，以避免损害管子。晶闸管不仅有过电压保护，还需要过电流保护。由于半导体器件体积小、热容量小，特别像晶闸管这类高电压、大电流的功率器件，结温必须受到严格的控制，否则将遭至彻底损坏。当晶闸管中流过的大于额定值的电流时，热量来不及散发，使得结温迅速升高，最终将导致结层被烧坏。晶闸管过电流保护方法中最常用的是快速熔断器。快速熔断器由银质熔丝埋于石英砂内，熔断时
15、间极短，可以用来保护晶闸管。 图2-7 晶闸管保护2.4 检测电路原理2.4.1 电流检测电路设计常用的电流检测方法有：（1）电枢回路串检测电阻；（2）电枢回路接直流互感器；（3）交流电路接交流互感器；（4）采用霍尔传感器。在这里我们用了电枢回路串联小的检测电阻后通过放大器放大的方法。图2-8 电流检测2.4.2 转速检测电路设计因为电刷两端的感应电势与电机的转速成正比，所以直流发电机能够把转速信号换成电势信号，从而用来测速。由直流电机电势公式得：根据直流电机电枢回路电压方程，又所以负载时测速发电机的输出电压为：如图2-9所示：、图2-9 转速检测2.5 ACR及其限幅电路ACR为电流调节器，为了获得良好的静、动态性能，电流调节器一般均采用PI调节器。由图可知，ACR的传递函数为：。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
