直流电机调速电路

1 绪论

1.1 直流调速的优点

直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一。它通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速，传统的控制系统采用模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，从而致使系统的运行特性也随之变化，故系统运行的可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。

双闭环直流调速系统是一个复杂的自动控制系统，在设计和调试的过程中有大量的参数需要计算和调整，运用传统的设计方法工作量大，系统调试困难，将SIMULINK 用于电机系统的仿真研究近几年逐渐成为人们研究的热点。同时，MATLAB软件中还提供了新的控制系统模型输入与仿真工具SIMULINK，它具有构造模型简单、动态修改参数实现系统控制容易、界面友好、功能强大等优点，成为动态建模与仿真方面应用最广泛的软件包之一。它可以利用鼠标器在模型窗口上“画”出所需的控制系统模型，然后利用SIMULINK提供的功能来对系统进行仿真或分析，从而使得一个复杂系统的输入变得相当容易且直观。

1.2 本人的主要工作

本文采用工程设计方法对转速、电流双闭环直流调速系统进行辅助设计，选择适当的调节器结构，进行参数计算和近似校验，并建立起制动、抗电网电压扰动和抗负载扰动的MATLAB/SIMULINK仿真模型，分析转速和仿真波形，并进行调试，使双闭环直流调速系统趋于完善、合理。

2 方案选择及系统工作原理

2.1 电动机参数及设计要求

1、输入三相交流电压：380 V

2、电机额定功率和转速：自定

3、要求电动机转速在（30%~100%）n N 范围内可调。 设参数如下：

直流电机额定电压220V N U =，额定电枢电流136A N I =，额定转速1460rpm N n =，电枢回路总电阻0.5Ωa R =，电感0.012H a L =，励磁电阻240f R =Ω，励磁电感

120H f L =，互感 1.8H af L =，0.132Vmin r e C =，允许过载倍数 1.5λ=。

晶闸管装置放大系数：40s K =，时间常数：0.03s l T =，0.18s m T =

2.2 方案选择及系统框图

2.2.1 方案一：转速单闭环直流电机调速系统

转速单闭环调速系统是一种最基本的反馈控制系统，其系统框图如图2.1所示。

ASR

M

TG

+

+_

+

_

_U ct

U d

I d

U

n

TA

U n *

GT V

_

图2.1 转速单闭环直流调速系统原理框图

ASR —转速环节 GT —触发装置 TA —电流互感器

TG —测速发电机 n U *

/n U —转速给定电压和转速反馈电压

2.2.2 方案二：转速、电流双闭环直流电机调速系统

采用转速负反馈和PI 调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在转速、电流双闭环调速系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接。为获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI 调节器，如图2.2所示。图中，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，而电流调节器的输出去控制电力电子变换器。

ACR

M

TG

+

+_

+

_

_U ct

U d

I d

U n

TA

U n

*

GT V

_

ASR

_U i

U i *

图2.2 转速、电流双闭环直流调速系统原理框图

ASR —转速环节 ACR —电流环节 GT —触发装置 TG —测速发电机 TA —电流互感器

n U */n U —转速给定电压和转速反馈电压 i U */i U —电流给定电压和电流反馈电压

2.2.3 方案三：双闭环脉宽调速系统

ACR

UPW PWM

M

TG

+

_U ct

U n

TA

U n *

ASR

_U i

U i *

GM

FA

DLD GD +

图2.3 双闭环控制的直流脉宽调速系统原理框图

UPW —脉宽调制器 GM —调制波发生器 GD —基极驱动器

DLD —逻辑延时环节 PWM —脉宽调制变换器 FA —瞬时动作的限流保护

比较三种方案，虽然转速单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差，但对于动态性能要求很高的系统中，单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流和转矩。转速、电流双闭环调速系统中设置了两个调节器，分别调节

转速和电流，能获得良好的静、动态性能。

所以本设计最终采用的是方案二：转速、电流双闭环调速。

2.3 系统工作原理简介

2.3.1 双闭环调速系统静态特性

为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如图2.4所示。

+ _

_

1

e

C

α

R

β

R

E

d I

0d

U

ASR ACR

i

U*i U ct U

n

U

n

U*_

+d I

n

n

A

n

I

d

I

dm

I

dnom

B

图2.4 双闭环调速系统稳态结构图图2.5 双闭环调速系统的静特性

分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征。一般存在两种情况：饱和----输出达到限幅值；不饱和----输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压U

∆在稳态时总是零。

实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。

2.3.2 双闭环系统启动过程分析

设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程（图2.6），因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先讨论它的起动过程。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分成三段。