双闭环直流电机调速系统设计综述

双闭环直流电机调速系统设计综述
《自动控制系统论文设计报告》
班级：自动化 09-1
姓名：许丹阳
学号：0918120123
时间：2012年 5月 12号
指导老师：丁丽娜
大连海洋大学信息工程学院
自动化研究所
双闭环直流电机调速系统设计
摘要
转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。

依据晶闸管的特征，经过调理控制角α 大小来调理电压。

鉴于设计题目，直流电动机调速控制器选
用了转速、电流双闭环调速控制电路。

在设计中调速系统的主电路采纳了三相全控桥整流电
路来供电。

本文第一确定整个设计的方案和框图。

而后确定主电路的构造形式和各元零件的
设计，同时对其参数的计算，包含整流变压器、晶闸管、电抗器和保护电路的参数计算。

接
着驱动电路的设计包含触发电路和脉冲变压器的设计。

最后，即本文的要点设计直流电动机
调速控制器电路，本文采纳转速、电流双闭环直流调速系统为对象来设计直流电动机调速控
制器。

为了实现转速和电流两种负反应分别起作用，可在系统中设置两个调理器，分别调理转速和电流，即分别引入转速负反应和电流负反应，两者之间推行嵌套联接。

从闭环构造上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称做外环。

这就形成了转速、电流双闭环调速系
统。

先确定其构造形式和设计各元零件，并对其参数的计算，包含给定电压、转速调理器、
电流调理器、检测电路、触发电路和稳压电路的参数计算而后最后采纳MATLAB/SIMULINK 对整个调速系统进行了仿真剖析，最后画出了调速控制电路电气原理图。

要点词：双闭环；转速调理器；电流调理器
目录一.绪论
二 . 直流调速系统的方案设计
2. 1. 1
2 . 2
三．调理器的设计
3. 1
四．鉴于 MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真五．课程设计总结
六．参照文件
绪论
直流调速系统的概括
三十多年来，直流电机调速控制经历了重要的改革。

第一实现了整流器的更新换代，以晶
闸管整流装置代替了惯用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动达成了一
次大的跃进。

同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高靠谱性及低成本。

以上
技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提升，应用范围不停扩大。

直流调速技术不停发展，走向成熟化、完美化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中
仍旧难以代替。

直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速, 以知足工作机械的要求。

从机械特征上看, 就是经过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械
特征 , 进而改变电动机机械特征和工作特征机械特征的交点, 使电动机的稳固运行速度发生
变化。

直流电动机拥有优秀的起、制动性能，宜于在宽泛范围内光滑调速，在轧钢机、矿井卷
扬机、发掘机、大海钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动
的领域中获得了宽泛的应用。

最近几年来，交流调速系统发展很快，但是直流拖动系统不论在
理论上和实践上都比较成熟，并且从反应闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。

为什么要采纳直流双闭环调速
同开环控制系统对比，闭环控制拥有一系列长处。

在反应控制系统中，不论出于
什么原由（外面扰动或系统内部变化），只需被控制量偏离规定值，就会产生相应的
控制作用去除去偏差。

所以，它拥有克制扰乱的能力，对元件特征变化不敏感，并能
改良系统的响应特征。

因为闭环系统的这些长处所以采纳闭环系统。

单闭环速度反应调速系统，采纳PI 控制器时，能够保证系统稳态速度偏差为零。

可是假如对系统的动向性能要求较高，假如要求迅速起制动，突加负载动向速降小等，
单闭环系统就难以知足要求。

这主假如因为在单闭环系统中不可以完好依据要求来控制
动向过程的电流或转矩。

此外，单闭环调速系统的动向抗扰乱性较差，当电网电压颠
簸时，一定待转速发生变化后，调理作用才能产生，所以动向偏差较大。

在要求较高的调速系统中，一般有两个基本要求：一是能够迅速启动制动；二是能
够迅速战胜负载、电网等扰乱。

经过剖析发现，假如要求迅速起动，一定使直流电动机
在起动过程中输出最大的恒定同意电磁转矩，即最大的恒定同意电枢电流，当电枢电流
保持最大同意值时，电动机以恒加快度升速至给定转速，而后电枢电流立刻降
至负载电流值。

假如要求迅速战胜电网的扰乱，一定对电枢电流进行调理。

以上两点都波及电枢电流的控制，所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量，构成转速、电流双闭环调速系统。

研究课题的目的和意义
在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调理作用遇到多个环节的
延滞，所以单闭环调速系统抵挡电压扰动的性能要差一些。

双闭环系统中，因为增设了电流
回来，抗扰性能大有改良所以，在双闭环系统中，由电网电压颠簸惹起的转速动向变化会比
单闭环系统小得多。

用经典的动向校订方法设计调理器须同时解决稳、准、快、抗扰乱等各
方面互相有矛盾的静、动向性能要求，需要设计者有扎实的理论基础和丰富的实践经验，而初学者则不易掌握，于是有必需成立适用的设计方法。

大部分现代的电力拖动自动控制系统
均可由低阶系统近似。

若预先深入研究低阶典型系统的特征并制成图表，那么将实质系统校正或简化成典型系统的形式再与图表比较，设计过程就简易多了。

这样，就有了成立工程设计方法的可能性。

直流调速系统的方案设计
2.1 ．设计内容和要求
设计内容：
1.依据题目的技术要求，剖析论证并确定主电路的构造形式和闭环调速系统的构成，
画出系统构成的原理框图。

2.调速系统主电路元零件确实定及其参数计算。

3.驱动控制电路的选型设计。

4．动向设计计算：依据技术要求，对系统进行动向校订，确定ASR调理器与ACR调理器的构造形式及进行参数计算，使调速系统工作稳固，并知足动向性能指标的要求。

5．绘制 V— M双闭环直流不行逆调速系统电器原理图，并研究参数变化时对直流电动
灵活向性能的影响。

设计要求（设想参数）：
1.该调速系统能进行光滑地速度调理，负载电机不行逆运行，拥有较宽地转速调速范围（ D 10 ），系统在工作范围内能稳固工作。

2.系统静特征优秀，无静差（静差率S 2 ）。

3.动向性能指标：转速超调量n 8%，电流超调量i 5% ，动向最大转速降
n 810% ，调速系统的过渡过程时间（调理时间）t s1s 。

4.系统在 5%负载以上变化的运行范围内电流连续。

5.调速系统中设置有过电压、过电流保护，并且有制动举措。

6.主电路采纳三项全控桥。

2.2 ．双闭环直流调速系统总设计框图
在生活中，直接供应的是三订交流760V 电源，而直流电机的供电需要三相直流电，因此要进行整流，本设计采纳三相桥式整流电路将三订交流电源变为三相直流电源，最后达到要求把电源供应给直流电动机。

如图2-1 设计的总框架。

三订交流电源三相直流电源直流电机
整流供电
保护电路驱动电路双闭环调速系统
图 2-1双闭环直流调速系统设计总框架
三订交流电路的交、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。

一般保护有迅速熔断器，压敏电阻，阻容式。

依据不一样的器件和保护的不一样要求采纳不一样的方法。

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依据其控制目标的要求，变换为加在电力电子器件控制端和公共
端之间，能够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
半控型只需要供应开通控制信号，对于晶闸管的驱动电路叫作触发电路。

直流调速系统中应用最广泛的方案是转速、电流双闭环系统，采纳串级控制的方式。

转速负反应环为外环，其作用是保证系统的稳速精度；电流负反应环为内环，其作用是实现电
动机的转距控制，同时又能实现限流以及改良系统的动向性能。

转速、电流双闭环直流调速
系统在突加给定下的跟从性能、动向限流性能和抗扰动性能等，都比单闭环调速系统好。

2.3.主电路的构造形式
在直流调速系统中，我们采纳的是晶闸管- 电动机调速系统( 简称 V-M 系统 ) 的原理图如图 2-2 所示。

它经过调理处分装置GT的控制电压U c来挪动触发脉冲的相位，即可改变均匀整流电压 U d，进而实现光滑调速。

与旋转变流机组及离子拖动变流装置对比，晶闸管整流
装置不单在经济性和靠谱性上都很大提升，并且在技术性能上也展现出较大的优胜性。

对于要求在必定范围内无级光滑调速的系统来说，自动
控制的直流调速系统常常以调压调速为主，依据晶闸管的特
性，能够经过调理控制角α 大小来调理电压。

当整流负载容
量较大或直流电压脉动较小时应采纳三相整流电路，其交流
侧由三相电源供电。

三相整流电路中又分三相半波和全控桥
整流电路，因为三相半波整流电路在其变压器的二次侧含有
直流重量，故本设计采纳了三相全控桥整流电路来供电，
该电路是当前应用最宽泛的整流电路，输出电压颠簸小，适
图 2-2 V-M 系统原理
合直流电动机的负载，并且该电路构成的调速装置调理范围广，能实现电动机连续、光滑地转速
调理、电动机不行逆运行等技术要求。

图 2-3主电路原理图
三相全控制整流电路由晶闸管VT1、 VT3、 VT5 接成共阴极组，晶闸管VT4、 VT6、VT2接成共阳极组，在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的
晶闸管，以及接在电路共阳极组中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完好的整流电路。

为了使元件免受在突发状况下超出其所蒙受的电压电流的损害，在三订交流电路的交、
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。

一般保护有迅速熔断器，
压敏电阻，阻容式。

双闭环调速系统是成立在单闭环自动调速系统上的，实质的调速系统除要求对转速进
行调整外 ,好多生产机械还提出了加快启动和制动过程的要求, 这就需要一个电流截止负反
馈系统。

由 2-4 图启动电流的变化特征可知，在电机启动时, 启动
电流很快加大到同意过载能力值I dm,并且保持不变,在这个
条件下 , 转速n获得线性增加 , 当开到需要的大小时,电机的
电流急剧降落到战胜负载所需的电流I fz值,对应这类要求可控
硅整流器的电压在启动一开始时应为I dm R ,跟着转速 n 的上涨,
U I dm R C e n 也上涨,达到稳转速时,U I fz R C e n 。

这就要求在启动过程中把电动机的电流看作被调理量,使之保持
在电机同意的最大值 I dm,并保持不变。

这就要求一个电流调理图 2-4带截止负反应系统启动电流波形
器来达成这个任务。

带有速度调理器和电流调理器的双闭环调速系统即是在这类要求下产生
的。

图 2-5 转速、电流双闭环直流调速系统原理框图
（注 : ASR —转速调理器ACR—电流调理器TG—直流测速发电机TA —电流互感器UPE—电力电子装置Un* —转速给定电压Un —转速反应电压Ui*—电流给定电压Ui—电流反应电压）
为了实现转速和电流两种负反应分别起作用，在系统中设置了两个调理器，分别调理转速和电流，两者之间推行串级联接，如图 2-5 所示。

这就是说把转速调理器的输出看作电流调理器的输入，再用电流调理器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。

从闭环构造上看，
电流调理环在里面，叫内环；转速调理环在外边，叫做外环，这样就形成了转速、电流双闭
环调速系统。

调理器的设计
3.1. 电流调理器的设计
1.时间常数确实定
（1）整流装置滞后时间常数，即三相桥式电路的均匀失控时间
（2）电流滤波时间常数T oi。

三相桥式电路的每个波头的时间是
波头，应有（ 1~2）T oi，所以取T oi =2ms=0.002s 。

（ 3）电流环小时间常数之和T i。

按小时间常数近似办理，取
（ 4）电磁时间常数T l确实定。

由前述已求出电枢回路总电感。

L l
U 2
K 1
220
I
d min。

，为了基本滤平
T i =Ts+Toi=0.0037s 。

T l L l10.17 mH
则电磁时间常数
R
0.0182 s
2.选择电流调理器的构造
电流环控制对象是双惯性型的，所以可用PI 型调理器，其传达函数为
K i ( i s1)
W
ACR ( s )
i s
（3-1 ）
式中K i------电流调理器的比率系数；
i ------- 电流调理器的超前时间常数。

T l
4.92 ，参照表3-1 的典型 I 型系统动向抗扰
检核对电源电压的抗扰性能：
T i
性能，各项指标都是能够接受的，所以基本确定电流调理器按典型I 型系统设计。

表 3-1典型 I 型系统动向跟从性能指标和频域指标与参数的关系
参数关系 KT
阻尼比
超调量0% 1.5% 4.3%9.5%16.3%
上涨时间 t r
峰值时间 t p
相角稳固裕度
截止频次c
3.计算电流调理器的参数
电流调理器超前时间常数：i T l=0.0182s ，
电流开环增益：要求i5% 时，取K I T i0.5 ，
所以K I135.1s 1
T i0.0037 s
于是，ACR的比例系数为
K i
K I i R
0.56 / 36
K s
式中，为电流反应系数其值为V
/
I N
；晶闸管装置放大系数Ks=36 。

10
4.校验近似条件
电流环截止频次：ci K I135.1s 1
1)晶闸管整流装置传达函数的近似条件
11196.1s 1ci知足近似条件3T s 3 0.0017 s
2）忽视反电动势变化对电流环动向影响的条件
313148.54s 1ci知足近似
条件
3）电流环小时间常数近似办理条件
1
1
1 1
180.78s 1
ci
知足近
3
T s
T
oi
3
似条件
5. 计算调理器电阻和电容
由图 3-3 ，按所用运算放大器取
R 0=40k
，各电阻和电容值为
R i K i R 0 40k
C i
i
10 6F
R i
C
oi
4T oi
4 3
10 6F
0.2 F
R 0 40
10
照上述参数，电流环能够达到的动向跟从性能指标为
3.2. 转速调理器的设计
1. 确准时间常数
i 4.3% 5%，知足设计要求。

图 3-3 含滤波环节的 PI 型电流调理器
（ 1）电流环等效时间常数 1/K I 。

由前述已知，
K I T i
，则
1 0.0037 s
2T i 2
K I
（ 2）转速滤波时间常数 T on ，依据所用测速发电机纹波状况，取T on .
（ 3）转速环小时间常数 T n 。

按小时间常数近似办理，取
T n
1 0.0074 s 0.01s 0.0174 s
T
on
K I
2. 选择转速调理器构造
依据设计要求，采纳 PI 调理器，其传达函数式为
K n ( n s 1)
W ASR (s)
n
s
3. 计算转速调理器参数
按跟平和抗扰性能都较好的原则，先取
h=5，则 ASR 的超前时间常数为
n =hT n
则转速环开环增益
K N
h
1
6
s
2
2
2
2
2 52
2
2h T n
可得 ASR 的比率系数为
双闭环直流电机调速系统设计综述
h 1
C e T m 6
K n
2h R T n
式中
电动势常数
C e
U N I N R a
440
220
0.356 V . m i nr/
n N
1200
转速反应系数
10V 0.0083V .min/ r
1200r / min
4. 查验近似条件
转速截止频次为
cn
K N K N n 396.4 0.087s 1
34.5s 1
1
（ 1）电流环传达函数简化条件为
1 K I
1 1
1
3 T i
3
s
cn
足简化条件
（ 2）转速环小时间常数近似办理条件为
1 K I 1 s 1
38.7s 1
cn
3 T on
3
近似条件
5．计算调理器电阻和电容
依据图 5-4
所示，取
R 0 40k ，则
R n K n R 0
40k
取 530k C n
n
0.087 3 F
0.164 10 6 F
取
R n
530 10
C
on
4T on
4
F
1 F
取 1 F
R
40
103
满
知足
图 3-4
含滤波环节的 PI 型转速调理器
6. 校核转速超调量
当 h=5 时，查表 3-2 典型
型系统阶跃输入跟从性能指标得，n
37.6%，不可以知
足
设计要求。

实质上，因为表 3-2 是按线性系统计算的，而突加阶跃给准时， ASR 饱和，不符
合线性系统的前提，应当按
ASR 退饱和的状况从头计算超调量。

表 3-2 典型 II
型系统阶跃输入跟从性能指标 （按 M r min 准则确定参数关系）
h
3
4
5
6
7 8 9 10
52.60% 43.60% 37.60%
33.20% 29.80%
27.20%
25.00%
23.30%
t r / T
3
t s / T
k
3
2
2
1
1 1 1 1
表 3-3 典型 II
型系统动向抗扰性能指标与参数的关系
h
3
4
5
6 7 8 9 10 C max
/ C
b
72.20%
77.50% 81.20%
84.00% 86.30% 88.10% 89.60%
90.80%
t m / T
t v / T
设理想空载起动时，负载系数 Z
0，已知 I N 220A, ， n N 1200r / min ，
, R
， C e
0.356V .min/ r ，T m ，T n 0.0174s 。

当 h 5 时，
由表 5-3 查得，
C max / C b 81.2% 而调速系统开环机械特征的额定稳态速降
n
C
max
n b
2
C
max
(
Z )
n N T n
C b
n *
C b
n * T m
式中
电机中总电阻
R
R a R
调速系统开环机械特征的额定稳态速降
n N
I N R 220
383.1r / min
C e
n * 为基准值，对应为额定转速
n N
1200r / min
依据式（ 6-24 ）计算得
2
81.2%
8.12%
10%
n
能知足设
1200
计要求
7. 校核动向最大速降
设计指标要求动向最大速降
n 8% ~ 10% 。

在实质系统中，
n 可定义为相对于额定
转速时的动向速降
n
max。

n N
由
C
max
n b
，
n
max
C b
n b
T n n N
2
120.6r / min ；
2z
T m
查表可知，C
m a x =81.2% ，所以n max81.2%97.9r / min ；
C b
n max
8.2%10%能知足设计
n100%
n N1200
要求
8.转速超调的克制
若退饱和超调量n 10% ，则不知足动向指标要求，需加转速微分负反应。

加入这个
环节能够克制甚至消灭转速超调，同时能够大大降低动向速降。

在双闭环调速系统中，加入转速微分负反应的转速调理器原理图如图5-5 所示。

和一般的转速调理器对比，在转速反应环节上并联了微分电容C dn和滤波电阻R dn，即在转速负反馈的基础上再叠加一个带滤波的转速微分负反应信号。

图 3-5带转速微分负反应的转速调理器
含有转速微分负反应的转速环动向构造框图以下列图5-6 所示 :
图 3-6含有转速微分负反应的转速环动向构造框图
转速微分负反应环节中待定的参数是C dn和 R dn，此中转速微分时间常数n R0C dn，
转速微分滤波时间常数是以选定，
T odn R dn C dn T on，只需确定dn ，就能够计算出C dn和R dn了。

由工程设计方法，近似计算公式得：
dn4h 2 T n
(
2 n * T m
h1z) n N
鉴于 MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真
经过对整个控制电路的设计，用 MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行仿真。

第一成立双闭环直流调速系统的动向数学模型，能够参照该系统的动向构造形式，双闭环直流调速系统的动向构造框图如图4-1 所示：
图 4-1双闭环直流电机调速系统的动向数学构造框图
把这些参数的值代入框图中的公式便可获得以下框图4-2 。

图 4-2双闭环直流调速系统动向构造框图
为了剖析双闭环调速系统的特征，在转速调理器和速度调理器的输出端设置一个限幅
值，限幅值的大小能够依据所选的运算放大器的输入电压的大小来选定，本设计选用的限幅值为±13V。

依据动向模型图以及计算参数，用 MA TLAB/SIMULINK进行仿真，主假如仿真电动机的输出转速。

最后获得的转速仿真图形如图4-3 所示
图 4-3双闭环直流电机转速输出仿真图形
从图 4-3 能够很显然的看出转速的起动和扰动的现象。

从仿真获得的转速曲线图中能够
得出转速超调量为
25
100% 1.67% ，基本知足设计的要求，可是与设定值对比n
仍是有偏差。

在
1490
5 秒的时候秒的时候，转速达到一个稳固值，系统无静差运行，此中在
输入一个负载扰动量I dL，在5.1 秒的时候扰动消逝，速降达到了40r / min ，过了秒
以后转速又达到稳固值。

从图中能够看出，扰动很快获得了调理，这是两个PI 型调理器自动调理的作用。

此外从图中也能够看到，系统是无静差运行的，切合设计的要求。

从仿真的
结果来看，获得这样结论：
(1) 工程设计方法在推导过程中为了简化计当作了很多近似的办理,而这些简化办理必须在必定的条件下才能成立。

比如 : 将可控硅触发和整流环节近似地看作一阶惯性环节, 设计电流环时不考虑反电势变化的影响; 将小时间常数看作小参数近似地归并办理;设计转速环时将电流闭环从二阶振荡环节近似地等效为一阶惯性环节等。

(2) 仿真切验获得的结果也其实不是和系统实质的调试结果完好同
样,因为仿真切验在辨
识过程中不免会产生模型参数的丈量偏差, 并且在成立模型过程中为了简化计算,忽视了很多环节的非线性要素和次要要素。

如: 可控硅触发和整流环节的放大倍数K S和失控时间T s,这些都是非线性参数,但在仿真中被近似看作常数; 再如,设计电流调理器时只考
虑电流连续时的状况 , 而忽视了电流断续时的状况。

（3）添了微分负反应使得迅速的达到稳态值，超调量也减少。

可是微分简单惹起振荡
所以要加死区环节。

以上一些原由 , 在应用工程设计方法时应当注意的, 以减小理论设计与实质之间的差距
设计总结
本次设计是针对双闭环直流电机调速系统的设计，主要工作是设计直流调速控制器的电路，设计的电路都是模拟电路，同时相应地介绍了器件的保护、电流调调理器、转速调理器
以及晶闸管的触发电路的设计过程，经过借用图书室的书本以及经过网络上的搜寻，查阅了很多对于本设计的书本和资料对该电路的设计有了较为深入的研究，也进一步熟习了双闭环直流调速系统的构造形式、工作原理及各个器件的作用和设计。

同时，在指导老师的指导下，并与有共同设计内容的同学交流，剖析、整理和研究课题，先确定了设计基本思路，碰到问
题实时与指导老师交流，在老师的指点和自己的努力，最后达成了整个设计。

在设计过程中也学会运用了protel绘制电气原理图及简单电路图和MATLAB/SIMULINK对整个电路进行仿真。

本设计在有限的条件下和自己有限的学问，做出的设计仍是存在着一些不足。

本设计
采纳 PI 调理器，输出的转速存在这超调量比较大，并且迅速性也相对遇到影响。

则此后可
以采纳 PID 调理器能够全面的提升系统的控制性能，可是详细实现与调试要复杂，做的工作比此刻就更多。

设计研究是一个漫长的过程，要想让它真切的使用到现实中，还需要不停的改良。

参照文件
[1]陈伯时 . 电力拖动自动控制系统 - 运动控制系统 [M], 第三版 . 北京 : 机械工业第一版社 , 2007 年6 月．
[2]电力拖动自动控制系统 - 运动控制系统实验报告书大连大海大学第一版。