谢冬冬电流转速双闭环直流调速系统设计

转速、电流双闭环直流拖动系统
一、 根据附录选择一款直流电动机
选择4112/42Z --直流电动机，它的的参数如下：
额定电压N U =400V ，额定功率N P =7.5KW ，额定转速N n =1480r/min ，电枢额定电流
N I =20.6A ，电枢电阻a R =2.12Ω。

电动势系数N N a N
U I R Ce n -=
=40020.6 2.12
1480-⨯=0.241 V ⋅min/r 。

二、 选择测速发电机，设计反馈环节
选择ZCF121A 型号的直流测速发电机，参数如下：
额定电压N U =50V ，额定转速N n =3000r/min ，额定电流N I =0.09A 。

转速反馈系数α包含测速发电机的电动势系数etg C 和其输出电位器2RP 的分压系数2α，即α=etg
C 2α。

根据测速发电机的额定数据，有50
0.016673000
N etg N U C n =
== V ⋅min/r ，
试取2α=0.2。

如测速发电机与主电动机直接连接，则在电动机最高转速2680r/min 时，转速反馈电压为
21480/min 0.20.016671480 4.93n etg U C r V α=⋅=⨯⨯=，稳态时n U ∆很小，*
n
U 只要略n U 大于即可，取用直流稳压电源为5V ±，完全能够满足给定电压的需要。

因此，取2α=0.2
是正确的。

于是，转速反馈系数的计算结果是
20.20.01667min/0.00333min/etg C V r V r αα==⨯=⋅ 。

电位器2RP 的选择方法如下：
为了使测速发电机的电枢压降对转速检测信号的线性度没有显著影响，取测速发电机输出最高电压时，其电流约为额定值的20%，则2.016714801370.60.20.2.09e t g N RP Ntg
C n R I ⨯
≈
=
=Ω⨯。

此时2RP 所消耗的功率为20.20.0166714800.20.090.44RP etg N Ntg W C n I W =⨯=⨯⨯⨯=，为了不致使电位器温度很高，实选电位器的瓦数应为所消耗功率的一倍以上，故可将2RP 选为参数如下： 5W ，1.5K Ω的可调电位器。

直流稳压电源为*
n U =5V ±
三、 设计UPE 环节的原理图，给出该环节的时间常数和放大系数
选择三相桥式全控整流电路，原理图如下：
1. 选择晶闸管的额定电流：
最大负载平均电流取电动机额定电流的2倍 220.641.2d I A =⨯= 晶闸管可能流过的最大平均电流1
41.213.733
DT I A =
⨯=
晶闸管可能流过的最大有效电流23.79T I A =
=
=
选择晶闸管的额定电流()2223.79
30.311.57 1.57
T T AV I I A ⨯=
== 2. 电源变压器二次侧相电压有效值确定
22.34cos d U U α=,d U 即为发电机的额定电压400V ，取α角为0，2400 2.34cos0U =，所以2U =170.9V 。

考虑到最小控制角的限制，以及换相压降的影响，整流器实际输出电压不可能达到理论
最大值，因此变压器2次侧电压的有效值要留出足够的裕量，以保证电动机能够运行到最大转速取2U =200V 。

3. 选择晶闸管的额定电压
额定电压应为正常峰值电压2~3倍，作为允许的操作过电压裕量。

晶闸管可能承受到的
2，所以选晶闸管的额定电压为
2
=300 2.2KV =。

4. 平波电抗器的设计
三相桥式全控整流电路电动机负载的系统，当负载电流最小临界时，为保证电流连续，电枢回路应有电感2
min
0.693
d U L I =，L 包括变压器漏感，电枢电感和平波电抗器的电感，前
者的数值很小，可以忽略，m
i n d I 一
般取电动机额定电流的5%~10%，
dmin 10%20.6 2.06I A =⨯=
2dmin 300
0.693
0.693100.922.06
U L mH I ==⨯=。

取L=105mH 。

5. 时间常数确定
对于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为s T =1.67ms
电枢回路的电磁时间常数3
10510254.2
l L T ms R -⨯==
= R 是vm 系统总电阻
Tm=
6. 放大系数的确定 放大系数400
805
d s cm U K U =
== 综上，选用晶闸管为: 晶闸管的额定电压为
2=2.2KV ；
晶闸管的额定电流()T AV I =
21.57
T
I =30.31A ； 平波电抗器105L mH =。

四、 选择一款运算放大器，设计PI 调节器
1. PI 调节器原理图如下：
KI=R1/R0
in
U ex
1
i
选用LF356集成运算放大器，电路原理图：
LF356集成运算放大器的参数如下： 输入失调电压 3mV 输入失调电压温度漂移 5mV/℃ 输入失调电流 3nA 转换速率 12/V s μ
2. 由于直流稳压电源*
n U =5V ±，可选取转速调节器输出限幅电压5im U V =，电流调节器输
出限幅电压5cm U V =。

限幅电路是限制信号输出的幅度，能按限定的范围削平信号电压波幅的电路，又称限幅器或削波器。

选择二极管限幅电路，原理图如下：
图中，若二极管具有理想的开关特性，那么，当i u 低于E 时，VD 不导通，o u ＝i u ；当i u 大于E 以后，VD 导通，o u ＝E 。

5im E U Ucm V ===。

3. 稳态参数计算 转速反馈系数：
*50.0034min/1480
n N U V r n α===⋅
电流反馈系数：
*50.162/1.5 1.520.6im N U V V A I A
β===⨯
五、 给出系统静特性结构框图以及动态结构框图。

1．静特性结构框图如下：
2．动态结构框图：
3．参数的计算：
UPE 环节放大系数400
805
d s cm U K U =
== 三相桥式电路的平均失控时间 Ts=0.00167s
电枢回路的电磁时间常数3
10510254.2
l L T ms R -⨯==
= 六、 绘出静特性曲线
分析静特性的关键是掌握这样的PI 调节器的稳态特征，一般存在两种状况：①饱和——输出达到限幅值。

即饱和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。

②不饱和——输出未达到限幅值。

即PI 的作用使输入偏差电压U ∆在稳态时总为零。

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，只有调速调节器饱和与不饱和两种状况：
1．转速调节器不饱和：稳态时，他们的输入偏差电压都是零，因此*
0n
U n n α
=
=，而得
到下图静特性的CA 段。

2．转速调节器饱和： 输出达到限幅值*
im U ，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统
不再产生影响。

双闭环系统变成一个电流无静差的点电流闭环调节系统。

稳态时
*im
d dm U I I β
=
=，从而得到下图静特性的AB 段。

双闭环直流调速系统的静特性：
d dm I I <时，ASR 不饱和，起主要调节作用，表现为转速无静差
d dm I I =时，ASR 饱和，ACR 起主要调节作用，表现为电流无静差（过电流保护） 七、估算反馈系数
1. 转速反馈系数：
*50.0034min/1480
n N U V r n α===⋅
2. 电流反馈系数：
*50.162/1.5 1.520.6
im N U V A I β===⨯。