双闭环直流电机控制完整版.

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。

根据晶闸管的特性，通过调节控制角α大小来调节电压。

基于设计题目，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用了三相全控桥整流电路来供电。

本文首先确定整个设计的方案和框图。

然后确定主电路的结构形式和各元部件的设计，同时对其参数的计算，包括整流变压器、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括触发电路和脉冲变压器的设计。

最后，即本文的重点设计直流电动机调速控制器电路，本文采用转速、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馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，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。

从闭环结构上看，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然后最后采用MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行了仿真分析，最后画出了调速控制电路的电气原理图。

关键词：双闭环；转速调节器；电流调节器目录前言0第1章绪论11．1直流调速系统的概述11．2研究课题的目的和意义11．3设计内容和要求11.3.1设计要求11.3.2设计内容1第2章双闭环直流调速系统设计框图3第3章系统电路的结构形式和双闭环调速系统的组成43．1主电路的选择与确定43．2 双闭环调速系统的组成63．3 稳态结构框图和动态数学模型73.3.1稳态结构框图73.3.2 动态数学模型9第4章主电路各器件的选择和计算104．1变流变压器容量的计算和选择104．2 整流元件晶闸管的选型124．3 电抗器设计134．4 主电路保护电路设计154.4.1过电压保护设计154.4.2过电流保护设计17第5章驱动电路的设计185．1晶闸管的触发电路185．2脉冲变压器的设计20第6章双闭环调速系统调节器的动态设计22 6．1 电流调节器的设计236．2 转速调节器的设计24第7章基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真28 小结31致谢32参考文献33附表34附图35前言直流电机调速系统在现代化工业生产中已经得到广泛应用。

直流电动机具有良好的起、制动性能和调速性能，易于在大范围内平滑调速，且调速后的效率很高。

针对直流电机调速的方法也很多，目前国内外也研究了一些调速的控制器。

例如已经用于实际生产的直流电机无级电子调速控制器采用国际先进的IGBT大功率模块器件和独特自行设计的PWM微电子控制技术，以及节能反馈电路和丰富的保护功能控制电路。

适用于无轨机车、矿山井下窄轨机车、磨床、木工机械、服装制作、纺织、造纸印刷等场所。

该控制器具有调速平稳，安全可靠，提高生产效率；直流电机正反转控制简便；可以与计算机连接控制等特点。

直流电动机有三种调速方法，分别是改变电枢供电电压、励磁磁通和电枢回路电阻来调速。

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢电压方式为最好，调压调速是调速系统的主要调速方式。

直流调压调速需要有专门的可控直流电源给直流电动机，随着电力电子的迅速发展，直流调速系统中的可控变流装置广泛采用晶闸管，将晶闸管的单向导电性与相位控制原理相结合,构成可控直流电源,以实现电枢端电压的平滑调节。

本设计的题目是双闭环直流电机调速系统的设计。

采用静止式可控整流器即改革后的晶闸管—电动机调速系统作为调节电枢供电电压需要的可控直流电源。

由于开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，但是许多需要调速的生产机械常常对静差率有要求则采用反馈控制的闭环调速系统来解决这个问题。

如果对系统的动态性能要求较高，则单闭环系统就难以满足需要。

而转速、电流双闭环直流调节系统采用PI调节器可以获得无静差；构成的滞后校正，可以保证稳态精度；虽快速性的限制来换取系统稳定的，但是电路较简单。

所以双闭环直流调速是性能很好、应用最广的直流调速系统。

本设计选用了转速、电流双闭环调速控制电路，本课题内容重点包括调速控制器的原理，并且根据原理对控制器的两个调节进行了详细地设计。

概括的整个电路的动静态性能，并各个部分的保护和晶闸管的触发电路设计，最后将整个控制器的电路图设计完成,并且进行仿真。

第1章 绪 论1．1 直流调速系统的概述三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。

首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习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完成了一次大的跃进。

同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。

以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。

直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、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然难以替代。

直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。

从机械特性上看,就是通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性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、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得到了广泛的应用。

近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈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。

1．2 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，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。

双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。

用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求，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，于是有必要建立实用的设计方法。

大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低阶系统近似。

若事先深入研究低阶典型系统的特性并制成图表，那么将实际系统校正或简化成典型系统的形式再与图表对照，设计过程就简便多了。

这样，就有了建立工程设计方法的可能性。

1．3 设计内容和要求1.3.1 设计要求1. 该调速系统能进行平滑地速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽地转速调速范围（10D ≥），系统在工作范围内能稳定工作。

2. 系统静特性良好，无静差（静差率2S ≤）。

3. 动态性能指标：转速超调量8%n δ<，电流超调量5%i δ<，动态最大转速降810%n ∆≤~，调速系统的过渡过程时间（调节时间）1s t s ≤。

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，并且有制动措施。

6. 主电路采用三项全控桥。

1.3.2 设计内容1. 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构形式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图。

2. 调速系统主电路元部件的确定及其参数计算（包括有变压器、电力电子器件、平波电抗器与保护电路等）。

3. 驱动控制电路的选型设计（模拟触发电路、集成触发电路、数字触发电路均可）。

4．动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR 调节器与ACR 调节器的结构形式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。

5． 绘制V —M 双闭环直流不可逆调速系统电器原理图（要求用计算机绘图），并用Orcad 或Matlab 软件进行拖动控制系统仿真以及硬件仿真。

（建立传递函数方框图），并研究参数变化时对直流电动机动态性能的影响。

1.3.3 技术参数1. 晶闸管整流装置：0.15Rrec =Ω，=36s K 。

2. 负载电机额定数据：=10kW N P ，=220V N U ，=53.5A N I ，1500min N n r =，0.37a R =Ω， 1.5λ=。

3. 系统主电路0.58R ∑=Ω，0.063m T s =。

第2章双闭环直流调速系统设计框图直流电机的供电需要三相直流电，在生活中直接提供的三相交流380V电源，因此要进行整流，则本设计采用三相桥式整流电路变成三相直流电源，最后达到要求把电源提供给直流电动机。

如图2.1设计的总框架。

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。

根据选用的方法，分别计算保护电路的各个器件的参数。

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，对整个装置的性能有很大的影响。

采用性能良好的驱动电路，可使是电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。

驱动电路的基本任务，就是就将信息电子电路穿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。

对与晶闸管的驱动电路叫作触发电路。

所以对晶闸管的触发电路也是重点设计。

直流调速系统中应用最普通的方案是转速、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。

电流负反馈环为内环，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善系统的动态性能。

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

本课题设计主要是设计双闭环的中两个调节器参数计算与检测。

最后是用MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行了仿真分析。

第3章 系统电路的结构形式和双闭环调速系统的组成3．1 主电路的选择与确定直流调速系统常用的直流电源有三种①旋转变流机组；②静止式可控整流器；③直流斩波器或脉宽调制变换器。

机组供电的直流调速系统在20世纪60年代以前曾广泛地使用着，但该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机还要仪态励磁发电机，因此设备多，体积大，费用高，效率低。

1957年晶闸管问世，已生产成套的晶闸管整流装置，即右图3.1晶闸管-电动机调速系统(简称V-M 系统)的原理图。