自控晶闸管驱动直流电机说明书要点

自控系统课程设计

——双闭环不可逆直流调速系统

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摘要

转速、电流双闭环三相全桥晶闸管控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。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。本设计采用转速、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，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。先确定电机参数和器件参数在设计调节器值。先确定其结构形式和设计各元部件，并对其参数计算。最后采用MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行了仿真分析

1绪论

1.1直流调速系统的概述

三十年来，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组及水银整流装置使直流电气转动完成了一次大的飞跃。同时，控制电路已经实现高度集成化，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，高精度的电气转动领域中仍然难以代替。直流调速是指人为的或自然的改变直流电机的转速，以满足工作机械要求。从机械性能上看，就是通过改变电机的参数或外加电压的方法来改变电机的机械特性，从而改变电动机机械特性和工作机械特性的交点，使电机的稳定转速发生变化。直流电机具有良好的起，制动性能，宜于在广泛的范围内平滑调速，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，交流调速系统发展的很快，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地勘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动态变化会比单闭环系统小得多。用经典的动态校正设计调节器需同时解决稳，准，快，抗干扰等个反面相互有矛盾的静动态性能要求，需要设计者扎实的理论基础和丰富的实践经验，而初学者则不易掌握，于是有必要建立使用的设计方法。大多数现代的电力拖动自动控制系统均可低阶系统近似。若事先深入研究低阶典型系统的形式再与图表对照，设计过程就简单多了。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。

1.3设计要求与内容

设计要求

1、晶闸管整流装置采用三相桥式全控整流电路。

2、Z2系列直流电动机调速要求稳态响应无误差。

3、电流环超调量σ≤5%，转速环按典型II型系统设计

4、要求在给定输入作用下的调节时间最短。

设计内容与步骤

1、复习有关教材、到图书馆查找有关资料，了解、熟悉系统的工作原理。

2、总体方案的构思

根据设计的要求和条件进行认真分析与研究，找出关键问题。广开思路，

利用巳有的各种理论知识，提出尽可能多的方案，作出合理的选择。画出其原理框图。

3、总体方案的确定

原理框图中可由一个或多个框图组成，各有独立的功能，用文字写于框中。

框图按信息流向从左至右或从上到下布置。每个框图有一个或多个单元电路，注意集成电路等元器件的功能、先进性、价格、购买是否容易?

4、单元电路的设计与选择

单元电路结构形式：运用巳学过的电工基础、模拟电子、数字电子、电力电子、计算机控制技术、自动控制系统等技术和知识进行设计。或者从其他的文献资料中选取与要求相近的电路加以适当改进，择优选择。元器件的选择：多查阅器件手册、资料，熟悉常用的元器件型号、性能。考虑价格、货源、体积等要求。

5、单元电路之间的设计

单元电路确定后，要认真考虑他们之间的耦合方式、时序配合以及相互干扰的级联问题。

２双闭环直流调速系统的组成

2.1直流电机的供电需要三相直流电，在生活中提供的三相交流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1设计的总框架。

图1 双闭环直流调速系统设计总框架

2.2 双闭环直流调速系统的结构图

带有转速反馈和给定阻容滤波、电流反馈和给定阻容滤波的电流转速双闭环直流调速系统的结构图如图1所示。

如图1

2.3 双闭环直流调速系统的数学模型

根据图1所示的结构图可得双闭环调速控制系统的数学模型如图2。

如图2

2.2系统的自动调节过程

在图一中，电流互感器LH 将交流电流按一定变比检测出来，经过整流滤波后在检测电位器f R 上形成电压f U ，其分压值gi U 作为电流调节器ACR 的负反馈量。电流调节器的给定量gi U 是速度调节器的输出量。电流给定量与电流负反馈量的差值信号经比例积分环节放大后作为晶闸管触发电路的控制信号c U ，控制晶闸管整流电压的平均值，在电枢回路产生负载需要的电枢电流d I 。显然，d I 大，交流侧电流有效值2I 也大，反之亦然，说明d I 与2I 成比例。由电流检测环节，电流调节器及触发整流装置构成电流内环。由于电流内环的给定量gi U 的极性为“—”，且调节器后无反相器，当gi U 沿负极性方向电位降低时，c U 增大，触发角减小，整流电压平均值增大，电枢电流d I 增大，输出转矩增大，以拖动增大了

的负载。

事实上，当负载增大时，在电枢电流d I 尚未来得及增大时，电动机的转速将降低以维持功率平衡，转速的降低使测速发电机的端电压降低，使转速调节器输入端的电流平衡关系被破坏，给定电流大于反馈电流，其差值经转速调节器的反馈支路在电阻n R 上产生压降并给电容on C 充电，使gi U 的电位降低，导致d I 增大。d I 增大表现的是拖动转矩的增加，使转速回升。若转速的回升达不到先前的水平，ASR 调节器的反馈支路仍有充电电流使gi U 的电位继续降低，c U 继续增大，d I 继续增大，使转速进一步回升，直至恢复到原来的水平。可见，对转速而言，速度调节器ASR 的PI 结构使转速是无差系统。若负载转矩太大，即使电动机的电枢电流达到最大允许值时仍无法提供相匹配的转矩，则电流环应当产生截止电流以保护电动机免遭烧毁。这时的gi U 应当降到负限幅。

上述分析表明，电流环的给定量随负载变化的要求由速度调节器自动地改变改变的结果能够自动满足负载对电枢电流的需求，可见电流环是个电流随动系统。 当电流给定量改变时，如gi U 的电位沿负极性方向降低，在整流装置未来得及反应时，电流反馈量尚未变化，于是，给定电流和反馈电流的差值使电流调节器ACR 反馈支路沿箭头方向给电容oi C 充电并在电阻i R 上产生电压降，使c U 电位增加，触发角减小，整流电流有效值增加。当反馈量fi U 与给定量gi U 平衡时（大小相等、方向相反），ACR 反馈支路电流为0，但此时电容上的电压记录了电容的充电过程，c U 的电位比以前的增加了，触发角减小了使整流电流维持在新的水平。 另一方面，电流环还有抑制环内扰动量的功能。例如，电网电压降低时，整流电压平均值降低，导致电枢电流降低，交流侧电流有效值降低。电流互感器检测到减小的电流使fi U 减小，同样给电容oi C 沿箭头方向充电并在电阻i R 上产生电压降使c U 电位增加，触发角减小，整流电流维持在新的水平。

事实上，在电流环的调节器过程中，转速环也在调节。表现在：电枢电流的降低使电磁转矩小于负载转矩，导致电动机的转速降低，。测速发电机检测到转速降低了，以电压的形式反馈到速度调节器ASR 的输出端，使ASR 的反馈支路沿箭头方向给电容on C 充电，并在电阻n R 上产生电压降，使gi U 的电位沿负极性方向降低，增大了电流调节器ACR 反馈支路的充电电流，使c U 电位加快增加。一般