2016年直流电动机错位无环流调速系统的设计-石油化工大学.doc

辽宁石油化工大学毕业设计（论文）用纸

直流电动机错位无环流调速系统的设计
摘 要
直流电动机具有良好的起制动性能，易于在广泛范围内平滑调速，在需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，它是交流拖动控制系统的基础，所以首先应该掌握直流系统。
从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统，位置随动系统，张力控制系统，多电动机同步控制系统等多种类型，而各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因而调速系统是最基本的拖动控制系统。在许多生产机械中，常要求电动机既能正反转，又能快速制动，需要四象限运行的特性，此时必须采用可逆调速系统。
直流电机是最常见的一种电机，研究直流电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。电机调速问题一直是自动化领域比较重要的问题之一。不同领域对于电机的调速性能有着不同的要求，因此，不同的调速方法有着不同的应用场合。
直流电动机可逆无环流调速系统分为两类：(1)逻辑无环流可逆调速系统。(2)错位无环流可逆调速系统。错位无环流可逆直流调速系统与逻辑无环流可逆直流调速系统不同，基本区别在于前者不以“逻辑控制”的方法遏制环流，而采用所谓“ 错位”原理以遏制环流，从根本上切断了环流的通路，确保系统主电路在任何时刻、任何状态、任何条件下只有一组整流装置工作。所以，错位无环流可逆直流调速系统中不存在任何的环流。错位无环流直流可逆调速系统是直流可逆调速系统中较为完善的一种控制方式，采用错位控制，消除静态环流，并在调速系统中采用转速环、电流环和电压内环三闭环的结构，三环对系统稳定运行都有影响。其中，电压内环的作用和意义非常重要：1.缩小电压调节死区，提高切换的快速性；2.防止动态环流，保证电流安全换向；3.抑制各种非线性因素对系统动态品质的不利影响
本文通过讨论直流电机调速系统的控制方法，应用Matlab仿真来设计直流电机错位无环流调速系统。
关键词：直流电动机， 错位无环流 ，Matlab

Abstract
The DC motor has a good starting and braking performance, easy to smooth the governor, in a broad range has been widely applied in the field of high-performance controllable electric drive. DC drive control systems in the theory and practice more mature, it is the foundation of the AC Drivecontrol system should first master the DC system.
The control of physical quantities from the production machinery, electric drive automatic control system has a speed control system, position servo system, tension control system, multi-motor synchronous control system and other types, a variety of systems are often by controlling the speed to achieve, and thus the speed control system is the most basic drag control systems. In many production machinery, and often require the motor not only rotating, but also rapid braking, you need four-quadrant operation characteristics, must be reversible speed control system.
The DC motor is the most common type of motor,obtains the widespread application in various domains.Study of DC motor's control and the measuring technique,to improve the control precision and response speed, energy saving etc have important significance. Motor speed control problem has been one of important problems in automation field comparison. Different areas for motor speed regulation performance have different requirements,therefore, different control methods have different application occasions. This paper discusses the DC motor speed control system control method, to understand the status of DC motor speed control method.
DC motor speed control system of reversible without circulating current are divided into two categories：(1)Logic non circulating current reversible speed control system. (2) the dislocation free circulation reversible speed control system. Dislocation free circulation reversible DC speed control system with logic non circulating current reversible DC speed regulating system is different, the fundamental difference lies in that the former is not to "control" curb circulation, the so-called "dislocation" principle to curb circulation, fundamentally cut off circulation channel, ensure the main circuit of the system at any time, any condition, any under the conditions of only one group of rectifying device. So, there is no dislocation without any circulation circulation reversible DC speed regulating system. Dislocation free circulation reversible DC speed regulating system is a kind of control mode of DC reversible speed control system, adopts the displacement control, eliminate the static circulation, and the speed loop, current loop and voltage loop three, loop in the speed control system, three ring has an effect on the system stable operation of line. Among them, the very important function and significance of voltage loop: 1 reduced voltage regulation dead zone, improve the rapid switching; 2 to prevent the dynamic circulation, to ensure that current safe commutation; 3 inhibition of various nonlinear factors adverse effect on system dynamic quality
This paper discusses the control method of DC motor speed control system, the application of Matlab simulation to design the DC motor speed control system of dislocation free circulation.
Keywords: DC motor； Dislocation free circulation； Matlab

目 录
1 绪论 1
1.1选题的目的及意义 1
1.2直流传动系统概述 1
1.2.1电力拖动的基本概述 1
1.2.2直流传动控制系统发展概况 2
1.2.3 错位无环流调速系统简介 3
1.2.4 控制系统的计算机仿真 4
1.3 设计主要内容 4
1.4论文的结构 5
2 错位控制无环流可逆调速系统的原理 6
2.1可逆调速系统的原理 6
2.2 环流的介绍 7
2.2.1 环流的定义 7
2.2.2 环流的分类 7
2.3 错位控制无环流系统 7
2.3.1静态环流的错位消除原理 7
2.3.2 错位控制无环流系统的结构 8
2.3.3 错位控制无环流系统的优缺点 9
3 主电路的参数计算与保护设计 10
3.1主电路设计及参数的选择 10
3.1.1主电路设计 10
3.1.2 晶闸管的选择 10
3.1.3 电抗的选择 11
3.2 同步变压器及触发器的设计 11
3.2.1触发电路的设计 11
3.2.2 同步变压器的设计 12
3.2.3整流变压器的计算与选择 13
4 利用工程设计法设计三闭环错位无环流调速系统 15
4.1 各器件的参数选择 15
4.2 设计指标 16
4.3 工程设计方法的基本思路 16
4.4 AVR电压内环的设计 17
4.4.1 AVR的模型简化及参数计算 17
4.4.2 电压环校验近似条件 19
4.4.3 电压环的动态性能指标 19
4.5 电流调节器的设计 20
4.5.1 电流环动态结构图的简化 20
4.5.2 确定电流环的时间常数 21
4.5.3 电流调节器结构的选择 21
4.5.4 电流调节器参数的计算 22
4.5.5 电流环校验近似条件 23
4.5.6 电流环的动态性能指标 23
4.6 转速调节器的设计 24
4.6.1电流环的等效闭环传递函数 24
4.6.2 转速环的动态结构图及其近似处理 24
4.6.3 转速调节器结构的选择 25
4.6.4 转速调解器参数的计算 26
4.6.5 转速环的性能指标 28
4.6系统的静态综合及静态性能指标 29
5 保护电路设计 33
5.1过电流保护 33
5.1.1 自动开关保护 33
5.1.2 快速熔断器保护 33
5.2过电压保护 33
5.2.1交流侧过电压保护 33
5.2.2 直流侧过电压保护 35
5.3 晶闸管关断过电压保护 37
6 错位无环流直流可逆调速系统的仿真 38
6.1错位无环流直流可逆调速系统的建模 38
6.2 系统模型参数的配置及模型的封装 39
6.2.1 主电路模块的建模和参数配置 39
6.2.2移相控制器触发器的封装 39
6.2.3同步电源与6脉冲触发器的封装 40
6.2.4错位无环流直流可逆调速系统整流桥的建模与封装 41
6.3三环错位无环流直流可逆调速系统仿真实例及分析 42
6.3.1系统主要环节的仿真参数 42
6.3.2仿真分析 43
7 结束语 44
参考文献 45
致 谢 46

VI

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1绪论
1.1选题的目的及意义
直流流电动机是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机。长期以来直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择。因此研究直流电机的速度控制，有着非常重要的意义。直流电动机具有良好的起制动性能，易于在广泛范围内平滑调速，在需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而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，所以首先应该掌握好直流系统。从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统，位置随动系统，张力控制系统，多电动机同步控制系统等多种类型，而各种系统往往都通过控制转速来实现的，因而调速系统是最基本的拖动控制系统。在许多生产机械中，常要求电动机既能正反转，又能快速制动，需要四象限运行的特性，此时必须采用可逆调速系统。当工艺过程对系统正反转的平滑过渡特性要求不是很高时，特别是对于大容量的系统，常采用既没有直流平均环流又没有瞬时脉动环流的无环流控制可逆系统。直流调速系统在理论上和实践上都比较成热，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。因此，直流调速系统的应用研究有实际意义在工程实践中，有许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节并且要求有良好的静、动态性能。由于直流电动机具有极好的运行性能和控制性.尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位. 由于全数字直流调速系统的出现，目前，直流调速系统仍然是自动速系统的主要形式。
1.2直流传动系统概述
1.2.1电力拖动的基本概述
现代工业生产中，大多数生产机械都采用电力拖动。随着生产科学技术的发展，电力拖动及其自动化得到不断的发展。电力拖动系统为电气与机械综合的系统。它由电动机及其供电电源、传动机构、执行机构、电气控制装置四部分组成。电动机及其供电电源的作用是把电能转换成机械能；传动机构的作用是把机械能转化成所需要的运动形式并进行传递与分配；执行机构是完成生产工艺任务的；电气控制装置是控制系统按着生产工艺的要求来动作，并对系统起保护作用或进行更高层次的自动化控制。随着生产的发展，生产工艺对电力拖动系统在准确性、快速性、经济性、先进性等方面提出愈来愈高的要求，因此，需要不断地改进和完善电气控制设备，使电力拖动自动化得到不断的发展。电力拖动系统的发展，亦按着从低级到高级、从简单到复杂的一般规律。
电力拖动自动化在新型电机、大功率半导体器件、大规模集成电路、电子计算机及现代控制理论发展的推动下，发生了巨大的变革。由单机自动化本身高层次的发展，扩展到生产过程与管理的自动化。电力拖动自动化的发展，为工业发展和科学技术进步打开了更广阔的前景。
1.2.2直流传动控制系统发展概况
长期以来，直流电机由于其良好的起、制动性能和调速性能，在电力拖动调速系统中占有主导地位，虽然近年来交流电动机的调速控制技术发展很快，但就反馈闭环控制的机理来说，直流电动机的传动与控制理论和实现都是交流电动机传动控制的基础，从根本上说，由于直流电动机电枢和磁场能独立进行激励，而且转速和输出转矩的描述是对可控电压（或电流）激励的线性函数，因此，容易实现各种直流电动机控制系统，也容易实现对控制目标的“最佳化”，这也是直流机长期主导传动领域的原因。
直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统领域中得到了广泛的应用。近年来，高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统正逐步取代直流调速系统。然而，直流拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，还是应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动控制系统有调速系统、位置随动系统、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的电力拖动控制系统。
1.2.3 错位无环流调速系统简介
许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速的启动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是需要可逆的调速系统。采用两组晶闸管反并联的可逆调速系统解决了电动机的正、反转运行和回馈制动问题，但是，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称做环流。这样的环流对负载无益，只会加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率。换流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除
有环流可逆系统虽然具有反向快、过渡平滑等优点，但设置几个环流电抗器终究是个累赘。因此，当工艺过程对系统过度特性的平滑性要求不高时，特别是对于大容量的系统，常采用既没有直流平均环流又没有瞬时脉动环流的无环流可逆系统。无环流可逆调速系统可按实现无环流原理的不同而分为两大类：逻辑无环流系统和错位控制无环流系统。逻辑无环流系统目前生产中应用最为广泛的可逆系统，但是应用到电气元件较多,系统结构较为复杂,当一组晶闸管工作时，用逻辑电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路，这就是逻辑控制的无环流可逆系统.而错位无环流系统的系统结构简单, 调整方便，但与逻辑无环流系统相比，切换特性较差，在某些切换条件下的切换死区较大。而且在切换过程中容易出现电流冲击。因此错位无环流系统通常用于系统容量较小而且对切换品质要求不高的场合。也可对错位无环流系统进行改进。例如，为避免电源电压波动造成逆变颠覆现象 ，最好是在电流调节器上设置活动限幅，当电源电压降低时，限幅值亦随之下降。错位无环流系统从形式上看，除了多一个电压环而且无环流电抗器外，与自然环流系统没有任何区别。它们之间的原则性区别在于初始相位的整定不同。随着逻辑控制无环流可逆调速系统的出现，错位控制无环流系统目前其实际应用已经较少,但是作为一种简单的调速系统,其应用也是必不可少的。
1.2.4 控制系统的计算机仿真
计算机仿真是指以计算机为主要工具，运行真实系统或预研系统的仿真模型。计算机仿真通过对计算机输出信息的分析与研究，实现对实际系统运行状态和演化规律的综合与预测。它是分析评价现有系统运行状态或设计优化未来系统性能与功能的一种技术手段，在工程设计、航空航天、交通运输、经济管理、生态环境、通信网络和计算机集成等领域中有着广泛的应用。计算机仿真基本内容包括系统建模、仿真算法、计算机程序设计与仿真结果显示、分析与验证等环节。
随着计算机仿真与技术的发展，目前各个科学与工程领域均已开展了仿真技术的研究。系统系统仿真技术已经被公认为是一种新的试验手段，在科学与工程领域发挥着越来越重要的作用。
MATLAB语言是当前国际上自动控制领域的首选计算机语言。MATLAB中的Simulink提供的面向框图的仿真即概念性仿真功能，使得用户能容易地建立复杂系统模型，准确地对其进行仿真分析。Simulink的概念性仿真模块允许用户在一个框架下对含有控制环节、机械环节和电子电机环节的系统进行建模与仿真，这是目前其他计算机语言无法做到的。
1.3 设计主要内容
本次设计的主要内容是直流电动机无环流可逆调速系统设计，直流电动机无环流可逆调速系统主要有错位控制无环流和逻辑控制两种方式，本次设计采用的是错位控制无环流的方式。主要针对主电路和控制电路进行设计。设计的重点在于主电路参数的选择,控制电路的设计，在控制电路设计中详细描述电流调节器，转速调节器，和电压调节器的设计方案。最后在MATLAB中对本次设计进行适当仿真模拟，得出仿真结果与理论值进行比较。
1.4论文的结构
本设计共分为七章，第一章主要介绍电力拖动系统的基本概况；第二章介绍了错位控制无环流调速系统的主要原理；第三章主要是主电路的设计，第四章主要介绍控制电路的设计，第五章介绍保护电路的设计，第六章介绍了系统的MATLAB仿真结果。第七章为设计的结束语。

2 错位控制无环流可逆调速系统的原理
2.1可逆调速系统的原理

图2-1 两组晶闸管装置触发并联线路
较大功率的可逆直流调速系统多采用晶闸管—电动机系统。由于晶闸管的单向导电性，需要可逆运行时经常需要采用俩组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路，如图2-1，电动机正转时，由正组晶闸管VF供电；反转时，由反组晶闸管VR供电。两组晶闸管分别由两组触发装置进行控制，都能灵活的控制电机的起动、制动和升速、降速。但在一般情况下不允许让两组晶闸管同时处于整流状态，否则将造成电源短路。在可逆调速系统中，正转运行时可利用反组晶闸管实现回馈制动，反转时同样可利用正组晶闸管实现回馈制动，总结起来，可将可逆线路的正反转时的晶闸管和电机状态总结为表2.1。
表2.1 V-M系统反并联可逆线路的工作状态
V-M系统的工作状态
正向运行
正向制动
反向运行
反向制动
电枢端电压极性
+
+
—
—
电枢电流极性
+
—
—
+
电机旋转方向
+
+
—
—
电机运行状态
电动
回馈发电
电动
回馈发电
晶闸管工作的组别和状态
正组整流
反组逆变
反组整流
正组逆变
机械特性所在象限限
一
二
三
四
2.2 环流的介绍
2.2.1 环流的定义
采用两组晶闸管反并联的可逆V-M系统，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流。如图2-2中的Ih 。一般情况，这样的环流对负载无益，徒然加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。

图2-2 反并联可逆V—M系统中的环流（Ih—环流 Id—负载电流）
2.2.2 环流的分类
（1）静态环流：两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流，其中又有两类：
直流平均环流---由晶闸管装置输出的直流平均电压所产生的环流称作直流平均环流。
瞬时脉动环流---两组晶闸管输出的直流平均电压差为零，但因电压波形不同，瞬时电压差仍会产生脉动的环流，称作瞬时脉动环流。
（2）动态环流：仅在可逆V-M系统处于过渡过程中出现的环流。
2.3 错位控制无环流系统
2.3.1静态环流的错位消除原理
采用配合控制的原理，当一组晶闸管装置整流时，让另一组处于待逆变状态，而且两组触发脉冲的零位错开的比较远，避免了瞬时脉动环流产生的可能性，这就是错位控制无环流可逆系统。具体地说，在α=β配合控制的有换流可逆调速系统中，两组触发脉冲的配合关系是，时的初始相位整定在，从而消除了直流平均环流，但仍存在瞬时脉动环流。在错位控制的无环流可逆调速系统中，同样采用配合控制的触发移相方法，但两组脉冲的关系是，甚至是，也就是说初始相位整定在。这样，当待逆变组的触发脉冲到来时，它的晶闸管已经完全处于反向阻断状态，不可能导通，当然就不会产生静态环流了。
2.3.2 错位控制无环流系统的结构
如图2-3主电路采用两组三相桥式晶闸管装置反并联可逆线路， 控制电路采用转速、电流双闭环系统，其中，转速调节器ASR控制转速，设置双向输出限幅电路，以限制最大起制动电流；电流调节器ACR控制电流，设置双向输出限幅电路，以限制最小控制角αmin 与最小逆变角βmin。根据可逆系统正反向运行需要，给定电压、转速反馈电压、电流反馈电压都应该能够反映正和负极性，电流反馈应能否反映极性，因此电流互感器需采用直流电流互感器或霍尔变换器。在错位无环流系统中增设了电压内环。电压内环的作用：
缩小反向时的电压死区，加快系统的切换过程。
1） 抑制电流断续等非线性因素的影响，提高系统的动、静态性能。
2） 防止动态环流，保证电流安全换向。

图2-3 三环错位控制无环流可逆调速系统
ASR—转速调节器，ACR—电流调节器，AVR—电压调节器， TG—测速发电机， TA—电流互感器， AR—反相器，GTF—正组晶闸管脉冲移相触发装置，GTR—反组晶闸管脉冲移相触发装置，VF—正组晶闸管，VR—反组晶闸管， —平波电抗器，Un*—转速给定电压，Un—转速反馈电压，Ui*—电流给定电压，Ui—电流反馈电压，Uu—端电压给定电压，Uu—端电压反馈电压
2.3.3 错位控制无环流系统的优缺点
错位控制无环流系统的结构简单，调整方便，但与逻辑无环流系统相比，切换特性较差，在某些切换条件下的切换死区较大。而且在切换过程中容易出现电流冲击。因此错位控制无环流系统通常用于系统容量较小而且对切换品质要求不高的场合。

3 主电路的参数计算与保护设计
3.1主电路设计及参数的选择
3.1.1主电路设计
由于技术要求直流电动机可逆运行，所以需要设计由两组晶闸管交流装置组成的可逆线路。

图3-1主电路
3.1.2 晶闸管的选择

考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，在设计中应该有2—3倍的电压设计裕量，则晶闸管的额定电压值为。晶闸管的额定电流的选取设计过程中也应该考虑裕量的问题，则其额定电流为。
(1) SCR的额定电流：

取=350(A)
(2） SCR的额定电压：
661.4-992.1(V)
取=1000（V）
式中 =330.7(V)——次级线电压最大值
所以可选 SCR 6只
检验电压裕量：>2 符合要求

3.1.3 电抗的选择
在V-M系统中，脉动电流会产生脉动转矩，对生产机械不利，同时也增加电机的发热。为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施，主要是：设置平波电抗器；增加整流电路相数；采用多重化技术。在此处增加平波电抗器。则平波电抗器参数计算如下：

式中——系数， 无补偿绕组电机=10.
变压器漏电感：

式中=3.9（查表得出三相全控桥=3.9）.
平波电抗器电感：

查表得三相全控桥整流电路A=0.639，取
得出
3.2 同步变压器及触发器的设计
3.2.1触发电路的设计
晶闸管触发电路类型很多，有分立式、集成式和数字式，分立式相控同步模拟电路相对来说电路比较复杂；数字式触发器可以在单片机上来实现，需要通过编程来实现，本设计不采用。由于集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便，所以本设计采用的是集成触发器，选择目前国内常用的KJ、KC系例，本设计采用3个KJ004集成块和1个KJ041集成块，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可。电路原理图如图3-2，Uco处为触发系统的输入端，可将变阻器去掉，直接接控制电压Uc；Up为初始相位控制端，即在Uc初始电压为0时调节脉冲的初始相位。

图3-2 三相全控桥整流电路的集成触发电路
3.2.2 同步变压器的设计
触发电路应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系。同步变压器原边接入为主电路供电的电网，保证频率一致；此外，应确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系。

图5 同步变压器的原理图
晶闸管
VT1
VT2
VT3
VT4
VT5
VT6
主电路电压
+ua
-uc
+ub
-ua
+uc
-ub
同步电压
-usa
+usc
-usb
+usa
-usc
+usb

表2 三相全控桥各晶闸管的同步电压
变压器接法：主电路整流变压器为D,y-11联结，同步变压器为D,y-11,5联结。此时，同步电压的选取结果见表。
3.2.3整流变压器的计算与选择
(1) 整流变压器的次级相电压的有效值U2

考虑到占空比为90％则：

取则

考虑到10％裕量
取

(2) 变压器初级电流、电压和次级电流、电压的有效值
变压器接成Δ/ Y 形，可以得到零线，同时滤除三次谐波。
（a）次级线电压： U线 = 1.732U2 = 234（V）
（b）次级相电流： I2 = 0.816Id = 111.0（A）
（c）初级线电压： U1线 = U1相 =380（V）
（d）初级相电流： I1相 = (U2相/U1相)*I2 = 39.4（A）
（e）变压器的变比： K = U1相 /U2相 = 2.8
(3) 变压器的容量S(视在功率)
(a) 初级容量(损耗为5%)

(b) 次级容量

变压器容量
S = ( S1+ S2)/2 = 88.93(KVA)
取S = 90(KVA)

4 利用工程设计法设计三闭环错位无环流调速系统
4.1 各器件的参数选择
（1）被控直流电动机
Unom=220 v Inom=136 A
Nnom=1460 rpm Ce=0.132 V/rpm
=1.5 =1.26 kg.m/A
（2）整流装置 三相全控桥式整流电路
Ks=ΔUd/ΔUk=40(按照经验值取) Ts=1.7 ms
（3）电枢回路总电阻
R＝0.5Ω
（4）电枢回路总电感
由电感计算公式 (4-1)
计算得L=2.12mH
（5）电动机轴一总飞轮矩

（6）系统时间常数
由公式计算得
Tl=0.00424s
由公式计算得
Tm=0.160s
（7）反馈滤波时间常数
Toi=0.002 s Ton=0.01 s
（8）调节器最大给定电压
U*nm=U*im=10 v
（9）调节器输入回路电阻
R0=40 kΩ
4.2 设计指标
（1）负载：恒转矩负载 Idl=1.5Inom
（2）起动方式：空载起动到额定转速，Ido=0.05Inom
（3）性能指标：
1）调速范围：D＝20
2）静差率：S≤5%
3）电流超调量σi%≤5%
4）转速超调量σn%≤10%
4.3 工程设计方法的基本思路
用经典的动态校正方法设计调节器必须同时解决自动控制系统的稳定性、快速性、抗干扰性等各方面相互矛盾的静态、动态性能要求。作为工程设计方法,首先要使问题简化,突出主要矛盾。简化的基本思路是，把调节器的设计过程分为两步：
第一步，先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需要的稳态精度。
第二步，再选择调节器的参数，以满足动态性能指标
这样做，就把稳、准、快抗干扰之间互相交叉的矛盾问题分成两步来解决，第一步先解决主要矛盾—动态稳定性和稳态精度，然后在第二步中进一步满足其它动态性能指标。
在选择调节器结构时，只采用少量的典型系统，它的参数与性能指标的关系都已事先找到，具体选择参数时只须按现成的公式和表格中的数据计算以下就可以了。这样就使设计犯法规范化，大大减少了设计工作量。下面我们就应用这种方法来分析计算错位无环流调速系统，其三环调速静态结构图如图4-1：

K

K

K

KS

R
1/Ce

ASR
ACR
AVR
UI
UN
UU
U
图4-1错位无环流调速系统的静态结构图
4.4 AVR电压内环的设计
4.4.1 AVR的模型简化及参数计算
AVR的设计采用积分调节器，其分析过程如下。
将电压环的传递函数等效成如图4-2：

UU
UK

Ud0
Ud

Id

图4-2电压环结构图
(4-2)
由于
因此，电压环简化后可视为电流环中的一个环节，化简后如4-3：

Id(s)

图4-3电压环化简图
(4-3)
式中— 电压调节器的比例系数
— 电压调节器的超前时间常数
为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择,则
,
=0.02s, 再计算调节器电阻和电容
按所用运放取 R0 =40k(Ω)，则
Rv = KvR0 = 5.85k(Ω)
Cv =τv /Rv= 0.00424/5.85k =0.724μF
Cov =4Tov /R0 =4*0.002/40k =0.32μF
在工程实际中Rv取6kΩ,

4.4.2 电压环校验近似条件
电压环的截止频率ωcv =Kv =121.16
（1）晶闸管装置传递函数近似条件
ωcv≤1/3Ts (4-4)
现在 ，1/3Ts=1/3*0.0017s=196.1>ωcv ，满足近似条件。
（2）忽略反电动势对电流环影响的条件
(4-5)
3(1/TmTl)1/2=3*(1/(0.160*0.00424))1/2=115.18≤ωcv=KV =121.16
小时间常数近似处理条件
(4-6)
=135.14
按上述参数,电流环可以达到动态指标σI%=4.3%<5%。
4.4.3 电压环的动态性能指标
（1）频域指标 电流环的动态结构图如图3-2所示,其开环频率特性为:
(4-7)
L(ω)=20lgKI-20lgω-20lg(1+T∑i