双闭环直流电动机调速系统设计.doc

武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书
目录
1概论 1
2设计任务与分析 2
2.1 设计任务与要求 2
2.2 方案分析 2
3 主电路的设计 3
3.1 电流调节器的设计 3
3.2 转速调节器的设计 4
4 触发整流电路的设计 5
4.1 可控直流电源 5
4.2 整流电路 5
5 保护电路的设计 7
6检测电路的设计 9
7心得体会 10
参考文献 11

I

双闭环直流电动机调速系统设计
1概论
在电气时代的今天，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。电力拖动自动控制系统——运动控制系统的任务是通过控制电动机电压，电流频率等输入量，来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使各种工作机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。现代运动控制技术以各类电动机为控制对象，以计算机和其他电子装置为控制手段，以电力电子装置为弱电控制强电的纽带，以自动控制理论和信息处理理论为理论基础，以计算机数字仿真和计算机辅助设计为研究和开发的工具。因此，作为一个自动化专业的学生，学好运动控制这门课程非常重要。
在这之中，直流电机作为最常见的一种电机，具有良好的起动、制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动等各领域中得到了广泛的应用。本文设计分析直流双闭环的组成，设计直流双闭环的系统电路图，同时采用工程设计的方法对直流双闭环的转速和电流两个调节器进行设计。

2设计任务与分析
2.1 设计任务与要求
设计一双闭环直流调速系统，给定参数为Pn=3.3kw，Un=220V，In=15.8A，Nn=1700r/min，Ce=0.132v/min/r，要求：
1) 空载启动转速超调量σ≤10%；
2）电流超调量σ≤5%；
3）完成总体系统设计；
4）完成单元电路和总电路设计。
2.2 方案分析
双闭环直流调速系统是在单闭环直流调速系统的基础上建立起来的，其主要包含两个调节环，即转速调节外环和电流调节内环。设计时，主要包括主电路的设计，触发整流电路的设计，保护电路的设计，和检测电路的设计。其中，主电路的设计又包括转速调节器的设计和电流调节器的设计。图2-1为双闭环直流调速系统稳态结构图。

图2-1 双闭环直流调速系统稳态结构图

3 主电路的设计
3.1 电流调节器的设计
电流调节器作为内环的调节器，它的作用是对电网电压的波动起到及时抗扰的作用，在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。用工程设计方法来设计转速、电流反馈控制直流调速系统的原则是先内环后外环。因此，电流反馈作为内环，首先进行电流调节器的设计，然后再进行转速调节器的设计图3-1为电流环的动态结构化简图。

图3-1 电流环的动态结构化简图
根据电流超调量σ≤5% 的要求，可按典型I型系统设计电流调节器。为了便于设计，在这里，不妨取电路回路总电阻为0.5Ω，允许过载倍数λ＝1.5，时间常数Tl＝0.03 s，Tm＝0.18 s，电流反馈系数β=0.05 v/A，下面进行电流调节器的设计。
首先确定时间常数。查表可得Ts=0.0017s, Toi=0.002s,由T∑i = Ts + Toi可以得出T∑i为0.0037s。其次，选择电流调节器的结构。由于电流环控制对象是双惯性，由此可以用PI调节器，其传递函数式为WACR(S)=KPI(τS+1)/ τS。
接下来进行电流调节器的计算。电流调节器时间常数τ=Tl=0.03s。电流开环增益按电流超调量要求可得KiT∑i=0.5，由此可得到

(3-1)
最后的参数校验中，可计算出，符合设计要求。

3.2 转速调节器的设计
转速调节器是调速系统的主导调节器，对负载变化起到抗扰作用，其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。转速环动态简化结构图如图3-2所示。

图3-2 转速环动态简化结构图
首先确定时间常数。电流环等效时间常数1/KI。由于电流调节器设计时，已取，则可以算出1/KI 为0.0074s。根据所用速发电机汶波情况，取。转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取

（3-2）
其次，进行调节器机构的确定。这次设计选择PI调节器，其传递函数为

(3-3)
接下来进行参数的计算。取τn=hT=0.087s,则可得Kn=396.4s-2 。由此参数进行计算校验后，可得转速超调量小于10%，符合要求。

4 触发整流电路的设计
4.1 可控直流电源
图4-1为晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统）原理图。图中，VT晶闸管整流器，通过调节触发装置GT的控制电压UC来移动触发脉冲的相位，改变可控整流器平均输出直流电压Ud，从而实现直流电动机的平滑调速。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，门极电流可以直接用电力电子控制，响应时间是毫秒级，具有快速的控制作用。运行损耗小，效率高，这些优点使得V-M系统获得了优越的性能。

图4-1 晶闸管-电动机调速系统原理图
4.2 整流电路
以单相桥式带续流二极管阻感负载整流电路为例。图4-2为单相桥式带续流二极管阻感负载整流电路图。其中，晶闸管VT1和VT4组成一对桥臂，VT2和VT3组成另一对桥臂。在u2正半周（即a点电位高于b点电位），若4个晶闸管均不导通，负载电流id为零，VT1,VT4串联承受电压u2,设两晶闸管漏电阻相等，则各承受u2电压的一半。若在触发角α处给VT1和VT4加触发脉冲，则VT1和VT4导通，电流从电源a端经VT1,R,VT4流回电源b端，负载电压为正。当u2过零时，流进晶闸管的电流也降到零，VT1和VT4关断。
在u2负半周，仍在触发角α处给VT2和VT3触发信号，则VT2和VT3导通，电流从电源b端流出，经VT3，R,VT2流回电源a端，负载电压仍为正，当u2过零时，流进晶闸管VT2和VT3的电流也降到零，VT2和VT3关断。因此，无论在u2的正半周还是负半周，负载输出皆为正，于是达到整流的目的。
本来无须用续流二极管，也不会失控现象，负载形式多样，整流效果好，波形平稳，应用广泛。变压器二次绕组中，正负两个半周电流方向相反且波形对称，平均值为零，即直流分量为零，不存在变压器直流磁化问题，变压器的利用率也高。
但为了扩大移相范围，使Ud波形不出现负值且输出电流更加平稳，在负载两端并接续流二极管,接续流管后，α的移相范围可扩大到0～π。α在这区间内变化，只要电感量足够大，输出电流Id就可保持连续且平稳。

图4-2 单相桥式带续流二极管阻感负载整流电路图
自从全控型电力电子器件问世后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，现在已经越来越多地取代了晶闸管整流器-电动机系统。

5保护电路的设计
当电力电子变流装置内部某些器件被击穿或短路；驱动、触发电路或控制电路发生故障；外部出现负载过载；直流侧短路；可逆传动系统产生逆变失败；以及交流电源电压过高或过低；均能引起装置或其他元件的电流超过正常工作电流，即出现过电流。因此，必须对电力电子装置进行适当的过电流保护。
采用快速熔断器作过电流保护。熔断器是最简单的过电流保护元件，但最普通的熔断器由于熔断特性不合适，很可能在晶闸管烧坏后熔断器还没有熔断，快速熔断器有较好的快速熔断特性，一旦发生过电流可及时熔断起到保护作用。最好的办法是晶闸管元件上直接串快熔，因流过快熔电流和晶闸管的电流相同，所以对元件的保护作用最好，这里就应用这一方法快熔抑制过电流。对于第二类过流，即整流桥负载外电路发生短路而引起的过电流，则应当采用电子电路进行保护。图5-1为带电流截止负反馈的闭环直流调速系统稳态结构图。

Kp
Ks
1/Ce

Rs
R
Un *
+
+
+
-
-
-
α
-
Id
Ucom
Un

图5-1带电流截止负反馈的闭环直流调速系统稳态结构图

在转速反馈控制直流调速系统上突加给定电压时，由于惯性的作用，转速不可能立即建立起来，反馈电压为零，相当于偏差电压ΔUn=Un *，调节器的输出是KpUn * 。这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压Ud立即达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，会造成电动机电流，当然是不允许的。
当直流电动机被堵转时，也会遇到过电流问题。如挖土机由于机械故障或运行时碰到坚硬的石块，电动机会被堵转。根据系统的静特性，电流将远远超过允许值。如果只依靠过电流继电器或熔断器来保护，过电流时就会跳闸，也会给正常工作带来不便。
为了解决转速反馈闭环调速系统启动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。引入电流负反馈，可以使它不超过允许值。但这种作用只因在启动和堵转时存在，在正常的稳速运行时有得取消，让电流随着负载的增减而变化。这样的当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈，叫做电流截止负反馈。由此，引进带电流截止负反馈环节的直流调速系统来达到限流保护作用。图5-2为电流截止负反馈环节电路图。

图5-2电流截止负反馈环节电路图

6检测电路的设计
转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号，滤除交流分量，为系统提供满足要求的转速反馈信号。转速检测电路主要由测速发电机组成，将测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号，经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系统。使用霍尔电流传感器可以检测电流，把接到霍尔传感器上。霍尔效应传感器，可以测量任意波形的电流和电压。输出端能真实地反映输入端电流或电压的波形参数。其原理图如图6-1所示。

图6-1 转速检测电路

图6-1 转速检测电路

7心得体会
通过这个学期对运动控制课程的的学习，我对运动控制技术这一以后会经常接触的现代化技术有了更深的认识。此次课设，使我加深了对运动控制基础知识的印象，通过老师的帮助与上网和在图书馆中查找资料，丰富了我对这一门学科的认识，同时也让我了解到如何将这门学科应用到实际生活中去。相信在这次课设学到的东西会对未来的工作起到很大的作用。此外在此次课设中暴露了我单独处理问题的能力有所欠缺，在以后的学习中我会尽力克服这种缺陷当好合格的大学生。
总之，这次的课设，辛苦多多，收获多多。我需要学习的地方也很多。这次的经验，会让我日后更加注重实际能力的培养，让自己的羽翼更加丰满。

参考文献
[1] 王兆安、刘进军，电力电子技术(第5版)，机械工业出版社
[2] 王万良，自动控制原理，高等教育出版社
[3] 叶斌，电力电子应用技术及装置,中国铁道出版社
[4] 王维平，现代电力电子技术及其应用,东南大学出版社
[5] 陈伯时、阮毅，电力拖动自动控制系统—运动控制系统（第4版）， 机械工业出版社
[6] 李发海、王岩，电机与拖动基础（第3版）， 清华大学出版社
11