双闭环不可逆直流调速系统课程设计(matlab仿真设计)(1)

前言

许多生产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。而直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。双闭环直流调速系统是直流调速控制系统中发展得最为成熟，应用非常广泛的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止至负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际工作中，我们希望在电机最大电流的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。

随着社会化大生产的不断发展，电力传动装置在现代化工业生产中的得到广泛应用，对其生产工艺、产品质量的要求不断提高，这就需要越来越多的生产机械能够实现制动调速，因此我们就要对这样的自动调速系统作一些深入的了解和研究。 本次设计的课题是双闭环晶闸管不可逆直流调速系统，包括主电路和控制回路。主电路由晶闸管构成，控制回路主要由检测电路，驱动电路构成，检测电路又包括转速检测和电流检测等部分。

按电机的类型不同,电气传动又分交流调速和直流调速。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。另一方面，需要指出的是电气传动与自动控制有着密切的关系。调速传动的控制装置主要是各种电力电子变流器，它为电动机提供可控的直流或交流电流，并成为弱电控制强电的媒介。可以说，电力电子技术的进步是电气传动调速系统发展的有力地推动。把这两者结合起来研究直流调速系统，更有利于对直流调速系统的全面认识. 三、双闭环直流调速系统的工作原理

东北电力大学本科毕业设计论文

1.双闭环直流调速系统的介绍

双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。

在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流Idcr值以后，靠强烈的负反馈作用电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图1-（a）所示。当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。

在实际工作中,我们希望在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形如图1-（b）所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。

Id n Idm Idcr n Id n Idm n IdL IdL O (a)

t O (b)

t (a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 (b)理想快速起动过程

图1 调速系统起动过程的电流和转速波形

实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。

2.双闭环直流调速系统的组成

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二

2

东北电力大学本科毕业设计论文

者之间实行串级连接，如图2所示，即把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。

图2 转速、电流双闭环直流调速系统

图中U*n、Un—转速给定电压和转速反馈电压 U*i、Ui—电流给定电压和电流反馈电压 ASR—转速调节器 ACR—电流调节器 TG—测速发电机 TA—电流互感器 UPE—电力电子变换器

3．双闭环直流调速系统的稳太结构图和静特性

首先要画出双闭环直流系统的稳态结构图如图3所示，分析双闭环调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的稳太特征。一般存在两种状况：饱和——输出达到限幅值；不饱和——输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压U在稳太时总是为零。

图3

3

东北电力大学本科毕业设计论文

Id  R U*n + ASR U*i Ui - + ACR Uct UPE Ud0 + Ks -IdR E 1/Ce n - Un  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，对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。 4双闭环直流调速系统的数学模型

双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图4所示。图中WASR

(s)和WACR(s)分别表示转速调节器和电流调节

d器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流I

*显露出来。图4：

Un + - U*i WASR(s) Un - Ks WACR(s) Ts+1 U- d0 Uct sUi  1/R Tl s+1 Id -IdL R Tms + E 1/Ce n 

5. 双闭环直流调速系统两个调节器的作用

1） 转速调节器的作用

使转速n跟随给定电压U*m变化，当偏差电压为零时，实现稳态无静差；

对负载变化起抗扰作用；

其输出限幅值决定允许的最大电流。 2)电流调节器的作用

在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压U*i变化；

4

东北电力大学本科毕业设计论文

对电网电压波动起及时抗扰作用；

起动时保证获得允许的最大电流，使系统获得最大加速度起动；

当电机过载甚至于堵转时，电枢电流的最大值，从而起大快速的安全保护作用。当故

障消失时，系统能够自动恢复正常。

1.电机转速曲线 在电流上升阶段，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节器ASR饱和，电流调节器ACR起主要作用。转速一直上升。当到达恒流升速阶段时，ASR一直处于饱和状态，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统为恒值电流调节系统，因此，系统的加速度为恒值，电动机转速呈线性增长直至给定转速。使系统在最短时间内完成启动。当转速上升到额定转速时，ASR的输入偏差为0，但其输出由于积分作用仍然保持限幅值，这时电流也保持为最大值，导致转速继续上升，出现转速超调。转速超调后，Un极性发生了变化，Un0，则ASR推出饱和。其输出电压立即从限幅值下降，主电流也随之下降。此后，电动机在负载的阻力作用下减速，转速在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。当突加给定负载时，由于负载加大，因此转速有所下降，此时经过ASR和ACR的调节作用后，转速又恢复为先前的给定值，反映了系统的抗负载能力很强。

2.电机电流曲线

直流电机刚启动时，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节器ASR饱和，达到限幅值，迫使电流急速上升。当电流值达到限幅电流时，由于电流调节器ACR的作用使电流不再增加。当负载突然增大时，由于转速下降，此时转速调节器ASR起主要的调节作用，因此，电流调节器ACR电流有所下降，同启动时一样，当转速调节器ASR饱和，达到限幅值，使电流急速上升。但是由于电流值达到限幅电流时，电流调节器ACR的作用使电流不再增加。当扰动取电以后，电流调节器ACR电流又有所增加，此后，电动机在负载的阻力作用下减速，电流也在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。

七、设计结论

双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态启动时，转速和电流的动态过程如仿真波形所示。由于在启动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。从启动时间上看，第二阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受下的快速启动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是转速必超调。在双闭环调速系统中，ASR的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态是无静差，其输出限幅决定允许的最大电流。ACR的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压的波动。通过仿真可知：启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，

5

东北电力大学本科毕业设计论文

使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随电流外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。

八、总结与体会

通过本设计，我对自动控制系统在工业中的运用有了深入的认识，对自动控制系统设计步骤、思路、有一定的了解与认识。在课程设计过程中，我都按照自动控制系统课上学到的设计步骤来做，首先熟悉系统的工艺，进行对象的分析，设计总体方案，其间与同学进行几次方案的讨论、修改，再讨论、再修改，最后定案，确定最终方案，然后设计硬件部分，通过查资料选取适当的硬件，画出对应的电路图，接着设计控制器，以及各部分的功能模块的实现。

在设计完成后进行仿真，我们利用MATLAB仿真，把电路连好设定好参数就可以进入参数调试，仿真。调试的主要任务是排除系统的故障和错误。调试阶段，找出硬件、参数间不相匹配和有错的地方，反复修改，直到符合设计要求。

本次设计的时间比较仓促，但我在***老师的指导下和同学们得帮助下，克服了很多困难完成这次设计。通过这个设计我同时也体会到了团队合作的乐趣。但是，通过设计我也明白一点，我们上课所学到的知识在做本设计时是远远的不够的，只是设计的一点皮毛而已。平常我们应该扩大自己得知识面。

经过这次的课程设计，不仅在书上学到的知识得到了巩固，而且还在设计过程中拓展了其他没有学过的知识。这次的课程设计从查找资料，到确定方案，最后再到用软件仿真，我们组都团结协作，互相帮助，并且得到老师的关怀。我们以前学习的知识都渐渐离我们远去，甚至不知道、不清楚哪些知识该用到哪些地方，什么时候用。这次课程设计，通过自己查找资料，了解情况，让我们清楚我们学的知识与现实工业生产之间的联系，使得我们对知识深刻的了解和巩固。与此同时，在团队的协作中使我们在与人共事之中学会交流学会合作。因为在今后的工作中一个人完成不与别人合作，是基本不可能的，所以在这次课程设计中也锻炼了我们的团队的协作精神，为今后的学习和工作积累了经验，是一笔难得的财富。 九、参考文献

[1]王兆安，等.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2000. [2]张广溢，等.电机学[M].重庆：重庆大学出版社，2002. [3]王军.自动控制原理[M].重庆：重庆大学出版社，2008.

[4]导向科技.Protel DXP电子电路设计培训教程[M].北京：人民邮电大学出版社，2003. [5]周渊深.交直流调速系统与Matlab仿真[M].北京：中国电力出版社，2004. [6]陈伯时.电力拖动自动控制系统（第2版）[M].北京： 机械工业出版社. 2005

陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统（第3版） 机械工业出版社

6

II东北电力大学本科毕业设计论文

摘 要

直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用Simulink对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路的具体实现。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。采用MATLAB软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计,并用SIMULINK进行动态数字仿真,同时查看仿真波形,以此验证设计的调速系统是否可行.

关键词 直流电机 直流调速系统 速度调节器 电流调节器 双闭环系统

仿真

目 录

摘 要............................................................. I Abstract ......................................... 错误！未定义书签。 第一章 绪 论 ....................................................... 3 1.1 直流调速概念 .................................................. 3 1.2 直流调速系统的发展史 .......................................... 3 1.3 研究双闭环直流调速系统的目的和意义 ............................ 4 1.4 本文的研究内容 ................................................ 5 第二章 直流调速系统 ................................................ 6 2.1 直流调速系统的调速原理及性能指标 .............................. 6 2.1.1 直流调速系统的调速原理 ....................................................................... 6 2.1.2 直流调速系统的性能指标 ....................................................................... 7 2.1.3 动态性能指标 ........................................................................................... 8 2.2 电流、转速双闭环直流调速系统的理论分析 ....................... 10 2.2.1 双闭环调速的工作过程和原理 ............................................................. 10 2.2.2 双闭环直流调速系统的组成及其静特性 ............................................. 10 2.3 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析 ................... 13 2.3.1 双闭环直流调速系统的数学模型的建立 ............................................. 13 2.3.2 起动过程分析 ......................................................................................... 14 2.3.3 动态抗干扰性分析 ................................................................................. 17 2.4 调节器的工程设计方法 ......................................... 17 2.4.1 PI调节器 ................................................................................................ 17

I

IIII东北电力大学本科毕业设计论文

2.4.2 调节器的设计方法 ................................................................................. 18 2.4.3 Ⅰ型系统与Ⅱ型系统的性能比较 ......................................................... 19 2.4.4 转速-电流调节器结构的确定 ............................................................... 20 2.5 电流环、速度环的设计 ......................................... 21 2.5.1 转速调节器、电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用 ............. 21 2.5.2 调节器的具体设计 ................................................................................. 21 第三章 PWM脉宽调制 ............................................. 24 3.1 PWM基本介绍 ................................................. 25 3.2 脉宽调制变换器 ............................................... 25 3.3 桥式可逆PWM变换器 ........................................... 26 第四章 直流电动机数学模型的建立 .................................. 29 4.1 数学模型的建立 ............................................... 29 4.1.1 写出平衡方程式、拉普拉斯变换 ......................................................... 30 4.1.2 动态结构图 ............................................................................................. 30 4.2 本设计中电动机部分的数据采集和计算 ........................... 34 第五章 双闭环直流调速系统仿真 .................... 错误！未定义书签。 5.1 MATLAB简介 .................................. 错误！未定义书签。 5.2 双闭环调速系统的仿真 ......................... 错误！未定义书签。 结 论 ............................................................ 37 致 谢 ............................................................ 38 参 考 文 献 ....................................................... 39 附 录 ............................................................ 40

II

33东北电力大学本科毕业设计论文

第一章 绪 论

1.1 直流调速概念

直流调速[1]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。

1.2 直流调速系统的发展史

直流传动具有良好的调速特性和转矩控制性能，在工业生产中应用较早并沿用至今。早期直流传动采用有接点控制，通过开关设备切换直流电动机电枢或磁场回路电阻实现有级调速。1930年以后出现电机放大器控制的旋转交流机组供电给直流电动机（由交流电动机M和直流发电机G构成，简称G—M系统），以后又出现了磁放大器和汞弧整流器供电等，实现了直流传动的无接点控制。其特点是利用了直流电动机的转速与输入电压有着简单的比例关系的原理，通过调节直流发电机的励磁电流或汞弧整流器的触发相位来获得可变的直流电压供给直流电动机，从而方便地实现调速。但这种调速方法后来被晶闸管可控整流器供电的直流调速系统所取代，至今已不再使用。1957年晶闸管问世后，采用晶闸管相控装置的可变直流电源一直在直流传动中占主导地位。由于电力电子技术与器件的进步和晶闸管系统具有的良好动态性能，使直流调速系统的快速性、可靠性和经济性不断提高，在20世纪相当长的一段时间内成为调速传动的主流。今天正在逐步推广应用的微机控制的全数字直流调速系统具有高精度、宽范围的调速控制，代表着直流电气传动的发展方向。直流传动之所以经历多年发展仍在工业生产中得到广泛应用，关键在于它能以简单的手段达到较高的性能指标。例如高精度稳速系统的稳速精度达数十万分之一，宽调速系统的调速比达1：10000以上，快速响应系统的响应时间已缩短到几毫秒以下。

在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此，调速技术一直是研究的热点。 长期以来，直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛的应用于工程过程中。直流电动机在额定转速以下运行时，保持励磁电流恒定，可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速；在额定转速以上运行时，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。直流电动机具有良好的运行和控制特性，长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位，其中，双闭环直流调速系统是目前直流调速系统中的主流设备，它具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点，在理论和实践方面都是比较成熟的系统，在拖动领域中发挥着极其重要的作用。

3

44东北电力大学本科毕业设计论文

自19世纪80年代起至19世纪末以前，工业上传动所用的电动机一直以直流电动机为唯一方式。到了19世纪末，出现了三相电源和结构简单，坚固耐用的交流笼型电动机以后，交流电动机传动在不调速的场合才代替了直流电动机传动装置。然而，随着生产的不断发展，调速对变速传动装置是一项基本的要求，现代应用的许多变速传动系统，在满足一定的调速范围和连续（无级）调速的同时，还必须具有持续的稳定性和良好的瞬态性能。虽然直流电动机可以满足这些要求，但由于直流电动机在容量、体积、重量、成本、制造和运行维护方面都不及交流电动机，所以长期以来人们一直渴望开发出交流调速电动机代替直流电动机。从60年代起，国外对交流电动机调速已开始重视。随着电力电子学与电子技术的发展，特别是电力半导体器件的发展，使得采用半导体变流技术的交流调速系统得以实现。尤其是70年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，为交流电力拖动系统的发展创造了有利条件，促进了各种类型交流调速系统：如串级调速系统，变频调速系统，无换向器电动机调速系统以及矢量控制调速系统等的飞速发展。目前交流电力拖动系统已具备了较宽的调速范围，较高的稳速精度，较快的动态响应，较高的工作效率以及可以四象限运行和制动，其静特性已可以与直流电动机拖动系统相媲美。国际上许多国家交流电力拖动系统已进入工业实用化阶段，大有取代直流电力拖动系统的势头。

但就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式，在许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。直流电动机可逆调速系统数字化已经走向实用化，其主要特点是： (1) 常规的晶闸管直流调速系统中大量硬件可用软件代替，从而简化系统结构，减少了电子元件虚焊、接触不良和漂移等引起的一些故障，而且维修方便； (2) 动态参数调整方便； (3) 系统可以方便的设计监控、故障自诊断、故障自动复原程序，以提高系统的可靠性； (4) 可采用数字滤波来提高系统的抗干扰性能； (5) 可采用数字反馈来提高系统的精度； (6) 容易与上一级计算机交换信息； (7) 具有信息存储、数据通信的功能； (8) 成本较低。而且，直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，又是交流调速系统的基础，因此，应首先着重研究直流调速系统，这样才可以在掌握调速系统的基本理论下更好的对交流调速系统进行研究和探索[1]。

1.3 研究双闭环直流调速系统的目的和意义

转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统, 采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、电流双闭环直流调速系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。首先，应掌握转速、电流双闭环直流调速系统的基本组成及其静特性；然后，在建立该系统动态数学模型的基础上，从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调节器的作用；第三，研究一般调节器的工程设计方法，和经典控制理论的动态校正方法相比，得出该设计方法的优点，即

4

55东北电力大学本科毕业设计论文

计算简便、应用方便、容易掌握；第四，应用工程设计方法解决双闭环调速系统中两个调节器的设计问题，等等。

通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握各种交、直流调速系统的原理，使之能够应用于国民经济各个生产领域。

1.4 本文的研究内容

本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用Simulink对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。

本文的主要工作：

1. 掌握电机传动的工作原理及应用； 2. 设计调速系统；

主要内容包括：触发电路设计；电流调节器设计；转速调节器设计。 3. 建立数学模型，计算其参数； 4. 进行数字仿真，验证其设计； 5. 完成相关实验。

5

66东北电力大学本科毕业设计论文

第二章 直流调速系统

2.1 直流调速系统的调速原理及性能指标

2.1.1 直流调速系统的调速原理

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广范围内平滑调速，所以由晶闸管—直流电动机(V—M)组成的直流调速系统是目前应用较普遍的一种电力传动自动化控制系统。它在理论上实践上都比较成熟，而且从闭环控制的角度看，它又是交流调速系统的基础[1，6]。

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（伺服系统）、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。直流电动机的转速和其它参量的关系和用式（2—1）表示

nUIRKe （2—1）

式中 n——电动机转速；

U——电枢供电电压； I——电枢电流；

R——电枢回路总电阻，单位为

Ke——由电机机构决定的电势系数。

Ke在上式中， 是常数，电流I是由负载决定的，因此，调节电动机的转速

可以有三种方法：

（1）调节电枢供电电压U； （2） 减弱励磁磁通； （3） 改变电枢回路电阻R。

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方

6

77东北电力大学本科毕业设计论文

式最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱励磁磁通虽然能够平滑调速，但调速的范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上做小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以改变电压调速为主。

2.1.2 直流调速系统的性能指标

根据各类典型生产机械对调速系统提出的要求，一般可以概括为静态和动态调速指标。静态调速指标要求电力传动自动控制系统能在最高转速和最低转速范围内调节转速，并且要求在不同转速下工作时，速度稳定；动态调速指标要求系

统启动、制动快而平稳，并且具有良好的抗扰动能力。抗扰动性是指系统稳定在 某一转速上运行时，应尽量不受负载变化以及电源电压波动等因素的影响[1，6]。 一、静态性能指标

1）．调速范围

生产机械要求电动机在额定负载运行时，提供的最高转速

nminnmax与最低转速

之比，称为调速范围，用符号D表示

Dnmaxnmin （2—2）

2）．静差率

静差率是用来表示负载转矩变化时，转速变化的程度，用系数s来表示。具体是指电动机稳定工作时，在一条机械特性线上，电动机的负载由理想空载增加到额定值时，对应的转速降落

snedn0100%ned与理想空载转速

100%n0之比，用百分数表示为

n0nedn0 （2—3）

ned显然，机械特性硬度越大，机械特性硬度越大，越小，静差率就越小，

转速的稳定度就越高。

然而静差率和机械特性硬度又是有区别的。两条相互平行的直线性机械特性的静差率是不同的。对于图2—1中的线1和线2，它们有相同的转速降落

ned1=

ned2，但由于

n02n01，因此s2s1。这表明平行机械特性低速时静差率

较大，转速的相对稳定性就越差。在1000r/min时降落10r/min，只占1%；在100r/min时也降落10r/min，就占10%；如果

n0只有10r/min，再降落10r/min时，

电动机就停止转动，转速全都降落完了。

由图2—1可见，对一个调速系统来说，如果能满足最低转速运行的静差率s，那么，其它转速的静差率也必然都能满足。

7

88东北电力大学本科毕业设计论文

图2—1 事实上，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所提静差率要求的转速可调范围。脱离了对静差率的要求。任何调速系统都可以得到极高的调速范围；反过来，脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了。

2.1.3 动态性能指标

生产工艺对控制系统动态性能的要求经折算和量化后可以表达为动态性能指标。自动控制系统的动态性能指标包括对给定信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标。 一、跟随性能指标

在给定信号（或称参考输入信号）R(t)的作用下，系统输出量C(t)的变化情况可用跟随性能指标来描述。当给定信号表示方式不同时，输出响应也不一样。通常以输出量的初始值为零，给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程，这时的动态响应又称为阶跃响应。一般希望在阶跃响应中输出量c(t)与其稳态值c的偏差越小越好，达到c的时间越快越好。常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间，超调量和调节时间：

1）上升时间tr

在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值c所经过的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性，见图2—2。

8

99东北电力大学本科毕业设计论文

图2—2

2）超调量%

在典型的阶跃响应跟随系统中，输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量：

%cmaxcc100% （2—4）

超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，则相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。

3）调节时间s

调节时间又称过渡过程时间，它衡量系统整个调节过程的快慢。原则上它应该是从给定量阶跃变化起到输出量完全稳定下来为止的时间。对于线性控制系统来说，理论上要到t才真正稳定，但是实际系统由于存在非线性等因素并不是这样。因此，一般在阶跃响应曲线的稳态值附近，取5%或2%的范围作为允许误差带，以响应曲线达到并不再超出该误差带所需的最短时间定义为调节时间，可见图2—2。 二、抗扰性能指标

一般是以系统稳定运行中，突加负载的阶跃扰动后的动态过程作为典型的抗扰过程，并由此定义抗扰动态性能指标，可见图2—3。常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间：

1）动态降落

cmax%cmax%t

系统稳定运行时，突加一定数值的扰动（如额定负载扰动）后引起转速的最大降落值

叫做动态降落，用输出量原稳态值c1的百分数来表示。输出

量在动态降落后逐渐恢复，达到新的稳态值c2,c1c2是系统在该扰动作用下的稳态降落。动态降落一般都大于稳态降落（即静差）。调速系统突加额定负载扰动时的动态降落称作动态降落

2）恢复时间

tfnmax%。

从阶跃扰动作用开始，到输出量基本上恢复稳态，距新稳态值c2之差进入某基准量

cb的5%或2%范围之内所需的时间，定义为恢复时间

tf，其中

cb称为抗扰指标中输出量的基准值。

实际系统中对于各种动态指标的要求各有不同，要根据生产机械的具体要求而定。一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主。

9

1010东北电力大学本科毕业设计论文

图2—3

2.2 电流、转速双闭环直流调速系统的理论分析

2.2.1 双闭环调速的工作过程和原理

双闭环调速系统的工作过程和原理: 电动机在启动阶段,电动机的实际转速(电压)低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号,经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器, 此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值, 电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电流(堵转电流)可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。在电动机转速上升到给定转速后, 速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动,速度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压,使整流桥输出的直流电压相应变化,从而校正和补偿电动机的转速偏差。另外电流调节器的小时间常数, 还能够对因电网波动引起的电动机电枢电流的变化进行快速调节,可以在电动机转速还未来得及发生改变

，6，8]

时,迅速使电流恢复到原来值,从而使速度更好地稳定于某一转速下运行[1，5，。

2.2.2 双闭环直流调速系统的组成及其静特性

一、双闭环直流调速系统的组成

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。两者之间实行嵌套连接，如图2—4所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

10

1111东北电力大学本科毕业设计论文

图2—4 转速、电流双闭环直流调速系统

其中：ASR-转速调节器 ACR-电流调节器 TG-测速发电机 TA-电流互感器 UPE-电力电子变换器

UiUn*-转速给定电压 Un-转速反馈电压

Ui*-电流给定电压

-电流反馈电压

二、 双闭环直流调速系统的静特性分析

图2—5 双闭环直流调速系统的稳态结构框图

分析静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征，一般使存在两种状况：饱和—输出达到限幅值，不饱和—输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和，换句话说，饱和的 调节器暂时隔断了输入和输出的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压ΔU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

，6，8]

静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况[1，5，。 1．转速调节器不饱和

这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此，

Un*=

*Un=n=

n0

Ui=

Ui=

Id

11

1212东北电力大学本科毕业设计论文

U*nn由第一个关系式可得：n==0

从而得到图2-5所示静特性曲线的CA段。与此同时，由于ASR不饱和，

Ui*<

U*im可知。而

Id<

Idm，这就是说，CA段特性从理想空载状态的Id=0一直延续

Idn到

Id=

IdmIdm，一般都是大于额定电流的。这就是静特性的运行段，它

是一条水平的特性。 2．转速调节器饱和

这时，ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时：

U*imU*imIdI==dm

Idm其中，最大电流取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加

*n速度，由上式可得静特性的AB段，它是一条垂直的特性。这样是下垂特性只适合于

nn0的情况，因为如果

nn0,则

UnU,ASR将退出饱和状态.

Idm 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时,转速负反馈起主要的调节作用,但负载电流达到

U*im时表现为转速无静差,这

Idm时,对应于转速调节器的饱

和输出,这时,电流调节器起主要调节作用,系统表现为电流无静差,得到过电流的自动保护.这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，因此，静特性的两段实际上都略有很小的静差，见图2—6中虚线。

图2—6 双闭环直流调速系统的静特性

三、 各变量的稳态工作点和稳态参数计算

12

1313东北电力大学本科毕业设计论文

由双闭环直流调速系统的稳态结构图可知，双闭环调速系统在稳态工作时，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有以下关系：

UnU*i*=Un=Uin=n0

==

Id=

Idl

CeUnUd0sCenIdRIdlRsUc=

K=

Ks=

K

*上述关系表明，在稳态工作点上，转速n是由给定电压Un决定，ASR的输出量

U*i是由负载电流

Idl决定的，而控制电压

Un*Uc的大小则同时取决

于n和

Id，或者说，同时取决于 和

Idl。PI调节器输出量在动态过程中决定

于输入量的积分，到达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数。

转速反馈系数：α= 电流反馈系数：β=

U*nm//

nmaxIdm;

UimU*;

Uim*两个给定电压的最大值压和稳压电源的。

*nm、由设计者给定，受运算放大器允许输入电

2.3 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析

2.3.1 双闭环直流调速系统的数学模型的建立

双闭环直流调速系统数学模型的建立涉及到可控硅触发器和整流器的相关内容，这里仅作简单介绍，具体的内容将在第三章内加以说明。全控式整流在稳态下，触发器控制电压Uct与整流输出电压Ua0的关系为：

Ua0AU2cosAU2cos(KUct)

其中：A---整流器系数；U2 ---整流器输入交流电压； ---整流器触发角；

13

1414东北电力大学本科毕业设计论文

Uct ---触发器移项控制电压；K---触发器移项控制斜率；

整流与触发关系为余弦，工程中近似用线性环节代替触发与放大环节，放大系数为：K=

Ua0/Uct。

绘制双闭环直流调速系统的动态结构框图如下：

图2—7 双闭环直流调速系统的动态结构框图

2.3.2 起动过程分析

双闭环直流调速系统突加给定电压电压

UgiUgn由静止状态起动时，转速调节器输出

Ud、电流调节器输出电压

Uk、可控整流器输出电压、电动机电枢电流

Ia和转速n的动态响应波形过程如图2—8所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个阶段。

第一阶段是电流上升阶段。当突加给定电压

Ugn时，由于电动机的机电惯性

Ufn较大，电动机还来不及转动（n=0），转速负反馈电压

Un0，这时，

koUgnUfn很大，使ASR的输出突增为

doUgio，ACR的输出为

IaILU，可控整

流器的输出为

U，使电枢电流

Ia迅速增加。当增加到（负载电流）时，

Ugim电动机开始转动，以后转速调节器ASR的输出很快达到限幅值枢电流达到所对应的最大值

Iam，从而使电

（在这过程中

Uk,Ud的下降是由于电流负反馈所

引起的），到这时电流负反馈电压与ACR的给定电压基本上是相等的，即

UgimUfiIam

14

1515东北电力大学本科毕业设计论文

式中，——电流反馈系数。

速度调节器ASR的输出限幅值正是按这个要求来整定的。 第二阶段是恒流升速阶段。从电流升到最大值

Iam开始，到转速升到给定值

为止，这是启动过程的主要阶段，在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统表现为恒流调节。由于电流保持恒定值由

UdIaIam，即系统的加速度dn/dt为恒值，所以转速n按线性规律上升，

知，

UdIamRCen也线性增加，这就要求

Uk也要线性增加，故在启动

过程中电流调节器是不应该饱和的，晶闸管可控整流环节也不应该饱和。

第三阶段是转速调节阶段。转速调节器在这个阶段中起作用。开始时转速已经上升到给定值，ASR的给定电压差

UnUgn与转速负反馈电压

UUfn相平衡，输入偏

等于零。但其输出却由于积分作用还维持在限幅值

Iamgim，所以电动机仍在，使ASR退出饱

Uk与Ud以最大电流下加速，使转速超调。超调后，

UUfn0,Un0和，其输出电压（也就是ACR的给定电压）随之降了下来，但是，由于续上升。到

IaILgi才从限幅值降下来，也

Ia仍大于负载电流IL，在开始一段时间内转速仍继

时，电动机才开始在负载的阻力下减速，知道稳定（如果系统

的动态品质不够好，可能振荡几次以后才稳定）。在这个阶段中ASR与ACR同

时发挥作用，由于转速调节器在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则力图使

Ia尽快地跟随ASR输出

Ugi的变化。 ，电枢电流

Ia稳态时，转速等于给定值

ng等于负载电流IL，ASR和ACR

的输入偏差电压都为零，但由于积分作用，它们都有恒定的输出电压。ASR的输出电压为

ACR的输出电压为

Ks

由上述可知，双闭环调速系统，在启动过程的大部分时间内，ASR处于饱和限幅状态，转速环相当于开路，系统表现为恒电流调节，从而可基本上实现理想过程。双闭环调速系统的转速响应一定有超调，只有在超调后，转速调节器才能退出饱和，使在稳定运行时ASR发挥调节作用，从而使在稳态和接近稳态运

UkUgiUfiIL

CengILR 15

1616东北电力大学本科毕业设计论文

行中表现为无静差调速。故双闭环调速系统具有良好的静态和动态品质。

图2—8 双闭环直流调速系统起动过程的电压、电流、转速波形 综上所述，双闭环调速系统的起动过程有以下三个特点：

（1）饱和非线形控制：随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态，在不同情况下表现为不同结构的线形系统，只能采用分段线形化的

16

1717东北电力大学本科毕业设计论文

方法来分析，不能简单的用线形控制理论来笼统的设计这样的控制系统。

（2）转速超调：当转速调节器ASR采用PI调节器时，转速必然有超调。转速略有超调一般是容许的，对于完全不允许超调的情况，应采用其他控制方法来抑制超调。

（3）准时间最优控制：在设备允许条件下实现最短时间的控制称作“时间最优控制”,对于电力拖动系统，在电动机允许过载能力下的恒流起动，就是时间最优控制。但由于在起动过程Ⅰ、Ⅱ两个阶段中电流不能突变，实际起动过程与理想启动过程相比还有一些差距，不过这两段时间只占全部起动时间中很小的成分，无伤大局，可称作“准时间最优控制”。采用饱和非线性控制的方法实现准时间最优控制是一种很有实用价值的控制策略，在各种多环控制中得到普遍应用。

2.3.3 动态抗干扰性分析

一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能，对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动。

1． 抗负载扰动

由双闭环直流调速系统的动态结构图上可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此，只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。

2． 抗电网电压扰动

电网电压变化对调速系统也产生扰动作用。在图2—7所示的双闭环系统中，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小得多。

2.4 调节器的工程设计方法

2.4.1 PI调节器

PI调节器的结构如下图所式[1，2，3]：

17

1818东北电力大学本科毕业设计论文

UexR1R0Uin1R0C1由图可得：

KpiUdtKpiUinin1Uindt

：PI调节器比例部分的放大系数

：PI调节器积分时间常数

wKpiPI调节器的传递函数为：

1s

2.4.2 调节器的设计方法

为了保证转速发生器的高精度和高可靠性，系统采用转速变化率反馈和电流

反馈的双闭环电路主要考虑以下问题：

1. 保证转速在设定后尽快达到稳速状态； 2. 保证最优的稳定时间； 3. 减小转速超调量。

为了解决上述问题，就必须对转速、电流两个调节器的进行优化设计，以满足系统的需要。

建立调节器工程设计方法所遵循的原则是： 1. 概念清楚、易懂； 2. 计算公式简明、好记；

3. 不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向； 4. 能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简明的计算公式； 5. 适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。

直流调速系统调节器参数的工程设计包括确定典型系统、选择调节器类型、计算调节器参数、计算调节器电路参数、校验等内容。

在选择调节器结构时，只采用少量的典型系统，它的参数与系统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一下就可以了，这样就使设计方法规范化，大大减少了设计工作量。

18

1919东北电力大学本科毕业设计论文

2.4.3 Ⅰ型系统与Ⅱ型系统的性能比较

许多控制系统的开环传递函数可表示为

Kjs1Wssrj1m

Ti1njs1

根据W(s)中积分环节个数的不同,将该控制系统称为0型、Ⅰ型、Ⅱ型„„系统。自动控制理论证明,0型系统在稳态时是有差的,而Ⅲ型及Ⅲ型以上的系统很难稳定。因此,通常为了保证稳定性和一定的稳态精度,多用Ⅰ型、Ⅱ型系统,典型的Ⅰ型、Ⅱ型系统其开环传递函数为

W(s)Ks(Ts1) （2）

W(s)K(s1)s(Ts1)2 （3）

典型Ⅰ型系统在动态跟随性能上可做到超调小,但抗扰性能差;而典型Ⅱ型系统的超调量相对要大一些,抗扰性能却比较好。接下来可用一个实例来说明这个问题。设被控对象的传递函数如式(4):

Wobj(s)1s(2s1) （4）

若欲将系统校正成Ⅰ型系统,则调节器仅仅是一个比例环节,若欲将系统校正成Ⅱ型系统,则调节器必须含有一个积分环节,并带有一个比例微分环节,以便消除被控对象的一个惯性环节,故调节器采用如式(5)的PI调节器。仿真结果如图3所示。从图中可以清楚地看到Ⅰ型系统、Ⅱ型系统的差别。这种差别可以作为调节器选择的原则。

19

2020东北电力大学本科毕业设计论文

2.4.4 转速-电流调节器结构的确定

一般说来典型Ⅰ型系统在动态跟随性能上可以做到超调小,但抗忧性能差;而典型Ⅱ型系统的超调量相对要大一些而抗扰性能却比较好。图3很好地说明了这一点。基于此,在转速-电流双闭环调速系统中,电流环的一个重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值,即能否抑制超调是设计电流环首先要考虑的问题,所以一般电流环多设计为Ⅰ型系统,电流调节的设计应以此为限定条件。至于转速环,稳态无静差是最根本的要求,所以转速环通常设计为Ⅱ型系统。在双闭环调速系统中,整流装置滞后时间常数Ts和电流滤波时间常数Toi一般都比电枢回路电磁Tl小很多,可将前两者近似为一个惯性环节,取T∑i=Ts+Toi。这样,经过小惯性环节的近似处理后,电流环的控制对象是一个双惯性环节,要将其设计成典型Ⅰ型系统,同理,经过小惯性环节的近似处理后,转速环的被控对象形如式(2)。如前所述,转速环应设计成Ⅱ型系统,所以转速调节器也就设计成PI型调节器,如下式所示:

W(s)K(s1)s （5）

20

2121东北电力大学本科毕业设计论文

2.5 电流环、速度环的设计

2.5.1 转速调节器、电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用

1.转速调节器的作用

1) 转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快的跟随给定电压

Un*的变化；稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差；

2) 对负载变化起抗扰作用；

3) 其输出限幅值决定电动机允许的最大电流； 2.电流调节器的作用

1) 为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟

随其给定电压Ui*（即外环调节器的输出量）变化； 2) 对电网电压的波动起及时抗扰的作用；

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； 当电动机过载甚至堵转时，电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。

2.5.2 调节器的具体设计

本设计为双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式全控整流电路基本数据如下：

1) 晶闸管装置放大系数：

Ks=30

2) 电枢回路总电阻：R=0.18Ω 3) 时间常数：电磁时间常数

机电时间常数

4) 调节器输入电阻

R0Tl=0.012s =0.12s

Tm=20k

设计指标：

静态指标：无静差； 动态指标：电流超调量≤15%。

U*imi%≤5%；空载起动到额定转速时的转速超调量

n%

计算反馈关键参数：

In121.53050.026VA

21

2222东北电力大学本科毕业设计论文

*nmUnn1510000.015V 一. 电流环的设计

（1）确定时间常数

a) 整流装置滞后时间常数电流滤波时间常数

ToiTs0.0017srmin

；（见附录表一）

=0.002 s（三相桥式电路每个波头是时间是3.3ms，为

Toi了基本滤平波头，应有（1～2）

电流环小时间常数之和 按小时间常数近似处理

Ti=3.33ms，因此取

Toi=2ms=0.002s）

TsToi0.0037s。(s和

TToi一般都比

Tl小得多,

可以当作小惯性群近似地看作是一个惯性环节)

（2）选择电流调节器结构

Tl根据设计要求：%≤5%，且，可按典型Ⅰ型设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的,所以把电流调节器设计成PI型的.

iT0.0120.00422.8610iTl检查对电源电压的抗扰性能:Ti由附录表二,各项指标可接受. （3）选择电流调节器的参数 ACR超前时间常数

Ki0.5Ti0.50.0037s135.1s10.012s0.0037s3.2410

iTl=0.012s；电流环开环时间增益

，

300.0260.37ACR的比例系数

KiKiiRKs135.10.0120.18。

1（4）校验近似条件 电流环截止频率

ciKi135.1s，

ci13Tsa)晶闸管装置传递函数近似条件：

13Ts130.0017s196.1135.1，现为

，满足近似条件；

22

2323东北电力大学本科毕业设计论文

ci31TmTl,b)忽略反电动势对电流环影响的条件：

31TmTl310.120.0012现为

79.06s1ci，满足近似条件；

ci131TsToic)小时间常数近似处理条件：

131TsToi，现为

110.00170.0025=3161.69s1ci，满足近似条件。

，也满足设计要求。

电流环可以达到的动态指标为：%二. 速度环的设计

（1）确定时间常数

14.3%5%1I ①电流环等效时间常数②转速滤波时间常数：

K：

KI=

2Ti20.00370.0074s

Ton0.014sT

2TiTon0.00740.0140.0214s③转速环小时间常数近似处理：n。

（2）选择转速调节器结构

按跟随和抗扰性能都能较好的原则,在负载扰动点后已经有了一个积分环节,为了实现转速无静差,还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节,因此需要Ⅱ由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型Ⅱ型系统—选用设计PI调节器。典型Ⅱ型系统阶跃输入跟随性能指标见附录表三。

（3）选择调节器的参数

nhTn50.02140.107s

22KNh12hTn51250.021422262.03s2 转速开环增益： ASR的比例系数：

Kn

h1CeTm2hRTn60.0260.20.12250.0150.180.02146.48

（4）近似校验

cnKN 转速截止频率为：

1KNn262.030.107s128.03s1

23

2424东北电力大学本科毕业设计论文

1①电流环传递函数简化条件：②

132T1Tion5T150.003754.05s1cni，满足条件；

似

处

理

条

件

：

转

速

13环小

1时间

s1常数近

120.00370.01432.75scn

（5）检验转速超调量 当h=5时，

Cmaxn37.6%,不能满足要求.按ASR退饱和的情况计算超调

3050.180.2274.5rmin量:

Cb%81.2%,nnIdRCe，满足设计要求。

第三章 PWM脉宽调制

24

2525东北电力大学本科毕业设计论文

3.1 PWM基本介绍

自从全控型整流电力电子器件问世以后，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，或直流PWM调速系统。PWM系统在很多方面有较大的优越性： 主电路线路简单，需用的功率器件少；

开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小； 低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1：10000左右；

若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强； 功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；直流电源采用不控整流时，电网效率因数比相控整流器高。

由于上述优点，在中、小容量的高动态性能系统中，直流PWM调速系统的应用日益广泛[4]。

3.2 脉宽调制变换器

在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市电车和地铁电机车等电力牵引设备上，常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电网供电。过去用切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调速，在电阻中耗电很大。为了节能，并实行无触电控制，现在多改用电力电子开关器件，如快速晶闸管，GTO，IGBT等。采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，统称为脉宽调制变换器。

直流斩波器-电动机系统的原理如图3—1a所示，其中VT用开关符号表示任何一种电力电子器件，VD表示续流二极管。当VT导通时，直流电源电压Us加到电动机上；当VT关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经VD续流，两端电压接近于零。如此反复，得到电枢端电压波形u=f(t),如图3—1b所示，好象是电源电压Us在ton时间内被接上，又在（T-ton）内被斩断，故称为“斩波”。这样，电动机得到的平均电压为：

Ud=(ton/T)*Us=ρ*Us 式中 T---功率开关器件的开关周期 ton---开通时间

ρ---占空比，ρ= ton/T= ton*f，其中f为开关频率。

25

2626东北电力大学本科毕业设计论文

图3—1脉宽调制变换器-电动机系统的原理图和电压波形图 a）原理图 b)电压波形图 如图3—2 a)所示，给出了一种可逆脉宽调速系统的基本原理图，由VT1—VT2共4个电力电子开关器件构成桥式（或称H形）可逆脉冲宽度调制（PULSE WIDTH MODULATION，简称PWM）变换器。VT1和VT4同时导通和关断，VT2和VT3同时通断，使电动机M的电枢两端承受电压+ Us或- Us。改变两组开关器件导通的时间，也就改变了电压脉冲的宽度，得到电动机两端电压波形如图3—2 b)所示

图3—2 桥失可逆脉宽调速系统基本原理图和电压波形

a)基本原理图 b)电压波形

如果用ton表示VT1和VT4导通的时间，开关周期T和占空比ρ的定义和上面相同，则电动机电枢端电压平均值为：

Ud=(ton/T)*Us- [（T-ton）/ T]* Us=（2*ton/ T-1）* Us=（2ρ-1）*Us

脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。

3.3 桥式可逆PWM变换器

可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H型）电路，如图3—5所示。

26

2727东北电力大学本科毕业设计论文

图3—5 桥式可逆PWM变换器

双极式控制可逆PWM变换器的4个驱动电压波形如图3—6所示。

图3—6 双极式控制可逆PWM变换器的驱动电压、输出电压和电流波形

它们之间的关系是：Ug1=Ug4=-Ug2=-Ug3。在一个开关周期内，当0≤t27

2828东北电力大学本科毕业设计论文

图3—6也绘出了双极式控制时的输出电压和电流波形。Id1相当于一般负载的情况，脉动电流的方向始终为正；Id2相当于轻载情况，电流可在正负方向之间脉动，但平均值仍为正，等于负载电流。电动机的正反转则体现在驱动电压正、负脉冲的宽度上。当正脉冲较宽时，ton>T/2,则Uab的平均值为正，电动机正转，反之，则反转；如果正、负脉冲相等，t=T/2,平均输出电压为零，则电动机停止。图3—6所示的波形是电动机正转时的情况。

双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为：

TTT

若占空比ρ和电压系数γ的定义与不可逆变换器相同，则在双极式是可逆变换器中：γ=2ρ-1就和不可逆变换器中的关系不一样了。调速时，ρ的可调范围为0~1，相应的，γ=（-1）~（+1）。当ρ>1/2时，γ为正，电动机正转；当ρ<1/2时，γ为负，电动机反转；当ρ=1/2时，γ=0，电动机停止。但电动机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而，电流也是交变的。这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电动机的损耗，这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电动机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。 双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点： 1) 电流一定连续；

2) 可使电动机在四象限运行；

3) 电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；

4) 低速平稳性好，系统的调速范围可达1：20000左右；

5) 低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。 双极式控制方式的不足之处是：在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。为了克服上述缺点，可采用单极式控制，使部分器件处于常通或常断状态，以减少开关次数和开关损耗，提高可靠性，但系统的静、动态性能会略有降低[4，8]。

UdtonUsTtonUs(2ton1)Us 28

2929东北电力大学本科毕业设计论文

第四章 直流电动机数学模型的建立

4.1 数学模型的建立

建立电动机动态数学模型的方法的要点是：首先列写出电动机主电路电压平衡方程式，轴上力矩平衡方程式和励磁电路电压平衡方程式等基本关系式，加以整理，然后进行拉普拉斯变换，根据此变换，即可求出电动机的动态结构图和传递函数的表达式[1，10]。

图4—1

上图为一他励直流电动机的等效电路，其中：

UIda E----分别为电动机电枢端电压和反电势；

If

---电动机电枢电流和励磁电流； ---电枢电路电阻和电感； ---励磁电路电阻和电感；

RaRULafLff-------电动机的励磁电压；

ω-------电动机的角速度；

J--------电动机轴上的转动惯量；

Te

Tl----电动机转矩和负载阻转矩。

29

3030东北电力大学本科毕业设计论文

4.1.1 写出平衡方程式、拉普拉斯变换

由上图可写出下列基本关系式：

Ua-E=

Ra(1+

STa)

Id

TeTlU-=JSω =

Rff1STI

fff E=

KepMI

TfLfRf Te=

KmIdpMIfId其中:

TaLaRa 为电枢电路时间常数； 为励磁电路时间常数；p为电动

机磁极对数；M为励磁绕组和电枢绕组的互感；

4.1.2 动态结构图

将S=d/dt看作

出直流电动机的结构。如图4—2所示。

图4—2

如果将讨论的问题在稳态工作点附近的小偏差情况，经过化简，可得此时系统的增量方程为：

TeTlJSUaERa(1STa)Id

fUfRf(1STf)I

30

3131东北电力大学本科毕业设计论文

EpMIf0pMIIdpMIf0Id0

TepMIf0f为简化起见，式中表示增量的下标1已删去。由诸式可画出直流电动机在电枢电压和磁场控制下的动态结构图如下所示：

图4--3

1) 当电动机磁场恒定时，动态结构图可化为下图形式：

Ws(s)Ua(s)21/CeTmTas2其传递函数为：

W(s)Tms1

n/Ces2或写成：

n1nsn2

式中:

TaTm----固有振荡频率

Tm δ=

CeTa----衰减系数或阻尼比

Km =

KeTm = =

Cm= C----电势系数或转矩系数

JRaC2

---------电动机的电气机械时间常数

31

3232东北电力大学本科毕业设计论文

当δ〈1时，输出响应是振荡的； 当δ≥1时，输出响应是非振荡的；

当δ>>2,即Tm>>4Ta时，传递函数可写成如下形式：

W(s)(s)Ua(s)1/Ce(Tas1)(Tms1)

Ta次式表明，在外施阶跃电压作用下，首先产生由于时间常数然后下一步输出因

Tm而滞后的电枢电流，

滞后的响应速度。

La2) 略去电枢电感，动态结构图可化为：

W(s)(s)Ua(s)1/CeTms1JRaC2其传递函数为：

Tm

JRaCeCm 其中：

TlTl1Kl3) 当负载中含有随转速成比例变化的粘性摩擦负载，即

结构图如下：

时，

其中转矩系数

CmCeCpMIf

4) 忽略电枢电感但需要计入粘性摩擦负载时动态结构图如下：

32

3333东北电力大学本科毕业设计论文

由上图可得直流电动机的传递函数：

CmW(s)sUasRaKlCeCmJRaRaKlCeCms1

以上四种的讨论都是就恒定磁场他励直流电动机而言，而永磁直流电动机只不过是用永久磁铁代替了恒定他励电动机达到励磁绕组，故两者具有相同的等效电路，如下图：

当永磁电动机用于伺服系统时，常常要考虑带有粘性负载的情况。此时，用下列诸式描述起其动态过程：

TeJsKlTlCmIdU----------------------------------------------①

------------------------------------------------------②

aCeIdRasLa---------------------------------------③

s由①、②可得：

IdsCmJsKl----------------------------------④

33

3434东北电力大学本科毕业设计论文

TmJRaCeCmTaLaRa令为电动机的电气机械时间常数，

1/CeTmTas2为电动机的电气时间常

数，由③、④式可得：

WssUasKlKlTmTmTasTm1JJ⑤

式④、⑤分别是以电枢电流

Id和电枢电压

Ud为输入，以角速度ω为输出时，永

磁电动机的传递函数，这两种表达式可根据组成控制系统时的具体情况来选用，

通常把永磁直流电动机作为电流变换装置，选取式④较好，因为相对于式⑤，式 ④只有一个极点。

显然，若忽略不计粘性摩擦负载，则KL=0，此时，永磁电动机的传递函数

Ws1/CeTmTas1/CeTms12式⑤与前描述式

Tms1相同，若电枢电感也可忽略不

Ws计，则式⑤与前述式 相同。

4.2 本设计中电动机部分的数据采集和计算

已知：电动机部分[9，10]：电动机电枢端电压=0.35A，电枢电路电阻电路电感

LaRaUa =220V，电动机的电枢电流

PnId

=21.2Ω，转速n=1600r/min,额定功率=185w，电枢

=0.72H，极对数p=2，电磁转矩M=0.034mH,角速度ω=1600*2π

Uf/60=1.47rad/s,频率W=50HZ； 励磁部分：励磁电压

If=220V，励磁电流

=98.2MA,励磁电路电阻

TaTfRf=2.07kΩ,励磁电路电感

Lf=106.5H。转动惯量

J=0.0146kg.m*m。 经计算：

=0.034 =0.0000474

所以得出结论： 电动机磁场恒定时，

34

3535东北电力大学本科毕业设计论文

Ws(s)Ua(s)1/CeTmTas21/0.133Tms1=0.595s217.5s1

(2) 略去电枢电感

W(s)La时，

1/0.133(s)Ua(s)1/CeTms1 =17.5s1

Cm（4）忽略电枢电感但需要计入粘性摩擦负载时

sUaW(s)sRaKlCeCmJRaRaKlCeCms10.133 =0.31s21.2Kl0.018

其中，

Ll是由负载决定的。

35

3636东北电力大学本科毕业设计论文

图5—1 双闭环调速系统的仿真图

36

3737东北电力大学本科毕业设计论文

结 论

通过这次设计，我基本上掌握了直流双闭环调速系统的设计。具体的说，第一，了解了调速的发展史的同时，进一步了解了交流调速系统所蕴涵的发展潜力，掌握了这一方面未来的发展动态；第二，双闭环直流调速系统的基本组成以及其静态、动态特性；第三，ASR、ACR（速度、电流调节器）为了满足系统的动态、静态指标在结构上的选取，包括其参数的计算；第四，直流电动机数学模型的建立，参数的计算；第六，PWM脉宽调制系统的基本原理，组成，并分析了桥式可逆PWM的工作状态及电压、电流的波形；第七，运用MATLAB仿真系统对所建立的双闭环直流调速系统进行的仿真，与此同时，进一步熟悉了MATLAB的相关功能，掌握了其使用方法。

总之，在设计过程中，我不仅学到了以前从未接触过的新知识，而且学会了的去发现，面对，分析，解决新问题的能力，不仅学到了知识，又锻炼了自己的能力，使我受益非浅。

论文的主要工作如下。

1. 掌握电机传动的工作原理及应用。 2. 设计调速系统。

包括：可控硅整流电路，触发电路设计；电流调节器设计；转速调节器设计。 3. 建立数学模型，计算其参数。 4. 进行数字仿真，验证其设计。 5. 完成相关实验。

37

3838东北电力大学本科毕业设计论文

致 谢

感谢我的毕业设计指导老师麻鸿儒老师以及在我做毕业设计过程中给予我较大帮助的辅导老师，没有他们的帮助，我是无法顺利的完成这次设计的，再次向辅导老师表示感谢。

毕业设计是学生在校期间最后一个重要的综合性实践环节，是学生全面运用所学基础理论、专业知识基本技能，对实际问题进行设计和研究的综合训练。正是有了这次设计，让我在大学四年的最后一个学期过的丰富而又充实，我应该拿出作毕业设计的这份精神和态度去面对以后工作中所面临的难题，为以后的发展打下坚实的基础。

38

3939东北电力大学本科毕业设计论文

参 考 文 献

[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社，2002 [2]邹伯敏.自动控制理论.机械工业出版社 2003

[3]章燕申,袁曾任.控制系统的设计与实践.清华大学出版社,1992.3 [4]王兆安,黄俊.电力电子技术.机械工业出版社，2002

[5]张柳芳,王彦辉.速度和电流双闭环直流调速系统的设计. 新探平顶山师专,2000.5

[6]周渊深.交直流调速系统与MATLAB仿真.中国电力出版社,2003.

[7]王果,朱大鹏.直流电机双闭环调速系统的工程设计方法仿真.兰州交通大学,2000.5

[8]徐月华,汪仁煌.Matlab在直流调速设计中的应用.广东工业大学,2001.8 [9]麻鸿儒,刑大成,谭敦生,曾令全.电力传动控制实验指导书.东北电力大学电机实验室,2003.10

[10]马葆庆,孙庆光.直流电动机的动态数学模型.电工技术,1997.1

[11]陈伯时.电力拖动自动控制系统—远动控制系统.机械工业出版社,2003 [12]廖晓钟.电气传动与调速系统.中国电力出版,1998

[13]WANG Wei-hong,ZHANG Jing-gan The Application of MATLAB Language in Teaching theDouble-closed-loop Timing System JOURNAL OF EEE 2003,25(3)

[14]M.P.Kazmierkowski,“Current control techniques for three-phase voltage-source PWM converters:A Survey,”IEEE Trans.on Industrial Electronics, 1998，45（5）691-703

39

4040东北电力大学本科毕业设计论文

附 录

表一 各种整流电路是失控时间（f=50HZ）

整流电路形式 最大失控时间Tsmax/ms 单相半波

20

平均失控时间Ts/ms 10 5 3.33 1.67

单相桥式（全波） 10 三相半波 三相桥式

6.67 3.33

表二 典型Ⅰ型系统动态抗扰性能指标与参数的关系（KT=0.5）

表三 典型Ⅱ型系统阶跃输入跟随性能指标

40

4141东北电力大学本科毕业设计论文

41