直流电动机调速系统设计

武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书I课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：题目:直流电动机调速系统设计初始条件：采用MC787组成触发系统，对三相全控桥式整流电路进行触发，通过改变直流电动机电压来调节转速。要求完成的主要任务:（1）设计出三相全控桥式整流电路拓扑结构；（2）设计出触发系统和功率放大电路；（3）采用开环控制、转速单闭环控制、转速外环+电流内环控制。(4)器件选择：晶闸管选择、晶闸管串联、并联参数选择、平波和均衡电抗器选择、晶闸管保护设计参考文献：[1]周渊深.《电力电子技术与MATLAB仿真》.北京：中国电力出版社，2005:41-49、105-114时间安排：2011年12月5日至2011年12月14日，历时一周半，具体进度安排见下表具体时间设计内容12.5指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介绍；学生确定选题，明确设计要求12.6－12.9开始查阅资料，完成方案的初步设计12.10—12.11由指导老师审核仿真模型，学生修改、完善并对仿真结果进行分析12.12－12.13撰写课程设计说明书12.14上交课程设计说明书，并进行答辩指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书II目录1概述......................................................................12转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性..............................12.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成...................................12.2稳态结构框图和静特性................................................23双闭环直流调速系统的数学模型与动态过程分析................................33.1双闭环直流调速系统的动态数学模型.....................................33.2双闭环直流调速系统的动态过程分析.....................................44转速电流双闭环直流调速系统调节器的工程设计................................64.1转速和电流两个调节器的作用...........................................64.2调节器的工程设计方法.................................................64.2.1设计的基本思路.................................................74.3触发电路及晶闸管整流保护电路设计....................................74.3.1触发电路.......................................................74.3.2整流保护电路...................................................84.3.2.1过电压保护和du/dt限制.......................................84.3.2.2过电流保护和di/dt限制.......................................94.4器件选择与计算......................................................95心得体会.................................................................14参考文献...................................................................15附录：电路原理图...........................................................16武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书1直流电动机调速系统设计1概述此设计采用MC787组成触发系统，对三相全控桥式整流电路进行触发，通过改变直流电动机电压来调节转速。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。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。2转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其静特性2.1转速、电流双闭环直流调速系统的组成图1转速、电流双闭环直流调速系统结构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—电力电子变换器图中，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，称作外武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书2环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于下图。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图2双闭环直流调速系统电路原理图2.2稳态结构框图和静特性稳态结构图，如图3。当调节器饱和时，输出为恒值，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压U在稳态时总是零。在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。图3双闭环直流调速系统的稳态结构框图-转速反馈系数-电流反馈系数Ks1/CeU*nUcIdEnUd0Un++-ASR+U*i-IdRRACR-UiUPE武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书3图4双闭环直流调速系统的静特性1转速调节器不饱和稳态时，0*nnUUnn、diiIUU*，,——转速和电流反馈系数。，图5静特性的AB段。dmdII，CA段静特性从理想空载状态的0dI一直延续到dmdII，而dmI一般都是大于额定电流dNI的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。2转速调节器饱和ASR输出达到限幅值*imU，转速外环呈开环状态，成电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时，，dmI为最大电流。静特性是图4中的BC段，它是垂直的特性。这样的下垂特性只适合于0nn的情况，因为如果0nn，则*nnUU，ASR将退出饱和状态。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于dmI时表现为转速无静差，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到dmI时，对应于转速调节器的饱和输出*imU，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。3双闭环直流调速系统的数学模型与动态过程分析3.1双闭环直流调速系统的动态数学模型图5是转速、电流双闭环直流调速系统的动态结构框图，ASRW(s)和ACRW(s)分别表示了转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用PI调节器，则有：（3-1）ssKsWnnnASR1)(0*nUnndmimdIUI*武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书4（3-2）图5双闭环直流调速系统的动态结构框图3.2双闭环直流调速系统的动态过程分析电流Id从零增长到Idm，然后在一段时间内维持其值等于Idm不变，以后又下降并经调节后到达稳态值Idl。转速波形先是缓慢升速，然后以恒加速上升，产生超调后，到达给定值n。从电流与转速变化过程所反映出的特点可以把起动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段，转速调节器在此三个阶段中经历了不饱和、饱和及退饱和三种情况。图6双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形ssKsWiiiACR1)(武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书5第I阶段（0-t1）是电流上升阶段：突加给定电压Un后，经过两个调节器的跟随作用，Uc、U0d、Id都上升，但是在Id没有达到负载电流Idl以前，电动机不能转动。当IdIdl后，电动机开始转动，由于电机惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值较大，其输出电压保持限幅值Uim，强迫电枢电流Id迅速上升。直到IdIdm，Ui=Uim，电流调节器很快就压制了Id的增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。第II阶段（t1-t2）是恒流升速阶段：在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为恒流给定Uim下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长，是起动过程中的主要阶段。第III阶段（t2以后）是转速调节阶段：当转速上升到给定值n时，转速调节器输入偏差为零，但输出却由于积分作用还维持在限限幅值Uim，所以电动机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压为负，使它开始退出饱和状态，Ui和Id很快下降。但是，只要Id仍大于负载电流Idl，转速就继续上升。直到Id=Idl时，转矩Te=Tl，则转速n到达峰值。此后，在t3-t4时间内，IdIdl，电动机开始在负载的阻力下减速，直到稳态。如果调节器参数整定得不够好，也会有一段振荡过程。在这的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使Id尽快地跟随给定值Ui，此时电流内环是一个电流跟随子系统。武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书64转速电流双闭环直流调速系统调节器的工程设计4.1转速和电流两个调节器的作用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很快地跟随给定电压*nU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机允许的最大电流。2.电流调节器的作用(1)作为内环的调节器，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*iU（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。(3)在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。(4)当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，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。4.2调节器的工程设计方法必要性: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。可能性:电力拖动自动控制系统可由低阶系统近似，事先研究低阶典型系统的特性，将实际系统校正成典型系统，设计过程就简便多了。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，同样给出简单的计算公式；（5）适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书74.2.1设计的基本思路调节器的设计过程分作两步：第一步，先选择调