直流电机双闭环调速系统设计

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流直流电机双闭环调速系统设计.精品文档.存档日期： 存档编号： 本科生毕业设计（论文）论 文 题 目： 直流电机双闭环调速系统设计姓 名： 徐震杰 学 院： 电气工程及自动化 专 业： 自动化 班 级 、 学 号： 10电51 10285038 指 导 教 师： 甘良志 江苏师范大学教务处印制摘 要直流调速系统的控制一般都是由转速、电流反馈来完成的，它的静态性能和动态性能都是十分杰出的，正是由于它的这些优点使其使用范围也很广泛。其主要通过晶闸管可控整流电源来调节电源的大小。根据题目的设计要求，调速系统一共有两个控制器，它们分别是转速控制器（AS

2、R）和电流控制器（ACR）。速度控制系统的电源电路的设计是使用三相全控桥整流电路实现的。在设计中，首先对总体规划的设计图进行了确定。之后又对主电路的结构形式以及各个元器件进行了确定和设计。与此同时，对包括晶闸管、电抗器等元件的参数进行了计算。在本文的最后一个部分，主要围绕本设计最重要的部分，直流调速系统的转速环和电流环进行设计。为了使速度和电流两个负反馈可以发挥一定的作用，因此，应该使其嵌套连接在速度和电流负反馈之间。单纯的从布局上来看的话，电流环在转速环的内部，因此电流环被叫做内环，相应的转速环就被称为外环。这样设计之后，以电流负反馈、转速负反馈为核心的调速系统就这样形成了。在对所有部分设计

3、都完成了之后，采用MATLAB对整个系统进行仿真实验，并对数据进行分析，得出结论。关键词：直流电动机 双闭环调速系统 转速负反馈 电流负反馈AbstractThe speed and current feedback control of dc speed control system has excellent static and dynamic performance and the most widely application scope. It through thyristor controlled rectifying power supply to adjust the si

4、ze of the power supply mainly. According to the design requirements of the title, it uses ASR and ACR as the controller of speed control system in the control circuit. The power supply circuit of the speed control system of design uses the Sedan fully-controlled bridge rectifier circuit. Firstly, we

5、 need determine the overall plan and diagram of this design before the design. Secondly, we need identify and design the structure of main circuit and the various components. At the same time, including the parameters of thyristor, reactor, etc. Finally, focus on the design of the most important two

6、 parts which are speed loop and current loop dc speed control system in the design. In the system were introduced speed negative feedback and current feedback and the implementation of a nested connection can realize the speed and current two kind of negative feedback effect between the two respecti

7、vely. On the layout of it simply, current loop is referred to as the inner ring, because it is in the inside. Speed ring is called the outer ring, because current loop is in the interior of the speed loop. Through this design, the core of the double closed loop speed regulation system: speed negativ

8、e feedback and current feedback is formed. After all parts of the design is done, using MATLAB simulation to do the experiments to the whole system and analyze the data, we can safely draw the conclusion.Keywords: DC motor; double closed loop; speed ring; current loop目 录摘 要IAbstractII1 概述11.1 直流调速系统

9、的概述11.2 研究课题的目的和意义11.3 国内外研究现状21.4 设计内容和要求21.4.1 设计要求21.4.2 设计内容22 双闭环直流调速系统设计框图33 双闭环直流调速系统的工作原理和数学模型43.1 双闭环直流调速系统的工作原理43.1.1 转速控制的要求和稳态调速性能指标43.1.2 直流调速系统所要解决的两个基本问题53.1.3 直流双闭环调速系统原理框图63.1.4 双闭环直流调速系统的动态过程分析73.1.5 数学模型的参数的确定94 系统主电路的结构114.1 主电路拓扑结构的确定114.1.1 可控直流电源的选择114.1.2 主电路原理图124.2在额定励磁下直流电

10、动机的数学模型125 主电路各器件的选择和参数计算145.1 主电路保护电路的设计的必要性145.1.1 过电压保护设计155.1.2 过电流保护设计165.2 整流变压器和晶闸管的选择与计算165.2.1 整流变压器的计算175.2.2 晶闸管参数的计算175.2.3 平波电抗器参数的计算186 利用工程设计的方法设计电流、转速反馈控制调节器196.1 主要设计内容196.2 工程设计的基本步骤196.3 设计所需要的基本数据与设计指标206.3.1 基本数据206.3.2 设计所要求的指标216.4 用工程设计方法设计电流调节器226.4.1 电流调节器的设计及其动态结构框图的简化226.

11、4.2 电流环时间常数的确定236.4.3 电流调节器的设计236.4.4 电流环参数计算246.4.5 校验近似条件266.4.6 电流环的跟随性能指标266.5 用工程设计方法设计转速调节器276.5.1 电流环的等效传递函数276.5.2 转速调节器动态结构框图的简化276.5.3 转速调节器的设计286.5.4 转速调节器参数的计算306.5.5 转速环性能指标的检测327 双闭环直流调速系统的数字仿真337.1 基于工程设计的方法的数字仿真337.2 结果分析348 结 论37致 谢38参考文献391 概述1.1 直流调速系统的概述直流电动机在近三十多年的时间里在很多方面都有了很大的

12、改进，特别是在调速控制方面，其变革是十分重大且有意义的。代表着先进技术的晶闸管整流技术以一种全新的姿态代替了我们已经应用了很久的其他整流技术，其中最具有代表性就是直流发电机组，不得不说，这种变化使电驱动完成了跨时代的飞跃。而且随着科学技术的日益更新，调速控制电路已经逐步实现了高密集化、高可依赖性和低成本等特点，这些特点也使得直流调速系统的性能不止进步了一点点，而且其应用范畴也随着这一改变而有了更大的突破。直流调速技术由于其成熟完美，系列化、标准化，使之很难在电驱动PWM调速领域被取代。充分迎合工作设备的要求，通过各种方法改变直流电机的转速被称之为直流调速。为了改变电动机各方面的性能以及它的稳速

13、状态，必须从其机械特性入手，尽可能的改变它的外部电压或者结点参数。尽管交流调速系统随着调速技术以及电力电子技术的发展，正在不断地吞噬着直流调速系统的领地，但是就目前的大体局势看来，直流调速系统在根本上还是整个调速系统的主流，仍然在自动调速系统中占领着不可撼动的地位。在我国很多的工业部门中，比如冶炼轧钢、采矿、纺织造纸业等依旧是直流调速系统占主导地位。直流调速系统不仅是交流调速系统的基础，而且其理论和实践相比于交流调速更为成熟完善，所以直流调速系统不仅在调速领域有着至关重要的地位，而且与我们的生活是密不可分的。1.2 研究课题的目的和意义双闭环直流调速相比于单闭环直流调速，在抗干扰性能方面是十分

14、突出的，其中，PI调节器在直流双闭环调速系统中的作用是十分巨大的，首先他能够消除负载转矩对稳态速降的扰动，使系统更加趋向于稳定，并且还可以达成系统的转速稳态无静差，与此同时，利用电流截止负反馈限制电枢电流对系统产生的冲击，但是假如电枢电流是动态的而不是静态的，然后单闭环直流调速系统电流就不能任意的控制了。要想解决这一问题，就必须在调速系统中引入两个十分重要的负反馈：转速和电流负反馈。而且双闭环调速系统相比于直流单闭调速系统，在抗干扰性能，特别是抗电网电压扰动方面有了质的飞跃。矛盾的存在在于，在设计调节器的时候必须考虑到很多方面，比如稳定性、快速性以及抗干扰性等，而在使用经典的动态校正方法时，同

15、时考虑整个系统的动态性能和静态性能，是一个很难权衡的过程1。建立一个实用易行的设计方法在这个时候就显得十分必要和急迫，同时进行这个设计的设计人员的理论基础以及他的实践能力都是不可或缺的，刚刚进入调速领域的人是不可能轻易的掌握其中的诀窍的。低阶系统可以被用来近似成很多系统，例如在在电力驱动领域中，十分具有代表性和先进性的自动控制系统。因此在进行设计之前，我们可以事先研究这个体系以及图标，将实际的系统利用低阶系统校正简化，设计过程就能相应的简化了，可能产生的工程设计方法就可以大大提高。1.3 国内外研究现状电机控制技术在近三十多年发生了史无前例的变化，其最根本的原因不仅仅是电力电子技术，同时还有自

16、动控制技术有了翻天覆地的进步。在20世纪，特别是70年代，单片机由于其出众的性能，被广泛的应用于制作电机调速系统中最重要的部分控制器。恰恰是由于单片机的应用，电机的速度控制系统，特别是性能方面有了很大的提高。与此同时，微机也开始出现，并且由于其出众的性能使之频繁的被用于完成各式各样的控制系统。自80年代中后期起，伴随着数字化控制这一理念，数字化调速装置不断的被世界各大电气公司所研发。极其高的精度、优良的控制性能加上无可比拟的抗干扰能力为数字化直流调速装置在控制平台占领了一席之地。1.4 设计内容和要求1.4.1 设计要求（1） 系统性能良好，无静差或者静差率很小。（2） 系统能够进行平滑无级的

17、调速，工作范围广，在其工作范围内，电机能稳定持续的运行。（3） 调速系统中设置有保护电路。（4） 主电路采用三项全控桥。1.4.2 设计内容（1） 按照设计所提供的要求，设计出双闭环直流调速系统的系统框图，清楚的描述出其工作原理，画出设计时所必要的各个原理图和框图。（2） 确定系统各个部分的参数。（3） 确定主电路的各个组成部分，包括变流变压器、整流器、平波电抗器、保护元件等。（4） 完成驱动电路的设计，确定其组成结构。（5） 通过MATLAB/SIMULINK调速系统进行仿真。2 双闭环直流调速系统设计框图所谓直流电机，就是需要通过三相直流电机来供电，使其能够运行的一种电机类型。在人们的日常

18、生活中，都是直接使用三相交流380V电源，因此需要将交流电整流使其转变成直流电。本设计采用三相桥式整流电路，将日常生活中的380V交流电变成三相直流电，然后将满足供应直流电机的要求1。系统的总框架如图2-1：图2-1 双闭环直流调速系统总框图一般在三相交流和三相桥式整流电路中都有一定的电路保护措施，比如快速熔断器等。根据不同的要求和不同的情况我们应选择不同的电压电流保护方法和器件，并且还要准确的计算各个器件的参数。在直流电机双闭环调速系统中，电流负反馈和转速负反馈是系统中的灵魂，有了它们，才有了整个系统的可行性。他们之间采用的是串级连接。稳速精度是整个系统很重要的一部分，它是由外环，即转速负反

19、馈来保障的。而电流负反馈环很明显的是内环，它的存在很好的改善了整个调速系统的动态性能，同时也为控制转矩和限流提供了可靠的保证。系统要求必须有优秀的静态和动态性能，一般调节器是无法实现的，因此在设计转速和电流调节器的时候，要采用PI调节器6。3 双闭环直流调速系统的工作原理和数学模型3.1 双闭环直流调速系统的工作原理3.1.1 转速控制的要求和稳态调速性能指标在直流调速系统中，其调速性能的要求是十分苛刻的。例如：最快的速度和最缓的速度比，需要有级调速还是无级调速，在负载突然变化时最大的调速范围等。但是，总的来说，只需要注意三个方面，调速系统就能根据控制的要求，依照人的意愿进行工作：（1）调速：

20、在容许的调速范围内，无级调速和有级调速到底是怎样选择和应用;（2）稳速：保证一定的精度，使调速系统能够在所需要的转速上平稳的运行。即使遭受到种种不确定的扰动和干预，转速波动也不会有超过系统所允许的波动；（3）加、减速：要求调速系统能够快速的加速、减速而且起动和制动过程要尽可能地平稳。在满足定量分析之后， “调速范围”和“静差率”就可以用来定义“调速”和“稳速”这个两项要求了。稳态性能指标就是指的这两个指标1。 调速范围电动机所能达到的最快转速和最慢转速之比，通常用大写字母表示，即 （3-1） 静差率 运行速度，负载的理想负载对应的转速差，与理想空载转速比值称为静差率，通常用字母表示，即 （3-

21、2）特别要注意的是，静差率是衡量调速系统当负载产生变化时的稳定度的一个重要参数。它与系统的机械特性硬度有密切的关系，如果机械特性硬，静态误差率就小，也就是说该系统稳定性高。而且，调速范围和静差率并不能分开来讨论，它们是紧密联系在一起的，必须两者一起分析。在通常的情况下，电机在额定功率下的转速视为最高转速，假设在此功率下的转速下降了，则我们进行分析后可以得出结论： （3-3） 跟随性能指标以下性能指标是指系统输出变化跟随参考信号，跟随性能指标一般是由以下三项指标组成：上升时间，超调量与峰值时间，调节时间。 抗扰动性能指标当调速系统正在稳定的运行时，系统突然受到一个扰动量，然后系统开始波动，但是波

22、动并不是无止境的，当波动量慢慢趋近于另外一个稳定值的时候，一个抗干扰过程就完成了。抗干扰性能指标一共有两个指标组成，其中一个是动态降落，另外一个是恢复时间1。3.1.2 直流调速系统所要解决的两个基本问题说明和理解系统的几个基本指标之后，必须解决存在与直流调速系统中的两个基本问题：（1） 系统的稳定性和精度问题对系统放大率之间的要求；（2）电枢电流和快速启动与电流的突变之间的问题。第一个问题的解决很简单，只需要在单闭环直流调速系统中加入转速负反馈环节，同时应用PI调节器，即能实现转速无静差，而且保证了系统的稳定性。第二个问题的解决就比较繁琐，在通常的调速系统中，人们都希望制动和启动时间都能尽可

23、能的缩短，以此来提高生产效率。这就要求在起、制动时候的电流要始终保持最大值，这样调速系统的加速度（减速度）就能保持为最大值。一旦系统达到稳态转速后，电流能瞬间降下来，电机进入稳态运行状态。例如，在图3-1中电流变化的起、制动的整个过程：图3-1 最佳过渡过程时间虽然这样的起、制动方式充分的优化了时间，但是又衍生出一个十分重要的问题：如此快速的电流变化，电路中难免出现过大的电流冲击。为此，在系统中添加一个电流负反馈，这样就很好的解决了这个问题。在实际的电路结构中都是存在电感的，电流突变是不可能的，因此如图所示的只是理想模型，现实情况下只能近似与它，不能完全吻合。3.1.3 直流双闭环调速系统原理

24、框图 对于双闭环直流调速系统的原理框图，如图3-2所示： 图3-2 双闭环直流调速原理框图图中和代表了速度调节器和电流调节器的传递函数之间的关系，这两个调节器采用PI调节器，两者之间串行连接，电流调节器的最大给定电压并不是凭空产生的，它是由转速调节器的最大输出电压所决定的，同是它也决定了晶闸管整流器的最大输出电压，这三个之间的联系是密不可分的，应该将它们放在一起考虑。 3.1.4 双闭环直流调速系统的动态过程分析双闭环直流调速系统起动过程是接近理想的启动过程。在启动过程中，速度调节器一共有两种状态：饱和和非饱和，而起动过程可以分为以下三个阶段：电流上升阶段；恒流升速阶段；转速调节阶段。在图3-

25、3中，我们就其它的起动过程，绘制了如下的波形图，改图充分简明的阐述了起动时的状态： 第一个阶段是电流上升阶段：给一个突然的给定电压后，虽然、都在上升，但是由于刚开始，电动机并不能开始转动。但是随着的不断增大，终有一刻，就在此时电动机会开始转动，但是电机是存在惯性作用的，它的转速不会马上的变得很快，此时输入转速调节器ASR的电压偏差在数值上仍然是非常大的，所以电枢电流将持续迅速上升，一直到， 的上升就会由于电流调节器而受到制约，这样电流上升阶段就停止了。在此阶段中，很快速的进入了饱和状态，而一般是不会进入饱和状态的。图3-3 在起动时转速、电流负反馈调速系统的相应的波形第二阶段恒流加速阶段：在这

26、个阶段，在第一阶段的速度调节器饱和，作为一个整体的系统速度环相当于一个开环，电流保持不变，所以这时候电机的加速度也是保持恒定的，电机转速已线性方式上升。第三阶段系统的转速调节阶段：系统的速度在速度调节阶段已为给定值，即输入的偏差为0，但是输出却不能够突变，继续维持在，电动机仍然在加速，只是加速度减小了而已，这样转速就超调，使得输入的偏差电压变由正转为负，转速调节器就开始退饱和，和由于调节器的作用而迅速下降。然而只要，转速就回继续上升。当=时，转速就会达到一个最大值，在时刻时。此后在时间内，由于，电机就会由于负载的缘故降低转速，到达一个稳态值。在第三阶段中，起主导作用，主要是调整速度，和并没有达

27、到饱和状态。根据上面的三个阶段，双闭环直流调速系统在启动阶段就有三个很明显的特点可以发现了：(1) 饱和非线性控制；(2) 转速超调；(3) 准时间最优原则。3.1.5 数学模型的参数的确定(1) 电枢电路的电磁时间常数电枢回路的总电阻其中：被视为晶闸管的电阻；视为平波电抗器的电阻；视为电机的电枢回路电阻。电枢回路的总电感其中：为平波电抗器的电阻；为电动机的电枢电感；为变压器的漏感。总的来说，电磁时间常数可以这样来定义：(2) 电气传动系统机械时间常数在额定磁通下的电机反电势系数代入计算后，取平均值电动机的飞轮力矩所以有 (3) 触发放大器、整理放大器的放大系数在进行分析和设计时，放大系数通常

28、都是被看作是系统中一个常数，但是事实的情况是在触发和整流电路中，由于各种因素的影响，放大系数并非是线性的，只有在工作范围内，近似线性。因此，必须利用实验的方法，根据输入和输出的关系来确定放大系数的大小。虽然不能十分的确定调速范围的工作点都在其特性的线上，但是能大致的将这些点落在其附近，根据式 （3-4）结合图3-4：图3-4 的测定线形图在工作范围内，放大倍数4 系统主电路的结构4.1 主电路拓扑结构的确定4.1.1 可控直流电源的选择在直流调速系统中，晶闸管可控整流电源以及直流脉宽调制电源以其优越的特性而被经常是用作为很多系统的可控直流电源。因此，能够被选用应用与本设计的两个电机系统分别为晶

29、闸管整流器电机调速系统和直流脉宽PWM电机调速系统12。 晶闸管整流器电动机系统晶闸管整流电机系统（VM系统）示意图如图4-1：图4-1 晶闸管整流电机的转速控制系统原理图在VM系统中，触发装置的控制电压用来调节触发脉冲的相位，这样一来，整流器的电压电流输出就因此而改变了,直流电机也就能进行平滑无级的调速了。 PWM直流调速电机系统与直流PWM变频电机系统相比，VM系统，在许多领域具有很大的优势：例如，电路结构简单，低损耗和高转速电机。它主要是通过晶闸管的占空比的变化来改变电机两端得到的电压。但是。根据设计的要求，应当选择VM调速系统来进行设计。4.1.2 主电路原理图本设计的要求，需要在一定

30、的范围内，能够实现平滑无级的调速,最好的方式是调节电枢电压。三相全控整流因其出众的性能而被广泛的选用作为很多系统的整流电路，所以本设计也选用其来进行设计。用此电路设计的调速系统不仅调速范围广，而且还能实现多方面的技术要求，是十分理想的调速整流电路。其主电路原理图如图4-2：图4-2 主电路原理图三相全控整流电路一共有6个编号的晶闸管，而组成共阴极组的晶闸管有VT1、VT3和VT5，很明显VT2、VT4和VT6组成了整流电路的共阳极组。在一个周期的六个晶闸管电路必须由关断转为通路，两者之间的触发脉冲是有等额的差值的，相位差为60度1。为了防止电压和冲击电流的电路突然断路，必须加入过电压和过电流保

31、护电路。4.2 在额定励磁下直流电动机的数学模型图4-3 他励直流电动机等效电路图4-3为额定励磁下的他励直流电动机等效电路，电枢回路中存在着总电阻和总电感。在一般的情况下，假设主电路的电流是连续的，则根据图4-3可列出主电路的动态电压方程： (4-1)为了保证设计的可行性，理论上忽略了粘性摩擦，当然弹性转矩在这个时候也是不可取的，由此就可以写出电机轴上的动力学方程了： （4-2）在上式中 电动机的负载转矩 电机的飞轮惯量而综合以上几个公式，通过拉普拉斯变换，可以得到电压与电流之间的传递函数： （4-3）电流和电动势之间的传递函数为： （4-4）在额定的励磁下，上面的传递函数进行必要的整理，然

32、后给出理性的分析，我们就能得到直流电机的动态结构框图了：图4-4 直流电动机的动态结构图由图4-4，能够很明显的看到直流电机的两个输入。其中的一个，它是电机理想空载电压，而另一个是负载电流。前者的大小是由输入控制的，而后者 则是一个扰动量1。我们可以关于扰动的点移动到前面，然后等效变换，即可以得到等效结构图在图4-5。图4-5 直流电机动态结构图的等效变换5 主电路各器件的选择和参数计算5.1 主电路保护电路的设计的必要性在众多的电力半导体元器件中，虽然每种元器件都有其各自突出的优点，但是，当它们在电路中，受到超过其额定电压和额定电流的冲击时，相比于一般的电器元件，它们的性能就显得弱小的多，一

33、个十分短时间的过电压或者过电流冲击都有可能导致元件不可修复的损坏，从而就导致整个整流装置的故障。由此看来，在主电路中设计保护电路的必要性就显得非常突出，保护装置的完善也是必不可少的。5.1.1 过电压保护设计过电压保护根据作用地方的保护可以分为两种，一是交流测过电压保护，二是直流侧过电压保护。 交流测过电压保护在交流测的过电压保护中，压敏电阻是一种最为广泛应用的保护元件。压敏电阻的非线性特性是众所周知的，而使之具备这种特点的原因就在于它们是由金属氧化物制成的。之所以采用这种压敏电阻，其主要原因是在正常的工作情况下，压敏电阻的通过电流是十分微弱的，几乎可以忽略不计，但是一旦电压超过了电路的最大承

34、受电压的时候，压敏电阻可以允许放电电流达到几千安的大小，这样，电压可以被抑制在能够承受的范围内。同时，压敏电阻还具有低损耗，小体积，高灵敏度等特点。本设计是基于三相全控整流电路的，在变压器的绕组端，是用的Y型联结，如图5-1所示的是放置在变压器交流测的，压敏电阻保护电路：图5-1 交流测压敏电阻保护电路(1) 压敏电阻的标称电压的计算公式为：在上式中：代表了压敏电阻的额定电压 为变压器二次侧的线电压有效值（2） 压敏电阻的通流容量：根据上两式计算，压敏电阻的参数应当选择额定电压是440V的，而额定电流是500A的。 直流侧过电压保护在直流侧电压保护可以通过相同的方法测量电压保护，即压敏电阻器的

35、使用。因此，额定电压为450V的压敏电阻是我们的选择。5.1.2 过电流保护设计当电力电子器件处于不正常工作状态时，可能会发生过电流的情况。过电流的保护措施有很多种，其中，最为常用的方式有以下三种：（1） 直流快速熔断器可以作用于有大中容量的设备或者电路会逆变的需要保护的电路中。（2） 使用过电流继电器，能够在电路发生过电流时，快速的切断主电路。（3） 可以直接串联快速熔断器在交流或者直流侧，但要注意的是快速熔断器的额定电压和额定电流必须大于正常工作电路的参数。在本设计中，可以采用快速熔断器作为过电流保护的元件。即在每个桥臂都串入一个快速熔断器。快速熔断器的额定电流大小计算：所以，应当取快速熔

36、断器的额定电压大小计算：所以，应当取综上所述：选用 20A/400V的快速熔断器6只。5.2 整流变压器和晶闸管的选择与计算5.2.1 整流变压器的计算整流变压器的次级电压的有效值： （5-1）次级线电压： （5-2）次级相电流： （5-3）初级线电压： （5-4）初级相电流： （5-5）变压器的初级容量： （5-6）变压器的次级容量： （5-7）变压器的容量： （5-8）5.2.2 晶闸管参数的计算SCR的额定电流计算： （5-9）SCR的额定电压计算： （5-10）式中为次级线电压的最大值 （5-11）考虑到安全裕量的关系，应用电压裕量为2倍的额定裕量，电流裕量为1.5倍的额定裕量，由此可

37、得晶闸管的参数如下：5.2.3 平波电抗器参数的计算平波电抗器是一种铁心电抗器，在整流后的直流电路中经常使用，它的主要作用是使直流负载顺利的得到平滑的直流电源。在设计平波电抗器时，对其电感量要着重的计算。（1） 限制输出电流脉动的临界电感量电动机的负载在工作时，只需要通入直流分量。但是很不巧的是晶闸管的电流输出波形由于其输出电压波形为脉动的，因此其也呈脉动。而脉动电流的实质是直流分量和交流分量的合成，交流分量的存在对电动机的工作造成十分不良的影响。而平波电抗器的串入，就很好的解决了这一问题。其临界电感量可利用下式计算： （5-12）（2） 能够保证电流连续的临界电感量： （5-13）（3） 电

38、动机的电枢电感量和变压器的电感：电动机的电感量的计算公式如下： （514）在上面的式子中，是计算系数；代表直流电动机的电压；是电动机的磁极对数；是电动机的转速；是电动机的电流。在此设计中，取、所以：变压器的电感量可以用下式计算： （515）其中，为计算系数，为变压器的短路比。经计算，综上所述，选用的平波电抗器的参数为50mH/20A。6 利用工程设计的方法设计电流、转速反馈控制调节器6.1 主要设计内容在本章中，主要采用工程设计的方法对系统中最为重要的两个部分电流调节器（）和转速调节器（）进行有根据的设计。在前面的章节中，已经很明确的指出电流环为整个系统的内环，转速环为系统的外环。因此，在进行

39、设计时，要从开始着手，变换其不要的部分以及对其大致的处理，将它校正成符合设计的典型系统，的类型则要根据被控制的对象来进行确认，最后根据系统动态性能指标进行参数计算。转速环的设计和电流环采用相同的方法，不同的是电流环将会被等效成转速环中一个环节。6.2 工程设计的基本步骤在利用工程设计的方法设计调节器，必须解决很多方面的问题，比如控制系统的响应速度、稳定程度和抗干扰性能等。为了简化问题的解决，使系统中的主要矛盾变得明显，是工程设计中的最为重要的目标。为了简化设计调节器，可以分为两个步骤完成：（1） 为了能够使系统符合设计要求的稳定性，调节器的结构应该首先进行选择，这个时候，稳态精度也是不可忽略的

40、。（2） 确定动态性能参数，使控制器的设计能够满足要求1。经过上面两步的工作，就把设计中看似乱成一团的各种所要解决的问题有序的分成了两步来逐个击破，首先的是解决了动态稳定度、稳态精度这一个矛盾，第二步又在第一步的基础上满足了其他的性能指标，这样一来，设计工作在无形中简化了很多，而且设计出来的系统也可以更加的接近于设计的要求。在应用参数时，可以根据现成的公式等直接计算，因为参数与性能之间的关系在上面的章节已经阐明，这样也能够大大减小设计的工作量。6.3 设计所需要的基本数据与设计指标6.3.1 基本数据（1） 直流电动机数据（2） 电枢回路总电阻（3） 电枢回路总电感（4）三相全控整流电路参数（

41、5） 电动机总飞轮惯量（6） 给定在调节器两端的最大电压（7） 调节器回路中的输入电阻（8） 系统时间常数（9） 反馈滤波时间常数6.3.2 设计所要求的指标（1） 系统的调速范围（2） 调速系统所允许的静差率（3） 电流超调量（4） 转速超调量（5） 突加负载时，系统允许的动态速降（6） 系统的恢复时间6.4 用工程设计方法设计电流调节器6.4.1 电流调节器的设计及其动态结构框图的简化在设计电流环的时候，设计工作首要解决的问题是反电动势作用时将于电流反馈产生交叉。事实的情况是，反电动势的大小与转速环的输出是成正比的，也就是说电流环会受到转速环的影响而产生作用。在实际的设计中，机电时间常数与

42、电磁常数相比的话，前者是大得多的，这也造成了电流的变化程度远高于转速的变化程度。换一种说法也就是说，反电动势的变化是很慢的，在电流突变的时候，可以近似地把反电动势看成是不变量，即。因此，改变反电动势电流环的设计，不要把它放在考虑的范围内。也就是说，它可以忽略反电动势的影响，得出了电流环的近似结构图，最后再把给定滤波和反馈滤波移到环内，如图6-1：图6-1 电流环动态结构图的简化a） 忽略反电动势b）等价的单位负反馈c）小惯性环节近似处理的原因是，相比，和小得多，它们可以被看作是一个惯性元件。6.4.2 电流环时间常数的确定 在进行设计之前，必须先确定的各个时间常数。根据选用的器件和设计的要求，

43、时间常数的大小如下：（1） 三相桥式电路的平均失控时间：（2） 滤波时间常数：（3） 电流环小惯性时间常数：6.4.3 电流调节器的设计设计之前的第一个问题，电流环是一种什么样的典型系统。在系统中，电枢电流不可能永远处在稳定值，它难免会在某段时间超过电路的允许值，这时候电流环的主要作用就体现出来了，超调量在突加负载或者说系统有突然的外作用时，能够越小越好。在这一目标的基础上，型系统是电流环校正的首要选择。对于抗电网电压的扰动作用，只是电流环的次要作用，电流环还是应该以跟随性能为主。在前面的章节中，已经确定电流调节器要选择PI调节器，其传递函数为： （6-1）在上式中：代表的是电流调节器的比例系

44、数； 代表的是电流调节器的超前时间常数。根据图6-1，电流环的开环传递函数就可以很容易的得到： （6-2）在上面， ，所以，可以选取。对于控制对象中存在的较大的时间常数极点，可以利用调节器的零点消除，方便电流环能够校正成典型型系统，就可以得到下式： （6-3）在上式中，由于，因此可以画出电流环的动态结构图如图6-2：图6-2 设计成典型型系统的电流环6.4.4 电流环参数计算（1） 系统的时间常数和比例系数电流的开环增益：，也就是的积分时间常数：综上：而电流调速器的反馈系数为通过上面的计算，我们可以求得的比例系数为：（2） 电流调节器电阻、电容的计算在PI型电流调节器中加入一个给定的滤波器和反

45、馈滤波器，原理图如下所示：图6-3 将给定滤波和反馈滤波加入到PI型电流调节器代表的是加在电流调节器两端的电压，代表的是电流负反馈电压，调节器的输出是控制电压。根据放大器的电路原理，可以得出： （6-4） （6-5） （6-6）所用的运算放大器取，那么可以得到在实际的工程运用中，应当选择。6.4.5 校验近似条件由上面的参数，经过计算，可得电流环的截止频率为(1) 校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件：代入上面的参数可得： 满足近似的条件(2) 校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：代入上面的参数可得： 满足近似的条件(3) 校验电流环小时间常数近似处理条件：代入上面的参数可得： 满足近

46、似的条件按照动态类型，系统的跟踪性能指标和频域指标与参数之间的关系，电流环的动态指标可计算如下：6.4.6 电流环的跟随性能指标上升时间：超调时间：调节时间：6.5 用工程设计方法设计转速调节器6.5.1 电流环的等效传递函数前面已经设计了电流调节器，在进行转速调节器的设计的时候，电流环将被等效成转速调节系统之中的一个环节，其传递函数可以经过计算求得： （6-7）采用高阶降次的方法，上式可被化简为： （6-8）又因为所以 （6-9）6.5.2 转速调节器动态结构框图的简化将电流环被它的等效环节取代了之后，整个速度系统的动态结构就变成了如下的形态：图6-4 的动态结构图的简化a） 电流环等效环节

47、代替b）作近似处理c）校正成典型型系统跟电流环一样处理，最后可得到图6-4c。6.5.3 转速调节器的设计积分环节必须加在负载扰动点之前，这样它就能实现转速的无静差，同时由于扰动点的后面已经存在了一个积分环节，所以转速调节器在这个积分环节的外面，所以一共有两个积分环节，所以必须被设计成典型型系统，系统的动态抗干扰性能也能够因为此而得到满足。对控制对象的时间常数，相对于典型的型系统，也是一样都必要的。但不同的是，参数需要有两个，和，为了计算的方便，引入一个新的参数： （6-10）是一个恒值，要想改变，只需要改变参数。在决定了值之后，如果要改变截止频率，则需要使的值发生改变，也就是让特性上下平移。

48、通过这样的参数引入，和的确定就相当于选择了参数和。选择一个确定的的值，运用“振荡指标法”中的闭环幅频特性峰值最小准则，能够证明在这个值下只有唯一的或者可得到最小的闭环幅频特性峰值，此时，与、之间存在的关系为： （6-11） （6-12）上面的两个式子就是准则的“最佳频比”，由此可以得出： （6-13）所以 （6-14）相应的闭环幅频特性的峰值最小： （6-15）和的值在确定了和的值之后就能很简单的计算出来,由定义可得： （6-16）下表为不同的值所对应的和最佳频比:表6-1 不同值所对应的和最佳频比34567891021.671.51.41.331.291.251.221.51.61.671.

49、711.751.781.801.822.02.53.03.54.04.55.05.56.5.4 转速调节器参数的计算由于被校正成典型型系统，PI调节器就必须被用与此设计了，则传递函数可被这样设定： （6-17）在式中代表的是的比例系数； 代表的是的超前时间常数。因此，该系统的开环传递函数为： （6-18）其中，转速环开环增益 （6-19）则 （6-20）取转速滤波时间常数：转速环小时间常数：因为系统不仅要求有较高的抗干扰性能，还要求有较好的跟随性能，所以取，的超前时间常数则为：转速环的开环增益为的比例系数为检验近似条件转速环截止频率为(1) 电流环的等效传递函数，简化的条件如下： 满足简化条件

50、(2) 速度环时间常数近似条件： 满足简化条件取则在实际的工程中，应取。6.5.5 转速环性能指标的检测(1) 转速环的跟随性能指标当的时候，由“典型型系统阶跃输入跟随性能指标表”可得，显然不满足设计的要求。实际情况是，上述的计算结果是转速调节器在线性状态下的超调数值，而符合状态的超调量是退饱和超调。因此，应该重新计算超调量。在本设计的要求条件下，直流电机的起动是由空载开始的，一直增加到额定转速，所以其中是动态的参考价值的抗干扰性能的代表值。查询“典型型抗扰性能指标表”可得当时，。根据上式，可得因此的值是符合设计的要求的。(2) 在负载突然加上时，系统的动态速降指标根据要求，在设计前，有，所以

51、由此可得因此，动态指标的设计是符合设计要求的。(3) 恢复时间的指标按照“典型型系统阶抗扰性能指标与参数的关系”表，可得当，在同一个时间，所以因此恢复时间也是满足设计的要求的。7 双闭环直流调速系统的数字仿真7.1 基于工程设计的方法的数字仿真在第6章中，运用以下的参数，设计出了双闭环直流调速系统，并且验证了理论上的符合设计要求以及可实施性直流电机：电动机的总飞轮惯量：主回路的总电阻：反馈系数：进入MATLAB软件，运用其中的SIMULINK仿真工具，按照软件的使用规则,能够很容易的画出双闭环直流调速系统的动态结构图以及仿真曲线。首先，图7-1所示的仿真的结构图是按照系统建立的相应的数学模型绘

52、制的：图7-1 双闭环直流调速系统的仿真结构图该仿真结果是在人为的控制之下完成的，在进行仿真的时候，忽略了很多次要的因素。在很多的非线性环节，为了仿真的顺利进行，都将它们视为线性环节。而且在各个器件的参数上，也进行了适当的调整。7.2 结果分析在SIMULINK中点击“start simulation”，然后电机仿真结构图中的scope，即可观察到仿真波形。(1) 闭环系统中PI调节器的输出动态过程仿真图图7-2是调节器的输出动态过程的仿真框图：图7-2 PI调节器输出动态过程仿真曲线PI调节器的输出是由两部分组成的，一个部分是比例部分的输出曲线与成正比，另外一部分是的积分曲线。由上面的曲线可

53、以看出不仅具有良好的快速响应性，而且还具有不凡的消除静差的能力。比例积分调节器中，还设置了额外的校正装置，因此在系统的稳定性方面，相比于其他调节器，大大的提高了，因此其应用范围也有了很广泛的扩大。(2) 电流调节器的输出电流与额定输出电流仿真图图7-2 电流调节器的输出电流与现行电流差值仿真曲线 上图反映了额定电流与现行电流的差值，控制器需先有输入电流才能开始比较，故差值会在起动时短时间内上升到某一最大值。当到达最大值之后，由于转速开始增加，逐渐减小，当转速到达额定转速，稳定为0，此时电机起动结束。(3) 双闭环直流电机的起动波形图图7-4 双闭环直流点击的起动波形上图是双闭环直流电机的起动曲

54、线图，从图中可以看出电机的起动过程与前面章节分析的起动过程是基本一致的，说明设计的电机特性已经十分接近设计的要求，该系统也已经达到了预期的效果。8 结 论本设计是“直流电机双闭环调速系统的设计”，在设计之前首先测定了各个元器件的电器参数和时间常数，在电流环和速度环的设计方面，则是应用了经典控制的设计理论，最后应用MATLAB软件中的SIMULINK对设计进行了仿真，检查设计是否满足设计的要求。对速度控制系统，不仅具有跟踪性能和抗干扰性能等方面表现突出，但也可以使用饱和度的方法，实现“准时间最优控制”。在双闭环直流调速系统中，主要用于免疫调节速度干扰，使稳态无静差；的作用是自动保护过电流并且抑制

55、过大的电压波动。虽然在经典控制部分，已经深入的学习过，但是在工程设计方面还是只是了解到了皮毛，通过本次毕业设计，我扩展了自己的知识面，收益颇丰，让我对直流调速有了更为稳固的认识。但是由于学术水平的限制，让我仍有许多不足的地方待去弥补。致 谢正是在甘良志老师的悉心指导下，我的毕业设计论文才能够顺利的完成，也是我大学学习成果的体现。甘良志老师本着严谨的治学态度，凭借其渊博的学识不断地为我的毕业论文提出新的问题，解决我所不能解决的问题，让我的课题能不断的深入。虽然严格，但是这是对我的负责，对于甘老师的教育，既是鞭策，更多的是鼓励。我还要感谢很多在做设计时，给了我很多帮助的同学，如果不是和他们的共同探

56、讨，我是不能够发现自己的不足之处，并且使自己的思维得到扩展。同学们热情的帮助让我感受到了友谊，这是我的毕业设计不可或缺的力量。给我帮助使我顺利完成毕业设计的还有很多很多，名字不能一一列举了，但是你们给我的帮助我将永远铭记于心，希望借此机会表示最衷心的感谢! 参考文献1 阮毅，陈伯时电力拖动自动控制系统北京：机械工业出版社，20092 王兆安，刘进军电力电子技术北京：机械工业出版社，20093 杨耕，罗应立等电机与运动控制系统北京：清华大学出版社，20094 张崇巍，李汉强运动控制系统武汉：武汉理工大学出版社，20025 阮毅，陈维钧运动控制系统北京：清华大学出版社，20066 张红莲. 交直流

57、调速控制系统. 北京：中国电力出版社，2011.7 张琛. 直流无刷电动机原理及应用. 北京：机械工业出版社, 1996.8 沈俊杰. 直流电机的维护与修理. 北京：水利电力出版社，1984.9 杨长能. 电力拖动基础. 重庆：重庆大学出版社，1989.10 边春元，满永奎. 电机原理与拖动. 北京：人民邮电出版社，2013.11 吴朝霞. 控制电机及其应用. 北京：北京邮电出版社，2012.12 中国工程建设标准化协会电气专委会，导体和电气设备选择分委员会组. 电流互感器和电压互感器. 北京：中国电力出版社，2011.13 何希才，姜宇祥. 电动机控制电路应用实例. 北京：中国电力出版社，2

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