转速电流双闭环直流调速系统的设计

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1、运动控制系统期中作业之转速电流双闭环直流调速系统的设计目录一. 简单概述31.1双闭环直流调速系统的概述31.2设计内容及已知参数31.3设计要求31.4设计指标4二. 双闭环直流调速系统设计大致思路及转速环与电流环结构的确定与参数的计算42.1双闭环直流调速系统设计大致思路42.2转速环与电流环结构的确定与参数的计算52.2.1电流调节器的计算52.2.2转速调节器的计算7三. 系统电路的结构形式和双闭环调速系统的组成83.1主电路的选择83.2双闭环调速系统的组成11四. 主电路各器件的选择与参数的确定134.1交流变压器的容量的计算与选择.144.2整流元件晶闸管的选型174.3电抗器设

2、计18五. 触发电路的设计205.1设计控制电路的主要思路205.2芯片的简单介绍205.2.1主芯片引脚的名称、功能及用法205.2.2芯片的内部结构及工作原理21六总系统的概述 23七个人心得23参考文献24.一简单概述1.1双闭环直流调速系统的概述.转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能好、应用最广的直流调速系统。 根据晶闸管的特性，通过调节控制角大小来调节电压。主电路采用三相全桥全 控整流电路来供电。本文包含电流环、转速环，并设计两个调节器，实现电流和 转速的负反馈调节。结构上，电流环在内部，转速环在外部，通过确定调节器 结构进而确定调节器参数，得出结构框图从而通过MATLAB对整个系

3、统仿真分析 画出调速系统的原理图。1.2设计内容及已知参数设计转速电流双闭环直流调速系统，该系统采用晶闸管三相桥式全控整流电 路供电，已知基本数据如下：（1） 电动机参数：U=220V, I =136A, n =1460r/min, R 0.2 Q,nomnomnoma =允许过载倍数九二1.5。（2）闸管放大系数： K =40。s（3）电枢回路总电阻： R=0.5Q（4）电枢回路总电感： L=15mH；（5）电动机轴上的总飞轮力矩： GD2=22.5N. m2；（6）电流反馈系数：0二0.05V/A（7）转速反馈系数：a二0.007Vmin/r（8）滤波时间常数：电流反馈滤波时间常数T =0

4、.002s，转速反馈滤波时oi间常数T =0.01s。on1.3设计要求（1）运用调解器工程设计法设计ASR与ACR，达到系统的设计指标，得到ASR和ACR的结构和参数。(2) 设计出上述设计的直流双闭环调速系统的完整硬件实现原理图(3) 给出调速系统主电路元部件的选择与参数计算；(4) 给出上述设计的直流双闭环调速系统的完整硬件实现原理图1.4设计指标电流超调 5%,转速无静差，空载启动到额定转速时的转速超调量 10%n二.双闭环直流调速系统设计大致思路及转速环与电流环结构的 确定与参数的计算2.1双闭环直流调速系统设计大致思路直流电机的供电需要三相直流电，在生活中直接提供的是三相交流380

5、V 电源，因此需要进行整流，故本设计用三相全桥全控整流电路将交流整流成直流, 最后达到要求电源供给直流电动机。大致思路如以下图示：双闭环直流调速系统大致框图三相交流电路的交、直流侧及三相桥式全控整流电路中，晶闸管中电路保护 存在电压保护和电流保护。驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要 环节，对整个装置的性能有很大影响。采用性能好的驱动电路，可以使电子电子 装置工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效 率，可靠性和安全性都有重要的意义。驱动电路的基本任务，就是将信息电子电 路传来的信号按照控制目标的要求，转换为可以加在电力电子期间控制端和公

6、共 端之间，可以使其开通和关断的信号。2.2转速环与电流环结构的确定与参数的计算2.2.1电流调节器的计算(1) 确定常数Ts=0.0017sToi=0.002sT 8 i=Ts+Toi=0.0037C =(UnomTnomRa)/N =0.132 Vmin/renomC =30/3.14*0.132=1.26Vmin/rmT=L/R=0.015/0.5=0.03sLT=GD2R/375C Cm=(22 . 5*0 . 5)/3 7 5*0.1322*(30/3.14)=0.18sMe(2) 电流调节器结构依据题意要求设计为典I(3) 计算电流调节器参数电流调节器超前时间参数t =T =0.0

7、3si l1设计要求b A十十| L111尺balnr三系统电路的结构形式和双闭环调速系统的组成3.1主电路的选择.一般说来*对晶闸管整流装置在整流器功率很屮时t4KW以下人用单相整流 电跆 功率较大时用三相整流电路-这拝可且减小负载电號的脉动口由于所提供的 电动机1OKX-故圭电路来用三相整流电路卩在棉聃流电跻中.卞饗有 和導戎黑流咄I带一穿冃金控桥j t鉴流咆囲和-一相 半控桥式整流电路礼三相爭式电路寒出的!競是电踣简单、用的晶闸管少触发器 也少.对需要盘0电压的用电设计直接用誕0V电网供电，而不需要另设整流变压 器.但缺点是要求晶闸管耐压高整流输出电压脉动大*帑要平筱电抗黠唇量犬. 电源

8、变压器二秋电流申育直流雄 瑁加序境热和损耗。因零銭流过负载电菰,在 零线截面小时压降大。而三相全控桥式整流电路，存輸出电渍和电压相同时.电源 相电压可较三相零式整流吐怖小一半*因此显著减轻了变压器和晶闸管的耐压要求。变压器二次绕组电流中役有直流分量*祁用率髙-輪出整疣电压脉动小*所以 平波狀抗黔徉量就可以小一冬询【全控桥比整流电舞时缺山疑整流器件用舸務 需要六个触炭电路t需要220V电压的设备也不能関：3帥电网直接供电.而婴用整 流变压器-三相半控桥式整流电賂丫星然只用三只晶闸管、三个融发电蹄，但整流 输出贞压肚动大.且不能用于新要有源逆变的场舍*粽合上述三种三相整流电路，及根据察统设计要求，

9、主电賂选用三相全控桥式 整流电踣又由于电动机的额定电压蓟220V.肯探证供也0量十应采用三相减压 变爪器材11帅屮弊低,如避仇次谐波电幼如內不良攏响.一比谐波电流对屯泅 的干扰主变压赦用D/Y联结n改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压或者 改变励磁磁通，都需要有专门的可控直流电源,常用的可控直流电源有以下三种：（1）旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的 直流电压。（2）静止可控整流器。用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流 装置，产生可调的直流电压。（3）直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不可控整流电源供 电，利用直流斩波或脉宽

10、调制的方法产生可调的直流平均电压从20世纪50年代开始，采用汞弧整流器和闸流管这样的静止变流装置来代替旋 转变流机组，形成所谓的离子拖动系统。离子拖动系统克服旋转变流机组的许多 缺点，而且缩短了响应时间，但是由于汞弧整流器造价较高，体积仍然很大，维 护麻烦，尤其是水银如果泄漏，将会污染环境，严重危害身体健康。因此，应用 时间不长，到了 20世纪60年代又让位给更为经济可靠的晶闸管整流器。晶闸管，它是一种大功率半导体可控整流元件，俗称可控硅整流元件，简 称“可控硅”， 20 世纪 60 年代起就已生产出成套的晶闸管整流装置。晶闸管问 世以后，变流技术出现了根本性的变革。目前，采用晶闸管整流供电的

11、直流电动 机调速系统（即晶闸管一电动机调速系统，简称V-M系统，又称静止Ward-Leonard 系统）已经成为直流调速系统的主要形式。三相全桥可控电路图如下主电路图如下:01就三轴集成1-其中U *给定电压U转速反馈电压U电流反馈电压U *电流给定电压 nnii转速、电流环直流调速系统原理图如下：综上所述：为了实现转速和电流双闭环直流系统的实现，在系统中设置了两个调 节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串联连接。把转速调节器ASR的输出 作为电流调节器ACR的输入，用电流调节器的输出去控制晶管整流的触发器。从 闭环结构上看，电流调节环是内环；转速调节环是外环。四.主电路各器件的选择与参数的

12、确定4. 1变流变压器容宦的计算和选择視 最情况2 品闸管装且所娈求前空流供屯屯I施与屯两屯用往柱不 馥；此外，拘r 尽宣减小电网与昴闸管裝置的相互订扰啞求它们拍互馬朕.故通常更配用整流变Hl器，这 里选项用的变用黠的次侧绕组采用联接，二次侧统組采用Y联接圧揃整流变用辭的总容氐圧为变用券-次侧的容星，心次侧电汗，人曲次侧吐流 心揃变讯器二液侧的容星.対二次侧屯心 匚対二次侧前屯菰，叫.为相數.以下 就是各星前推导和计算过程.対r保证负裁於正常丁作.为主屯路的接绣形式和负裁耍求的额适屯用瞞定之石，昴闸管愛 流侧的屯用孔只能在 沖较小的范囤内变化，冏此0须箱确计算整流变汗器冰级电 聖响值的因素打：

13、值的大小首先耍惺证满足负载所需求的摄大屯疏值的匚皿n(2) 1管井非是理想的可控幵关几件导通时右-走的管用離用F恙总(3) 变拯臨漏抗的存在發产生换相用降=平波电抗雉心嚨的直流甘山 当屯流流经谀屯肌时就耍产生 煌的屯用险(5)氐枢屯阻的乐給繚件以上倜索粥到的菇确表达式为ji+c -e- “片码5/(4-DAeB100 1 .式中，A = do表示当控制角a = 00时，整流电压平均值与二次侧相电压有效值之比U2R = 仏表示控制角为尬时和摄=吋整流屯压平沟值之比匚C是与整流主屯跻形式有关的紊数；UK%变用浮的粒略屯用白分比，100千伏安吠F的变100-1000 千扶翌的变嫌戮脱% =510；为

14、电网屯用谨动系数a通常取0勺-1.05,供屯质足较差，屯用波动较大的悄况占同 取较小恒：T 1?岛=亠丄 表乐屯动机电枢电路总屯肌?迟的标么值，对容量为15 列尺炉的屯 5动机，通常仁-0.04 - 0.0S g表示主屯路中电流经过儿平申联品闸管的管川陥Zdm-员载屯流最大值t儿晦=区/所以*匸严 /衣示壮许过载俗数a对于本设计：为了保证电动机滾戟能在额迟转速卞运转计算所得应仃 兄的榴品根并经 验所知公式中的控制甬口应取m为宜.= 0.9 j A = 2.34 , B = cog ct = cos 30 w = - , Q = 0.5af7ff% = 5 j （其中儿, BxC可且査表4.1中

15、三相全控断）表4. 1变流变圧器的计算系数整就电路单相取半 波单相半控桥单轴全控二相壮波三相半控桥上相全控桥带平術电抵 器的或反星0.90.9091.172.342.341.17CDS a1 + ccrs acost?CCSCT1 + cost?coscrcos a22C0.7070.7070.7070.8660.50.50.5G.707I10.57EO.K 160.S160.289I R 136x0.5 r = n e = 0.3a U 220N下面为计算过程：U 1+r (-1)+nUN a ITU =d2220xl+0.3 x (1.5-1)“厂 CU % I A(e B K - d m

16、ax) nw rd_沁 14(V2.” -器)烈据主屯略的不同的搖线方式，由4. 1査得庄眩=為/匚=0主M即再出二吹觎电流的右数值匚工2瓦=严从.而求的.出变川器二机fll熔足耳=叫乞而诙相电流百藐值7, =fJ(Ut/U2)，所以机觎容次相屯爪有敷值E取决于屯网电用“所叹变流变用器的平均容星为用=丄($+爲J 为齐种接戦形式吋变用器次鍛电流 2有效值和负载屯菰平均恒之比对于本设计用和取出且翹路賀垂器-二枕侧之用1的能金厠耗，曲I = 1.5 x 0.816 x 136 = 166A2根据整范变用牌的特性，即ffl.LVr =叫用取3,所以匕人=口2匚，所凶整流变用器的容星畑. S = 3

17、x 140 x 166 = 69720 KVA(4-6)故设计时取额定容量70KVA4. 2建流尤件用闸管的选型正确选痒朋厢笛能加使晶闸管装且在保证可靠运行的前提F絹氐成本选择佩闸管兀件 主要是选择它的额定电unf和锻定屯漩5小首先踊定剧闸管额定电压t/饰，昴闸管额定屯汗必烦犬于兀秤总电路中宝际曲量的显大屯 用，若虑到屯网屯用的波动和操作过屯汗琴F1素，还娈故宽23倍的安全罢数.则计算 公式*J = (2 3)/ 再确定晶闸管额定电流怙疗额定电漩仃效僅大于流过兀件实眛屯流的负大竹效值船鞍按此原则所得计算結果的1. 5-2倍=VTdmax1.5 x166143由此可求出晶闸管的额定电流IDVT2

18、49 A(49)(410)d.5 2)苗=136(182 .2 AVT故取额定电流150A本设计选用晶闸曹的型呂加KP（3CT） -50A额定电床土VDRM 800V额定电流：IT（AV） 5DA门极触炭屯版阳T 3.5 V门扱触发屯流；IGT 300 cA4. 3屯抗器设计直菰侧屯抗黠的选择直流侧申接亍只仃空气隙的铁业平波屯抗胖，以阻制屯流的波动分氐第特电流址鶴 提高整流装且对负栽供屯的性能从运行的熨全可靠性直流侧吐抗搭的主要柞用为限制直 流电流轻栽或空载吋址持电流连瘵*在右环流可逆莠统申限劃环流：陶制直潇侧盥辭 电流上升率“（1）用于限制输川电流的脉动的临畀屯感-（单俭为屈）(4-12)式

19、中S;屯滾脉动系数，5% - 20% 5电圧脉动票数，三相全控-0.46； 输出屯流的基彼频率，单位为码,对于三相全控桥血-卵0码即 L 二0 .46 X 14X 10 3 二 2.5 mH (4-13)m 2 兀 x 300 x 10 % x 136 用于保证箍川屯涼妊鏤的临界电感丄1单位为咄）(4-14)式中，7简为腔求的虽小頁栽电流平均饥 料笹対八 木谡计中= 5%Jv ；Kf为计算系數，三相全翌桥也=0.6站所以L =i0 .693 x 140136 x 5 %二 14 .3 mH4-15)估）直流屯动机的漏电感Q （单mH）K uL =D N x 10 3（4-16）a 2 n n

20、Ip w NK -计算系数，对于一般无 补偿绕组电动机K二812., DD对于快速无补偿绕组电 动机K二68;、D式中对于有补偿绕组电动机K二5 6;D10 x 2202 x 2 x 1460 x 136x 10 3 = 2.77 m H其余系数均为电动机额定系数(4-17)折金到愛濒侧的漏电抗-羊位肯曲）L =貓式中，UL %变I湍矩塀比，-般职为眾；Kb为计算系数三相全控桥二 0.002 m H(4-19)3 .9 x 140 x 0 .05100 x 136期际耍接入的平液屯抗黠电感卫住L 二 max (l , l ) - L - 2 L =11.526mH(420)Km la故可取电感

21、 15Mh代电脛回歸总屯感 UL + L. + L=15+0.004+2.77=17.774Mh（4-21）故可取电感20mh五触发电路的设计5.1设计触发电路的主要思路本次设计采用集成电路 TC787 来产生触发脉冲、控制晶闸管触发角的大小。 它主要适用于三相晶闸管移相触发和三相功率晶体管脉宽调制电路，以构成多种 交流调速和变流装置。由于它具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、 移相范围宽、外接元件少等优点，而且装调简便、使用可靠，只需一个这样的集 成电路，就可完成3只TCA785与1只KJ041、1只KJ042或5只KJ（3只KJ004、 1只KJ041、1只KJ042）（或KC）

22、系列器件组合才能具有的三相移相功能。因此， 我选取它作为主芯片。5.2 芯片的简单介绍5.2.1 主芯片引脚的名称、功能及用法TC787是采用独有的先进IC工艺技术，并参照国外最新集成移相触发集成电 路而设计的单片集成电路。现给予说明它的引脚的名称，功能以及用法。(1) 同步电压输入端：引脚l(Vc)、引脚2(Vb)及引脚18(Va)为三相同步输入 电压连接端。应用中，分别接经输入滤波后的同步电压，同步电压的峰值应不超 过TC787/TC788的工作电源电压VDD。(2) 脉冲输出端:在半控单脉冲工作模式下，引脚8(C)、引脚10(B)、引脚12(A) 分别为与三相同步电压正半周对应的同相触发

23、脉冲输出端，而引脚7(-B)、引脚 9(-A)、弓I脚11(-C)分别为与三相同步电压负半周对应的反相触发脉冲输出端。当TC787或TC788被设置为全控双窄脉冲工作方式时，引脚8为与三相同步 电压中C相正半周及B相负半周对应的两个脉冲输出端；当TC787或TC788被设置为全控双窄脉冲工作方式时，引脚12为与三相同步 电压中A相正半周及C相负半周对应的两个脉冲输出端；当TC787或TC788被设置为全控双窄脉冲工作方式时，引脚11为与三相同步 电压中C相负半周及B相正半周对应的两个脉冲输出端；当TC787或TC788被设置为全控双窄脉冲工作方式时，引脚9为与三相同步 电压中A相同步电压负半周

24、及C相电压正半周对应的两个脉冲输出端；当TC787或TC788被设置为全控双窄脉冲工作方式时，引脚7为与三相同步 电压中B相电压负半周及A相电压正半周对应的两个脉冲输出端；当TC787或TC788被设置为全控双窄脉冲工作方式时，引脚10为与三相同步 电压中B相正半周及A相负半周对应的两个脉冲输出端。应用中，均接脉冲功率放大环节的输入或脉冲变压器所驱动开关管的控制极。(3) 控制端 弓I脚4(Vr):移相控制电压输入端。该端输入电压的高低，直接决定着 TC787/TC788 输出脉冲的移相范围，应用中接给定环节输出，其电压幅值最大为 TC787/TC788的工作电源电压VDD。 弓|脚5(Pi)

25、：输出脉冲禁止端。该端用来进行故障状态下封锁TC787/TC788 的输出，高电平有效，应用中，接保护电路的输出。 引脚 6(Pc)： TC787/TC788 工作方式设置端。当该端接高电平时， TC787/TC788 输出双脉冲列；而当该端接低电平时，输出单脉冲列。 引脚13(Cx):该端连接的电容Cx的容量决定着TC787或TC788输出脉 冲的宽度，电容的容量越大，则脉冲宽度越宽。 引脚14(Cb)、引脚15(Cc)、引脚16(Ca)：对应三相同步电压的锯齿波电 容连接端。该端连接的电容值大小决定了移相锯齿波的斜率和幅值，应用中分别 通过一个相同容量的电容接地。(4) 电源端TC787可

26、单电源工作，亦可双电源工作。单电源工作时引脚3(VSS)接地， 而引脚17(VDD)允许施加的电压为818V。双电源工作时，弓I脚3(VSS)接负电 源，其允许施加的电压幅值为-4-9V,引脚17(VDD)接正电源，允许施加的电 压为+4+9V。5.2.2 芯片的内部结构及工作原理芯片的内部结构图如下所示：TC787 内部集成有三个过零和极性检测单元、三个锯齿波形成单元、三个比 较器、一个脉冲发生器、一个抗干扰锁定电路、一个脉冲形成电路、一个脉冲分 配及驱动电路。它们的工作原理可简述为：经滤波后的三相同步电压通过过零和 极性检测单元检测出零点和极性后，作为内部三个恒流源的控制信号。三个恒流 源

27、输出的恒值电流给三个等值电容 Ca、Cb、Cc 恒流充电，形成良好的等斜率锯 齿波。锯齿波形成单元输出的锯齿波与移相控制电压Vr比较后取得交相点，该 交相点经集成电路内部的抗干扰锁定电路锁定，保证交相唯一而稳定，使交相点 以后的锯齿波或移相电压的波动不影响输出。该交相信号与脉冲发生器输出的脉 冲（对 TC787 为调制脉冲，对 TC788 为方波）信号经脉冲形成电路处理后变为与 三相输入同步信号相位对应且与移相电压大小适应的脉冲信号送到脉冲分配及 驱动电路。假设系统未发生过电流、过电压或其它非正常情况，则引脚 5禁止端 的信号无效，此时脉冲分配电路根据用户在引脚6设定的状态完成双脉冲（引脚6

28、为高电平）或单脉冲（引脚6为低电平）的分配功能，并经输出驱动电路功率放大后 输出，一旦系统发生过电流、过电压或其它非正常情况，则引脚 5 禁止信号有效， 脉冲分配和驱动电路内部的逻辑电路动作，封锁脉冲输出，确保集成电路的 6 个引脚12、11、10、9、8、7 输出全为低电平。六总系统的概述转速电流双闭环直流调速系统是静，动态性能优良，应用最广的直流调速系 统。主电路采用三相全桥全控整流电路来供电。本文包含电流环、转速环，并设 计两个调节器，确定其结构及主要参数从而实现电流和转速的负反馈调节。结构 上，电流环在内部，转速环在外部，通过确定调节器结构进而确定调节器参数， 得出结构框图从而通过MA

29、TLAB对整个系统仿真分析画出调速系统的原理图。七.个人心得通过此次对转速电流双闭环直流调速系统的设计，更加熟悉的掌握了它的组 成结构以及工作原理,对开环,闭环,有静差 ,无静差,内环以及外环有了更深一 步的了解，对限流保护，主电路的建立与维护也有了很深的认识.由此也初步掌握 了转速电流双闭环直流调速系统的设计方法，大致得由内环开始，再设计出外环 结构等.本设计方法运用了工程设计方法，通过结构图化简传递函数，从而使问题 简单化，大大简化了分析时间及处理过程和时间，从而使设计简单化.同时，在设 计过程中,还把有过简单认识的pro tel,进行系统学习，现已初步掌握了他的简 单画图，但对于此系统的总图，本人仍存在许多问题，由于时间有限，故不能照致 照量完成, 希望老师理解。而且本人自知才疏学浅，故不能完整地正确地设计出 此系统，有更多的不足之处，望老师谅解。参考文献陈伯时等电力拖动自动控制系统之运动控制系统北京 机械工业出版社2009胡寿松自动控制原理北京科学出版社2006孙树林 电力电子技术中国矿业大学出版社1999阮毅等运动控制系统北京清华大学出版社2006刘锦波等 电力与拖动 北京 清华大学出版社2006李晓竹电机与拖动徐州中国矿业大学出版社2008张白雯Pro tel DXP电路系统设计实训教程 厦门 学苑出版社2008