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1、 V-M转速、电流双闭环不可逆直流调速系统的设计摘要 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，通过调节控制角大小来调节电动机电枢电压。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，同时对其参数的计算，包括整流变压器、晶闸管、电抗器和保护电路的参数计算。接着驱动电路即晶闸管触发电路的设计。本文的重点设计为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
2、。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。先确定其结构形式和设计各元部件，并计算其参数，包括直流稳压电源、给定电路、转速调节器、电流调节器、电流检测与反馈电路和触发电路参数计算，最后画出了调速控制电路电气原理图。关键词： 双闭环； 转速调节器；电流调节器 目录摘要0目录1第一章 设计要求41.1 设计内容41.2 设计要求41.3 设计参数4第二章 控制系统工作原理及其设计52.1 双闭环直流调速
3、系统设计框图52.2 V-M直流调速系统简介62.3 转速电流双闭环不可逆直流调速系统组成62.4.1 稳态结构框图82.4.2 动态数学模型102.5 整流电路的选择11第三章 双闭环不可逆直流调速系统主回路设计123.1 电动机相关参数计算123.2 主回路参数计算及元器件选择133.2.1 整流变压器的容量计算和选择133.2.2 整流元件晶闸管的选型143.2.3 平波电抗器设计15 3.2.4 直流测速发电机的选型153.3 主回路保护电路设计163.3.1 过电压保护163.3.2 过电流保护183.4 晶闸管的触发回路设计213.5 励磁回路设计23第四章 双闭环直流调速系统控制
4、回路设计244.1 电流调节器的设计244.1.1 确定时间常数244.2 转速调节器的设计264.3 反馈回路设计314.3.1 电流检测与反馈回路设计314.3.2 转速反馈环节设计31第五章 辅助回路设计325.1 直流稳压电源325.2 给定电路335.3 限幅电路335.4 操作回路34设计感想35参考文献36第一章 设计要求1.1 设计内容1、查阅有关资料，分析并确定控制方案，完成简装操作电路。2、调速系统主电路的设计、计算，并确定主要元器件（包括有变压器、晶闸管和必要的保护环节）。3、转速、电流双闭环直流调速系统调节器结构形式的确定，参数的设计、计算。4、直流稳压电源、励磁回路、
5、接触器操作回路等的设计。5、 绘制V-M双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图。1.2 设计要求1、调速范围D=20，静差率S5%。在整个调速范文内要求转速无级,平滑可调。2、动态性能指标：电流环超调量； 空载启动到额定转速时的转速超调量n，满足近似条件。2） 忽略反电动势变化对电流环动态影响的近似条件为现有，不满足近似条件。3） 电流环小时间常数近似处理条件为 。现有=180.8，满足近似条件。5. 计算调节器电阻和电容由图6.1，按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为，取15K。,取0.6uF。，取。按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为，满足设计要求。4.2 转速调节
6、器的设计电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，这样用电流环等效环节代替电流环后整个转速控制系统的动态结构图如下图4-3所示。1、 确定时间常数电流环的等级时间常数为=2=0.0074s，(在电流环中已取因）。 取转速反馈滤波时间常数 ，那么转速环的时间常数为=0.0074s+0.01s=0.0174s。 图4-2 含滤波环节的PI型电流调节器原理图 图4-3 转速环动态结构框图2、选择转速调节器结构 为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前必须有一个积分环节，它应包含在转速调节器当中。这样转速环开环传递函数共有两个积分环节，所以应该设计成典型II型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要
7、求。因此转速调节器也应该采用PI调节器，其传递函数可表示为： 3.、计算转速调节器参数 跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5，则ASR的超前时间常数为 转速环开环增益可得ASR的比例系数为：式中转速反馈系数4、检验近似条件转速截止频率为（1） 电流环传递函数简化条件为，满足简化条件。（2） 转速环小时间常数近似处理条件为，满足近似条件。5、计算调节器电阻和电容 根据图4-4所示，取，则，取250。，取0.4uF。，取。6.校核转速超调量 当h=5时，由典型型系统阶跃输入跟随性能指标可知，不能满足设计要求。实际上，突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计
8、算超调量。 设理想空载起动时，负载系数，已知，。当时， 图4-4 含滤波环节的PI型转速调节器而调速系统转速超调量: 式中：1)由前面计算得调速系统开环机械特性的额定稳态速降 。 2) 为基准值，对应为额定转速。计算得，不能满足设计要求。7、 转速超调的抑制从计算得的退饱和超调量，可知不满足动态指标要求，因此需加转速微分负反馈。加入这个环节可以抑制甚至消灭转速超调，同时可以大大降低动态速降。在双闭环调速系统中，加入转速微分负反馈的转速调节器原理图如图4-5所示。和普通的转速调节器相比，在转速反馈环节上并联了微分电容Cdn和滤波电阻Rdn，即在转速负反馈的基础上再叠加一个带滤波的转速负反馈的基础
9、上再叠加一个带滤波的转速微分负反馈信号。 图4-5 带转速微分负反馈的转速调节器含有转速微分负反馈的转速环动态结构框图如下图4-6所示： 图4-6 含有转速微分负反馈的转速环动态结构框图转速微分负反馈环节中待定的参数是和，其中转速微分时间常数，而且转速微分滤波时间常数已经选定为=0.01s，只要确定，就可以计算出和。 工程设计方法近似计算公式。 设理想空载起动时，负载系数，已知：，。设计要求动态最大超调，取转速超调量为，则： 则：微分电容 ，取； 滤波电阻 ，取。4.3 反馈回路设计4.3.1电流检测与反馈回路设计 此电路主要作用是获得与主电路电流成正比的电流信号，经过由电流互感器组成的滤波整
10、流器，用在系统控制中。在主电路输出端即可获取与主电路电流成正比的电流信号，起到电气隔离的作用。其电路原理图如图4-6所示 图4-6 电流检测与反馈回路 4.3.2 转速反馈环节设计 将直流测速发电机与待测电动机同轴相连，则发电机输出的是与电动机转速成比例的直流电压，其极性反映转向，用取样电阻RP即可取得转速反馈信号Un。转速反馈电路原理图如图所示 转速反馈环节的反馈系数，其中为测速发电机的电动势系数，为其输出电位器的分压系数。由前所述，所选直流测速发电机的型号为ZYS-3A，由其相关参数可得转速反馈电压，由于本设计限定给定范围为,故取0.2不满足要求。取0.15，,因此取0.15。 电位器的电
11、阻：,本式取测速发电机输出最高电压时电流值为额定电流的20%计算。此时消耗的功率:为了使电位器温度不致很高，实选瓦数应为所消耗功率的一倍以上。故选取电位器额定值为10W，2.8。 图4-7 转速反馈电路原理图第五章 辅助回路设计5.1 直流稳压电源在电力电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。小功率稳压电源的组成包括电源变压器，整流，滤波和稳压电路四部分组成。 本设计电源变压器采用单相变压器，整流电路采用单相桥式电路，滤波电路采用电容滤波电路，稳压电路采用可调式三端集成稳压器电路。电路图如图5-1所示。 变压器变压后45V电压经单相桥式整流后向给定电路提供电源。将变压器线圈分为两部分，中
12、间接地，则正负电压同时输出。元器件型号及参数计算：选取变压器二次侧输入电流为40mA。(1) 变压器的选择 变压器的变比K=（2）二极管的选择 流经二极管的平均电流。 图5-1 直流稳压电源连接图 二极管承受的最大反向电压。 则可以选取50mA，100V的整流二极管。（3）的电容的选择 电容的作用是将整流后输出电流的两峰值拉平，使输出电流幅值基本恒定，所以电容值较大，在此选择1000uF。电容是为了防止稳压器输入端接线过长而产生的电感效应，感应电流一般较小，因此我们取电容值为0.5uF。电容是为了防止输出电压有较大的波动，在此处取为1uF。(4)稳压器的选择 稳压器w78系列输出的固定正电压有
13、5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V七个不同等级。W79系列输出固定负电压，其参数与W78系列基本相同。给定电路输出电压为,所以我们选择： 固定正电压输出稳压器W7815一只 固定负电压输出稳压器W7915一只5.2 给定电路电压给定电路由两个限流电阻，两个电位器及两个钮子开关组成。S2为正负极性切换开关，输出正负电压的大小由两个电位器来调节，其输出电压范围为。S1为输出控制开关，打到运行侧，允许电压输出，打到停止侧，其输出恒为零。其原理图如图5-2所示。5.3 限幅电路二极管VD1、VD2和电位器RP1、RP2组成正负限幅可调的限幅电路，。当0时，A点电压为正值，正限幅使A点电位
14、钳位在正限幅值处。其电路原理图如图5-3所示。5.4 操作回路 按下按钮SB2，接触器KM线圈得电，主触点闭合，电机得电运行，同时其辅助常开触点闭合形成自锁。按下按钮SB1，KM线圈失电，主触点断开，电机失电，停止运行。当励磁回路电流小于限定值时，欠电流继电器常开触点断开，同样，电机失电，停止运行，以防止励磁电流过小，电机飞车。其连接图如图5-4所示。 图5-2 电压给定电路原理图 图5-3 限幅电路原理图 图5-4 操作回路连接图 SB1停止按钮 KM电源接触器 SB2启动按钮 KI失磁保护动合触点 设计感想 通过本次对V-M双闭环不可逆直流调速系统的课程设计使我对电力拖动自动控制系统有了进
15、一步的了解与认识，对所学内容有了更深刻的印象，并且进一步认识到工程设计时与实际相联系的重要性，比如在计算元件参数时计算出来的值往往与实际生产参数不符，这就需要根据实际情况对参数进行取舍。另外，做设计时信息十分重要，我运用文件检索工具查阅了大量的相关资料，这对设计大有益处。本次课程设计为对我将来的毕业设计和工作需要打下了扎实的基础。在做这次课程设计期间遇到了很多问题，有关于设计的专业知识问题，也有软件使用上的问题，虽然网上查了不少资料，也查阅了一些书籍，但是并没有得到较好的解决，后来通过老师和同学的帮忙，终于完成了设计。在实际的设计过程中，我不断翻阅资料，并借助网络的帮助，了解到课本的理论知识的
16、重要性，而且也明白理论应联系实践，把理论中所学的知识灵活地运用起来。在设计中遇到的各种各样的问题需要耐心、仔细地分析从而让我的性格更加沉稳.这个课程设计让我对Word和Visio软件的使用更加熟悉，特别是公式方面的输入技巧，更加深了我对双闭环直流调速系统的认识和理解。相信通过这次的设计将在以后的毕业设计中给我不少的启发。我也会在今后更多的时间学习各种新知识。给自己不断的充电、增值。 参考文献1 朱仁初，万伯任.电力拖动控制系统设计手册M.北京：机械工业出版社，1994.2 王兆安，黄俊.电力电子技术M,第四版.北京：机械工业出版社，2006.3 陈伯时. 电力拖动自动控制系统-运动控制系统M,第三版. 北京:机械工业出版社, 2007年6月4 机械工程手册、电机工程手册编辑委员.会机电工程手册第九卷自动控制系统M，机械工业出版社，1982。5李荣生.电气传动控制系统设计指导M.北京：机械工业出版社，2004年6月.、37
VM转速、电流双闭环不可逆直流调速系统的设计
