电流转速双闭环直流调速系统建模与仿真

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1、- 1 -摘摘 要要电流电动机双闭环调速系统在工程中应用广泛，为了使系统具有良好的动态性能必须对系统进行设计。目前广泛应用的是基于一些标准形式进行设计的系统，其优点是简单方便。计算机仿真可以不运行实际系统，只要在计算机上建立数字仿真模型，模仿被仿真对象的运行状态及其随时间变化的过程。通过对数字仿真模型的运行过程的观察和设计，得到被仿真系统的仿真输出参数和基本特征，以此来估计和推断实际系统的真实参数和真实性能。本文介绍的是用一台 1.1KW 的电流电动机构成的电流双闭环调速系统。在理论的基础上设计了电流双闭环调速系统，并利用 MATLAB 中的 SIMULINK 工具箱，对电流调速系统进行仿真分

2、析及参数调试。主要是从主电路设计、控制电路设计、数学模型的建立、系统的计算机仿真及调试等几个方面来进行设计和分析。关键词：电流调速 双闭环系统 电流调节器 转速调节器 SIMULINKAbstractCurrent motor double closed loop speed regulation system is widely used in engineering. System design must be executed in order to make the system has a good dynamic performance. It is used widely is

3、based on some standard forms of the system design, its advantage is easy and convenient. Computer simulation can not run real system, as long as the actual system is built on computer digital simulation model by simulation object, imitate the running status and changes with time process. Through the

4、 process of digital simulation model of observation and design, get simulation system simulation output parameters and basic characteristics, in order to estimate and inferred the real actual system parameters and the real performance. This paper designs current double closed loop speed regulation s

5、ystem composed with a 1.1 KW current motor. Based on the theory of design in the current double closed loop speed regulation system, simulation analysis and parameter system commissioning are completed using MATLAB toolbox for current speed simulink, which mainly concluding the main circuit design,

6、control circuit design, establishing mathematics model, the system of computer simulation and debugging and so on .Keywords: Speed control of DC-drivers Double-closed-loop system Current regulatorSpeed regulator SIMULINK toolbox2目目 录录摘摘 要要 1目目 录录 2第一章第一章 引言引言 1第二章第二章 调速方案的选择调速方案的选择 32.0 设计任务与分析32.1

7、调速系统总体设计32.1.1 理想的起动波形42.1 主电路的方案选择52.1.1 可控整流器的选择52.1.2 可逆线路的选择52.2 控制电路的方案选择62.3 仿真工具的选择6第三章第三章 主电路的设计主电路的设计 83.1 设定数据83.2 电源的选择83.3 整流电路的选择93.3.2 整流元件的选择103.3.3 励磁电路元件的选择103.4 保护电路的设计103.4.1 交流侧过电压保护103.4.2 电流侧过电压保护123.4.3 晶闸管两端的过电压保护133.4.4 过电流保护143.5 触发电路的选择14第四章第四章 控制电路的设计控制电路的设计 164.1 双闭环系统的总

8、体设计164.2 电流电动机的数学模型164.3 电流环的设计184.3.1 电流调节器的工作原理184.3.2 电流环结构图的简化194.3.3 参数的确定204.3.4 电流调节器结构的选择及参数计算204.4 转速环的设计224.4.1 转速调节器的工作原理224.4.2 电流环的等效闭环传递函数224.4.3 参数的确定234.4.4 转速调节器结构的选择及参数计算24第五章第五章 系统的仿真分系统的仿真分析析 275.1 MATLAB 仿真软件介绍 275.1.1 Matlab 软件275.1.2 Simulink 仿真环境 285.2 数学模型的建立2835.3 系统的动态分析29

9、5.3.1 仿真波形分析315.4 结论32致致 谢谢 33参考文献参考文献 341第一章第一章 引言引言现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置。因此调速系统成为当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一种系统。随着生产工艺、产品质量要求不断提高和产量的增长，使得越来越多的生产机械要求能实现自动调速。对可调速的传动系统，可分为直流调速和交流调速。近几年，虽然交流调速飞速发展，逐渐有赶超并代替直流调速的趋势。但是直流调速理论基础是经典控制理论，而交流调速主要依靠现代控制理论。经典控制理论是现代控制理论的基石，直流调速的研究同样也是交流调速研究的前奏。首先应该更好地掌握直流拖动控制系统。

10、直流电动机的调速的方法有：调节电枢供电电压 U 、减弱励磁磁通 、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式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向直流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行，设备制造方便，价格低廉。但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽范围内平滑调速，所以目前极少采用。50 年代末出现的晶闸管，它具有体积小、响

11、应快、工作可靠、寿命长、维修简便等一系列优点，采用晶闸管供电，不仅使直流调速系统经济指标上和可靠性有所提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性。因而，晶闸管直流调速系统迅速发展，晶闸管变流技术也日益成熟，直流调速系统更加完善。直流调速系统凭借优良的调速特性，调速平滑、范围宽、精度高、过载能力大、动态性能好和易于控制等优点，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，所以在电气传动中获得了广泛应用。至今在金属切削机床、轧钢、矿山采掘、纺织、造纸机等需要高调速性能的各类可控电力拖动生产机械大多采用直流传动，直流调速到目前为止仍是调速系统的主要形式1957 年，晶闸管（俗称可控硅整流元件，简

12、称可控硅）问世，到了 60 年代，已生产出成套的晶闸管整流装置，使变流技术产生根本性的变革，开始进入晶闸管时代。到今天，晶闸管电动机调速系统（简称 V-M 系统）已经成为直流调速系统的主要形式。本文采用的直流双闭环调速系统的设计是从内环到外环，即先设计好电流环后将其等效成速度环中的一个环节，再对速度环进行设计。2目前广泛应用的直流调速设计方法是基于某些标准形式进行的，其优点是简单方便，但设计的系统性能指标是相同的，实际系统所要求的指标往往是不同的，所以采用双闭环调速系统的设计方法不一定都能得到满意的结果。如果我们在按上述设计法确定调节器形式的基础上，再找出调节器参数改变时对应系统性能指标的变化

13、趋势，那么在实际系统的设计和调试时就可以根据得到的变换趋势，按系统性能指标的要求来调整和选择调节器参数，从而获得实际系统要求的动态响应。在设计中，基于理论设计的基础上根据实际的系统情况作参数的调整是非常重要的，也是必不可少的。这是因为实际系统的参数，往往与计算值或铭牌数据有一定的差别，系统某些环节的非线性影响等因素存在，使系统在配置设计参数后并不能马上获得预期的性能指标。传统的调试方法是将整个系统按理论设计的结果建立一个实际系统，然后将系统分成若干个控制单元，并对每个控制单元进行调试，最后将各个单元构成一个完整的系统，并进行调试，这种传统的调试方法在使用过程中不仅费时、费力且不易产生满意的结果

14、。因此我们采用计算机仿真技术。计算机仿真可以不运行实际系统，只要在计算机上建立数字仿真模型，模仿被仿真对象的运行状态及其随时间变化的过程。通过对数字仿真模型的运行过程的观察和设计，得到被仿真系统的仿真输出参数和基本特征，以此来估计和推断实际系统的真实参数和真实性能。MATLAB 语言是一个具有高级数值分析、处理与计算功能的软件。其中的工具箱SIMULINK 是基于模型化图形组态的动态系统仿真软件，利用 SIMULINK 工具箱可以非常有效的对直流调速系统进行参数调试，可以非常直观的观察电动机电流和转速相应情况进行静态和动态分析，是目前国际上广泛流行的工程仿真技术。本文就是利用MATLAB 中的

15、 SIMULINK 工具箱，对直流调速系统进行仿真分析，通过仿真方法来调整理论设计所得的参数，找出系统调节器的最佳参数。直流电动机双闭环调速系统在工程中应用广泛，为了使系统具有良好的动态性能必须对系统进行设计。目前广泛应用的是基于一些标准形式进行设计的系统，其优点是简单方便。计算机仿真可以不运行实际系统，只要在计算机上建立数字仿真模型，模仿被仿真对象的运行状态及其随时间变化的过程。通过对数字仿真模型的运行过程的观察和设计，得到被仿真系统的仿真输出参数和基本特征，以此来估计和推断实际系统的真实参数和真实性能。本文介绍的是用一台 1.1KW 的直流电动机构成的直流双闭环调速系统。在理论的基础上设计

16、了直流双闭环调速系统，并利用 MATLAB 中的 SIMULINK 工具箱，对直流调速系统进行仿真分析及参数调试。主要是从主电路设计、控制电路设计、数学模型的建立、系统的计算机仿真及调试等几个方面来进行设计和分析。3第二章第二章 调速方案的选择调速方案的选择2.0 设计任务与分析设计任务与分析直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内实现平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础，所以应该首先掌握直流拖动控制系统。采用转速负反馈和 PI 调节器的单闭环直流调速系统是比较基础比较容易掌握的，它可以在保证

17、系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。原因是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值 的恒流过程，采用电流负反馈就可以得到近似的恒流过程。怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？转速、电流双闭环直流调速系统很好的解决了这个问题。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

18、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，所以掌握直流双闭环调速系统对于电力拖动控制系统的学习有很重要的作用。本设计就要求结合给定的初始条件来完成直流双闭环调速系统的设计，其中包括绘制该调速系统的原理图，对调节器进行工程设计，选择调节器的参数等。要实现直流双闭环调速系统的设计需先对控制系统的组成及工作原理有一定深入的理解，弄清楚调速系统每个组成部分的作用，弄清楚转速环和电流环的工作原理，合理选择调节器的参数以便进行合理的工程设计。2.12.1 调速系统总体设计调速系统总体设计直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器

19、(ACR), 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，且都带有输出限幅电路。转速调节器 ASR 的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值；电流调节器 ACR 的输出限幅电压限制了电力电子*imUcmU4变换器的最大输出电压。dmU由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环, 以保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 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，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。如图 2-1 所示：图 2-1 直流双闭环调速系统2.1.12.1

20、.1 理想的起动波形理想的起动波形下面为理想的起动波形图：图 2-2 止负反馈的单闭环调速系统5图 2-3 理想的快速起动过程2.1 主电路的方案选择主电路的方案选择2.1.1 可控整流器的选择可控整流器的选择由于晶闸管是只具备控制接通、无自关断能力的半控制型器件，因此在电流调速系统中，最常采用的可控整流器就是晶闸管可控整流器。其特点是：无噪声、无磨损、响应快、体积小、重量轻、投资省；而且工作可靠、功耗小、效率高。一般来说，对于晶闸管整流装置我们均采用三相整流电路。三相整流电路的类型很多，包括三相半波可控整流电路、三相桥式全控整流电路等，这里我们采用后一种。因为三相半波可控整流电路不管是共阴极

21、还是共阳极接法，都只用三个晶闸管，其绕组利用率低，且电流是单方向的，为防止铁心饱和必须加大变压器铁心的截面积，因而还要引起附加损耗。整流的负载电流要流入电网零线，亦引起额外损耗，特别是增大零线电流，须加大零线的截面。而三相桥式全控整流电路，由于共阴极组在正半周导电，流经变压器的是正向电流；共阳极组在负半周导电，流经变压器的是反向电流。因此变压器绕组中没有电流磁通势，每相绕组正负半周都有电流流过，提高了变压器绕组的利用率。2.1.2 可逆线路的选择可逆线路的选择由一组晶闸管装置供电的单闭环和多环调速系统中，电动机都只是朝着一个方向旋转的，因此只能获得单象限的运行，然而由许多生产机械却要求电动机既

22、能正、反转，又能快速制动，6需要四象限运行的特性，此时必须采用可逆调速系统。在可逆调速系统中，可逆线路由两种方式，即电枢反接可逆线路和励磁反接可逆线路。本设计采用电枢反接可逆线路。2.2 控制电路的方案选择控制电路的方案选择采用转速负反馈和 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。如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。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速。对于像龙门刨床、可逆轧钢机那样的经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最

23、大电流（转距）受限的条件下，希望充分利用电机的容许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转距）为容许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又让电流立即降低下来，使转距马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。为了实现在容许条件下最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，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应该能得到近似的恒流过程。我们希望在起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要的作用，因此，我们采用双闭环电流

24、调速系统。2.3 仿真工具的选择仿真工具的选择计算机仿真可以不运行实际系统，只要在计算机上建立数字仿真模型，模仿被仿真对象的运行状态及其随时间变化的过程。通过对数字仿真模型的运行过程的观察和设计，得到被仿真系统的仿真输出参数和基本特征，以此来估计和推断实际系统的真实参数和真实性能。MATLAB是一个高级的数值分析、处理与计算功能的软件；SIMULINK是基于模型化图形组态的动态系统仿真软件，是 MATLAB的一个工具箱。SIMULINK不需过多的了解 “数值问题 ” ，而是侧重于系统的建模、分析和设计问题。它是一个用来进行动态系统仿真、建模和分析的软件包，不但支持线性系统仿真，也支持非线性系统

25、仿真，既可以进行连续系统仿真，也可进行离散系统仿真或二者的混合系统仿真，同时它支持具有多种采样速率的系统仿真。计算机仿真可以不运行实际系统，只要在计算机上建立数字仿真模型，模仿被仿真对象的运行状态及其随时间变化的过程。通过对数字仿真模型的运行过程的观察和设计，7得到被仿真系统的仿真输出参数和基本特征，以此来估计和推断实际系统的真实参数和真实性能。MATLAB 是一个高级的数值分析、处理与计算功能的软件；SIMULINK 是基于模型化图形组态的动态系统仿真软件，是 MATLAB 的一个工具箱。仿真软件 MATLAB 的介绍MATLAB 是美国 Math Works 公司的软件产品，是一个高级的数

26、值分析、处理与计算软件；SIMULINK 是基于模型化图形组态的动态系统仿真软件，是 MATLAB 的一个工具箱。70 年代中期，Cleve Moler 博士和他的同事在美国国家自然科学基金的资助下开发了LINPACK 和 EISPACK 的 FORTRAN 子程序库，这两个程序库是用于解线性方程和特征值问题的，代表了当时矩阵计算软件的最高水平，MATLAB 逐渐为人们所接受并成为应用数学界的术语。80 年代初期，工程师 John Little 领悟到 MATLAB 的潜在应用天地是工程领域，具有较高的商业价值。因此，他与 Moler、Steve Bangert 等人一起开发了第二代专业版MA

27、TLAB（增加了数据图形功能） ，并与 1984 年共同创造了 Math Works 公司，将MATLAB 正式推向市场。在 MATLAB 之前，国内外已有大量的数值计算软件，他们大多是用 FORTRAN 或C 语言编写，其共同的缺点是：适应面窄，可扩充性差、不开放等等，推广应用比较难。MATLAB 的出现打破了这一局面，它的高度适应性、可扩充性等优良性能吸引了众多的科技界人士，很多人先后在 MATLAB 上开发出自己的“工具箱” ，从而使得 MATLAB 一步步的壮大起来。SIMULINK 使数字仿真技术进入到一个崭新的阶段，它不需要过多的了解“数值问题” ，而使侧重于系统的建模、分析与设计

28、问题，其良好的人机界面即周到的帮助功能使得它广为科技界与工程界的人们所应用。SIMULINK 是一个用来进行动态系统仿真、建模和分析的软件包，它不但支持线性系统仿真，也支持非线性系统仿真，既可以进行连续系统仿真，也可进行离散系统仿真或二者的混合系统仿真，同时它支持具有多种采样速率的系统仿真。SIMULINK 提供了使用系统模型框图进行组态的仿真平台，使用 SIMULINK 进行仿真和分析可以像在纸上绘图一样简单。它比传统的仿真软件包更直观、方便。它是MATLAB 的进一步扩展，它不但实现了可视化的动态仿真，也实现了与 MATLAB、C 或者 FORTRAN 甚至和硬件之间的相互数据传递，大大的

29、扩展了它的功能。SIMULINK 不但可以进行仿真，也可以进行模型分析、控制系统设计等。SIMULINK 不需过多的了解“数值问题” ，而是侧重于系统的建模、分析和设计问题。它是一个用来进行动态系统仿真、建模和分析的软件包，不但支持线性系统仿真，也支持非线性系统仿真，既可以进行连续系统仿真，也可进行离散系统仿真或二者的混合系8统仿真，同时它支持具有多种采样速率的系统仿真。这里我们就借助于 SIMULINK 来分析直流双闭环调速系统。第三章第三章 主电路的设计主电路的设计3.1 设定数据设定数据电流电机为 Z2-32 型，额定功率 Pd=1.1KW，额定电压Ud=220V，额定电流Id=6.58

30、A，额定转数 n=1000 转/分，电枢电阻 Rd=4.92 欧，整流电源的内阻为 RT=0.18 欧，电枢回路附加电阻 RP=1.88 欧，电枢电感 Ld=0.03H 磁电压 220V，励磁电流为 1.6A。测速发电机的额定功率 23.1W，额定电压 110V，额定电流 210mA，额定转数 1900 转/分。电抗器电感 L=0.0313H，整流变压器电感 LT=0.017H。3.2 电源的选择电源的选择给定电压的稳定与否直接影响系统给定转速的稳定程度，对调速系统精度影响甚大。为此在调速系统中，给定电压一般由稳压电源供给。根据对系统调速精度的要求不同，可以采用不同型式的稳压电源。根据电路要求

31、可选用稳压管、晶体管、集成稳压器等组成的稳压电源。由于用集成稳压器组成的稳压电路简单，稳压精度高，故广泛应用在调速系统中。这里选用CM7815和CM7915三端集成稳压器作为控制电路电源，如图3-1所示。图 3-1 15V 电流稳压电源原理图原理图器件明细表序号代号名称规格数量1B1,B2桥堆2A,200V22C1,C2电解电容2200F,63V293C3,C4电容0.1F247815三端集成稳压器+15V,1.5A157915三端集成稳压器-15V,1.5A16C5,C6电容0.33F27VD1,VD2二极管2CP1223.3 整流电路的选择整流电路的选择3.3.1 整流变压器的计算一般情况

32、下，整流装置所要求的交流供电电压与电网电压不一致，因此需要使用整流变压器。此外，整流变压器还可以减小电网和整流装置的相互干扰。 （1）二次相电压的计算2U取，考虑裕量，0.90=30查表可知 A2.34, B=coscos0.866o30则 d2UU =AB(11.2)220= (11.2)2.340.9 0.866121145V取 130V 2U因此，电压比为 （2）一次和二次相电流 和的计算1I2I查表可知 =0.816, =O.8161IK2IK则 I1d11.05K II =K (取 2A,)1.05 0.816 6.581.932.92V1I (取 )2I2dI= K I = 0.8

33、166.58 = 5.37A2I = 6A （3）变压器的容量计算查表可知 12m = m = 3则 1111S = m U I = 2.28KVA3 380 2 2222S = m U I=KVA3 130 6 = 2.3412UK =U380= 2.9213010 12S + SS =KVA22.28+2.34= 2.3123.3.2 整流元件的选择整流元件的选择 由于本系统采用晶闸管整流电路，故整流元件为晶闸管。 （1）晶闸管的额定电压TNm2U=U=U(2 3)(2 3) 6 =V(2 3) 6 130 = 637 955取 TNU=V800 （2）晶闸管的额定电流未接电抗器的电动机负

34、载，负载性质介于电阻与电感负载之间，为了晶闸管工作可靠，按电阻负载选择系数 K。查表可知 K0.367按最大负载电流计算ddBII2 . 1则 T(AV)dBI=KI(1.5 2) （1.52）0.3671.26.58 4.35.8A故取 T(AV)I=A10故选用 KP108 晶闸管元件。3.3.3 励磁电路元件的选择励磁电路元件的选择整流二极管耐压与主电路晶闸管相同，故取800V。额定电流为AKIILAVD2 . 188. 06 . 1367. 0)25 . 1 ()25 . 1 ()(故选用 ZP38 型的二极管。3.4 保护电路的设计保护电路的设计设计晶闸管电路除了正确选择晶闸管的额定

35、电压、额定电流等参数外，还必须采取必要的过电压、过电流保护措施。正确的保护是晶闸管装置能否可靠的正常运行的关键之一。113.4.1 交流侧过电压保护交流侧过电压保护 （1）阻容保护在变压器二次并联电阻 R和电容C进行保护，本系统采用如图 3-2所示的三相变压器二次侧 Y联接，阻容保护 Y联接的接法。由于 1em22SC 6IU图3-2 阻容保护的接法电容的耐压 1C11.5CmUU emshIUSUR2213 . 2电阻功率 2RC1P (3 4)I R 61102CcUfCI其中， S为变压器容量（VA） ； U2为变压器二次相电压有效值（V） ； IR为通过电阻的电流 （A） ； Iem为

36、变压器励磁电流百分数，一般为410； Ush为变压器的短路比，一般为 510； Um为阻容两端正常工作时交流电压峰值（V） 。取 Iem10， Ush5则 2216USICem 322.31 106 108.2130F 耐压 11.5CmUU1.56 130478V取 1C = 10F12 emshIUSUR2213 . 2 231305= 2.3= 11.92.31 1010取 115R 61102CcUfCI 6250 10 130 100.14A其中 ,为电源频率， 50Hzff 12)43(RIPCR 2340.41157.610.1=( ）取 10RPW （2）非线性电阻保护在这里我

37、们选用压敏电阻作交流侧浪涌过电压保护。其保护电路如图3-3所示。图3-3 压敏电阻保护的接法图中RV1为压敏电阻，其主要参数为 标称电压：指漏电流为 1mA时压敏电阻上的电压；AUm1 通流量：在规定冲击电流波形（前沿8 ，波形宽20 ）下，允许通过的浪涌峰值电ss流。其值应大于实际可能产生的浪涌电流值，一般取5KA以上。1m1.3 2AUU1.32 130239V其中， U为压敏电阻两端正常工作电压的有效值（V） 。取 ， 通流量取 5KA，故选用 MY240/5 的压敏电阻。1m240AUV3.4.2 电流侧过电压保护电流侧过电压保护由于阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成加大，因此，一

38、般采用压敏电阻作电流di dt13侧保护，如图 3-4 所示。1mADCU（1.82）U=(1.82)220396440V其中，为正常工作时加在压敏电阻两端的电流电压（V） 。DCU选MY430/3作电流侧过电压保护。图 3-4 电流侧压敏电阻保护电路的接法3.4.3 晶闸管两端的过电压保护晶闸管两端的过电压保护为了抑制晶闸管的关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路的方法，如图3-5所示。图3-5 晶闸管两端阻容保护电路接法阻容保护的数值一般根据经验选定，见表3-6。表3-6管并联的阻容经验数据晶闸管额定电流/A1020501002005001000电容/f0.10.150.20.25

39、0.512电阻/100840201052由上表可知，=0.1,=1002CF2R电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值的1.11.5倍。则mU电容耐压（ 1.11.5）（1.11.5）mU62U （1.11.5）130350477V6电阻的功率为2RR2P26R22mP= fC U * 1014 26= 50* 0.1* (6 * 130) * 10= 0.5W其中， 为电源频率（ Hz） ；f 为晶闸管工作电压峰值（V） 。mU3.4.4 过电流保护过电流保护过电流保护措施很多，其中快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。快速熔断器的接法如图3.4.4所示。 （a）

40、交流侧快熔 （b）元件串联快熔图3-7 速熔断器的接法在本系统中，接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管电流有效值3.8A，故选RLS10的熔断器，容体电流为 10A。TdI= I /3 = 6.58/33.5 触发电路的选择触发电路的选择门极电压又叫触发电压，产生触发信号的电路叫触发电路。触发电路性能的好坏，不但影响系统的调速范围和调速精度，而且对系统的可靠性有很大的影响。因此触发电路必须保证迅速、准确、可靠的送出脉冲。为达到这个目的，正确选用或设计触发电路是很重要的，一个触发电路性能的优劣常用下列几条来衡量：（1）触发脉冲必须保持与主电路的交流电源同步，以保证每个周期都在相同的延迟角 处触

41、发导通晶闸管。（2）触发脉冲应能在一定的范围内移相。对于不同的主电路要求的移相范围也不同。对于三相全控桥式电路，电阻负载时为 ，既要整流又要逆变时，其移相范围为 ，oo1200 oo30 150为保证逆变可靠，对最小逆变角 应加以限制。min（3）触发信号应有足够的功率（电压和电流）。为使所有合格的器件在各种可能的工作条件下都能可靠触发，触发电路送出的触发电压和电流，必须大于器件门极规定的触发电压 和触发电GTU15流 。触发电压在 4V以上、 10V以下为宜，这样就能保证任何一个合格的器件换上去都能正常工作。GTI在触发信号为脉冲形式时，只要触发功率不超过规定值，触发电压、电流的幅值在短时间

42、内可大大超过额定值。（4）不该触发时，触发电路的漏电压应小于0.150.2V，以防误触发。（5）触发脉冲的上升前沿要陡。否则，因温度、电源电压等因素变化时将造成晶闸管的触发时间不准确。设脉冲的幅值为 ，脉冲前沿是指由 0.1上升到0.9所需要的时间，一般mUmUmU要在10 以内为宜。s（6）触发脉冲应有一定的宽度。一般晶闸管的开通时间为6 左右，故触发脉冲的宽度至s少应在6以上，最好应有 2050 。对于三相桥式全控整流电路，若采用宽脉冲触发，则脉ss冲宽度应大于，一般设计成（5ms） 。o60o90由于集成触发电路的体积小、功耗低、调试方便、性能稳定可靠等特点，这里我们选用集成六脉冲触发器

43、实用电路，如图 3-8所示。图3-8 集成六脉冲触发器实用电路该电路需要三个互差，且与主电路三个相电压、同相的三个同步电压，o120UuVuWu因此需要设计一个三相同步变压器。但同步变压器功率很小，一般每相不超过 1W，故可用三个单相变压器接成三相变压器组来代替，并联成 DY0，即可获得与主电路二次侧相电压同相的三个电压、。UuVuWu16第四章第四章 控制电路的设计控制电路的设计4.1 双闭环系统的总体设计双闭环系统的总体设计双闭环系统的设计是从内环到外环，即先设计好电流环后将其等效成速度环中的一个环节，再对速度环进行设计。双闭环电流调速系统结构如图 4-1示。系统外环是速度环，内环是电流环

44、，分别对转速和电流进行调节，两者之间实行串行联接。用于串联校正和改变系统静态和动态特性以及综合输入和反馈信号。图4-1 双闭环电流调速系统其中，ASR 代表转速调节器，ACR 代表电流调节器，GTB 代表晶闸管触发装置，SDR 代表晶闸管桥组。4.2 电流电动机的数学模型电流电动机的数学模型可逆晶闸管电流调速系统被控对象是电流电动机，则 )(dtdIdddtdIddddTIRLRIEU对上式取拉式变换得 1)()()(1sTsEsUsIdRdd其中 , R= Rd+2 RT +RP +Rr, Rr为晶闸管重叠角等效电阻。 R、L、Td的数值依次为R=4.92+20.18+1.88+1.6=8.

45、7617L= Ld+2LT +LP=0.03H+0.0313H+20.017H=0.095HTd= L/ R=0.095H/8.76=0.011s电流电动机轴上的力矩方程为 dtdnGDICICMMFZdFZ3752 dtRdETdtdnCGDIImFZd3752对式 (2.4) 取拉式变换得 sTRsIIsEmFZd)()( eCEn 其中，M为电动机电磁力矩；MFZ为电动机轴上的负载力矩；IFZ为电动机负载电流；n为电动机转速；C为电动机转矩常数；Ce为电动机电势常数；GD2为拖动系统整个运动部分折算到电动机轴上的飞轮惯量；Tm=（GD2 R）/（375CCe）为拖动系统机电时间常数。查电

46、流电动机 Z2-32的技术数据表可知： 飞轮矩 GD2=1.03Nm2根据已知条件，可估算出电动机的电势常数为CenddIRU100058. 676. 8220 0.162Vmin/r电动机的转矩常数为C9.55Ce=9.550.162=1.547Vmin/r拖动系统的机电时间常数为Tm=（GD2 R）/（375CCe）=(1.038.76)/(3751.5470.162)=0.096s18因此，电动机的动态结构图如图 4-2所示。图 4-2 电动机的动态结构图4.3 电流环的设计电流环的设计4.3.1 电流调节器的工作原理电流调节器的工作原理电流调节器有两个输入信号。一个是转速调节器输出反映

47、偏差大小的主控信号 ，一个是由交GiU流互感器测出的反映主回路电流反馈信号 ，当突加速度给定一个很大的输入值，其输出整定在最大FiU饱和值上，与此同时电枢电流为最大值，从而电动机在加速过程中始终保持在最大转距和最大加速 度，使起、制动过程时间最短。如果电网电压发生突变（如降低）时，整流器输出电压也会随之变化（降低），引起主回路电流 变化（减小），由于快速性好，不经过电动机机械环节的电流反馈环的作用，立即使调节器的输出变化（增大），则也变化（变小），最后使整流器输出电压又恢复（增加）至原来的数值，这就抑制了主回路电流的变化。也就是说，在电网电压变化时，在电动机转速变化之前，电流的变化首先被抑制了

48、。同样，如果机械负载或电枢电流突然发生很大的变化，由于采用了频率响应较好的快速电流负反馈，当整流器电流侧发生类似短路的严重故障时，电流负反馈也及时的把电流故障反馈到电流控制回路中去，以便迅速减小输出电压，从而保护晶闸管和电流电动机不致因电流过大而损坏。电流调节器ACR的作用：(1) 对电网电压波动起抗干扰作用(2) 启动时保证获得容许的最大电流mDI(3) 在转速调节过程中，使电枢电流跟随给定电压变化(4) 当电机过载甚至堵转时，可以限制电枢电流的最大值，从而起到快速的过流安全保护，如故障消失，系统能自动恢复工作。194.3.2 电流环结构图的简化电流环结构图的简化电流环结构图如图 4-3所示

49、。图4-3 电流环的动态结构图由于突加给定阶跃后，速度调节器输出马上达到饱和限幅值，电流环投入工作使电机电枢电流很快上升，相对电流来说，速度变化很缓慢。因此，可以认为反电势对电产生的影响很小，令E=0，则图4-4通过结构图变换，简化为图 4. 4图4-4 电流环动态结构图的化简一最后， Ts和Toi都比Td小得多，可以当作小惯性环节处理，看成一个惯性环节，取 oisTTT则电流环结构图最终简化成图 4-5.20图 4-5 电流环动态结构图的化简二4.3.3 参数的确定参数的确定（1）三相桥式电路的平均失控时间 Ts一般三相桥式电路晶闸管最大失控时间在00.0033s之间随机分布，取其平均值，即

50、Ts0.0017s（2）电流滤波时间常数 Toi三相桥式电路的每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤平波头，应有（12）Toi3.33ms即 Toi0.002s（3）电流环小时间常数 Ti按小时间常数近似处理，取0.0017s+0.002s=0.0037soisTTTi（4）晶闸管装置放大系数 Ks令本系统电流调节器最大输出电压UKm2.54V，晶闸管最大输出整流电压为 UDO=245.34V，则Ks96.59KmDOUU54. 234.245（5）电流反馈系数 令其限幅值为 5V，则5V/1.5Id0.51V/A58. 65 . 154.3.4 电流调节器结构的选择及参数计算电流调节器结构

51、的选择及参数计算 （1）结构的选择电流环的一项重要作用就是保持电枢电流在动态过程中不超过容许值，因而在突加控制作用时不希望有超调，或者超调量越小越好。可电流环还有另一个对电网电压波动及时调节的作用，因此还要提高其抗扰性能。为了使本系统电流环超调小，有好的动态性能，我们采用典型型来设计电流调节器。电流调节21器选用PI型。令电流调节器的传递函数为 ssKsWiiiACR1)(（2）参数的计算.ACR超前时间常数i 为了让调节器零点对消除控制对象的大时间常数极点，选择Td0.011si. .电流环的比例系数 Ki设计时要求超调量要小，我们假设i5，则=0.5iITK因此，电流环的开环增益为slTK

52、iI1 .1350037. 05 . 05 . 0于是ACR的比例系数为264. 059.9651. 076. 8011. 01 .135siIiKRKK（3）检验近似条件 电流环截止频率 ciKI=135.1l/s 晶闸管装置传递函数近似条件：cis31T现在， ，满足近似条件。s11196.11/33 0.0017scisT 忽略反电动势对电流环影响的条件：cimd13T T现在， ,满足近似条件。m1113392.31/0.096 0.011cidsT Ts 小时间常数近似处理条件： 113cisoiTT现在， ,满足近似条件。11111180.81/330.0017 0.002ciso

53、isTTs （4）计算调节器电阻和电容含给定滤波和反馈滤波的 PI型电流调节器原理图如图 4-6所示。22图4-6含给定滤波及反馈滤波的 PI型电流调节器其中，UGi为电流调节器的给定电压，Id为电流负反馈电压，调节器的输出就是触发装置的控制电压UK。按所用运算放大器取R040K，各电阻和电容值计算如下RiKiR00.13340 K5.32K (取5 K) Ci2.2F ( 取2F)FR63ii10105011. 0 ( 取 0.2F )6oi3o44 0.002100.240 10oiTCFFR4.4 转速环的设计转速环的设计4.4.1 转速调节器的工作原理转速调节器的工作原理在主电机上安装

54、一电流测速发电机，发出正比于主电机转速的电压，此电压 与给定电压FnU相比较，其偏差送到转速调节器 ASR中去，如欲调整，可以改变给定电压。例如提高，GnUnUGnU则有较大加到ASR输入端， ASR自动调节GT，使触发脉冲前移（ 减小） ，整流电压提高，电nUdU动机转速上升，与此同时，也相应增加。当等于或接近给定值时，系统达到平衡，电动机在给定FnU数值下以较高的转速稳定转动。如果电动机负载或交流电压发生变化或其它扰动，则经过速度反馈后，系统能起到自动调节和稳定作用。比如，当电机负载增加时，转速下降，平衡状态被破坏，调节器输出电压增加，触发脉冲前移（ 变小） ，提高，电动机转速上升。当其恢

55、复到原来数值时，又等于给定电压， 系统又达dUFnU到平衡状态。如果扰动不是来自负载而是来自交流电网，比如交流电压下降，则系统也会按上述过程进行调节，使电动机转速维持在给定值上运行。同样道理，当电动机负载下降，或交流电压提高时，系统将按与上述相反过程进行调节，最后仍能维持电动机转速近似不变。23转速调节器ASR作用如下：(1) 使转速n跟随给定电压UGn变化，保证转速稳态无静差(2) 对负载变化起抗干扰的作用(3) 输出限幅值决定电枢主回路的最大容许电流值 IDm4.4.2 电流环的等效闭环传递函数电流环的等效闭环传递函数在设计转速调节器时，可把已设计好的电流环看作是转速调节器的一个环节，为此

56、必须求出它的等效传递函数。图 4-7给出了校正成典型型系统的电流环的结构图，其闭环传递函数为图4-7 校正成典型 型系统的电流环的动态结构图 11) 1(1) 1()(2IIiiIiIcliKssKTsTsKsTsKsW若按=0.5选择参数，则IiK T 1211221)(22sTsTsTsWiiicli由图4.4.2可知电流闭环传递函数为 / )()()(sUsIsWGidcli因此电流环的等效环节应相应地改成 121)()(sTsUsIiGid原来电流环的控制对象可以近似看成是个双惯性环节（见图 4. 3.2C） ，其时间常数是和，dTiT闭环后，整个电流环等效近似为只有小时间常数的一阶惯

57、性环节。这就表明，电流闭环后，改造i2T了控制对象，加快了电流跟随作用。244.4.3 参数的确定参数的确定（1）电流环等效时间常数i2T20.0037s0.0074siT2（2）转速滤波时间常数onT根据所用测速发电机波纹情况，取 0.01sonT（3）转速环小时间常数nT按小时间常数近似处理，取 0.0174snTiT2onT（4）转速反馈系数 由于本系统的限幅值为 5V，则=5V/n5/10000.005Vmin/r4.4.4 转速调节器结构的选择及参数计算转速调节器结构的选择及参数计算 （1）结构的选择用电流环的等效环节代替图 4-6的电流闭环后 整个转速调节系统的动态结构图就如图4-

58、8所示。图4-8 转速环的动态结构图与电流环相似，我们可以将转速环结构图化简为图4-9.图4-9 转速环的动态结构图的化简由于设计要求稳态无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应该按典型型系统设计转速环。故 ASR选用PI调节器，其传递函数为25ssKsWnnnASR1)(（2）参数的计算 ASR超前时间常数 n按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h5，则50.0174s0.087snnhT 转速环的比例系数 nK转速环的开环增益为222224 .396/0174. 0252621sslThhKnN于是， ASR的比例系数为2 . 60174. 076. 8005. 052096.

59、0162. 051. 062) 1(nmenTRhTChK（3）检验近似条件转速环的截止频率=396.40.087 34.5ncnNKs11s 电流环传递函数简化条件：n15ciT现在，54.1l/s，满足简化条件。iT51s0037. 051nc 小时间常数近似处理条件： ncn2131oiTT现在， ,满足近似条件。n1111138.751/3232 0.0037 0.01cnioST Ts（4）计算调节器电阻和电容含给定滤波和反馈滤波的 PI型转速调节器原理图如图 4-10所示。26图4-10 含给定滤波及反馈滤波的 PI型转速调节器其中，UGn为转速调节器的给定电压，n为转速负反馈电压

60、，调节器的输出就是电流调节器的给定电压UGi。按所用运算放大器取 R040K，各电阻和电容值计算如下RnKnR06.240 K248K 取250 K 取0.4F6n3n0.087100.348250 10nCFFR 取1fFFRTCon110104001. 04463oon （5）检验转速超调量如果转速调节器没有饱和限幅的约束，可以在很大范围内线性工作，那么，双闭环调速系统起动时的转速过渡过程的超调量时很大的（如图4-12 a） 。实际上，突加给定电压后不久，转速调节器就 进入饱和状态，输出恒定的电压 UGim，使电动机在恒流条件下起动，起动电流Id=Idm=UGim/，而转速n则按线性规律增

61、长（如图 4-12 b） 。虽然这时的起动过程要比调节器没有限幅时慢的多，但是为了保证电流不超过容许值，这是必需的。27A ASR不饱和 B ASR饱和图412 转速环按典型 型系统设计的调速系统起动过程令电机容许过载倍数 1.5，负载系数z0（理想空载起动）。当h5时，；而%2 .8100bmaxCC355.8r/min,因此，转速调节器的退饱和超调量为ennnCRI162. 076. 858. 6mnbTTnnCC ）（z2maxn 096. 00174. 010008 .3555 . 122 .81 =15.728第五章第五章 系统的仿真分析系统的仿真分析5.1 MATLAB 仿真软件介

62、绍仿真软件介绍5.1.1 Matlab 软件软件美国 Mathwork 公司于 1967 年推出了矩阵实验室“Matrix Laboratory”（缩写为Matlab）这就是 matlab 最早的雏形。开发的最早的目的是帮助学校的老师和学生更好的授课和学习。从 matlab 诞生开始，由于其高度的集成性及应用的方便性，在高校中得到了极大的欢迎。由于她使用方便，能非常快的实现科研人员的设想，极大的节约了科研人员的时间，受到了大多数科研人员的支持，经过一代代人的努力，目前已发展到了 7.2版本。Matlab 是一种解释性执行语言，具有强大的计算、仿真、绘图等功能。由于它使用简单，扩充方便，尤其是世

63、界上有成千上万的不同领域的科研工作者不停的在自己的科研过程中扩充 matlab 的功能，使其成为了巨大的知识宝库。可以毫不夸张的说，哪怕是你知真正理解了一个工具箱，那么就是理解了一门非常重要的科学知识。科研工作者通常可以通过 matlab 来学习某个领域的科学知识，这就是 matlab 真正在全世界推广开来的原因。目前的 matlab 版本已经可以方便的设计漂亮的界面，它可以象 vb 等语言一样设计漂亮的用户接口，同时因为有最丰富的函数库（工具箱）所以计算的功能实现也很简单，进一步受到了科研工作者的欢迎。另外，,matlab 和其他高级语言也具有良好的接口，可以方便的实现与其他语言的混合编程，

64、进一步拓宽了 matlab 的应用潜力。可以说，matlab 已经也很有必要成为大学生的必修课之一，掌握这门工具对学习各门学科有非常重要的推进作用。matlab 还有非常完善的使用手册，不仅包括使用方法，还有涉及的科学知识，非常简单易读。实在是学习 matlab 最好的工具。Matlab 是由 MathWork 公司出版发行的著名数学分析软件。作为当今流行的第四代编程语言，它具有：高效方便的矩阵运算、开放式的结构、提供了大量的配套工具箱、友好操作界面图形和可视化功能以及系统模型图形输入与仿真工具 Simulink 等显著特点，使科技人员从繁琐的程序代码中解放出来，成为当前各个科研工作者的有力工

65、具。295.1.2 Simulink 仿真环境仿真环境Simulink 仿真环境包括仿真平台和系统仿真模型库两部分，主要用于仿真以数学函数和传递函数表达的系统。系统仿真包括了连续系统、非线性系统和离散系统的仿真。Simulink 作为面向系统框图的仿真平台，它具有如下特点：（1）以调用模块代替程序的编写，以模块连成的框图表示系统，点击模块即可以输入模块参数。（2）画完系统框图，设置好仿真参数，即可启动仿真。（3）系统运行的状态和结果可以通过波形和曲线观察，这和实验室中用示波器观察的效果几乎一致。（4）系统仿真的数据可以用以.mat 为后缀的文件保存，并且可以用其他数据处理软件进行处理。5.2

66、数学模型的建立数学模型的建立在单闭环调速系统动态数学模型的基础上，考虑双闭环控制的结构，即可得到双闭环调速系统的动态结构图，如图 5-1所示。图5-1 双闭环调速系统的动态结构图由于电流检测信号中常含有交流分量，须加低通滤波，其滤波时间常数Toi按需要选定。滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是：让给定信号和反馈信号经过同样的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用 Ton表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道中也配上时间常数为Ton的给定滤波环节。因此，带滤波环节的双闭环调速系统的动态结构图如图5-2所示。30图5-2 带滤波环节的双闭环调速系统的动态结构图将前面计算的数据带入图 5-2 中，得到本系统的动态结构图如图5-3所示。图5-3 本系统的动态结构图5.3 系统的动态分析系统的动态分析在图5-4中给出了电动机的理想起动特性，此时电动机的起动速度达到最快