运动控制课程设计

设计内容与设计要求 一． 设计内容： 1． 电路功能： 1） 用移相控制实现直流调压，控制直流电动机的转速。能实现双闭环的调节和控制。 2） 电路由主电路与控制电路组成，主电路主要环节：整流电路、整流变压器电路及保护电路。控制电路主要环节：触发电路、电压电流检测单元、调节器、驱动电路、检测与故障保护电路。 3） 主电路电力电子开关器件采用晶闸管。 4） 系统具有完善的保护 2. 系统总体方案确定 3. 主电路设计与分析 1）确定主电路方案 2）主电路元器件的计算及选型 3）主电路保护环节设计 4. 控制电路设计与分析 1）检测电路设计 2）功能单元电路设计 3）触发电路设计 4）调节控制电路参数确定 二． 设计要求： h

h

1． 设计思路清晰，给出整体设计框图； 2． 单元电路设计，给出具体设计思路和电路； 3． 分析所有单元电路与总电路的工作原理，并给出必要的波形分析。 4． 绘制总电路图 5． 写出设计报告；

h

h

主要设计条件 1． 设计依据主要参数 1） 输入输出电压：（AC）220（1+15%）、0~300VDC 2） 最大输出电压、电流根据电机功率予以选择 3） 要求电机能实现单向无级调速，实现无静差调速。 4） 电机型号布置任务时给定 2. 可提供实验 说明书格式 1．课程设计封面； 2．任务书； 3．说明书目录； 4．设计总体思路，基本原理和框图（总电路图）； 5．单元电路设计（各单元电路图）； 6．故障分析与电路改进、实验及仿真等。 7．总结与体会； 8．附录（完整的总电路图）； 9．参考文献； 10、课程设计成绩评分表 h

h

h

h

目 录

h

h

第1章 概 述

直流电机双闭环（电流环、转速环）调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。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。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。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矩。在单闭环系统中，只有电流截至负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流得冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际工作中,我们希望在电机最大电流受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）首相的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。

实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值得恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启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，不在电流负反馈发挥主作用，因此我们采用双闭环调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用不同的阶段。

在设计过程中，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，需要设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即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晶闸管整流器的触发装置从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫内环；转速环在外面，叫外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

h

h

第2章 系统总体方案确定

2.1 双闭环直流调速系统的组成

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如下图所示，即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晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。

该双闭环调速系统的两个调节器ASR和ACR一般都采用PI调节器。因为PI调节器作为校正装置既可以保证系统的稳态精度，使系统在稳态运行时得到无静差调速，又能提高系统的稳定性；作为控制器时又能兼顾快速响应和消除静差两方面的要求。一般的调速系统要求以稳和准为主，采用PI调节器便能保证系统获得良好的静态和动态性能。

图中U*n、Un—转速给定电压和转速反馈电压；U*i、Ui—电流给定电压和电流反馈电压；

内环

外环

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

h

h

2.2 直流电机调速方法

2.2.1 转速方程

根据直流电机转速方程

nUIRK

式中 n— 转速（r/min）；

U— 电枢电压（V）； I — 电枢电流（A）； R— 电枢回路总电阻（Ω）； Φ— 励磁磁通（Wb）；

K — 由电机结构决定的电动势常数。 由上式可以看出，有三种调节电动机转速的方法：

（1）调节电枢供电电压 U； （2）改变电枢回路电阻 R ； （3）减弱励磁磁通Φ。

2.2.2 三种调速方法

1、 降压调速

在保持励磁Φ=ΦN，电阻R=Ra的条件下，改变电压UN，使之减小，则使转速n下降，从而影响理想空载转速n0。整体表现为转速下降，机械特性曲线平行下移。

2、 调阻调速

h

h

在保持励磁Φ=ΦN，电压U=UN的条件下，改变电阻Ra，使之增大，则使转速n下降，但理想空载转速n0保持不变。整体表现为转速下降，机械特性曲线变软。

3、 调磁调速

在保持电压U=UN，电阻R=Ra的条件下，改变励磁ΦN，使之减小，则使转速n随之增大。整体表现为转

增大，且理想空载转速n0

速上升，机械特性曲线变软。

2.2.3 三种调速方法的性能与比较

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。

h

h

第3章 主电路设计

本设计采用的转速电流反馈控制直流调速系统可分为三个部分：主电路和控制电路以及保护电路和反馈环节。主电路主要包括整流变压器和电力电子变换装置，起到将交流变换成直流，从而为直流电动机提供电源电压的作用。控制电路主要包括电流调节器和转速调节器以及触发器，其中电流调节器与电流反馈环构成电流环，起到稳定电流的作用；转速调节器和转速反馈环构成转速环，使转速稳态无静差；触发器则用于为整流晶闸管组提供触发脉冲。保护电路主要为晶闸管保护电路，包括由整流变压器交流侧的快速熔断器组构成的保护电路，以及与晶闸管并联的阻容电路构成的保护电路。保护电路的设置使得晶闸管免受过电压以及过电流的影响，从而使系统工作可靠。反馈环节包括电流反馈环节和转速反馈环节。前者由电流互感器进行电流检测，再进行整流滤波得到电流反馈信号，后者则使用测速发电机来得到实际转速信号。

3.1主电路结构设计

主电路主要由整流变压器和整流晶闸管组构成。整流变压器将公共电网的交流电压变换成整流桥可用的电源电压，而整流晶闸管组构成三相全控桥，将交流电变换成直流电，从而作为直流电动机的电源电压。

直接整流得到的电流和电压往往有较大的脉动，若直接作为直流电动机的电源电压，将会引起电机振动及噪声。为此，需要在主电路的直流侧加入平波电抗器和滤波大电容，从而减小整流器输出电流脉动以及输出电压脉动。

由于三相半波可控整流电路在其变压器的二次电流中含有直流分量，不适合变压器的长期运行，所以不予采用。本设计采用三相桥式全控整流电路。

h

h

3.2主电路参数计算及元器件选型

3.2.1整流变压器T1参数计算：

根据电机参数Ud=UN=220V，Id=IN=12.35A，查阅手册知Ra=1.7Ω，忽略晶闸管导通压降，由三相全控整流电路平均值公式：

Ud13236U2sintdt2.34U2cos3

当α=0时

Ud13236U2sintdt2.34U23

解得:

U2=90.0V

I2=0.816Id=10.10A

S3U2I2 由 变压器容量 得S=1.57kw

3.2.2 晶闸管参数计算：

Uvrm6U2 加在管子上的最大反向电压为 =220.4V

h

h

流过管子的平均电流为：Iv=Id/3=4.12A

所以可选额定电流为10A（考虑到两倍裕量），最大反向工作电压为100-1000V的整流二极管。由于本设计对高速型能要求不高，考虑到成本所以选择普通（螺栓）型号为KP-10的晶闸管。

h

h

3.2.3 滤波电容计算

在电源设计中,滤波电容的选取原则是: C≥2.5T/R

其中：C为滤波电容，单位为F； T为周期，单位为S，T=1/f f为交流电源频率，单位为Hz R为负载电阻，单位为Ω

当然，这只是一般的选用原则，在实际的应用中，如条件(空间和成本)允许，都选取C≥5T/R。

对于50HZ的正弦交流电的整流滤波来说：电容的耐压：≥ 电压有效值（1+30%） 大电容C≥2.5T/R，即C的大小：RC≥（3--5）×0.1s

在本设计中大电容耐压300V,由于Ra=17.8Ω，取C≥(0.016854-0.028089)F。 大电容在电路中，负载越重，吸收电流的能力越强，这个电容的容量应该取得很大。C的值应大于16854μF，这里取18000μF，用两个电容C0、C1串联组成，即每个电容9000μF。当然，若经济允许取到C≥5T/R都没问题。

小电容C1的耐压取300V。电容量凭经验，一般104μF即可。

3.2.4 平波电抗器计算

为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路中串入带有气隙的铁心电抗器Ld，称平波电抗器。其主要参数有流过电抗器的电流一般是已知的，因此电抗器参数计算主要是电感量的计算。

1）算出电流连续的临界电感量L1可用下式计算，单位mH。

L1K1U2 （3-1） Idmin式中K1－与整流电路形式有关的系数，可由表查得；Idmin为最小负载电流，常取电动机额定电流的5％～10％计算。 三相全控桥中 K1=0.693；U2Φ=0.46；最小负载电流（对应直流电机最小机械负载）一般取电动机额定电流的5%-10%。这里取Idmin=10%IN=1.24A。所以L1=0.26mH。

h

h

3.3主电路保护设计

3.3.1过电流保护

常用的过电流保护方法有：限流控制保护、控制极脉冲封锁（动作时间在10ms左右）、快速熔断器保护、直流快速熔断器和快速熔断器联合保护。本设计直接采用快速熔断器保护 。

3.3.2 过电压保护

本设计使用组容吸收电路，即在晶闸管器件上并联电阻电容。它的作用是保护晶闸管器件关断引起的过电压。因电容C两端电压不能突变，可吸收关断时引起的反向尖峰电压。电阻R有两个作用，一是阻止LC电路发生振荡（因电路总有电感L存在），二是限制晶闸管导通时电容C放电电流的上升率。

h

h

第4章 单元控制电路设计

根据设计要求，本文所设计的双闭环直流晶闸管调速系统主要包含转速给定电路、转速检测电路、电流检测电路、控制电路、触发脉冲输出电路、整流及晶闸管保护电路、电源等几个部分。

4.1 转速给定电路设计

转速给定电路主要由滑动变阻器构成，调节滑动变阻器即可获得相应大小的给定信号。转速给定电路可以产生幅值可调和极性可变的阶跃给定电压或可平滑调节的给定电压。其电路原理图如图所示。

图4.1 转速给定电路原理图

它的作用是得到下列几个阶跃的给定信号： （1）0V突跳到正电压，正电压突跳到0V； （2）0V突跳到负电压，负电压突跳到0V； （3）正电压突跳到负电压，负电压突跳到正电压。

h

h

正负电压可分别由RP1、RP2两多圈电位器调节大小（调节范围为0 13V左右）。 数值由面板右边的数显窗读出。

只要依次扳动S1、S2的不同位置即能达到上述要求。

（1）若S1放在“正给定”位，扳动S2由“零”位到“给定”位即能获得0V突跳到正电压的信号，再由“给定”位扳到“零”位能获得正电压到0V的突跳；

（2）若S1放在“负给定”位，扳动S2，能得到0V到负电压及负电压到0V的突跳； （3）S2放在“给定”位，扳动S1，能得到正电压到负电压及负电压到正电压的突跳。

4.2 转速检测电路设计

转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号，滤除交流分量，为系统提供满足要求的转速反馈信号。转速检测电路主要由测速发电机组成，将测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号，经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系统。其原理图如图所示。

图4.2 转速检测电路

4.3 速度变换器设计

h

h

速度变换器（FBS）用于转速反馈的调速系统中，将直流测速发电机的输出电压变换成适用于控制单元并与转速成正比的直流电压，作为速度反馈。

h

h

图4.3 速度变换器原理图

使用时，将测速发电机的输出端接至速度变换器的输入端1和2分两路输出。 （1）一路经电位器RP2至转速表，转速表(0 2000n/s)已装在电机导轨上。 （2）另一路经电阻及电位器RP，由电位器RP中心抽头输出，作为转速反馈信号，反馈强度由电位器RP的中心抽头进行调节，由电位器RP输出的信号，同时作为零速封锁反映转速的电平信号。

4.4 电流检测电路设计

电流检测电路的主要作用是获得与主电路电流成正比的电流信号，经过滤波整流后，用于控制系统中。该电路主要由电流互感器构成，将电流互感器接于主电路中，在输出端即可获得与主电路电流成正比的电流信号，起到电气隔离的作用。其电路原理图如图所示。

图4.4 电流检测电路原理图

h

h

4.5、速度调节器设计

速度调节器ASR的功能是对给定和反馈两个输入量进行加法，减法，比例，积分和微分等运算，使其输出按某一规律变化。它由运算放大器，输入与反馈网络及二极管限幅环节组成。速度调节器采用电路运算放大器，它具有两个输入端，同相输入端和倒相输入端，其输出电压与两个输入端电压之差成正比。电路运算放大器具有开环放大倍数大，零点漂移小，线性度好，输入电流极小，输出阻抗小等优点，可以构成理想的调节器。图1-7中，由二极管VD4，VD5和电位器RP2，RP3组成正负限幅可调的限幅电路。由C2，R9组成反馈微分校正网络，有助于抑制振荡，减少超调，R15，C1组成速度环串联校正网络。场效应管V5为零速封锁电路，当4端为0V时VD5导通，将调节器反馈网络短接而封锁，4端为-13V时，VD5夹断，调节器投入工作。RP1为放大系数调节电位器。

图4.5 速度调节器电路图

4.6 电流调节器设计

电流调节器适用于可控制传动系统中，对其输入信号（给定量和反馈量）时进行加法、减法、比例、积分、微分，延时等运算或者同时兼做上述几种运算。

h

h

以使其输出量按某种予定规律变化。它是由下述几部分组成：运算放大器，两极管限幅，互补输出的电流放大级、输入阻抗网络、反馈阻抗网络等。

h

h

电流调节器与速度调节器相比，增加了4个输入端，其中2端接过流推信

号，来自电流变换器的过流信号U，当该点电位高于某值时，VST1击穿，正信号输入，ACR输出负电压使触发电路脉冲后移。UZ、UF端接逻辑控制器的相应输出端，当这二端为高电平时，三极管V1、V2导通将Ugt和Ugi信号对地短接，用于逻辑无环流可逆系统。

晶体管V3和V4构成互补输出的电流放大级，当V3、V4基极电位为正时，V4管（PNP型晶体管）截止，V3管和负截构成射极跟随器。如V3，V4基极电位为负时，V3管（NPN型晶体管）截止，V4管和负截构成射极跟随器。接在运算放大器输入端前面的阻抗为输入阻抗网络。改变输入和反馈阻抗网络参数，就能得到各种运算特性。

图4.6 速度调节器电路图

4.7 触发电路的选择

根据设计要求，选用集成触发电路。触发集成芯片采用目前比较常用的KC系列。由KC04及其周围的元件组成6路依次相差60°的触发脉冲，并从其第8引脚引入三相电网电压，实现6路脉冲与电网电压的同步。KC42主要是用于电网电压波形的补偿，从而使同步脉冲更加准确，减小了电网电压波形对触发脉冲的影响。KC41是将由KC04产生的6路单脉冲信号转换成6路双脉冲信号，使触更加可靠。

h

h

在触发器选用15V供电电源的时候，移相输入电压应小于15V，选UC10V则晶闸管装置的放大倍数:Ks=Ud/Uc=220/10=22由产品目录中查得KP100晶闸管的

Va+15V2.2KVb2.2KVc2.2KUc-15V15K5.1K1uF15K5.1K1uF15K5.1K1uF10K1uF1uF10K9875436.8K10K5.1K1112131410K10K9875436.8K5.1K1112131410K10K 9875436.8K5.1K111213KC04140.01uF0.047uF1K30K0.01uF0.047uF1K30K0.01uF0.047uF1K30KKC04KC0430K151630K0.47uF151630K0.47uF15160.47uF111+15V0.01uF0.01uF216134781K161152143134KC4112511610798G2K2G1K1G3K3G5K51K1K1K1KG6K6G4K4KC42121196800p20K6800p1K3DG12B × 62CK4310K图4.7 由KC04、KC41、KC42组成的集成触发脉冲产生电路

电流为IGT为10~250mA,触发电压比为VGT4V。在触发电路直流电源电压为15V时，脉冲变压器匝数比为2﹕1，Ug可获得6V左右的电压，脉冲变压器一次电流只要大于75mA，即可满足晶闸管要求，这里选用3DG12B作为脉冲功率放大管，其极限参数BVCEO45，ICM300mA，完全能满足要求。

h

h

4.8电流反馈环节设计

电流检测电路的主要作用是获得与主电路电流成正比的电流信号，经过滤波整流后，用于控制系统中。该电路主要由电流互感器构成，将电流互感器接于主电路中，在输出端即可获得与主电路电流成正比的电流信号，起到电气隔离的作用。其电路原理图如图所示。

图4.8 电流检测电路原理图

h

h

第5章 系统调试

本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件MATLAB，使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种，一是以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究。另外一种是面向控制系统电气原理结构图，使用Power System工具箱进行调速系统仿真的新方法。

5.1 系统的建模与参数设置

转速、电流双闭环直流调速系统的主电路模型主要由交流电源、同步脉冲触发器、晶闸管直流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。模型由晶闸管-直流电动机组成的主回路和转速、电流调节器组成的控制回路两部分组成。其中的主电路部分，交流电源、晶闸管整流器、触发器、移相控制环节和电动机等环节使用Power System模型库的模块。控制回路的主体是转速和电流两个调节器。模型中转速反馈和电流反馈均取自电动机测量单元的转速和电流输出端，减小了测速和电流检测环节，这不会影响仿真的真实性。电流调节器ACR的输出端其后面的环节运算后，得到移相控制电压，去控制整流桥的输出电压。而电流调节器ACR的输出限幅就决定控制角的最大和最小限制。采用面向电气原理结构图方法构成的双闭环系统仿真模型如图所示。

h

h

图5.1 双闭环直流调速系统仿真图

5.2 系统仿真结果的输出

当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。

图5.2 三相电源电压、各晶闸管导通图

h

h

图5.3 额定负载转速、电枢电流、励磁电流、转矩波形图

第6章 总 结

虽然两周的时间很短暂，但这两周的每一天都值得回忆，因为这两周的每一天我们都收获颇丰，每一天我们都过得很充实，每一天我们都感受到一种紧迫同时又感受到了自己实实在在的进步，最为重要的是，通过这样一次动手实践，让我真正的把《电力电子技术》、《运动控制系统》和《matlab》这三门课程的理论与应用真正的结合在一起，更让我们明白了一个道理：理论只有结合实践才能更加清晰深刻，学习只有付出才能有收获。

在没有做这个设计以前觉得课程设计只是对这这学期年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做课程设计发现自己的看法有点太片面。这次课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明确了自己原来知识还比较欠缺，自己要学习的东西还太多了。 在这次课程设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮忙，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的了解知识，所以在这里非常感

h

h

谢帮忙我的同学。

h

h

这次课程设计要求设计一个双闭环直流调速系统，我按照本次设计的要求，从课题分析开始，再进行总体设计、详细设计,最后到系统实现和进行matlab仿真。每一步都让我将理论学习的知识应用到实践中去，也使我掌握了一整套规范的设计操作流程。刚开始时我先在教材课本、图书馆和网上查找资料，对本次课程设计中的理论知识查漏补缺，进行系统的复习，通过复习，好多以前没掌握的知识点在心里也大致有了个数，对一些难点要点也有了更深的了解，最重要的是，通过系统的学习，我对运用这些知识去解决一些综合的问题有了个一定的把握。通过这两周的课程设计，通过对单闭环直流电机调速系统的设计，加深了我对运动控制系统这门课的认识及相关专业知识的了解，在这次课程设计中不但复习和巩固了专业知识还使自己能更加熟练地运用自控理论分析和解决问题，更提高了对电力电子技术知识和运动控制系统的掌握和相关的动手能力，更重要的是增强的自己的信心，坚定了自己信念，明确了以后的方向，收获了许多在教室在课堂上很难体会到的东西，让我知道了面对一个问题时应该从哪下手，怎样才能更好的解决问题，两周的时间教会我的是一种思维方式！

总的来说经过本次课程设计我学到了许多也发现了自己存在的一些问题，这对我以后走向社会有很大的帮助，专业知识的学习及运用对我以后的工作也有一定的帮助。

附 录

h

h

参考文献

1．王兆安，电力电子技术（第5版）．机械工业出版社，2008.

h

h

2．刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．校内，2009. 3. 浣喜明，姚为正．电力电子技术．高等教育出版社，2008. 4．刘祖润，胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，1995.

5. 林飞，杜欣．电力电子应用技术的MATLAB仿真 ．中国电力出版社，2009. 6．钟炎平 ．电力电子电路设计 ．华中科技大学出版社，2010.

7．徐德鸿．现代电力电子器件原理与应用技术 ．机械工业出版社，2011. 8．洪乃刚．电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真 ．机械工业出版社，2006.

h

h

电气与信息工程系课程设计评分表

评 价 项 目 优 设计方案的合理性与创造性 软件设计完成情况 硬件调试完成情况 设计说明书与设计图纸质量 答辩情况 独立工作能力 完成任务情况 出勤情况 良 中 及格 差 综 合 评 分

指导教师签名：________________

日 期：________________

注：①表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；

②此表装订在课程设计说明书的最后一页。课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

资料仅供参考!!!

h