直流V-M双闭环不可逆调速系统设计

直流V-M双闭环不可逆调速系统设计

1整体设计

直流电机的供电需要三相直流电，在生活中直接提供的三相交流380V电源，因此要进行整流，则本设计采用三相桥式整流电路变成三相直流电源，最后达到要求把电源提供给直流电动机。如图1.1设计的总框架。

三相交流电源 整流 三相桥式整流电路 供电 直流电动机 保护电路 驱动电路 双闭环直流调速机

图1.1 双闭环直流调速系统设计总框架

本设计中直流电动机由单独的可调整流装置供电，采用三相桥式全控整流电路作为直流电动机的可调直流电源。通过调节触发延迟角а的大小来控制输出电压Ud的大小，从而改变电动机M的电源电压。由改变电源电压调速系统的机械性方程式:

n(Ud/Ce)R0RaT/CeCT2 （1-1）

注解：Ud整流电压 , R0为整流装置内阻，由此可知，改变Ud，可改变转速n。

2主电路结构设计

1957年晶闸管问世，已生产成套的晶闸管整流装置，即右图2.2晶闸管-电动机调速系统(简称V-M系统)的原理图。通过调节阀装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压Ud，从而实现平滑调速。和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都很大提高，而且在技术性能上也现实出较大的优越性。

图2.1 V—M系统原理图

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三相全控桥整流电路实际上是组成三相半波晶闸管整流电路中的共阴极组和共阳极组串联电路。三相全控桥整流电路可实现对共阴极组和共阳极组同时进行控制，控制角都是 。在一个周期内6个晶闸管都要被触发一次，触发顺序依次为：VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，6个触发脉冲相位依次相差60°。为了构成一个完整的电流回路，要求有两个晶闸管同时导通，其中一个在共阳极组，另外一个在共阴极组。为此，晶闸管必须严格按编号轮流导通。晶闸管与按A相，晶闸管与按B相，晶闸管与按C相，晶闸管接成共阳极组，晶闸管接成共阴极组。在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的晶闸管，以及接在电路共阳极组中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完整的整流电路。如图2.3所示。

由于电网电压与工作电压（U2）常常不一致，故在主电路前端需配置一个整流变压器，以得到与负载匹配的电压，同时把晶闸管装置和电网隔离，可起到降低或减少晶闸管变流装置对电网和其他用电设备的干扰。

考虑到控制角α增大，会使负载电流断续，并且负载为直流电动机时，由于电流断续和直流的脉动，会使晶闸管导通角θ减少，整流器等效内阻增大，电动机的机械特性变软，换向条件恶化，并且增加电动机的损耗，故在直流侧串接一个平波电抗器，以限制电流的波动分量，维持电流连续。

为了使元件免受在突发情况下超过其所承受的电压电流的侵害，电路中加入了过电压、过电流保护装置。

图2.2 主电路原理图

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3双闭环不可逆调速系统设计

3.1双闭环调速系统电路原理图

TA Ri Ci ACR - + + Uc LM TG V Ui + RP1 - U*R0 Rn CR0 L Id Ud R0 Un ASR LM R0 - + + U*i UM M + n + - RP2 TG- 图3.1双闭环调速系统电路原理图 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， Un*—转速给定电压，Un—转速反馈电压，Ui*—电流给定电压，Ui—电流反馈电压

3.2转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及静特性

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，如图2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。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。采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以保证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，单环系统就难以满足需要。这是就要考虑采用转速、电流双环控制的直流调速系统。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流。二者之间实行嵌套（串联）联接。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

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UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

图3.2 转速、电流双闭环直流调速系统结构框图 转速、电流双闭环直流调速系统结构框图分析：

1、转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压，

2、当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；

3、当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压在稳态时为零。

4、对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况，电流调节器不进入饱和状态 。

图3-3 双闭环直流调速系统的稳态结构图

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两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零

* UnUnnn0 （3-1）

（3-2） Ui*UiId

*Un

nn0 （3-3)

(3-4)

ddm

IIASR输出达到限幅值时，转速外环呈开环状态，转速的变化对转速环不再产生影响。

双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时

(3-5) IId*Uimdm3.3转速、电流反馈控制直流调速系统的数学模型与动态过程分析

双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基

础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图2.8所示。图中WASR(s)WACR(s)和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流

反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流Id显露出来，如图2.8所示。

图3-4

双闭环直流调速系统的动态结构图

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转速、电流反馈控制直流调速系统的动态过程分析 1、对调速系统而言，被控制的对象是转速。 2、跟随性能可以用阶跃给定下的动态响应描述。

3、能否实现所期望的恒加速过程，最终以时间最优的形式达到所要求的性能指标，是设置双闭环控制的一个重要的追求目标。

3.4起动过程分析

图3-5 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形

电流Id从零增长到Idm，然后在一段时间内维持其值等于Idm不变，以后又下降并经调节后到达稳态值IdL。

转速波形先是缓慢升速，然后以恒加速上升，产生超调后，到达给定值n*。 起动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段，

转速调节器在此三个阶段中经历了不饱和、饱和以及退饱和三种情况。

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4双闭环系统调节器的动态设计 4.1电流调节器的设计

4.1.1 时间常数的确定

表1 各种整流电路的失控时间（f=50Hz）

整流电路形式 单相半波 单相桥式 三相半波 最大失控时间Tsmax/ms 平均失控时间Ts/ms 三相桥式 20 10 6.67 3.33 10 5 3.33 1.67 TT 系统电磁时间常数1：电磁时间常数 1=0.03s

整流装置滞后时间常数 电流滤波时间处理，

ToiTs：三相桥式电路的平均失控时间为

TiTs=0.0017s。

=0.002s， 电流环小时间常数之和：按小时间常数近似

T 电流环小时间常数之和i：按小时间常数近似处理，取 TiTsToi=0.0037s (4-1)

4.1.2 电流调节器结构的选择

根据设计要求

i5%，并保证稳态电流无差，可按典型Ⅰ型系统设计电

流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为WACRSKiis1，Ki—电流调节器的比例系数，i—电流调节

is器的超前时间常数。

Tl=0.03/0.0037=8.11，对照典型Ⅰ型系统Ti动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。

检查对电源电压的抗扰性能：

电流调节器结构图如图4-1：

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图4-1 电流调节器结构图

4.1.3 电流调节器的参数计算

电流调节器超前时间常数τi=T1=0.03s (4-2)

电流开环增益：要求i5%时，按表5应取KITi=0.5， (4-3)

1因此KI=0.5/ Ti =0.5/0.0037=135.1s (4-4)

取Ks=75，而电流反馈系数β=12V/1.5 于是ACR的比例系数为KiIN =12/（1.5×780）=0.01V/A， (4-5)

KIiR135.10.030.10.54 (4-6) Ks750.01表2 典型Ⅰ型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系 参数关系KT 0.25 0.39 0.50 0.69 1.0 阻尼比ξ 1.0 0.8 0.707 0.6 0.5 超调量δ 0% 1.5% 4.3% 9.5% 16.3% 上升时间tr ∞ 6.6T 4.7T 3.3T 2.4T 峰值时间tp ∞ 8.3T 6.2T 4.7T 3.6T 相对稳定裕度γ 76.3° 69.9° 65.5° 59.2° 51.8° 截止频率ωc 0.243/T 0.367/T 0.455/T 0.596/T 0.786/T

4.1.4 近似条件校验

电流环截止频率：ciKI135.1s1。 (4-7)

晶闸管整流装置传递函数的近似条件:

（3Ts）1/（30.0017）196.1s1＞ci， 1/满足近似条件。 (4-8)

忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件:

3113S-159.76S-1武汉理工大学《电力拖动自动控制系统》课程设计说明书

电流环小时间常数近似处理条件:

311 (4-10) 3S-1387.30S-1＞ci，满足近似条件。

TsToi0.030.002 4.1.5 电流调节器的实现

按所用运算放大器取R0=40KΩ，各电阻和电容值为

Ri=KiR0=0.54×40=21.6kΩ，取22kΩ； (4-11) Ci=τi/Ri=0.03/（22×10）≈1.36×10F=1.36μF，取1.4μF； (4-12)

3

-6

Coi=4Toi/R0=4×0.002/40000=0.2×10μF，取0.2μF。 (4-13)

-6

按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为i =4.3%＜5% (4-14)

（见表5），满足设计要求。

4.2 转速调节器的设计

4.2.1 时间常数的确定

电流环等效时间常数1/KI：已取KITi=0.5， (4-15)

则1/KI=2T∑i=2×0.0037=0.0074s。 (4-16) 转速滤波时间常数Ton：根据所用测速发电机纹波情况，取Ton=0.02s。

转速环小时间常数T∑n：按小时间近似处理,

T∑n=1/KI+Ton=0.0074+0.02=0.0274s (4-17)

4.2.2 转速调节器结构的选择

按照设计要求，选用典型Ⅱ型系统的PI调节器，其传递函数为

WASRSKnns1 (4-18)

ns转速调节器结构图如图4-2：

图4-2转速调节器结构图

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4.2.3 转速调节器的参数计算

按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，

则ASR的超前时间常数为τn=hT∑n=5×0.0274=0.137s， (4-19) 可求得转速环开环增益KNh1622s159.84s， (4-20) 2222250.02742hTn 因为Ce=1.92V•min/r，

α=12V/ nN =12/375=0.032V•r/min，于是 (4-21)

可得ASR的比例系数：Kn(h1)CeTm60.011.920.08411 (4-22)

2hRTn250.0320.10.02744.2.4 近似条件校验

由式K=ω1ωc得转速环截止频率为：

wcnKNKNn159.840.137s121.9s1 (4-23) w1电流环传递函数简化条件：

1KI1135.11s63.7s1wcn，满足简化条件 (4-24)

3Ti30.0037

转速环小时间常数近似处理条件：

1KI1135.11s27.40s1wcn，满足近似条件 (4-25)

3Ton30.024.2.5 转速调节器的实现

取R0=40kΩ，则Rn=KnR0=11×40=440kΩ； (4-26)

Cn=τn/Rn=0.137/（440×10）≈0.3114×10F=0.3114μF，取0.31μF； (4-27)

3

-6

Con=4Ton/R0=4×0.02/（40×10）=2×10=2μF，取2μF。 (4-28)

3

-6

4.2.6校核转速超调量

当h=5时，由表6查得，n=37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于表四是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，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算超调量。

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表3 典型Ⅱ型系统阶跃输入跟随性能指标（按Mmin准则确定参数关系）

h δ 3 4 2.65 2 5 2.85 2 6 3.00 1 7 3.10 1 8 3.20 1 9 3.30 1 10 3.35 1 52.6% 43.6% 37.6% 33.2% 29.8% 27.2% 25.0% 23.3% 10.45 11.30 12.25 13.25 14.20 tr/T 2.40 k 3 ts/T 12.15 11.65 9.55 设理想空载起动时，负载系数z=0，已知λ=1.5，IN=780A，nN=375r/min，

Ce=1.92V•min/r，Tm=0.084s，T∑n=0.0274s。当h=5时，由表7查得，

ΔCmax/Cb=81.2%，而调速系统开环机械特性的额定稳态速降ΔnN=INR∑/ Ce=780×0.1/1.92=40.625 r/min，代入式

maxbmaxNn， (4-29) n2(Z)Cn*Cn*TbbmCnCnT计算得：σn=281.2%1.540.6250.02748.6% 能满足设计要求。 3750.084表4 典型Ⅱ型系统动态抗扰性能指标与参数的关系

h tm/T tv/T 3 2.45 13.60 4 2.70 10.45 5 2.85 8.80 6 3.00 12.95 7 3.15 8 3.25 9 3.30 10 3.40 ΔCmax/Cb 72.2% 77.5% 81.2% 84.0% 86.3% 88.1% 89.6% 90.8% 16.85 19.80 22.80 25.85

5系统仿真

5.1仿真设计

5-1双闭环调速系统电路图

由于本文只进行了理论性设计，故在系统安装与调试阶段只对控制电路部分进行了MATLAB仿真，以分析直流电机的启动特性。采用MATLAB中的simulink工具箱对系统在阶跃输入和负载扰动情况下的动态响应（主要为转速和电枢电流）进行仿真。仿真可采用面向传递函数的仿真方法或面向电气系统原理结构图的仿真方法，本文采用面向传递函数的仿

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真方法。

5.2仿真波形

用simulink绘制电路图后，进行仿真，得到如下波形。

5-2电流环仿真图

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5-3转速环仿真图

5-4双闭环调速系统仿真图

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5.3仿真结果分析

图上部为电机转速曲线，下部为电机电流曲线。加电流启动时电流环将电

机速度提高，并且保持为最大电流，而此时速度环则不起作用，使转速随时间线性变化，上升到饱和状态。进入稳态运行后，转速换起主要作用，保持转速的稳定。

5.3.1电机转速曲线

在电流上升阶段，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节

器ASR饱和，电流调节器ACR起主要作用。转速一直上升。当到达恒流升速阶段时，ASR一直处于饱和状态，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统为恒值电流调节系统，因此，系统的加速度为恒值，电动机转速呈线性增长直至给定转速。使系统在最短时间内完成启动。当转速上升到额定转速时，ASR的输入偏差为0，但其输出由于积分作用仍然保持限幅值，这时电流也保持为最

Un大值，导致转速继续上升，出现转速超调。转速超调后，极性发生了变化，Un0，则ASR推出饱和。其输出电压立即从限幅值下降，主电流也随之下降。此后，电动机在负载的阻力作用下减速，转速在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。当突加给定负载时，由于负载加大，因此转速有所下降，此时经过ASR和ACR的调节作用后，转速又恢复为先前的给定值，反映了系统的抗负载能力很强。

5.3.2电机电流曲线

直流电机刚启动时，由于电动机机械惯性较大，不能立即启动。此时转速调节器ASR饱和，达到限幅值，迫使电流急速上升。当电流值达到限幅电流时，由于电流调节器ACR的作用使电流不再增加。当负载突然增大时，由于转速下降，此时转速调节器ASR起主要的调节作用，因此，电流调节器ACR电流有所下降，同启动时一样，当转速调节器ASR饱和，达到限幅值，使电流急速上升。但是由于电流值达到限幅电流时，电流调节器ACR的作用使电流不再增加。当扰动取电以后，电流调节器ACR电流又有所增加，此后，电动机在负载的阻力作用下减速，电流也在出现一些小的振荡后很快趋于稳定。

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6心得体会

本次电力拖动课设，我选中了一道难度适中的题目，在课设之前，仔细把书上的知识点回顾了一遍。作为一名普通的大学生，本次课设的内容可能是以后我们参加工作后要掌握的东西，这次设计对我们来说无疑一次巨大的挑战，但也提供了一个明确的前进方向。在此次课程设计中，学会了查阅各种资料对于我来说也是一笔财富，特别是知道了一些与我们专业相关的学习网站，对我的帮助特别大。自动化行业的发展是十分迅速的，我们必须一直坚持不懈的努力，掌握学习新知识的能力与方法。并刻意的去培养这方面的能力。

总之，课程设计的目的就在于加深学生对相关课程基础知识与基本理论的理解和掌握，培养学生综合运用所学知识的能力，使其在理论分析、设计计算、制图标准与规范、查阅设计手册与资料以及计算机应用能力等方面得到初步训练，促进学生养成严谨求实的科学学风。掌握设计步骤和方法，最后就是培养学生的创新思维和创新能力。经过本次设计，辛酸、满足杂夹其中，成功的设计的确让我很有成就感。

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参考文献

[1] 胡寿松. 自动控制原理(第五版) [M]. 北京：科学出版社，2007 [2] 葛哲学.精通MATLAB.电子工业出版社,2008

[3] Robert H.Bishop.Modern Contorl Systems Analysis and Design-Using MATLAB and Simulation[M].影印版. 北京：清华大学出版社，2008 [4] 谢克明，自动控制原理. 北京：电子工业出版社，2004

[5] 陈伯时，等.双闭环调速系统的工程设计（讲座）.[J] 冶金自动化，（1）、（2）.

[6] 冯培悌.计算机控制技术.[M]. 杭州：浙江大学出版社，2004

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1983 武汉理工大学《电力拖动自动控制系统》课程设计说明书

本科生课程设计成绩评定表

姓 名 专业、班级 性 别 男 课程设计题目： 直流V-M双闭环不可逆调速系统设计 课程设计答辩或质疑记录： 成绩评定依据： 序号 1 2 3 4 5 6 评定项目 选题合理、目的明确（10分） 设计方案正确，具有可行性、创新性（20分） 设计结果可信（例如：系统建模、求解，仿真结果）（25分） 态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15分） 设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（10分） 答辩（20分） 总分 评分成绩 最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定） 指导教师签字：

2013年 5 月31日