直流电机不可逆单闭环调速控制系统课程Word文档下载推荐.docx
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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
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）调节器参数的设计
二、设计要求：
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；
主要设计条件
1．设计依据主要参数
1）输入输出电压：
三相（AC）220（1+15%）、
2）最大输出电压DC300V、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，稳态性能指标D=10,静差率s≤5%。
4）电机型号
电机型号Z2-71,功率10KW,额定电压为220V,额定电流为55A,额定转速为1000r/min，飞轮力矩为1.0kg*m2,效率为η=83%，电枢电阻Ra=0.5Ω。
2.可提供实验与仿真条件
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．实验调试或仿真、实验波形记录及分析等。
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
进度安排
第一周星期二:
课题内容介绍和查找资料；
星期三:
总体电路方案确定
星期四:
主电路设计
星期五:
控制电路设计
星期六:
控制电路设计；
第二周星期一:
控制电路设计
星期二：
电路原理及波形分析、实验调试及仿真等
星期四~五:
写设计报告，打印相关图纸；
星期五下午:
答辩及资料整理
参考文献
1．陈伯时．运动控制系统．机械工业出版社，2008
2．王兆安黄俊．电力电子技术（第4版）．机械工业出版社，2000
3．莫正康．电力电子技术应用（第3版）．机械工业出版社，2000
4．郑琼林耿学文．电力电子电路精选．机械工业出版社，1996
5．刘定建朱丹霞．实用晶闸管电路大全．机械工业出版社，1996
6．刘祖润胡俊达．毕业设计指导．机械工业出版社，1995
7．刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．校内，1999
8.刘星平.运动控制系统实验指导书，校内，2009
目录
摘要………………………………………………………………………………6
第1章控制系统的概述………………………………………………………7
1.1转速控制调速指标与要求………………………………………………7
1.2转速负反馈直流调速系统结构…………………………………………8
1.3电压负反馈直流调速系统………………………………………………9
1.4VM晶闸管-电动机调速系统……………………………………………10
第2章总体方案的论证比较…………………………………………………12
2.1总体方案的设计…………………………………………………………12
2.2主电路方案的论证比较…………………………………………………14
2.2.1PWM调压调速方案…………………………………………………14
2.2.2使用晶闸管可控整流装置调速……………………………………15
第3章单闭环直流调速系统启动过程………………………………………18
第4章 主电路设计……………………………………………………………19
4.1主电路工作设备选择…………………………………………………19
第5章 控制电路设计…………………………………………………………21
第6章调试……………………………………………………………………24
总结与体会………………………………………………………………………26
参考文献…………………………………………………………………………27
附录………………………………………………………………………………28
摘要
摘要：
为了提高直流调速系统的动态、静态性能，通常采用闭环控制系统（主要包括单闭环、双闭环）。
而在对调速指标要求不高的场合，采用单闭环即可。
闭环系统较之开环系统能自动侦测把输出信号的一部分拉回到输入端，与输入信号相比较，其差值作为实际的输入信号；
能自动调节输入量，能提高系统稳定性。
在对调速系统性能有较高要求的领域常利用直流电动机，但直流电动机开环系统稳定性不能够满足要求，可利用转速单闭环提高稳态精度，而采用比例调节器的负反馈调速系统仍是有静差的，为了消除系统静差，可采用积分调节器代替比例调节器。
本次设计中进行了计算，主要设备调试，关于主电路设计和控制电路设计是基础部分，对晶闸管和电机的调试是非常重要的部分。
关键词：
稳态性能；
稳定性；
开环；
闭环负反馈；
静差
第1章控制系统概述
1.1转速控制调速指标与要求
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。
为了进行定量的分析，可以针对前两项要求定义两个调速指标，叫做“调速范围”和“静差率”。
这两个指标合成调速系统的稳态性能指标。
一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。
在直流电动机变压调速系统中，一般以电动机的额定转速
作为最高转速，若额定负载下的转速降落为
，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即
，于是，最低转速为
，而调速范围为
，将上式的
式代入，得
，表示变压调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所满足的关系。
晶闸管-电动机系统是开环系统，调节控制电压
就可以改变电动机的转速，如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速，但是，许多需要调速的生产机械常常对静差率有一定的要求，例如龙门刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工时负载大校场有波动，但是，为了保证共建的加工精度和加工后的表面光洁度，加工过程中的速度却必须稳定，也就是说，静差率不能太大，一般要求，调速范围D=20~30，静差率s≤5%。
又如热连轧机，各机架轧辊分别由单独的电动机拖动，钢材在几个机架内连续轧制，要求各机架出口线速度保持严格的比例关系，使被轧金属的每秒流量相等，才不致造成钢材拱起或拉断，根据工艺要求，须使调速范围D=3~10时，保证静差率s≤0.2%~0.5%。
在这些情况下，开环调速系统往往不能满足要求。
任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对消速性能都有一定的要求。
例如，最高转速与最低转速之间的范围，是有级调速还是无级调速，在稳态运行时允许转速波动的大小，从正转运行变到反转运行的时间间隔，突加或突减负载使得允许的转速波动，运行停止时要求的定位精度等等。
归纳起来，对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面：
1）调速。
在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地或平滑地调节转速。
2）稳速。
以一定的精度再说需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动。
3）加、减速。
自动设备要求加、减速尽量快，以提高生产效率，不易经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。
1.2转速负反馈直流调速系统结构
与电动机同轴安装一台测速发电机TG，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压
，与给定电压
相比较后，得到转速偏差电压
，经过放大器A，产生电力电子变换器UPE所需的控制电压
，用以控制电动机的转速。
这就组成了反馈控制的闭环直流调速系统。
晶闸管装置常用于特大容量系统。
其原理框图如图1所示。
图1带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图
根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被挑梁出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。
转速降落正是由负载引起的装束偏差，显然，闭环调速系统应该能够大大减少转速降落。
1.3电压负反馈直流调速系统
被调量的负反馈是闭环控制系统的基本反馈形式，对调速系统来说，就是要用转速负反馈。
但是，要实现转速负反馈必须有转速检测装置，例如前述的测速发电机，以及数字测速用的光电编码盘、电磁脉冲测速器等等，其安装和维护都比较麻烦，常常是系统装置中可靠性的薄弱环节，因此，对于调速指标要求不高的系统来说，可以用更方便的电压反馈形式来代替测速反馈。
电压负反馈系统的稳态性能比带同样放大器的转速反馈系统要差些。
在实际系统中，为了尽量减小静态速降，电压负反馈信号的引出线应尽量靠近电动机电枢两端。
在电动机转速不很低时，电枢电阻压降比电枢端电压要小得多，因此可以认为，直流电动机的反电动势与端电压近似相等，或者说，电机转速语段电压成正比。
在这种情况下，采用电压负反馈就能基本上代替转速负反馈的作用了，而监测电压显然要比检测转速方便得多。
原理框图见图2。
图中作为反馈检测元件的只是一个起分压作用的电位器，电压反馈信号为
，图3所示是比例控制的电压负反馈直流调速系统稳态结构图，电压负反馈取自电枢端电压
，为了在结构图上把
显示出来，须把电枢总电阻R分成两个部分，即
。
式中
为电力电子变换器内阻，
为电动机电枢电阻。
图2电压负反馈直流调速系统原理图
1.4VM晶闸管-电动机调速系统
变压调速是直流调速系统常用的调速方式，调节电枢供电电压所需的可控电源通常有3种：
旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。
旋转变流机组简称G-M系统，适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。
静止可控整流器又称V-M系统，由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难；
晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt与di/dt都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件；
由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。
V-M系统价格低廉，在对调速指标要求不高的情况下，性能能满足试验要求，所以本次系统选用V-M系统。
系统原理图见图3。
图3晶闸管-电动机调速系统原理图
图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压
来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压
，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有很大提高，而且在技术性能上也显出较大的优越性。
晶闸管可控整流器的功率放大倍数在
以上，其门极电流可以直接用电子控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。
在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将会大大提高系统的动态性能。
V-M系统本质上是带R、L、E负载的晶闸管可控整流电路，结合分析和设计直流调速系统的需要，V-M系统的主要问题可归结为如下几点：
①触发脉冲相位控制；
②电流脉冲及其波形的连续与断续；
③抑制电流脉动的措施；
④V-M系统的机械特性；
⑤晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数。
第2章总体方案的论证比较
2.1总体方案的设计
对于直流电动机调速的方法有很多，而其各有它自己的优点和不足。
各种调速方法可大致归纳如下：
（１）弱磁调速通过改变励磁线圈中的电压Uf，使磁通量改变（Uf增大，磁通量增大；
Uf增小，磁通量增小）。
特点：
保持电源电压为恒定的额定值，通过调节电动机的励磁回路的励磁电流大小，改变电动机的转速。
这种调速方法属于基速以上的恒功率调速的方法。
在电流较小的励磁回路内进行调节，因此控制起来比较方便，功率损耗小，用于调节励磁的电阻器功率小，控制方便且容易实现，而其更重要的是此方法可以实现无级平滑调速，但由于电动机的换向有限以及机械强度的限制，速度不能调节得太高，从而电动机的调速范围也就受到了限制。
（２）串联电阻调速 即在电枢回路中串入一个电阻，其阻值的大小根据实际需要而定，使电动机特性变软，
在保持电源电压和气隙磁通为额定值，在电枢回路中串入不同阻值的电阻时，可以得到不同的人为机械特性曲线，由于机械特性的软硬度，即曲线斜率的不同，在同一负载下改变不同的电枢电阻可以得到不同的转速，以达到调速的目的，属于基速以下的调速方法。
这种方法简单，容易实现，而其成本较低，单外串电阻只能是分段调节，不能实现无级调速，而其电阻在一定程度上要消耗能量，功率损耗大，低速运行时转速稳定性较差，只能适应对调速要求不高的中小功率型电动机。
（３）调节电枢电压调速电机降压起动是为了避免高启动转矩和启动电流峰值,减小电动机启动过程的加速转矩和冲击电流对工作机械、供电系统的影响。
在保持他励直流电动机的磁通为额定值的情况下，电枢回路不串入电阻，将电视两端的电压，即电源电压降低为不同的值时，可以获得与电动机固有机械特性相互平行的人为机械特性，调速方向是基速以下，属于恒转矩调速方法。
只要输出的电压是连续可调的，即可实现电动机的无级平滑调速，而且低速运行时的机械特性基本保持不变。
所以得到的调速范围可以达到很高，而且能实现可逆运行。
但对于可调的直流电源成本投资相对其他方法较高。
又由于电力电子技术的发展，出现了各种的直流调压方法，可分为如下两种：
1）使用晶闸管可控整流装置的调速系统；
2）使用脉宽调制的晶体管功率放大器调速系统。
基于以上的特点，当前有3种方法可供选择。
方案一：
弱磁调速
系统采用弱磁调速。
由于弱磁调速方法的特点可以看出：
功率损耗小，特别是用于调节励磁的电阻器功率小，控制方便而其容易实现，更重要的是可以实现无级平滑调速，为生产节约了生产成本。
这是它的优点，但同时要注意到弱磁调速方法难以实现低速运行，以及可逆运行。
只能在基速以上运行，且电动机的换向能力以及机械强度的限制，速度不能调得太高，这就限制了它的调速范围的要求，针对我们要设计的目标调速系统，速度要求在1500r/min，很明显这种调速方法难以做到，必须要配合其他的控制方法才能实现，这样成本将会升高，而且控制将会变得复杂，失去了弱磁调速本身所具有的优点。
方案二：
串联电阻调速
系统采用串联电阻调速。
这种方法最大的优点就是实现原理简单，控制电路简单可靠，操作简便。
这种调速属于基速以下的调速方法，可以达到生产工艺对速度的要求。
但它外串电阻只能是分段调节，不能实现无级平滑调速，而且电阻在一定程度上消耗能量，功率损耗比较大，低速运行时转速稳定性差，容易产生张力不平稳，难以控制。
方案三：
调节电枢电压调速
系统采用调节电枢电压的调速方法。
这种可以获得与电动机的固有机械特性相平行的人为机械特性，调速方向是基速以下只要输出的电压是连续可调的，即可实现电动机的无级平滑调速，而且低速运行时的机械特性基本上保持不变所以得到的调速范围可以达到很宽，而且可以实现电动机的正反转。
鉴于以上对各种调速可行性方案的论述本，本系统将采用调压调速的调速方法以满足生产工艺的要求。
2.2 主电路方案的论证比较
主电路主要是指电源装置和执行装置（直流电动机），由于电动机是我们的控制对象，所以就对电源装置进行可行性和优越性的比较论证。
直流电动机的调速方法有两种，具体为：
1）使用脉冲宽度调制晶体管功率放大器，即采用PWM的调压调速控制；
2）使用晶闸管可控整流装置调速。
2.2.1PWM调压调速方案
电源装置采用PWM调压，其基本思想是：
冲量相等而形状不同的窄脉冲加载到具有惯性的环节上时，其效果相同。
即惯性环节的输出相应是相同的。
SPWM波形——脉冲宽度按照正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，可表示如下。
图4用PWM波代替正弦波
图5PWM调压电路
2.2.2使用晶闸管可控整流装置调速
通过晶闸管的导通角的移相，改变触发角，从而改变电压的导通时间，改变电压的平均值。
电路如下：
图6晶闸管可控整流装置电路
电路特点：
电路直接由交流转换为直流，所以效率比较高。
其次，整流装置时SRC，容量相对IGBT而言，比较大，电动机的容量就可以做的相对较大，可靠性也比较高，技术成熟等优点。
设计的对象电机的容量是3KW，可以很好地满足容量的要求，再次，触发电路也比较简单，有现成的集成触发电路，设计起来相对简单。
不过由于也存在正反两组的问题，所以也要考虑逻辑控制问题，以免发生环路导通短路事故。
综上所述，综合考虑比较两者的优点，可调电源电路采用后者，使用晶闸管可控整流装置调压调速。
控制电路方案的论证比较：
对电动机转速的控制调节方法有几种控制方法：
（1）才用单闭环的速度反馈调节加上电流截止负反馈的方法；
（2）采用双闭环的速度、电流反馈控制调节方法。
方案论证：
1）采用才用单闭环的速度反馈调节加上电流截止负反馈的方法，能实现比较方便，快捷，成本低，而且系统调试等简单。
但是此方法又有其缺点，在启动过程总系统是非线性的，而且是一个复杂的动态过程，不能简单地将最大负荷时的电流值定为电流截止负反馈的限制值，这将影响电动机的启动时间，而且难以把握电流的动态过程。
由于直流电动机在起动、堵转或过载时会产生很大的电流，这样大的电流会烧坏晶闸管元件和电机，因而要加以限制。
根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入哪个物理量的负反馈。
系统中若引入电流负反馈，虽然电流不会过大，但是单闭环调速系统中如果存在电流负反馈，将会使静特性变软，影响调速精度，而这又是我们希望避免的。
如果能做到电流负反馈在正常运行时不起作用，而在过电流情况下起电流负反馈作用。
为此，可以通过一个电压比较环节，使电流负反馈环节只有在电流超过某个允许值时才起作用，这就是电流截止负反馈环节。
带电流截止负反馈的单闭环调速系统
2）采用双闭环速度电流调节方法，这种方法虽然成本相对较高，但它保证了系统的性能，保证了对生产工艺要求的满足，它既兼顾了启动时电流的动态过程，又保证了稳态后的稳定性，在起动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈。
当到达稳态后，只要转速负反馈，不让电流负反馈发挥作用，能很好的满足生产需要。
第3章单闭环直流调速系统启动过程
突加给定电压
后，经过调解器的跟随作用，
、
和
都跟随着上升，但是在
没有达到负载电流
以前，电动机还不能转动。
当
≥
以后，电动机开始启动。
由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而电势反馈环节的偏差电压
的数值仍较大，其输出电压保持限幅
，强迫电枢电流
迅速上升。
直到
，
此时，电势反馈不起作用，电流
恒定，系统加速度恒定，转速成线性增长。
当转速上升到给定值
时，电压反馈的偏差可能减小到零，但放大环节的滞后使得电动机仍在加速，使时转速超调。
此时，电压反馈偏差变负，但直到
，转矩
，转速n才达到峰值。
此后，电动机开始在负载的阻力下减速，直到稳定。
当然，如果调节器参数整定的不够好，将会有一段震荡过程。
需要注意的是，电动势反馈调速只能保证较好的启动性能。
在制动时，当电流下降到零以后，只好自由停车。
这即是调速系统的不可逆性。
第4章 主电路设计
4.1 主电路工作设备选择
电动机参数：
PN=10KW,nN=1000rpm,UN=220V,IN=55A,Ra=0.5。
主回路总电阻R=2.5，电磁时间常数Tl=0.017s,机电时间常数Tm=0.075s。
三相桥式整流电路，Ks=40。
测速反馈系数=0.07。
调速指标：
D=10，S=5%。
变压器的副边电压的确定：
因为UN=220V，整定的范围在30°
～150°
之间，所以由三相全控整流公式：
UD=2.34U2cosα,当α在30°
时又最大值，算出U2=108.5V，所以可以选择U2=120V。
晶闸管参数的计算：
由于电动机电流的大小为55A，即最大电流为：
Imax=55A.
又由整流输出的电压Ud=UN=220V，进线的线电压是120V。
由电路分析可知，晶闸管承受的最大反向电压是变压器的二次线电压的电压峰值。
即有
晶闸管承受的最大正向电压是线电压的一半，即
考虑安全性裕量，选择电压裕量为2倍的关系，电流裕量选为1.5倍的关系，所以工作的晶闸管的额定电压容量的参数可选择为：
电枢回路的平波电抗器的计算：
电动机在运行时保证电流连续，取此时的电流为额定电流的5%～10%。
则电枢需要串入的电枢电抗大小可以算为：
（其中La为电枢的固有电抗值）
第5章 控制电路设计
控制电路采用转速单闭环调速系统控制，采用闭环系统可以比开环系统获得更硬的机械特性，而且静差率比开环是小得多，并且在静差率一定时，则闭环系统可以大大提高调速范围。
但在闭环式必选设置放大器。
如果只采用比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍然是有静差的，这样的系统叫做有静差调速系统，它依赖于被调量的偏差进行控制，而反馈控制系统的作用是：
抵抗扰动，服从给定，但反馈控制系统所能抑制的知识被反馈环包围的前向通道上的扰动。
调节器的输出限幅值的确定：
转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定电流给定电压的最大值，其输出决定了电力电子变换器的最大输出电压Udm。
对于本系统：
设转速达到额定时的给定电压为+7.5V，转速调节器的输出最大限幅值为±
5V，Ks=40。
1>
为满足调速系统的稳态性能指标，额定负载时的稳态速降应为
2>
求闭环系统应有的开环放大系数
先计算电动机的电动势系数
则开环系统额定速降为
闭环系统的开环放大系数应为
3>
计算转速反馈环节的反馈系数和参数
根据调速指标要求，前已求出闭环系统的开环放大系数应为K≥41.22，则运算放大器的放大系数Kp应为
实取Kp=9。
运算放大器的参数选取为：
根据所用运算放大器的型号取R0=20KΩ，则R1=KpR0=9×
20=180KΩ。
系统动态结构框图
为了实现转速无静差，必须在扰动作用点以前设置一个积分环节，从图可以看出，在负载扰动作用点以后，已经有一个积分环节，故从静态无差考虑需要Ⅱ型系统。
从动态性能上看，考虑转速调节器饱和非线性后，调速系统的跟随性能与抗扰性能是一致的，而典型Ⅱ型系统具有较好的抗扰性能。
所以，转速环应该按典型Ⅱ系统进行设计。
由图可以明显地看出，要把转速环校正成典型Ⅱ型系统，转速调节器ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为
式中Kn——
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