单闭环直流晶闸管调速系统设计.docx

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单闭环直流晶闸管调速系统设计

晶闸管直流单闭环调速系统的设计

摘要：

主要运用电机学与自动控制原理所学知识，进行晶闸管直流单闭环调速的设计。

通过对直流电机和测速电机、自动控制等部分的参数的变化控制整个调速系统。

此系统由速度调节器、功放、晶闸管整流电路、直流发电机、测速发电机等模块组成，来实现闭环直流调速。

系统具有良好稳定性，调速范围广，便于控制，因此在许多具有调速要求的电力领域得到广泛的应用。

先进行总体的系统设计，然后确定各个参数，当明确了系统传函之后，再进行稳定性分析，再运用Matlab进行仿真，得知设计结果是否符合要求。

关键词：

速度调节器、晶闸管整理电路、直流发电机、闭环直流调速、Matlable仿真

Abstract：

Themainuseofthemotorandtheprincipleofautomaticcontroloftheknowledge,conductingthyristorDCsingleclosedloopspeedcontroldesign.BasedontheDCmotorandspeedofmotor,automaticcontrolandotherpartsoftheparameterscontrolofthespeedregulationsystem.Thissystemiscomposedofspeedregulator,poweramplifier,thyristorrectifiercircuit,aDCgenerator,tachometergeneratormodule.TorealizeclosedloopDCspeedregulation.Thesystemhasgoodstability,widerangeofspeedregulation,easytocontrol,soinmanyhasthespeedrequiredbyelectricfieldshaveawiderangeofapplications.Firsttheoverallsystemdesign,andthentodeterminethevariousparameters,whenthesystemtransferfunction,thenthestabilityanalysis,usingMatlablesimulation,thatwhetheritmeetstherequirementsofdesignresults.

Keywords：

speedregulator,SCRprocessingcircuit,DCgenerator,closedloopDCspeedregulation,Matlabsimulation.

一、前言………………………………………………………………………………1

二、系统总体方案的设计……………………………………………………………2

2.1、调速方案的比较和选择…………………………………………………2

2.2、晶闸管直流单闭环调速系统……………………………………………4

2.3、控制系统结构框图………………………………………………………5

三、系统的性能指标参数……………………………………………………………6

3.1、静态参数设计计算………………………………………………………6

3.2、动态参数设计计算………………………………………………………7

四、稳定性分析………………………………………………………………………9

4.1、运用经典自动控理论分析………………………………………………9

4.2、利用MATLAB辅助分析……………………………………………………9

4.2.1、利用根轨迹分析…………………………………………………9

4.2.2、在频域内分析……………………………………………………11

五、系统校正…………………………………………………………………………11

5.1、系统的校正分析与计算…………………………………………………13

5.1.1、系统校正的工具…………………………………………………13

5.1.2、调节器的选择……………………………………………………13

5.1.3、校正环节的设计…………………………………………………14

5.2、校正后系统的验证………………………………………………………14

5.2.1、验证校正后的相位裕量…………………………………………15

5.2.2、利用Simulink仿真系统验证系统运行情况……………………15

六、总结与体会………………………………………………………………………17

七、参考文献…………………………………………………………………………18

八、参考文献…………………………………………………………………………19

一、前言

调速系统广泛运用于生产实践的各个领域，在实际生产中，大多数机械在不同的生产场合，对机械的运行速度有不同的要求，以提高生产效率和保证产品质量。

从生产机械要求控制的物理量来看，拖动自动控制系统有调速系统、张力系统、随动系统等。

而各种系统往往是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的控制系统。

要求具有速度调节功能的生产机械很多，如各种机床、轧钢机、起重运输设备、造纸机、纺织机等等。

在工程实践中，有许多生产机械要求在一定范围内进行速度的平滑调节，且要具有良好的动态与静态性能。

不同的生产机械对调速的要求不同所选择的调速方案也不同，常用的调速方法有机械的、电气的、液压的、气动的几种。

在使用机械与电气调速上，也往往采用电气与机械配合的方法来实现调速，在纯机械方法的调速设备中，驱动用电机一般运行在固有机械特性的一个转速上。

在纯电气方法调速中，电机运行在一个固有的机械特性或人为机械特性上。

在电气与机械配合的调速设备中，可用电动机来得到多种转速，这是的机械调速机构就变得十分简单。

电气调速系统又可分为交流调速和直流调速，与交流调速系统相比，直流调速系统具有极好运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样机构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但一直以来直流调速系统占垄断地位，广泛用于轧钢、矿山开采、海洋钻探、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力的拖动场合，因为直流调速是交流调速系统的基础、在理论和实践上都更为成熟。

本次设计采用的是晶闸管直流单闭环调速，运用了速度调节器、触发电路、正桥功放、三相全控整流、直流电机、测速发电机等等，加上运用了反馈电路，调速范围广和稳定，且可实现通过反馈信号采取来实现自动调速，可应用于要求自动调速的生产领域。

在1980年前后，美国的Cleve博士在大学讲授线代代数课程时，发现应用其他高级语言编程极为不便，就构思并开发了Matlab，它是集命令翻译，科学计算于一身的一套交互式软件系统，经过在大学进行了几年的使用后，于1984年推出了该软件的正式版本，矩阵的运算变得日常容易。

在Matlab软件中，包括了两大部分：

数学计算与工程仿真。

其数学计算方面提供了强大的矩阵处理和绘图功能。

在工程仿真方面，Matlab提供的软件支持几乎遍布各个工程领域，并且不断加以完善。

本题通过把放大环节看成纯比例环节，电力电子变换环节看成一个时间常数很小的滞后环节-----即一节惯性环节，额定直流电动机是一个二阶线性环节，测速发电机看成一个反馈环节，然后再得到相应的结构框图和相关参数，就可应用Matlab进行仿真进行正确性的验证。

二、晶闸管直流单闭环调速系统的设计

2.1、调速方案的比较和选择

2.1.1、方案的介绍

直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为

（1）

式中Ua——电枢供电电压（V）；

Ia——电枢电流（A）；

Ф——励磁磁通（Wb）；

Ra——电枢回路总电阻（Ω）；

Ce——电势系数，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。

由式1可以看出，式中Ua、Ra、Ф三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：

a改变电枢回路总电阻Ra；b改变电枢供电电压Ua；c改变励磁磁通Ф。

方案一：

改变电枢回路电阻调速

他励直流电动机当其电枢回路传入调节电阻Rw后，电枢回路的总电阻为Ra+Rw，使得机械特性的斜率增大，串不同的Rw就可得到不同斜率的机械特性，与负载的机械特性相较于不同的A、B、C三点。

电枢电阻如图2.1所示，其机械特性如图2.2所示。

此时转速特性公式为

式中Rw为电枢回路中的外接电阻（Ω）。

图2.1改变电枢电阻调速电路图2.2改变电枢电阻调速时的机械特性

当负载一定时，随着串入的外接电阻Rw的增大，电枢回路总电阻R=（Ra+Rw）增大，电动机转速就降低。

特点：

为有级调速，调速比一般约为2：

1左右，转速变化率大，轻载下很难得到低速，效率低，故现在已极少采用。

方案二:

改变电枢电压调速

改变电枢供电电压的方法有两种：

a采用发电机-电动机组供电的调速系统；b采用晶闸管变流器供电的调速系统。

而图a方法因设备多、体积大、费用高、效率低、安装需打基础、运行噪声大、维护不方便等缺点，被更经济、可靠的晶闸管变流装置所取代。

下面就介绍方法b。

图2.3晶闸管供电的调速电路图2.4晶闸管供电时调速系统的机械特性

晶闸管变流器供电的调速电路如图2.3所示。

通过调节触发器的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。

其开环机械特性示于图2.4中。

图2.4中的每一条机械特性曲线都由两段组成，在电流连续区特性还比较硬，改变延迟角a时，特性呈一簇平行的直线。

但在电流断续区，则为非线性的软特性。

这是由于晶闸管整流器在具有反电势负载时电流易产生断续造成的。

特点：

为恒转矩调速，转速稳定，调速范围广，便于控制，可以做到无级平滑调速，如果采用反馈控制系统，调速范围可达50:

1～150：

1,甚至更大。

方案三：

弱磁调速

调节励磁回路传入的调节电阻，改变励磁电流If，即改变磁通Ф，为使电机不至于过饱和，因此磁通Ф只能由额定值减小。

由于Ф减小，机械特性的升高，斜率增大，如果负载不是很大，则可使得转速升高。

Ф减小越多，转速升高得越高，不同的v可得到不同的机械特性曲线。

特点：

虽然能量损失较小，但转速只能由额定磁通时对应的速度向高调，而电动机最高转速要受到电机本身的机械强度及换向的限制。

2.1.2、方案的选择

通过对方案一、方案二、方案三的介绍，我们知道了他们调速的各自特点，再考虑到本次设计的要求（采用晶闸管单闭环直流调速），所以选择方案二，即改变电枢电压调速（采用晶闸管变流器供电的调速系统）。

2.2、晶闸管直流单闭环调速系统

通过在2.1对调速方案的确定，再根据设计要求，所设计的系统应为单闭环直流调速系统，选定转速为反馈量，采用变电压调节方式，实现对直流电机的无极平滑调速。

设计如下的原理图：

=

图2.5单闭环直流调速系统原理图

图中的G为直流电机，TG为测速发电机，通过它不断地对输出转速进行检测，并将测得的结果反馈到参考输入端并相减，产生偏差信号△U,经过放大器驱动执行机构，是输出转速完全按照参考输入的要求变化。

该系统受到内界或者外界扰动，可以通过负反馈产生的偏差作为控制信号，去消除输出量预期期望值之间的误差，这种控制原理称为反馈控制原理。

当直流电机边接负载时，可以补偿由于负载增大所造成的电机转速下降，使转速w近似保持不变，从而提高机械生产效率。

图2.6单闭环直流调速系统具体原理图

2.3控制系统结构框图

有了系统原理图之后，把各环节的静态参数用自控原理中的结构图表示，就可得到系统的稳态结构框图。

图2.7单闭环直流调速系统稳态结构框图

根据自动控制原理知：

放大环节可以看成纯比例环节，电力电子变换环节是一个时间常数很小的滞后环节，这里把它看作一阶惯性环节，而额定励磁下的直流电动机是一个二阶线性环节。

再根据各环节的输入输出特性得到各环节的传递函数，表示成结构图形式，就可得到了系统的动态结构框图。

图2.8单闭环直流调速系统动态结构

三、参数计算

上面得到了单闭环调速系统的结构框图，我们就可以根据传递函数与设计要求进行系统的静态动态的参数设计。

先设定一些相关的参数：

电动机：

PN=4.4kwUN=220v

=20AnN=1000r/minRa=1Ω

晶闸管整流装置：

二次线电压E2l=220vKs=30

主回路总电阻：

R=2Ω

测速发电机：

PNc=22wUNc=110v

=0.2AnNc=1500r/min

系统运动部分：

飞轮矩GD2=10Nm2

设计要求：

生产机械D=20；s≤5﹪；γ≥60°

输入的参考电压Un*=15v

3.1静态参数设计计算

A、空载到额定负载的速降ΔnN

由公式：

（其中D，s已知）

得：

Δnd≤2.63r/min

B、系统开环放大倍数K

由公式：

为了保持稳态性能指标，闭环系统的开环放大系数应满足

显然，系统不能在满足稳态性能的条件下运行。

C、测速反馈环节放大系数a

测速发电机电动势系数Cec=UNc/nNc=0.073Vmin/r

测速发电机输出电位器RP2分压系数a2

根据经验，人为选定a2=0.2

则a=Ceca2=0.0146

注：

a2正确性的验证：

反馈通道的输出用于和给定比较，参照图2.7的标注，Un略小于Un*即可，

当a2=0.2时，Un=14.6v满足要求

D、运算放大器的放大系数Kp

由公式（其中α即a）

Kp≥2.53

取Kp=2.53

3.2、动态参数设计计算

在经典控制论中，动态分析基于确定系统的传函，所以要求出传函并根据已知求的传函中的未知参数，再用劳斯判据得出系统稳定性，在稳定的基础上再加校正以优化系统，使稳、准、快指标平衡在要求范围内的值上。

由图2.8得系统开环传函

其中,Ts晶闸管装置滞后时间常数；Tm机电时间常数；Tl电磁时间常数

为保证电机的运行时连续的，去此时的电流为额定电流的5%----10%，计算出直流电机电路所串电感应为：

在三相桥式整流电路里

UN=2.34

COS（a），取a=30°，得

=108.56v，取

=120v

电磁时间常数Tl=L/=0.04158/2=0.021S

机电时间常数:

对于三相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为Ts=0.016s

系统开环传函为：

计算相位裕量γ：

计算剪切频率：

当函数的幅值L（w）为零时，就可得出剪切频率

。

可算出

相位裕量：

不符合设计的要求。

四、稳定性分析

稳定是系统首要的条件，是一个系统能够正常运行否认基础，一切的分析只有建立在稳定的基础上才有意义。

4.1运用经典自动控理论分析

根据系统闭环传函

特征方程

应用三阶系统的劳斯-赫尔维茨判据，系统稳定的充分必要条件是：

代入整理得：

即：

得出：

所以系统是稳定的。

4.2利用MATLAB辅助分析

4.2.1利用根轨迹分析

系统的传递函数可化为：

系统传函化为标准型：

此处对原传递函数稍作了处理，把分母的首项化为1，其它项的系数也作了近似的处理。

1.求零极点：

程序：

>>num=[1616496.6];

>>den=[1110.123316.3221258.5];

>>[z,p,k]=tf2zp（num,den）;

>>[z,p,k]=tf2zp（num,den）

Z=

Emptymatrix:

0-by-1

p=

-62.5032

-38.8656

-8.7511

k=

1.6165e+06

由运行的结果p知，系统的极点全在虚轴的左半平面，系统稳定。

2.绘制根轨迹:

程序：

>>p=[-62.5-8.75-38.86];z=[];k=1616496.6;

>>g=zpk（z,p,k）;

>>figure

（1）;pzmap（g）

>>figure

（2）;rlocus（g）

得零极点图和根轨迹图如下：

图4.1系统的根轨迹

图4.2系统的零极点图

从根轨迹图和零极点图可以看出在虚轴右半面没有极点，系统稳定。

4.2.2在频域内分析

1.奈氏曲线：

程序：

>>p=[-62.5-8.75-38.86];z=[];k=1616496.6;

>>g=zpk（z,p,k）;

运行结果：

图4.3系统的奈奎斯特图

2.系统bode图和幅值裕度、相角裕度以及对应的频率

程序：

>>num=[1616496.6];

>>den=[1110.123316.3221258.5];

>>margin（num,den）；

运行结果：

图4.4系统伯德图和幅值裕度、相角裕度以及对应的频率

从上面的图4.4知相角裕量

，不符合设计要求中的γ≥60°。

因此需要加超前校正装置。

五、系统校正

5.1、系统的校正分析与计算

由上面的仿真知系统稳定，但相位裕量不满足设计的要求，因此需加调节器校正的方法来调整系统。

5.1.1、系统校正的工具

在设计校正装置时，主要的研究工具是Bode图，即开环对数频率特性的渐近线。

它的绘制方法简便，可以确切地提供稳定性和稳定裕度的信息，而且还能大致衡量闭环系统稳态和动态的性能。

因此，Bode图是自动控制系统设计和应用中普遍使用的方法。

图5.1Bode图

伯德图与系统性能的关系

a：

中频段以-20dB/dec的斜率穿越0dB，而且这一斜率覆盖足够的频带宽度，则系统的稳定性好；

b：

截止频率（或称剪切频率）越高，则系统的快速性越好；

c：

低频段的斜率陡、增益高，说明系统的稳态精度高；

d：

高频段衰减越快，即高频特性负分贝值越低，说明系统抗高频噪声干扰的能力越强。

相角裕度和以分贝表示的增益裕度Gm。

一般要求：

=30°－60°

GM>6dB

校正装置的传递函数的确定，需要根据设计的最终要求的传函与校正前的传函相除得到。

5.1.2、调节器的选择

P调节器：

采用比例（P）放大器控制的直流调速系统，可使系统稳定，并有一定的稳定裕度，同时还能满足一定的稳态精度指标。

但是，带比例放大器的反馈控制闭环调速系统是有静差的调速系统。

I调节器：

采用积分调节器，当转速在稳态时达到与给定转速一致，系统仍有控制信号，保持系统稳定运行，实现无静差调速。

PI调节器：

比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。

比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。

5.1.3、校正环节的设计

设超前校正装置的传函为：

因为对校正后的剪切频率Wc‘出要求，因此从相位裕量出发。

首先通过下式确定：

式中的Ф为超前校正装置的最大超前相角γ’校正后要求的相位裕量；γ为校正前系统的相位裕量；Δ为考虑到γ（Wc

一般取50-100。

这里可算出Ф=600-（-30.30）+100=95.30。

最后在校正前系统的L（w）=-10lgβ所对应的频率，就是校正后系统的剪切频率Wc‘，且

Wn=Wc，在利用下面公式就可算出T2。

因此可以推出超前进校正的传递函数为：

校正后的总传递函数为：

5.2系统验证

5.2.1、验证校正后相位裕量是否达到要求:

程序：

>>num=[1616496.628924209.28];

>>den=[12307.922423336.37309866.594963731.3];

>>margin（num,den）

运行结果：

图5.2系统的伯德图和幅值裕度、相角裕度以及对应的频率

由上图只相位裕量γ=60.60>600，因此以达到设计的要求。

5.2.1、利用Simulink仿真系统验证系统运行情况

系统可以作如下连接：

5.3操作系统连接图

给定：

Un*=15v

图5.4单位阶跃响应

由单位阶跃响应系统是能够稳定的运行的，电机转速快速稳定在1000rpm，符合要求。

，

6总结与体会

此次通过对晶闸管单闭环直流电机调速系统的全面设计，提高了自己运用自控理论结合电机学等相关知识来分析和解决问题的能力。

明白了电路设计的重要性，它不仅锻炼了我们的发展思维，也的巩固了自动控制原理、电机学、matlab等的相应知识，加深了自动控制原理基本概念、开环、闭环传递函数的理解，以及运用matlab来进行系统的稳定性、相位裕量等指标的分析。

通过运用matlab仿真系统，让自己熟练地掌握了margin（num，den）、[figure

（1）；nyquist（num，den）、[figure

（2）；bode（num，den）]、pzmap（g）、rlocus（g）等函数的运用。

通过对系统各个模块的设计让我深刻的认识到了他们的工作原理及其内部结构、性能，以及在实际生活中多方面的应用。

此调速系统完全可以应用在生产机械需要自动调速的生产中，将大大提高生产的工作效率与质量。

在此次调速系统设计中，在满足设计要求的情况下，通过大胆的设想，提出了若干种设计思路，不同电路模块通过和其他元件搭配都能完成通同一种功能。

这些都加深了自己对知识的了解。

在设计中也遇到一些困难。

如：

在参数计算时找不到简易的公式，计算复杂，以及公式用错，通过仿真时发现结果不对，但通过检查最终发现了这些问题并解决了。

系统的每个模块的参数计算尤为重要，稍有错误就会影响到整体的仿真结果，计算时需要细心。

难点和复杂点虽然很多，但我并没有灰心，坚持到底，且通过在书上和网上查阅相应的知识，以及通过同学间的相互讨论，最终解决了电路存在的问题，度过了难关。

在设计中中我也发现了自己存在的一些问题。

如:

课外知识不足，电子方面的只是了解得不足，在计算机的使用上不交叉，很多东西打不出来，最总通过同学的帮忙才得以化解。

设计中最重要的是，培养了自己独立创造能力发挥了思维的能动性。

同时看到了自己的缺点和不足。

知道了在今后的学习中应不断完善自己。

在不懈的努力下多路防盗到报警器的设计最总圆满完成。

7、谢辞

首先,在这里要谢谢学校、老师给出的这次让我们独自设计电路的机会。

让我锻炼了自己的创新思维，加深了对电子技术的认识，了解到了它在现实社会实际生活中的广泛应用，对我们生活起的巨大作用，也明白了自己在电子技术方面存在的诸多问题，同时认识到了在其它课外知识上的不足，明白了自己应当继续努力的学习，因此我要深深的对他们表示感谢，也祝愿他们身体健康、事事顺心、每天都过得开开心心的。

在这里还要感谢我身边老师和同学，在电路设计中遇到的诸多困难，在他们的帮助下才得以化解，兵拓宽了自己的知识面，对此我表示也深表感谢，也祝他们在生活中一切安好。

电路设计中，我得到了帮助，在将来的生活中我也将会尽全力来帮助我身边需要帮助的人，也将用自己的绵薄之力为学校、老师、祖国服务。

八、参考文献

[1].运动控制讲义唐树森

[2].电力拖动自动控制系统陈伯时机械工业出版社

[3].自动控制原理胡寿松科学出版社

[4].自动控制原理