1、目錄1、引言3二、初始條件：3三、設計要求：3四、設計基本思路4五、系統原理框圖4六、雙閉環調速系統的動態結構圖4七、參數計算51. 有關參數的計算52. 電流環的設計63. 轉速環的設計7七、雙閉環直流不可逆調速系統線路圖91.系統主電路圖92.觸發電路103.控制電路144. 轉速調節器ASR設計145. 電流調節器ACR設計156. 限幅電路的設計15八、系統仿真161. 使用普通限幅器進行仿真162. 積分輸出加限幅環節仿真173. 使用積分帶限幅的PI調節器仿真18九、總結211 / 25一、設計目的1. 聯系實際，對晶閘管-電動機直流調速系統進行綜合性設計，加深對所學自動控制系統課

2、程的認識和理解，并掌握分析系統的方法。2. 熟悉自動控制系統中元部件及系統參數的計算方法。3. 培養靈活運用所學自動控制理論分析和解決實際系統中出現的各種問題的能力。4. 設計出符合要求的轉速、電流雙閉環直流調速系統，并通過設計正確掌握工程設計的方法。5. 掌握應用計算機對系統進行仿真的方法。二、初始條件：1 技術數據（1） 直流電機銘牌參數：PN =90KW, UN =440V, IN =220A, nN=1500r/min，電樞電阻Ra=0.088，允許過載倍數=1.5；（2） 晶閘管整流觸發裝置：Rrec=0.032，Ks=45-48。（3） 系統主電路總電阻：R=0.12（4） 電磁時

3、間常數：T1=0.012s（5） 機電時間常數：Tm =0.1s（6） 電流反饋濾波時間常數：Toi=0.0025s，轉速率波時間常數：Ton=0.014s.（7） 額定轉速時的給定電壓：Unm =10V（8） 調節器飽和輸出電壓：10V2 技術指標（1） 該調速系統能進行平滑的速度調節，負載電機不可逆運行，具有較 寬的調速范圍（D10），系統在工作范圍內能穩定工作；（2） 系統靜特性良好，無靜差（靜差率s2）；（3） 動態性能指標：轉速超調量n8%，電流超調量i5%，動態速 降n8-10%，調速系統的過渡過程時間（調節時間）ts1s；（4） 調速系統中設置有過電壓、過電流等保護，并且有制動措

4、施。三、設計要求：（1） 根據題目的技術要求，分析論證并確定主電路的結構型式和閉環調速系統的組成，畫出系統組成的原理框圖；（2） 調速系統主電路元部件的確定及其參數計算。（3） 動態設計計算：根據技術要求，用Mrmin準則設計轉速環，確定ASR調節器與ACR調節器的結構型式及進行參數計算，使調速系統工作穩定，并滿足動態性能指標的要求；（4） 繪制V-M雙閉環直流不可逆調速系統線路圖（主電路、觸發電路、控制電路）； （5） 對所設計出的雙閉環直流電動機調速系統仿真實驗，并給出仿真結果圖；（6） 整理設計數據資料，課程設計總結，對本課程設計提出新設想和新建議。四、設計基本思路轉速、電流雙閉環調速系

5、統屬于多環控制系統。目前都采用由內向外，一環包圍一環的系統結構。每一閉環都設有本環的調節器，構成一個完整的閉環系統。設計多環系統的一般方法是，由內環向外環一環一環地進行設計。對雙閉環調速系統而言，先從內環（電流環）開始，根據電流控制要求，確定把電流環校正為哪種典型系統，按照調節對象選擇調節器及其參數。設計完電流環后，就把電流環等效成一個小慣性環節，作為轉速環的一個組成部分，然后用同樣的方法進行轉速環的設計。然后通過MATLAB進行動態分析，根據分析情況更改實現方案，對參數進行調整等。五、系統原理框圖在轉速、電流雙閉環調速系統中，既要控制轉速，實現轉速無靜差調節，又要控制電流使系統在充分利用電動

6、機過載能力的條件下獲得最佳過渡過程，其關鍵是處理好轉速控制與電流控制之間的關系，就是將二者分開，用轉速調節器ASR調節轉速，用電流調節器ACR調節電流。ASR與ACR之間實現串級連接，即以ASR的輸出電壓Ui作為電流調節器的電流給定信號，再用ACR的輸出電壓Uc作為晶閘管觸發電路的移相控制電壓。從閉環反饋的結構看，轉速環在外面為外環，電流環在里面為內環。為了獲得良好的靜、動態性能，轉速和電流兩個調節器一般都采用具有輸入、輸出限幅電路的PI調節器，且轉速與電流都采用負反饋閉環。系統原理圖如下：六、雙閉環調速系統的動態結構圖目前，V-M調速系統多為帶電流內環的轉速控制系統。設計時需增加電流、轉速反

7、饋濾波五節，以抑制反饋信號中的交流分量，同時在轉速、電流給定信號通道中加入兩個給定濾波器，其時間常數與相應反饋濾波環節的時間常數相等以平衡反饋濾波環節給定轉速、電流反饋信號帶來的延滯。相應的動態結構圖如下所示，圖中，ASR和ACR為結構和參數待定的轉速和電流調節器。七、參數計算1. 有關參數的計算a. 電動機的機電常數b. 三相橋式晶閘管整流裝置的滯后時間c. 電流反饋系數為因為允許過載倍數=1.5，故最大允許電流d. 轉速反饋系數e. 電流給定和反饋濾波時間常數f. 轉速給定和反饋濾波時間常數2. 電流環的設計a. 電流環小時間常數b. 電流調節器結構的選擇，根據設計要求，且因此可按典I系統

8、設計，且選用PI調節器，其傳遞函數為c. 確定電流調節器參數ACR超前時間常數：電流環開環放大系數：要求時，應按二階“最佳”系統設計，取從而，ACR的比例系數為d. 校驗近似條件 電流環截止頻率：晶閘管裝置傳遞函數近似條件滿足近似條件。小時間常數近似條件滿足近似條件。忽略反電勢對電流環影響的條件滿足近似條件。e. 計算調節器電阻和電容 按所用運算放大器，則由有由得3. 轉速環的設計a. 轉速環小時間常數b. 選擇轉速調節器結構 根據穩態、動態性能指標的要求，應按典II系統設計轉速環，為此應選用PI調節器，其傳遞函數為c. 選擇轉速調節器參數 為了使轉速環的跟隨性能和抗擾性能都較好，應采用準則選

9、擇參數，取h=5，因此ASR的超前時間常數為轉速環開環放大系數為從而，轉速調節器比例系數為d. 檢驗近似條件轉速環截止頻率 電流環傳遞函數簡化條件而滿足近似條件。小時間常數近似處理條件滿足近似條件。e. 計算轉速調節器電阻和電容 取輸入電阻，則f. 校核轉速超調量 因為當h=5時而所以 可見，所設計的系統能滿足設計要求。必須注意：因為，對轉速環來說，忽略反電勢的條件并不成立，所以轉速超調量將比上面的計算值更小，更能滿足設計要求。七、雙閉環直流不可逆調速系統線路圖1.系統主電路圖主電路采用三相橋式整流電路，如下圖所示：說明： 三相橋式全控整流電路有如下特點：（1）三相橋式全控整流電路必須有兩只晶

10、閘管同時導通才能構成電流回路，其中一只在共陰組，另外一只在共陽組，而且這兩只導通的管子不在同一相內。因此，負載電壓是兩相電壓之差，即線電壓，一個周期內有六次脈動，它為線電壓的包絡線。（2）晶閘管在一個周期內導通120°，關斷240°，管子換流只在本組內進行，每隔120°換流一次。（3）出發脈沖需寬脈沖或雙窄脈沖，共陰極組及共陽極組內各管脈沖相位差為120°，接在同一相的不同管子脈沖相位差為180°。晶閘管按順序輪流導通，相鄰順序管子脈沖相位差為60°，即每隔60°換流一次。（4）晶閘管承受的最大反向電壓為變壓器二次側線電壓的

11、電壓峰值。2.觸發電路說明： 三相橋式全控整流電路有如下特點：（1）三相橋式全控整流電路必須有兩只晶閘管同時導通才能構成電流回路，其中一只在共陰組，另外一只在共陽組，而且這兩只導通的管子不在同一相內。因此，負載電壓是兩相電壓之差，即線電壓，一個周期內有六次脈動，它為線電壓的包絡線。（2）晶閘管在一個周期內導通120°，關斷240°，管子換流只在本組內進行，每隔120°換流一次。（3）出發脈沖需寬脈沖或雙窄脈沖，共陰極組及共陽極組內各管脈沖相位差為120°，接在同一相的不同管子脈沖相位差為180°。晶閘管按順序輪流導通，相鄰順序管子脈沖相位差為6

12、0°，即每隔60°換流一次。（4）晶閘管承受的最大反向電壓為變壓器二次側線電壓的電壓峰值。說明：（1）脈沖形成及放大環節 在上圖中，晶閘管V4、V5形成脈沖，V7、V8起放大作用。uk為直流控制信號，當uk0時，V4截止，V5導通，使V7、V8截止，無脈沖輸出。此時，電容C3充電（ER9C3V5V6VD10E），uc32E。當uk升高，使V4導通，V5截止，V7、V8導通，經變壓器TP輸出脈沖電壓。此期間C3先放電后反向充電，使B點電位升高，直到uBE，V5又導通，V7、V8變為截止，脈沖消失。脈沖寬度由C3反向充電時間常數R11×C3決定。（2）鋸齒波形成和脈沖

13、移相環節鋸齒波的形成有自舉式電路、恒流源電路等。在上圖中由V1、RP2和R3、R4等組成恒流源電路。電容C2的沖放電形成鋸齒波，鋸齒波通過V3組成的設計跟隨器輸出。鋸齒波電壓ue3、直流控制電壓uk、直流便宜電壓up經電阻R6、R7、R8與V4基極b4連接，著三個電壓疊加決定V4的基極電位ub4的大小，即控制V4的工作狀態。Up的作用是為了確定uk0時脈沖的初始相位。如感性伏在電流連續，三相全控橋（可逆系統）的脈沖初始相位應定在°，可通過調節up與ue3疊加來實現，鋸齒波過零變正點，即為脈沖產生的時刻，對應于°，此時變流器輸出Ud0。Uk與ue3疊加控制脈沖相位移動（up固

14、定在某值），當uk>0時，過零點N點向左移動，°，電路工作整流狀態：當uk<0時，N點向右移動，°電路工作于逆變狀態。該電路要求鋸齒波寬度大于180°，如選240°。（3） 同步環節 觸發脈沖uG必須與主電路的電源同步。上圖電路中，同步環節又由同步變壓器TS和晶體管V2等組成。同步電壓us經TS降壓產生二次電壓uTS來控制V2的導通與關斷，從而控制C2的沖放電過程，V2截止時C2充電，V2導通是C2放電，這樣就形成了鋸齒波。正弦波uTS的一個周期內V2截止與導通各一次，對應鋸齒波是一個周期，與主回路電源頻率一樣，達到同步的目的。鋸齒波的寬度由

15、C1的充電時間常數R1C1決定。（4）強觸發環節晶閘管采用強觸發可縮短開通時間，有利于改善串并聯器件的動態均壓和均流，增加觸發的可靠性，強觸發電路如圖所示。強觸發的電源，由單相橋式整流電路獲得50V電壓。在V8截止時，C6充電，D點電位上升到50V。當V8導通時，C6迅速放電，D點電位迅速下降，uD<15V時，VD15導通，由15V電源供電，V8截止后，C6由充電到uD50V，為下一次觸發做準備。（5）雙窄脈沖形成環節第一個脈沖由本相觸發電路的V4由截止變為導通時使V5截止而V7、V8導通所產生；第二個脈沖由滯后60°相位的后一個相觸發電路產生其一個脈沖時將信號引至本想觸發電路

16、V6的基極，使其截止，V7、V8又導通而產生。這樣每一個觸發電路一個周期能輸出兩個相隔60°的窄脈沖。為防止脈沖互相干擾，加入VD4和R17。三相橋式全控整流電路，晶閘管的導通順序為：VT1VT2VT3VT4VT5VT6VT1，彼此相隔60°。為能準確產生雙窄脈沖，圖中的X和Y斷應按圖 所示的順序連接，即前相的觸發電路的Y端接后相的X端3.控制電路說明：轉速調節器ASR調節轉速，用電流調節器ACR調節電流。ASR與ACR之間實現串級連接，即以ASR的輸出電壓Ui作為電流調節器的電流給定信號，再用ACR的輸出電壓Uc作為晶閘管觸發電路的移相控制電壓。從閉環反饋的結構上看，轉速

17、環在外面為外環，電流環在里面為內環。為了獲得良好的靜。動態性能，轉速和電流兩個調節器都采用具有輸入、輸出限幅電路的PI調節器，且轉速與電流都采用負反饋閉環。4. 轉速調節器ASR設計由參數計算過程可知，ASR采用PI調節。比例調節器響應快，但它使系統有靜差；而積分調節器可以實現系統無檢察，但響應慢。若把比例、積分控制結合起來構成比例積分（PI）調節器，則可以取長補短：作為控制器，它可以兼顧快速響應和消除靜差兩方面的要求：作為校正裝置，它又能提高系統的穩定性。故所設計的轉速調節器采用PI調節，如下圖所示。其中Un為轉速給定電壓，Ufn為轉速反饋電壓。5. 電流調節器ACR設計與轉速調節器的設計類

18、似，電流調節器也采用PI調節，充分利用了電動機的過載能力獲得最快的動態響應，即最佳過渡過程。其電路圖如圖四所示，其中Ui為電流給定電壓（即ASR的輸出電壓），Ufi為電流反饋值。6. 限幅電路的設計通常，調節器輸出的限幅方法有三種，一種是采用二極管鉗位的外限幅電路，一種是采用二極管鉗位的負反饋內限幅電路，第三種是采用晶體三極管負反饋內限幅電路。在這里，我們采用第一種限幅方式，即二極管鉗位的外限幅電路。電路圖如圖五所示，其中 端接至調節器ASR（或ACR）的輸出端。八、系統仿真1. 使用普通限幅器進行仿真使用MATLAB的SIMULINK對雙閉環調速系統進行動態函數分析，其分析原理圖如下：圖中

19、ASR限幅值為：上限10 下限-130ACR限幅值為：上限100 下限-100圖中直流電動機的參數、晶閘管整流裝置的參數、轉速反饋以及電流反饋系數都是從設計要求中所得，而轉速調節器ASR和電流調節器ACR是根據參數按工程設計法設計出來的。具體計算方法見本報告的參數計算。在雙閉環直流調速系統的MATLAB仿真中，電流調節器限幅相對來說比較簡單。只要給出合適的限幅值，采用任何一種限幅方式均不影響仿真結果，因為電機在整個起動過程中，電流調節器一直處于不飽和狀態。而轉速調節器在電機起動過程中，會經歷不飽和、飽和及退飽和三個狀態；轉速調節器采用不同限幅方式，電機在突加階躍給定空載起動時會得到不同的轉速和

20、電流波形。由以上原理圖可得出僅在PI調節器的輸出端簡單加一限幅環節時的起動轉速波形和電流波形。圖 轉速波形圖 電流波形從上圖可以看出，起動時轉速超調量較大，振蕩次數多，起動時間較長。這是因為速度調節器輸出達到限幅值時，轉速并未達到給定值，偏差均大于零，積分部分的輸出一直在增加，這就可能使積分部分的輸出達到很大的值。當轉速達到期望值后，積分調節器的輸出不能立即變小，而是需要經過一段時間使積分調節器的輸出恢復到開始限幅瞬間的數值。在這段時間內調節器暫時調節功能。此仿真并不能達到題設要求，為此必須對ASR和ACR進行改正。2. 積分輸出加限幅環節仿真下圖給出在積分輸出和調節器輸出后均加一限幅環節的S

21、imulink仿真模型。在這一模型中，積分輸出后，再加限幅環節，即積分環節和限幅環節分開。圖中 ASR限幅值為：上限10 下限-130ASR積分限幅值為：上限10 下限-10ACR限幅值為：上限100 下限-100ACR積分限幅值為：上限10 下限-10從以上的原理圖可得出轉速和電流波形如下：從以上圖可以看出，采用這種限幅方式時，電機受到擾動后，轉速回不到原來的轉速。這是由于電機起動時積分調節器的輸出很快達到限幅值，由于輸出的超調很小，所以在整個起動過程中，積分調節器也沒能退出飽和，使得PI的輸出一直保持在限幅值上。而當增加負載，速度降低，偏差增加，PI調節器仍維持在限幅值上，轉速調節器不起作

22、用。所以受到擾動后，電機的轉速回落不到原來的值。如果增加限幅值，又會使仿真結果如之前一樣。為此須對積分環節再加以改變。3. 使用積分帶限幅的PI調節器仿真下圖給出了積分帶限幅的PI調節器Simulink仿真模型。圖中不僅把PI調節器的比例部分和積分部分分開，對PI調節器的輸出設置上、下限幅，還要對積分設置上、下限幅。而且這種積分是積分環節本身所帶的。在Simulink環境下，這種積分限幅的實現需要雙擊積分模塊，在對話框中選中Limit output項，然后設置上、下限幅。上圖中 ASR限幅值為：上限10 下限-130ASR積分限幅值為：上限10 下限-10ACR限幅值為：上限100 下限-10

23、0ACR積分限幅值為：上限10 下限-10由上圖可知，轉速超調量較少符合要求，但發現電流上升過快，且相應的調節時間較長，而通過多次試驗發現調節ASR的限幅值可以改變調節時間，但這樣將會使到最后電流過大。如下圖：上圖中 ASR限幅值為：上限40 下限-130ASR積分限幅值為：上限10 下限-10ACR限幅值為：上限100 下限-100ACR積分限幅值為：上限10 下限-10加入負載后，轉速，電流波形如下：上圖中 ASR限幅值為：上限10 下限-130ASR積分限幅值為：上限10 下限-10ACR限幅值為：上限100 下限-100ACR積分限幅值為：上限10 下限-10使用積分帶限幅的PI調節器

24、Simulink仿真模型的工作過程分三種情況：當積分器未飽和和且比例加積分的和小于限幅值時，調節器表現為線性的PI調節器；當積分輸出未飽和而比例加積分的和大于限幅值時，調節器的輸出等于限幅值，積分器繼續積分；當積分的輸出達到本身的限幅值時，其輸出便停止增長，調節器的輸出等于其限幅值。此時，如果輸入信號改變極性，比例積分調節器是從積分本身的限幅值開始退去飽和的。綜上，使用積分帶限幅的PI調節器能夠獲得最好的轉速，電流波形。九、總結一開始接觸這個課程設計時，覺得并不會很困難，無論是參數計算還是動態仿真都能在教材中找到相關的資料，再加上以前師兄、師姐的報告，覺得完成課設并不會需要太多時間。但在真正的設計過程中發現，參數的計算并不會太過復雜，只需要花一定時間，以認真細致的態度對待就可以。而動態仿真過程中卻出現了一系