电机及其运动控制系统课程设计说明书

北京科技大学

电机及其运动控制系统课程设计说明书

题目：双闭环V-M调速系统中主电路电

流调节器及转速调节器的设计

学院：自动化学院

专业：自动化

姓名：刘晓乐

学号：40950158

指导教师：潘月斗

2012年05月18日

电机及其运动控制系统课程设计说明书

题目:

双闭环V-M调速系统中主电路电

流调节器及转速调节器的设计

英文题目: Design of ACR and ACR of the Main Circuit of Double Closed Loop V-M Speed Control System

学院: 自动化学院

专业: 自动化

班级: 电092

学生: 刘晓乐

学号: 40950158

指导教师: 潘月斗职称:副教授

摘要

本设计简单介绍了双闭环调速系统的原理和动态结构，并基于相关原理，根据设定的电机参数等已知条件和要求按工程设计方法对双闭环调速系统主回路及其保护系统、转速调节器（ASR）和电流调节器（ACR）及其限幅电路进行设计，并对该系统的调节器有关参数进行了计算。最终完成了双闭环V-M调速系统的主电路以及电流、转速调节器的设计，并用Simulink进行了仿真验证，总结了设计心得。

关键词：双闭环；调速系统；ASR；ACR；设计；计算；Simulink仿真

目录

摘要 (2)

目录 (3)

课程设计任务书 (4)

引言 (6)

双闭环调速系统 (7)

系统各环节设计及参数计算 (10)

系统主回路及控制电路设计 (14)

Simulink仿真 (22)

组态监控人机界面设计 (31)

设计心得 (32)

参考文献 (33)

课程设计任务书

一、设计题目

双闭环V-M 调速系统中主电路电流调节器及转速调节器的设计

二、具体内容

（1）主回路及其保护系统的设计；

（2）转速、电流调节器及其限幅电路的设计；

三、已知条件及直流电机相关参数

采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电，基本数据如下：

直流电动机N U =220V ，N I =136A ，N n =1460r/min ，电枢电阻a R =0.2Ω，允许过载倍数λ=1.5；

晶闸管装置s T =0.00167s ，放大系数s K =40；

平波电抗器：电阻Ω=1.0P R 、电感mH L P 4=；

电枢回路总电阻R=0.5Ω；电枢回路总电感L=15mH ；

电动机轴上的总飞轮惯量GD 2=22.5N·m 2；

电流调节器最大给定值*im U =10.2V ，转速调节器最大给定值*

nm U =10.5V ； 电流滤波时间常数oi T =0.002s ，转速滤波时间常数on T =0.01s 。

设计要求：1.稳态指标：转速无静差；2.动态指标：电流超调量%5≤i σ；空载启动到额定转速的转速超调量%10≤n σ。

四、设计要求

1. 写出设计说明书，内容包括

（1）各主要环节的工作原理；

（2）整个系统的工作原理；

（3）调节器参数的计算过程。

2. 画出一张详细的电气原理图

3. 采用MATLAB中的Simulink软件对整个调速系统进行仿真研究，对计算得到的调节器参数进行校正，验证设计结果的正确性。将Simulink仿真模型，以及启动过程中的电流、转速波形图附在设计说明书中。

引言

电机自动控制系统广泛应用于机械、矿冶、石油、化工、纺织和军工等行业，这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电机从而提高其运行性能对国民经济具有十分重要的现实意义。

自上个世纪40年代以来约半个世纪的时间里，直流电动机几乎是唯一能实现高性能拖动控制的电动机，其定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的起动、制动和调速性能。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选，因为它具有良好的线性特性、优异的控制性能和高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。

本课程设计的主要任务就是应用自动控制理论和工程设计的方法对直流调速系统进行设计和控制，设计出能够达到参数指标要求的电力拖动系统的调节器，并应用MATLAB软件中的Simulink模块对设计的系统进行仿真和校正以最终满足预设指标的目的。

采用转速负反馈和PI调节的单闭环调速系统可以实现转速的无静差，如果附带电流截止负反馈作限流保护则可以限制电流的冲击，但并不能控制电流的动态波形。我们希望系统在启动时，一直能有电机过载能力允许条件下的最大电流，电机有最大的启动转矩和最短的启动时间，这一点利用单一的电流截止负反馈是很难实现的。

此外，在单闭环调速系统中，用一个调节器综合多种信号，使各参数间相互影响，将导致难于进行调节器的参数调控。例如，在带电流截止负反馈的转速负反馈的单闭环系统中，同一调节器担负着正常负载时的速度调节和过载时的电流调节，调节器的动态参数无法保证两种调节过程均具有良好的动态品质。为了解决单闭环调速系统存在的问题，可以采用转速、电流串级调速系统，即转速电流双闭环调速系统，采用两个调节器分别对转速和电流进行调节。这就是本次课程设计需要完成的任务。

1.双闭环调速系统

1.1 概述

在许多应用场合，为了充分发挥生产机械的效能提高生产率，速度控制系统经常处于起动、制动、反转以及突加负载等过渡过程中，所以要求速度控制系统有较好的动态性能。对高性能、静态的速度控制系统的要求是具有快速跟随特性（起制性）、较好的抗干扰性和高可靠性（可瞬态过载但不过电流）。因此引入了转速、电流双闭环调速体统。

转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。转速负反馈和比例积分调节器的单闭环调速系统能够保证系统在稳定的条件下实现转速无静差调节，但是该控制系统也有自身的缺点，比如要求快速启动、突加负载动态速降等。将电流截止负反馈环节与转速负反馈调速系统结合在一起，可以专门用来控制电流。从工作原理上分析，它只能是在超过临界电流值以后，才能靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。由于电流截止负反馈只能限制最大电流，电机转矩也随电流的减小而下降，使启动加速过程变慢，启动的时间也比较长，所以在工业生产中，如龙门刨床、可逆轧钢机等要求经常正反转运行的调速系统为了提高生产效率和加工质量，要求尽量缩短起、制动过程的时间。为了能实现在允许条件下最快启动，依照反馈控制规律，经论证与实践，采用转速、电流双闭环调速系统就能达到上述要求。

1.2系统组成及原理

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套链接，如图1所示为转速、电流双闭环调速系统的结构原理图。图中两个调节器ASR和ACR分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。电流环在内，称之为内环；转速环在外，称之为外环，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

为获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般采用PI调节器，这样就构成了双闭环直流调速系统的电路原理图如图2所示。两个调节器输出都带有限幅，ASR的输出限幅U im决定了电流调节器ACR的给定电压最大值U im；电流调节器ACR 输出限幅电压U cm限制了整流器输出最大电压值和最小触发角α。

1.3系统的静特性与动特性

静特性：在正常负载情况下，转速调节器不饱和，电流调节器也不饱和。稳态时，依靠调节器的调节作用，它们的输入电压偏差电压都是零，因此，系统具有绝对硬的静特性。

当电动机的负载电流上升时，转速调节器的输出也将上升，当I d上升到一定数值时，转速调节器的输出达到限幅值，转速环失去调节作用，呈开环状态，速度的变化对系统不再产生那个影响，此时只剩下电流环起作用。双闭环直流调速系统稳态结构图如图3所示：

动特性：双闭环调速系统的动态结构如图4所示，由于电流检测信号中常含有交流分量，须加低通滤波，其滤波时间常数T oi按需要选定。滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来了延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加入一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其作用是：让给定信号和反馈信号经过同样的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用T on表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道中也配上时间常数为T on的给定滤波环节。

2. 系统各环节设计及参数计算

2.1 电流环的设计

（1）确定时间常数

①电流环小时间常数i T ∑：由于已给0.002oi T s =,因此i T ∑=s T +oi T =0.00367s ；

②电枢回路时间常数l T ：l T =L/R=0.015/0.5=0.03s 。

（2）确定电流调节器结构和参数

①结构选择

根据性能指标要求: 5%i σ≤, 0.038.17100.00367

l i T T ∑==<,抗干扰性能适中,因此电流环按典型I 型系统设计，调节器选用PI,其传递函数为

(1)()i i ACR i K s W s s

ττ+= ②参数计算

为了将电流环校正成典型I 型系统，τi 应对消控制对象中的大惯性环节时间常数T 1，即取τi =T 1=0.03s ；为了满足σi ≤5%的要求，应取K op ，i T ∑i =0.5，因此，有

K op ，i =1/2T ∑i =1/2*0.00367=136.2s -1

于是可以求得ACR 的比例放大系数为

K i =K op ，i τi R/βK s =136.2*0.03*0.5/0.05*40=1.022

校验近似条件：

a ．晶闸管整流装置传递函数近似条件w ci ≤1/3T s ，w ci = K op ，i =136.2s -1，而1/3T s =199.6s -1显然满足近似条件；

b ．电流环小时间常数近似处理条件w ci ≤ 1/3(1/T s T oi )1/2，而1/3(1/T s T oi )1/2=182.4s -1> w ci ，显然也满足近似条件。

③忽略反电动势对电流环影响的条件

l

m ci T T 13≥ω

由于N U 2201360.2Ce=0.132min/1460

N a N I R V r n --?==?，30/m e C C π=； 所以，2222.50.50.183753750.13230

m e m GD R T s C C π??===??； 因此， 。

查表1（典型Ⅰ型系统参数与动态跟随性能指标的关系），设计后电流环可以达到的动态指标为i δ=4.3%<5%,满足设计要求。 表1 典型Ⅰ型系统参数与动态跟随性能指标的关系 参数关系KT

0.25 0.31 0.39 0.5 0.69 1.0 1.56 足迹系数ζ

1.0 0.9 0.8 0.707 0.6 0.5 0.4 上升时间r t

∞ 11.1T 6.66T 4.71T 3.32T 2.42T 1.73T 超调量σ

0 0.15% 1.52% 4.43% 9.48 16.3% 25.4% 截止频率c ω

0.243/T 0.299/T 0.367/T 0.455/T

0.596/T 0.786/T 1.068/T 相角裕量γ 76.3? 73.5? 69.9? 65.5? 59.2? 51.8? 43.9?

2.2 转速环的设计

（1）确定时间常数

①电流环等效时间常数：由于电流环按典型Ⅰ型系统设计，且参数选择为K op,i , T ∑i =0.5，因此电流环等效时间常数为2 T ∑i =2×0.00367=0.00734s 。

②转速环小时间常数T ∑n ：已知转速滤波时间常数为T on =0.01s ，因此转速环小时间常数T ∑n =2 T ∑i +T on =0.00734+0.01=0.01734s 。

（2）确定转速调节器结构和参数

①结构选择

由于设计要求无静差，因此转速调节器必须含有积分环节，又考虑到动态要求，转速调节器应采用PI 调节器，按典型Ⅱ型系统设计转速环。转速调节器的传递函数为

(1)()n n ASR n K s W s s

ττ+= ②参数计算

ci l m s T T ω<=??=-182.4003.018.01313

综合考虑动态抗扰性能和起动动态性能，取中频宽h=5较好，如果按准则

确定参数关系，ASR 的超前时间常数为50.017340.0867n n hT s τ==?=∑

，转速开环放大系数为

2,2211297.5550.01734op n n K s h hT -===??∑

于是转速调节器的比例放大系数为

0.050.1320.188.7550.0070.50.01734

e m

n n C T K h RT βα??==

=???∑ （3）校验近似条件和性能指标 ①电流环传递函数等效条件15cn i T ω≤

∑，

1c K ωω=，按max γ准则，可以求得转速换截止频率cn ω为 ,1,1297.50.086725.8op n

cn op n n K K s ωτω-===?= 而111/554.550.00367

cn i T s ω-==>∑?，满足等效条件； ②转速环小时间常数近似处理条件1132cn on i T T ω≤∑

，此时 1111138.932320.003670.01cn on i s T T ω-=?=>??∑

满足近似处理条件。

③转速超调量为

max *2()100%n N n b m

T C n z C n T σλ??∑=-?? 同时，有

,1360.5515.2/min 0.132

d N N

e I R

n r C ??===

1.5,λ= 0,z = *1460/min,n r = 0.01734,n T

s =∑ 0.18m T s =，取中频宽为5h =，当按max γ准则确定参数关系max 97.5%b

C C ?=。因此 515.20.0173497.5%2 1.59.9%14600.18

n σ=???

?= 能够满足设计要求。

（4）ACR 和ASR 的传递函数 s

s s W ACR 0317.0)10317.0(295.1)(+=

s

s s W ASR 0867.0)10867.0(75.8)(+=

3.系统主回路及控制电路设计

3.1 双闭环调速系统主回路电路

双闭环调速系统主回路电路见图5所示，其实质上就是一个三相桥式整流电路，通过该电路，三相交流电源被整流成为可供直流电机负载运行的直流电源。

图5 双闭环调速系统主回路电路图

3.2双闭环调速系统控制电路

3.2.1双闭环调速系统控制电路结构

双闭环调速系统控制电路结构如图2所示。

图6 双闭环调速系统电气结构图

G——转速给定器DZS——零速封锁器

ASR——转速调节器ACR——电流调节器

TA——电流互感器FBC/FA——电流变换及过流保护器

GT——触发器VT——功率开关器

FBS——转速变速器DC RPS——直流稳压电源

3.2.2 转速给定器（G）

转速给定器电路见图7所示，其由两个保护电阻R1与R2、两个电位器RV1与RV2及两个单刀双掷开关SW1与SW2组成；

电位器RV1与RV2分别用来调节正负电压的大小，从而改变给定电压即给定转速的大小；

单刀双掷开关SW1控制给定电压的正负，即控制电机的正反转速；SW2则用于控制运行与停止。

图7 转速给定器电路图

3.2.3 零速封锁器（DZS）

零速封锁器电路见图8所示，零速封锁器的作用是当调速系统处于静车状态，即速度给定电压为零同时测得转速也为零时，锁零信号输出高电平，输入到调节调节器反馈网络中的场效应管使之导通，从而使调节器反馈网络短路而被封锁，以避免静车时各放大器零漂引起可控硅整流电路有输出使电机爬行的现象。

图8 零速封锁器电路图

3.2.4 转速调节器（ASR）

转速调节器电路见图9所示，转速调节器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。

转速调节器采用电路运算放大器，它具有两个输入端，同相输入端和反相输入端，其转速调节器ASR 也可当作电压调节器A VR 来使用，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，输入电流极小和输出阻抗小等优点，可以构成理想的调节器。

图9 转速调节器电路图

3.2.5 电流调节器（ACR）

电流调节器电路见图10所示，其适用于可控制传动系统中，对其输入信号（给定量和反馈量）可进行加法、减法、比例、积分、微分和延时等运算或者同时兼做上述几种运算以使其输出量按某种预定规律变化。

电流调节器由以下几部分组成：运算放大器，二极管限幅，互补输出的电流放大级、输入阻抗网络、反馈阻抗网络等。

电流调节器接收来自电流变换器的过流信号Uβ，当该点电位高于某值时，二极管D1击穿，正信号输入，ACR输出负电压使触发电路脉冲后移。

图10 电流调节器电路图

3.2.6 电流互感器（TA）

电流互感器电路如图11所示，本系统中的电流互感器采用不完全星形接线，用

于测量显三相三线电力装置中的三相电流。

图11 电流互感器电路图

3.2.7 电流变换及过流保护器（FBC/FA）

电流变换及过流保护器电路如图12所示，过流时，经过电流变换的过流信号经整流后送至比较器U1:A的同相输入端，与反相端的基准电压进行比较，U1:A的输出送至具有正反馈的比较器U1:B，其输出接至电流调节器（ACR）的过流信号Uβ输入端；不过流时，RV1上端点电压V RV1、V D7和R6左端电压V R6为高电平，C3充电使R6右端电压V R6*> V D7，U1:B输出高电平，可通过调节电位器RV1设置U1:B输出的高电平电压值不足以击穿电流调节器（ACR）电路中的二极管D1。

图12 电流变换及过流保护器电路如图

3.2.8 触发器（GT）

触发器电路见图13所示，采用锯齿波同步触发电路，具有强触发、双脉冲和脉冲封锁等环节，可触发200 A 的晶闸管。

锯齿波同步触发脉冲不受电网电压波动与波形畸变的直接影响，抗干扰能力强，而且移相范围宽，在大、中容量中得到了广泛应用。其缺点是：整流装置的输出电压与控制电压之间不是线性关系，电路比较复杂。

锯齿波同步触发电路由锯齿波形成、同步移相与脉冲形成放大两个环节组成。