直流调速系统设计实训报告

实训报告课程名称：专业实训

专业：自动化班级：103031学号：10303104姓名：徐红颖指导教师：王艳秋成绩：

完成日期：2014 年1月9 日

任务书

1 单闭环直流调速系统

对于单闭环直流调速系统来说，转速是输出量，一般我们引入的是转速负反馈构成闭环调速系统。转速负反馈系统是在电动机上安装一台测速电机TG，引出和输出量转速成正比的负反馈电压Un，和转速给定电压Ua*进行比较，得到偏差电压ΔUa，经过放大器A,产生驱动或触发装置的控制电压Uct，与控制电动机的转速，组成了反馈控制的闭环调速系统。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。而一般采用的比例调节器的调速系统还是有静差，为了消除静差，可用积分调节器替代比例调节器。

反馈控制系统的规律是如果要想维持系统中的某个物理量基本不变，就要引用该量的负反馈信号去与恒量给定相比较，组成一个闭环系统。对于调速系统来说，如果想提高静态指标，就得提高静特性硬度，也就是希望转速在负载电流变化时或受到扰动时基本不变。要想维持转速这一物理量不变化，最有效和最直接的方法就是采用转速负反馈构成转速闭环调节系统。

1.1 主电路设计

直流调速系统电路的组成主要由主电路和控制电路两大部分组成，知道了电路组成的两大部分后，就应该确定主电路的接线方式和系统的控制方案。整流变压器由变压部分和整流部分组成，其变压部分将电网电压降压并变成稳定的交流电，整流部分将变压后的交流电整流为恒定40V的直流电压供给直流电动机的励磁回路，整流变压器变压后的交流电两端另接一个单相桥式全控整流电路，输出的可调直流电加在直流电动机的电枢回路。保护环节采用的是过电压保护的一种--阻容吸收，将其并联在整流变压器二次侧起到保护电路的作用。

主电路的设计需要准备的资料：

1 单相整流模块：MZKD-ZL-50

了解其功能，技术参数，电路内部结构，外部接法，控制线管脚接法，安装说明2电机参数：直流电机，额定电压24V，额定电流6A，励磁电压24V，最大允许电流50A，了解电机不同的接线形式，重点掌握电机他激（并激）方式的接线方法。

3 电机转速测量的检测器：光电编码器（E6B2-C）

了解输出方式，接线方式。

主电路的参数计算包括：整流变压器额定参数的计算，晶闸管整流元件参数计算机器件选择，保护环节的设计与计算。

1.1.1 整流变压器额定参数的计算

第一，在进行变压器的参数计算之前，应要先确定负载电气的直流电压和电流，确定交流设备的主电路接线形式和电网电压。再计算次级电压U2，U2数值的选择不可用过高也不可过小。

第二，在进行整流变压器的参数计算时，首先根据整流电路的型式和负载所需要的整流电压Ud 和整流电流Id ，计算二次电压U2，二次电流I2和一次电流I1，接着计算其一次，二次容量S1和S2及平均计算容量S 。

1 二次侧相电压U2：变压器二次侧相电压U2的计算公式为：

A U U d /)5.1~2.1(max 2=

其中，Udmax 为最大整流输出电压（V ），R 为整流变压器内阻和电抗器之和（Ω），A 为α=0时Ud 与U2的比，见表1.1。

表1.1 几种整流线路变压器计算系统

电路型式

A C 电路型式 A C 单相全波

0.9 0.707 三相半波 1.17 0.866 单相桥式

0.9 0.707 三相桥式 2.34 0.5

2 二次侧相电流I2和一次侧相电流I1

对于不通型式的整流线路，变压器二次，一次电流的有效值I2、I1和负载电流Id 的关系见表1.2。n 为变压器匝数比。

二次侧相电流I2：

1/2=I I

d A 8I I 2d ==，

一次侧相电流I1： 1221/n /I I U U ==

A I I 94.1220/3.538n /21=?==

3 变压器容量计算

变压器二次容量，一次容量，平均计算容量的公式为：

2222I U m S =

1111I U m S =

)(2121S S S +=

4 我组单闭环调速系统设计参数：直流电机，额定电压20V ,额定电流7A ，励磁电压20V ，最大许电流40A 。

带入计算公式得：

1/2=I I d A 8I I 2d ==，，

1221/n /I I U U ==

A I I 94.1220/3.538n /21=?==

W I U m S 8.42694.12201111=?==

W I U m S 4.42683.532222=?==

W S S S 6.4262/)(21=+=

1.1.2 晶闸管整流元件参数计算机器件选择

晶闸管整流元件计算公式：

)

()2~5.1(最大负载电流d d fb TN I I K I =

TM

TN U U )3~2(= TN TN TN I U P = Utn 和Kfb 的值，见表1.1.2。

表1.2 几种晶闸管整流元件计算系统

TM V U U TM TN 73.1503.53223~2=??==）（

A I K I TN 48604.022~5.1dmax fb =??==）（

W 04.72354873.150=?=?=TN TN TN I U P

1.1.3 保护环节的设计与计算

1 阻容保护电路

为了防止系统内部瞬间过电压冲击（主要为断路器、接触器开断产生的操作

过电压）,过流，浪涌等对重要电气设备的损伤，就要增加保护电路的设计，通常的电路保护的方法有过压保护和过流保护。阻容保护是属于过压保护的常见一个方法，它是将合适的电阻和电容串联之后并联在电路中以达到保护电路的作用，可将阻容保护置装放在变压器的二次侧或直流侧，也可以并联在整流元件两端。此外，压敏电阻也是一种常见的过压保护，并联在保护器件两端起到保护的作用。在三相整流电路交流侧有星型连接和角型连接。熔断器属于过电流保护，串联在电路中使用。

阻容吸收电路的参数计算根据变压器铁芯磁场释放出来的能量转化为电容器电场的能量为依据。由于电容两端的电压不能突变，所以可以有效的抑制尖峰过电压。串连电阻的目的是为了在能量转化过程中能消耗一部分能量，并且抑制LC回路的振荡。

凡是超过晶闸管正常工作的电压即承受的最大峰值电压的都算过电压。产生过压的原因是电路中电感元件聚集的能量骤然释放或是外界侵入电路的大量电荷累积。按过压保护的部位来分，有交流侧保护，直流侧保护和元件保护。元件保护主要是通过阻容吸收电路。阻容吸收电路的参数计算式根据变压器铁芯磁场释放出来的能量转化为电容器电场的能量存储起来为依据的。由于电容两端的电压不能突变，所以可以有效的抑制尖峰过电压。串阻的目的是为了在能量转化过程中能消耗一部分能量，并且抑制LC回路的振荡。以过电压保护的部位来分，有交流侧过压保护、直流侧过电压保护和器件两端的过电压保护三种。

图1.1 交流侧过压保护

图1.2直流侧过压保护

图1.3 晶闸管两端的电压保护

交流侧过电压保护的计算

① 阻容保护

4~10%=f i

10~5%=k u

F U S i C f μ5.43.533.536.42656/%62

2=÷÷??=≥

Ω=?=?≥32.156.426/3.533.2%/%)/3.2(222f k i u S U R 6102-?≥c c C U f I π

A I C 2610478.810605.4502--?=????≥π

W 44.032.1508478.04R IC 4~322R

P =??==）（ 2

过流保护

过电流保护：过电流保护就是当电流超过预定最大值时，使保护装置动作的一种保护方式。当流过被保护原件中的电流超过预先整定的某个数值时，保护装置启动，并用时限保证动作的选择性，使断路器跳闸或给出报警信号。采用快速熔断器是电力电子装置中最有效、应用最广的一种过流保护措施。

图1.4 晶闸管两端的电压保护

3 器件保护

由于晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度就会急剧上升可能烧坏PN 结，造成元件内部短路或开路。晶闸管发生过电流的原因主要有：负载端过载或短路；某个晶闸管被击穿短路，造成其他元件的过电流；触发电路工作不正常或受干扰，使晶闸管误触发，引起过电流。晶闸管允许在短时间内承受一定的过电流，所以过电流保护作用就在于当过电流发生时，在允许的时间内将过电流切断，以防止元件损坏。晶闸管过电流的保护措施有下列几种： 快速熔断器：普通熔断丝由于熔断时间长，用来保护晶闸管很可能在晶闸管烧坏之后熔断器还没有熔断，这样就起不了保护作用，因此必须采用专用于保护晶闸管的快速熔断器。快速熔断器用的是银质熔丝，在同样的过电流倍数下，它可以在晶闸管损坏之前熔断，这是晶闸管过电流保护的主要措施。

1.2 控制电路设计

1.2.1 LM331芯片工作原理

LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片,可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。

LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路,在整个工作温度范围内低到4.0V电源电压下都有极高的精度。LM331的动态范围宽,可达100dB，线性度好,最大非线性失真小于0.01% ,工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性;变换精度高,数字分辨率可达12位;外接电路简单,只需接入几个外部元件就可方便构成V/F或F/V等

变换电路,并且容易保证转换精度。

LM331器件管脚图及管脚功能

图1.5 LM331器件管脚图

引脚1 CO电流输出端使用中，通过一个电阻与电容的并联网络接地或用作V/f变换时与引脚6相连，接一个电阻与电容的并联网络到给定电压设定端。

引脚2 IREF参考电流输入端通过一个可调电阻接地，该可调电阻设定内部的工作电流，所以电阻要采用稳定的无感电阻，其温漂更小。

引脚3 fO频率输出端用作V/f变换器时该端接地，用作V/f变换器时，该端通过一个电阻接VS或单独的输出电源后作为频率输出端。

引脚4 GND地端作为整个系统工作地端，使用中与VCC地相连。

引脚5 R/C定时比较器时间设置端分别通过一个电阻和电容接VS地端。

引脚6 THS输入比较器门坎设置端用法参见引脚1是说明。

引脚7 CI同相输入比较器的输入端使用中，用作V/f变换器时，通过一个电

容接地，同时通过一个电阻接输入电压；用作f / V变换时，通过一个电阻接VCC 的同时，通过一个电容接输入频率f1。

引脚8 VS工作电源端接用户提供的正工作电源，为抗干扰，应通过一个去耦网络到地。

1.2.2 运算放大器LM324

运算放大器工作原理：是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共同外，四组运放相互独立。它有5个引出脚，其中“+”“—”为两个信号输入端，“V+”“V—”为正﹑负电源端，“V o”为输出端中，Vi—（—）为反相输入端，表示运算放出端V o的型号与该输出端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端V 偶的信号也该输入端的相位相同。

LM324系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V或+16V。

LM324的特点：

1.短跑保护输出；

2.真差动输入级；

3.可单电源工作：3V-32V

4.低偏置电流：最大100nA（LM324A）；

5.每封装含四个运算放大器；

6.具有内部补偿的功能；

7.共模范围扩展到负电源；8.行业标准的引脚排列；9.输入端具有静电保护功能。

图1.6 LM324引脚图

1.2.3 光电编码器

光电编码器E6B2_C

光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干

个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90º的两路脉冲信号。接线如图1.7

图1.7 光电编码器接线图

1.2.4 无静差调速

要实现无静差调速直流调速系统应该是比例积分（PI）调节器。

采用积分调节器，则控制电压是转速偏差电压的积分，。当是阶跃函数时，按线性规律增长，每一时刻的大小和与横轴所包围的面积成正比。对于闭环系统中的积分调节器，不是阶跃函数，而是随转速不断变化的。当电动机起动后，随着转速的升高，不断减小，但积分作用使仍继续增长，只不过的增长不再是线性的了，每一时刻的大小仍和与横轴所包围的面积成正比。在动态过程中，当变化时，只要其极性不变，即只要仍是，积分调节器的输出便一直增长；只有达到，=0，才停止上升，而达到其终值。

在这里，值得特别强调的是，当=0时，并不是零，而是一个终值，如果不再变化，这个终值便保持恒定而不再变化，这是积分控制不同于比例控制的特点。正因为如此，积分控制可以使系统在无静差的情况下保持恒速运行，实现无静差调速。

上边从无静差的角度突出表明了积分控制优于比例控制的地方，但是从另一

方面看，在控制的快速性上，积分控制却又不如比例控制。同样在阶跃输入作用之下，比例调节器的输出可以立即响应，而积分调节器的输出却只能逐渐的变化，如果既要稳态精度高，又要动态响应快，该怎么办呢？只要把比例和积分两种控制结合起来就行了，这便是比例积分（PI）控制。

1.2.5 控制电路原理图

图1.8 控制电路原理图

2 双闭环直流调速系统

转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能好，应用最广的直流调速系统。该系统是在单闭环系统的基础上加以改进后完成的。双闭环直流调速系统采用转速负反馈和PI 调节器，可以保证系统稳定下实现转速的无静差。双闭环直流继承了单闭环调速系统的优点。

2.1 主电路设计

2.1.1 整流变压器额定参数的计算

V U 2201=

V A U U d 03.14134.2/2205.1/)5.1~2.1(max 2=?==

64.0220/03.141/12===U U K

A I I d 81.60022.1/73322.1/2===

A KI I 51.38481.60064..021=?==

6.25377651.38422031111=??==I U m S

70.25419681.60003.14132222=??==I U m S

65.2539862/)70.2541966.253776(2/)(21=+=+=S S S

2.1.2 晶闸管整流元件参数计算机器件选择

晶闸管参数计算：

额定电压 ：

V U U TM TN 90.69003.141623~2=??==）（

额定电流：

)(6.8797332.1dmax 为过载系数λλ=?==N I I

A I K I TN 53.4856.879368.05.12~5.1dmax fb =??==）（

额定功率：

W I U P TN TN TN 03.33545953.48590.690=?=?=

2.1.3 保护环节的设计与计算

%f i 是变压器励磁电流百分数，取4—10；

%K U 是变压器的短路比，取5—10；

S 是变压器的平均容量。

F U S i C f μ09.38303.141/65.25398656/%622

2=??=≥

Ω=?=≥18.065.253986/03.1413.2/3.2222S U R

6102-?≥c c C U f I π

A I C 47.01003.14165.105026=????≥-π R I P C R 2

)4~3(≥

W P R 42107.821093.047.04-?=??≥

2.1.4 主电路图

图2.1 主电路图

2.2 控制电路设计

本组直流直流他励电动机：功率e P =1.45KW ，额定电压V U e 220=，额定电流A I c 5.6=，磁极对数P=1，min /1500r n c =,励磁电压220V ，电枢绕组电阻Ω=7.3a R ，主电路总电阻R=7.4Ω，27=S K ,电磁时间常数s T l 033.0=，机电时间常数s T m 26.0=，滤波时间常数s T oi 0031.0=，s T on 01.0=，过载倍数λ=1.5，电流给定最大值m U *=8V ，速度给定最大值n U *=10V ，β=0.77V/A ，α=0.007V/min 。

2.2.1 转速、电流双闭环设计原则

在设计电流调节器时，首先考虑应把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要去上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用I 型系统就够了。再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中部超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只能是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，即选用典型I 型系统。

在设计转速调节器时，为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR 中，由于在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速开环传递函数赢共有两个积分环节，所以应该设计成典型的2型系统，这要的系统同时也能满足动态扰动性能好的要求。至于其阶跃相应超调量较大的问题，那是按照线性系统理论计算的数据，实际系统中的转速调节器的饱和非线性性质会师超调量大大降低。由此可见ASR 也应该才用PI 调节器。

2.2.2 电流环设计

在设计电流调节器，超调量%5≤σ

1 确定时间常数

1)整流装置滞后时间常数：

Ts=0.0017s

2)电流滤波时间常数：

S T oi 0026.0=

3）电流环小时间常数之和：

s T T T oi s i 0043.0=+=ε

2 选择电流调节器结构

%5≤σ，并保证稳态电流无差，可按典型I 型系统设计电流调节器。 检查对电源电压的抗扰性能

3 电流调节器参数

电流调节器超前时间常数：

s T L i 023.0==τ

电流环开环增益：要求%5≤σ，5.0=∑i i T K

s s

T K i I 115.12300405.05.05.0--∑≈=

= 于是，ACR 的比例系数：

445.0)104.68/()7.73.18023.034.165(=?????=i K

4 校验近似条件

电流环截止频率：

1）校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件

满足近似条件ci s W T =>=?=34.1651.1960017.03/13/1

2）校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

满足条件ci L m W T T <=??=??728.55)023.0126.0/(13/13

3）校验电流环小时间常数近似处理条件 满足条件i oi s W T T >=??=??55.1580026.00017.0/1)3/1(/1)3/1(

5 计算调节器电阻和电容：

Ω

Ω=Ω?=?=K K K R K R o i i 188.1740445.0取 F F R C i μμτ31.3105.7/023.0/3i i 取=?==

F F R T C o μμ3.026.0/4oi oi 取==

2.2.3 转速换设计

1 确定时间常数： s T K i I

0096.021=∑=s K I ci 134.165-==ω

1）电流环等效时间常数：

s T K i I 0086.00043.022/1=?==ε

2）转速滤波时间常数：

s T on 0026.0=

3）转速环小时间常数：

s T K T on I n 0112.00026.00086.0/1=+=+=ε

2 选择转速调节器结构

按照设计要求，选用PI 调节器

3 计算转速调节器参数

按跟随和抗扰性能都较好的原则h=5

s T h n n 056.00112.05=?=?=ετ

转速环开环增益：

63.956)0112.052/(62/)1(2222≈??=+=n N T h h K ε

ASR 的比例系数：

58

.210112.05.20067.052/1262.01338.0999.0)15(2/)1(=???????+=+=n

m e n RT h T C h K εαβ

4 校验近似条件

1）电流环传递函数：

满足简化条件cn i I W T K >≈=36.650043.0/34.165)3/1(/)3/1(ε

2）转速环小时间常数：

满足近似条件cn on I W T K >≈=06.840026.0/34.165)3/1(/)3/1(

5 计算调节器电阻和电容：

ΩΩ=Ω?=?=K K K R K R o n n 8602.8634058.21取

F F R C n μμτ06.00651.010860/056.0/3n n 取=?==

F F R T C o μμ3.026.01040/0026.04/43on on 取=??==

6 校核转速超调量

当h=5时，查表得%6.37=n σ，不能满足设计要求，由于所得到的超调量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，

应按ASR 退饱和的情况重新计算超调量。

=2.2%<5% ，满足设计要求。

m

n N b n T T n n C C ∑*?Z -?=))(max (2λσ126

.00043.015007.4593.1%2.812??

??=

3 总结

都说大学是人生重要的转折点，现在我们已经站在大学的末端，转眼间就要毕业了，马上要进行学生时代最后一次实训，我们都很珍惜而且特别认真的对待这次实训。

进行完大学的最后的考试过后我们就开始实训，刚开始老师让我们自行分组，同学都根据自己的意愿自行结组。因为我们之前在准备研究生考试，所以最后分配完成后我和我一起考研的小伙伴一组，因为考试的原因，我们错过了一些步骤，不过，在考完之后，我们用自己的课余时间追上了进度，查阅资料，了解与这次实训相关的知识，很认真的完成了复习和学习。之后，老师给我们几个小组发了实物原件，要进行电路图的排布和焊接了，我们两个反复讨论怎么才能吧电路图拍的既简单又好看，而这期间发生了许多分歧但是最后我们一起讨论还是达成了一致。虽然有话说是三人行必有我师，但是两个人也可以互相当老师。从这次实训中我学到了许多我以前不了解的知识，最后就是写实训报告了，这是最难的步骤，我们都集思广益终于完成了，由于我们总是算错，所以在数据计算上花了我们很长时间，不过，人总是在错误中进步的，最后我们还是完成的比较好的。

总结这次实训最辛苦的就是王老师了，不仅要辅导我们进行实践，还得维持上课纪律，尤其是到每一次课上完之后要进行实验室打扫时，都要跟进行打扫的同学一起走，很辛苦。很感谢王老师带我们完成大学最后一次实训，其实我们都是很珍惜也很舍不得这次实训，毕竟这是最后一次了。这次实训后就意味着我们即将步入社会，希望在以后的进行工作能像这次实训一样，有困难有回报，有分歧还有团结，还有一个好领导。