双闭环直流调速系统设计的计算

目录

1设计任务与分析 .......................................................... 0 2调速系统总体设计 ......................................................... 0 3 主电路的设计与器件选择 ................................................... 2

主电路设计 .......................................................................................................................... 2 主电路的器件选型 .............................................................................................................. 4

变流变压器的选型 ...................................................................................................... 4 晶闸管的选型 .............................................................................................................. 5 平波电抗器的选型 ...................................................................................................... 6

4）变压器漏电感量LT（单位为mH）：可按下式计算 .............................. 7

主电路保护电路设计 .......................................................................................................... 8

过电压保护设计 .......................................................................................................... 8 过电流保护设计 .......................................................................................................... 9

4 控制电路设计 ............................................................. 9

晶闸管的触发电路 .............................................................................................................. 9

三相全控桥整流电路的集成触发电路 ...................................................................... 9 同步信号为锯齿波的触发电路 ................................................................................ 10 转速、电流检测电路 ........................................................................................................ 11

电流检测电路 ............................................................................................................ 11 转速检测电路 ............................................................................................................ 12 转速、电流调节器 ............................................................................................................ 12

电流调节器 ................................................................................................................ 12 电流调节器设计 ........................................................................................................ 12 电流调节器参数选择 ................................................................................................ 13 转速调节器 ................................................................................................................ 15 转速调节器设计 ............................................................................................................... 15

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转速调节器参数选择 ....................................................................................................... 15

5 稳态结构框图和动态数学模型 ................................................. 17

稳态结构框图 ........................................................................................................................... 17

动态数学模型 ........................................................................................................................... 18 6 总结体会 ................................................................... 20 参考文献 ..................................................................... 21

摘 要

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。根据晶闸管的特性，通过调节控制角α大小来调节电压。基于设计题目，直流电动机调速控制器选用了转速、电流双闭环调速控制电路。在设计中调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。本文首先确定整个设计的方案和框图。然后确定主电路的结构形式和各元部件的设计，同时对其参数的计算，包括整流变压器、晶闸管、电抗器和保护电路的参数计算。接着驱动电路的设计包括触发电路和脉冲变压器的设计。最后，即本文的重点设计直流电动机调速控制器电路，为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可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，二者之间实行嵌套联接。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称做外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。先确定其结构形式和设计各元部件，并对其参数的计算。

关键词：双闭环；晶闸管；全控桥整流；转速调节器；电流调节器

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双闭环直流调速系统设计的计算

1设计任务与分析

近年来，随着科技的进步，电力电子技术得到了迅速的发展，直流电机得到了越来越广泛的应用。直流电机它具有优良的调速特性,调速平滑、方便，调速范围宽，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转等特点，被广泛应用于各类闭环和半闭环控制系统中。研究直流电机的调速控制，有着非常重要的意义。直流电动机有三种调速方法，分别是改变电枢供电电压、励磁磁通和电枢回路电阻来调速。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢电压方式为最好，调压调速是调速系统的主要调速方式。直流调压调速需要有专门的可控直流电源给直流电动机，随着电力电子的迅速发展，直流调速系统中的可控变流装置广泛采用晶闸管，将晶闸管的单向导电性与相位控制原理相结合,构成可控直流电源,以实现电枢端电压的平滑调节。

本设计的题目是双闭环直流调速系统的设计的计算。采用静止式可控整流器即改革后的晶闸管—电动机调速系统作为调节电枢供电电压需要的可控直流电源。由于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要求则采用反馈控制的闭环调速系统来解决这个问题。如果对系统的动态性能要求较高，则单闭环系统就难以满足需要。而转速、电流双闭环直流调节系统采用PI调节器可以获得无静差；构成的滞后校正，可以保证稳态精度；电路较简单。所以双闭环直流调速是性能很好、应用最广的直流调速系统。

本设计利用晶闸管、二极管等器件设计了一个转速、电流双闭环直流晶闸管调速系统。该系统设计了主电路，包括保护电路，并对主电路器件进行了选型；在控制电路中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。设计选用了转速、电流双闭环调速控制电路；同时根据原理对转速调节器以及电流调节器的参数进行了详细的设计，分析概括的整个电路的动静态性能。

2调速系统总体设计

直流电机的供电需要三相直流电，在生活中直接提供的三相交流380V电源，因此要

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进行整流，则本设计采用三相全控桥式整流电路变成三相直流电源，最后达到要求把电源提供给直流电动机。如图2-1设计的总框架。驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环节，对整个装置的性能有很大的影响。采用性能良好的驱动电路，可使是电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。驱动电路的基本任务，就是就将信息电子电路穿来的信号按照其控制目标的要求，转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间，可以使其开通或关断的信号。本设计使用的是晶闸管，即半控型器件。驱动电路对半控型只需要提供开通控制信号。对于晶闸管的驱动电路叫作触发电路。所以对晶闸管的触发电路也是重点设计。直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 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。两者之间实行嵌套连接。由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环, 以保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

电流检测Ui给定电压Un*+-ΔUnUn速度调节器Ui*-+电流调节器Uc三相集成触发器三相全控桥Ud直流电动机n转速检测图2-1 直流双闭环调速系统

为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。采用PI型的好处是其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。其原理图如图2-2所示：

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图2-2 直流双闭环调速电路原理图

直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成，其中主电路中串入平波电抗器，以抑制电流脉动，消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。系统中还设计了过电流过电压保护电路，根据不同的器件和保护的不同要求采用不同的方法；根据选用的方法，分别计算保护电路的各个器件的参数。

3 主电路的设计与器件选择

主电路设计

直流调速系统常用的直流电源有三种①旋转变流机组；②静止式可控整流器；③直流

斩波器或脉宽调制变换器。机组供电的直流调速系统在20世纪60年代以前曾广泛地使用着，但该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机还要仪态励磁发电机，因此设备多，体积大，费用高，效率低。1957年晶闸管问世，已生产成套的晶闸管整流装置，即右图3-1晶闸管-电动机调速系统(简称V-M系统)的原理图。通过调节处罚装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压Ud，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，晶闸管整流装置不进在经济性和可靠性上都很大提高，而且在技术性能上也现实出较大的优越性。

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图3-1晶闸管-电动机调速系统

直流斩波器-电动机系统的原理图示于图3-2，其中VT用开关符号表示任何一种电力电子开关器件，VD表示续流二极管。当VT导通时，直流电源电压US加到电动机上；当VT关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经VD续流，两端电压接近于零。如此反复，得到电枢端电压波形uf(t)，如图3-3所示,好像是电源电压US在ton时间内被接上,又在(T--ton)时间内被斩断,故称“斩波”。这样，电动机得到的平均电压为：

t UdonUSUS （）

T 式中T------功率开关器件的开关周期； ton------开通时间；

------占空比，tonTtonf，其中f为开关频率。

图3-2 直流斩波器-电动机系统原理图 图3-3 波形图

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好，

自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，根据晶闸管的特性，可以通过调节控制角α大小来调节电压。当整流负载容量较大或直流电压脉动较小时应采用三相整流电路，其交流侧由三相电源供电。三相整流电路中又分三相半波和全控桥整流电路，因为三相半波整流电路在其变压器的二次侧含有直流分量，故不采用，本设计采用了三相全控桥整流电

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路来供电，该电路是目前应用最广泛的整流电路，输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。主电路原理图如图3-4所示

图3-4 主电路原理图

三相全控制整流电路由晶闸管VT1、VT3、VT5接成共阴极组，晶闸管VT4、VT6、VT2接成共阳极组，在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的晶闸管，以及接在电路共阳极组中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完整的整流电路。晶闸管的控制角都是，在一个周期内6个晶闸管都要被触发一次，触发顺序依次为：VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6，晶闸管必须严格按编号轮流导通，6个触发脉冲相位依次相差60O，只有这样才能使电路正常工作。为了使元件免受在突发情况下超过其所承受的电压电流的侵害，电路中加入了过电压、过电流等保护装置。

主电路的器件选型

变流变压器的选型

在一般情况下，晶闸管装置所要求的交流供电电压与电网电压往往不一致；此外，为

了尽量减小电网与晶闸管装置的相互干扰，要求它们相互隔离，故通常要配用整流变压器，这里选项用的变压器的一次侧绕组采用△联接，二次侧绕组采用Y联接。S为变流变压器的总容量，S为变压器一次侧的容量，U1为一次侧电压, I1为一次侧电流, S2为变压器二次侧的容量，U2为二次侧电压，I2为二次侧的电流，m1、m2为相数，以下就是各量的推导和计算过程。

U2是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会造成延迟角α加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。一般按下式计算：

U21~1.2-4

Ud （） AB - 好好学习，天天向上

式中A--理想情况下，α=0°时整流电压Ud0与二次电压U2之比，即A=Ud0/U2；B--延迟角为α时输出电压Ud与Ud0之比，即B=Ud/Ud0；ε——电网波动系数；1～——考虑各种因数的安全系数。由表查得 A=；取ε=；α角考虑10°裕量，则 B=cosα=，根据公式（）得：

U21~1.2220106~127V （）

2.340.90.985取U2=120V,电压比K为：

KU1/U2380/1203.2

由表查得 KI1=KI2=。

即得出二次侧电流的有效值为：

I2KI2IN1.50.816136166.46A所以二次侧容量为：

S2m2U2I23120166.4659.93KVA

一次相电流有效值为：

I1I2/(U1/U2)166.46/3.252.02

所以一次侧容量为：

S1m1U1I1338052.0259.30KVA

所以变流变压器的平均容量为：

1S12(S1S2)2(59.9359.30)59.615KVA

晶闸管的选型

正确选择晶闸管能够使晶闸管装置在保证可靠运行的前提下降低成本。选择晶闸管元件主要是选择它的额定电压UTM 和额定电流IT(AV)。

首先确定晶闸管额定电压UTM，晶闸管额定电压必须大于元件在电路中实际承受的最大电压URM，考虑到电网电压的波动和操作过电压等因素，还要放宽2～3倍的安全系数，则计算公式：

UTM(2~3)URM （）

对于本设计采用的是三相桥式整流电路，晶闸管按1至6的顺序导通，在阻感负载中晶闸管承受的最大电压为：

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URM6U22.45U2 （）

故计算的晶闸管额定电压为

UTM(2~3)URM(2~3)6U2(2~3)2.45 120588~882KV （）

取750V。

再确定晶闸管额定电流IT(AV)，额定电流有效值大于流过元件实际电流的最大有效值。一般取按此原则所得计算结果的～2倍。

IdmaxIN1.5136204A （）

IVT1/3Idmax117.8A （）

由此可求出晶闸管的额定电流，其公式为：

IT(AV)(1.5~2)IVT112.5~150.1A （） 1.57可以取额定电流为150A。

平波电抗器的选型

为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路中串入带有气隙的铁心电抗器Ld，称平波电抗器。其主要参数有流过电抗器的电流一般是已知的，因此电抗器参数计算主要是电感量的计算。

1）电流连续的临界电感量L1

L1K1U2 （） Idmin式中 K1－与整流电路形式有关的系数，可由表查得；Idmin－最小负载电流，常取电动机额定电流的5％～10％计算。 根据本电路形式查得K1=，求得：

120L10.693136 （） 5%12.2mH

2）限制输出电流脉动的临界电感量L2

由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的。该脉动电流可以看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。通常负载需要的只是直流分量，对电动机负载来说，过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加，引起过热。因此，应在

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直流侧串入平波电抗器，用来限制输出电流的脉动量。平波电抗器的临界电感量L2可用下式计算：

L2K2U2 （） SiId式中K2－系数，与整流电路形式有关，Si－电流最大允许脉动系数，通常三相电路Si≤（5～10）％。根据本电路形式查得K21.045，所以

120L21.0451365%18.4mH （）

3）电动机电感量LD（单位为mH）：可按下式计算:

LDKDUD103 （） 2pnID式中 UD、ID、n－直流电动机电压、电流和转速，常用额定值代入；p－电动机的磁极对数；KD－计算系数。一般无补偿电动机取8～12，快速无补偿电动机取6～8，有补偿电动机取5～6。本设计中取KD=8、UD=220V、ID=136A、n=1460r/min、p=1

LDKDUD22010382146013610004.4mH2pnID （）

4）变压器漏电感量LT（单位为mH）：可按下式计算

LTKTUshU2 （）

100IN式中KT－计算系数，查表可得Ush－变压器的短路比，一般取5%～10%。本设计中取

KT3.2，Ush0.05。

所以

LT3.20.05120/(100136)1.4mH （）

5）实际串入平波电抗器的电感量

Ld1maxL2,L1(LD2LT)16.8mH （）

6）电枢回路总电感:

LLd1LD2LT16.84.422.826.9mH （）

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主电路保护电路设计

电力半导体元件虽有许多突出的优点，但承受过电流和过电压的性能都比一般电气设

备脆弱的多，短时间的过电流和过电压都会使元件损坏，从而导致变流装置的故障。因此除了在选择元件的容量外，还必须有完善的保护装置。

过电压保护设计

过电压保护可分为交流侧和直流侧过电压保护，前常采用的保护措施有阻容吸收装置、硒堆吸收装置、金属氧化物压敏电阻。这里采用金属氧化物压敏电阻的过电压保护。压敏电阻采用由金属氧化物（如氧化锌、氧化铋）烧结制成的非线性压敏元件作为过电压保护，其主要优点在于：压敏电阻具有正反向相同的陡峭的伏安特性，在正常工作时只有很微弱的电流（1mA以下）通过元件，而一旦出现过电压时电压，压敏电阻可通过高达数千安的放电电流，将电压抑制在允许的范围内，并具有损耗低，体积小，对过电压反映快等优点。因此，是一种较好的过电压保护元件。 本设计采用三相全控桥整流电路，变压器的绕组为△—Y联结，在变压器交流侧，采用压敏电阻的保护回路，如下图3-5所示。

图3-5 二次侧过电压压敏电阻保护

压敏电阻额定电压的选择可按下式计算：

U1mA0.8~0.96U2cos （）

式中 U1mA------压敏电阻的额定电压， VYJ型压敏电阻的额定电压有：100V、200V、440、760V、1000V等；为电网电压升高系数，可取1.05~1.10。压敏电阻承受的额定电压峰值就是晶闸管控制角=300时输出电压Ud。由此可得压敏电阻额定电压 ：

U1mA1.0536120296.98~334.11V （）

0.8~0.92所以压敏电阻额定电压取350V型压敏电阻。

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过电流保护设计

快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。快速熔断

器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。 1）晶闸管串连的快速熔断器的选择 ： 接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管的有效值

IT选取熔体额定电流35A的快速熔断器。 2）过电流继电器的选择

Id313678.5A （） 3因为负载电流为136A，所以可选用吸引线圈电流为150A的过电流继电器。

4 控制电路设计

控制电路主要环节是：触发电路、检测电路、调节电路组成。

晶闸管的触发电路

晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在学要的时刻由

阻断转为导通。

三相全控桥整流电路的集成触发电路

由于集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便，所以本设计采用的是集成触发器，选择目前国内常用的KJ、KC系例，本设计采用KJ004集成块和KJ041集成块。

对于三相全控整流或调压电路，要求顺序输出的触发脉冲依次间隔60°。本设计采用三相同步绝对式触发方式。根据单相同步信号的上升沿和下降沿，形成两个同步点，分别发出两个相位互差180°的触发脉冲。然后由分属三相的此种电路组成脉冲形成单元输出6路脉冲，再经补脉冲形成及分配单元形成补脉冲并按顺序输出6路脉冲。本设计课题是三相全三相全控桥整流电路中有六个晶闸管，触发顺序依次为：VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6，晶闸管必须严格按编号轮流导通，6个触发脉冲相位依次相差60O，可以选用3个KJ004集成块和一个KJ041集成块，即可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，就可以构成三相全控桥整流电路的集成触发电路如图4-1。

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至VT6至VT5至VT4至VT3至VT2至VT1(15~10脚为6路双脉冲输出)(1~3脚为6路单脉冲输入)

图4-1 三相全控桥整流电路的集成触发电路

同步信号为锯齿波的触发电路

KJ004电路原理图与分立元件的锯齿波一相触发电路相似，可分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节，其工作原理与同步信号为锯齿波的触发电路相似，下面着重分析同步信号为锯齿波的触发电路。

如图4-2所示为同步信号为锯齿波的触发电路，V5 、V6两个晶闸管构成一个“或”门。当V5 、V6都导通时，uc5 约为-15V，使截止，没有脉冲输出，但只要中有V5、V6中一个截止就使得变为正电压，使得V7 、V8导通就有脉冲输出。所以只要用适当的信号来控制的V5或V6截止（前后间隔60°），就可以产生符合要求的双脉冲了。其中VD4和R17的作用，主要是防止双窄脉冲信号相互干扰。此触发脉冲环节的接线方式为：以VT1器件的触发单元而言，图电路中的Y端应该接VT2器件触发单元的X端，因为VT2器件的第一个脉冲比VT1器件的第一个脉冲滞后60°。所以当VT2触发单元的V4由截止变导通时，本身输出一个脉冲，同时使VT1器件触发单元V6的管截止，给VT1器件补送一个脉冲。同理，VT1器件触发单元的X端应接VT6器件触发单元的Y端。依次类推，可以确定六个器件相应触发单元电路的双脉冲环节间的相互接线。脉冲变压器TP主要用于完成触发脉

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冲信号的电流放大，解决触发电路与晶闸管控制极电路之间的阻抗匹配，并实现弱电回路（触发回路）和强电回路（晶闸管主电路）之间的电隔离。

R15VD11~VD14220V+15VRP2VSR3V1I1cR4V3C2V2R5R2R7R8upRP1uco-15VXY-15V接封锁信号R9AVD4R6V4R17C3VD10V6VD5R11C3V5R10VD6R12R13C5V7V836VVD7R14VD9R16C7+C6BVD15TPVD8+15VR18R1TSRVD1VD2QustC1

图4-2 同步信号为锯齿波的触发电路

转速、电流检测电路

电流检测电路

电流检测电路的主要作用是获得与主电路电流成正比的电流信号，经过滤波整流后，用于控制系统中。该电路主要由电流互感器构成，将电流互感器接于主电路中，将负载电流按比例引出，转化为电压信号，然后与转速调节器的输出比较，调节电流的大小。

图4-3 电流检测电路

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转速检测电路

转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号，滤除交流分量，为系统提供满足要求的转速反馈信号。转速检测电路主要由测速发电机组成，将测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号，经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系统。

图4-4 转速检测电路

转速、电流调节器

系统设计的一般原则是：先内环后外环。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。

电流调节器

电流调节器设计

电机输出电压大小与其转速成正比，电动机正常运转时，电动机转速变化范围很大，这势必对电动机输出电压的大小有很大影响，为使电动机电压在不同的转速下均能保持一定，且能随电动机转速的变化而自动调节，使电压值保持在某一特定范围，就必须装置电压调节器。而它的正常工作，对保证整个电动机电气系统的正常工作和对延长电动机电气设备的使用寿命关系极大，其输出电压对蓄电池的使用寿命也影响很大。电动机对用电设备供电和向蓄电池充电，都要求其电压稳定，因此必须对电动机的输出电压进行调节，使之保持在某一数值基本不变。转速调节器将转速检测电路反馈的电压信号作为输入信号，同给定值进行叠加，经PI调节器输出速度调节器电压信号。其设计如图4-5。

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图4-5 电流调节器

电流调节器参数选择

1.确定时间常数

（1）整流装置滞后时间常数Ts：三相桥式电路的平均失控时间Ts=。

（2）电流滤波时间常数Toi。三相桥式电路的每个波头的时间是，为了基本滤平波头，应有（1~2）Toi=，因此取Toi=2ms=。

（3）电流环小时间常数之和Ti。按小时间常数近似处理，取Ti=Ts+Toi=0.0037s。 （4）电磁时间常数Tl的确定：要保证最小电流Idmin10%IdN时电流仍能连续，则

LlK1U21200.6930.11366.1mH Idmin 则电磁时间常数

TlLlR6.10.20.51030.0087s

2.选择电流调节器的结构

根据设计要求i5%，并保证稳态电流无静差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型调节器，其传递函数为

WACR(s)Ki(is1)

is式中Ki------电流调节器的比例系数；i-------电流调节器的超前时间常数。

检查对电源电压的抗扰性能：

Tl0.00872.3510 Ti0.0037-13

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参照典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的，因此基本确定电流调节器按典型I型系统设计。

3.计算电流调节器的参数

Tl0.0087s；电流开环增益：要求i5%时，取

电流调节器超前时间常数：i0.50.5KITi0.5135.1s1；电流反馈系数其值为，因此 KITi0.0037s10V/IN0.049；晶闸管装置放大系数Ks=40。

于是，ACR的比例系数为

KiKIRi135.10.70.00870.42

Ks400.0491K135.1sciI4.校验近似条件：电流环截止频率：

（1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件

11196.1s1ci 3Ts30.0017s满足近似条件。

（2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

3113114.78S1ci

TmTl0.1120.0061其中：

Tm满足近似条件。

GD2R375CeCm100.73750.1322300.112s

（3）电流环小时间常数近似处理条件

1111180.78s1ci

3TsToi30.0017s0.002s满足近似条件。

5.计算调节器电阻和电容

由图，按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为

RiKiR00.4240k16.8k

CiiRi0.0087s0.51106F

17k-14

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Coi4Toi40.0026F0.210F0.2F 3R04010Ri取17KΩ，Ci取μF，Coi取μF。

按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为求。

i4.3%5%，满足设计要

转速调节器

转速调节器设计

电流调节器将电流检测电路反馈的电压信号作为输入信号，同给电压调节器输出电压进行叠加，经PI调节器输出电流调节器输出电压信号。电流调节器为内环调节器，作用是使电流仅仅跟随外环调节器的输出量的变化，同时对电网电压起及时抗扰作用。

图4-6 转速调节器

KITi0.5

转速调节器参数选择

1. 确定时间常数

（1）电流环等效时间常数1/KI。由前述已知，

，则

12Ti20.0037s0.0074s KITon=0.01s（2）转速滤波时间常数Ton，根据所用测速发电机纹波情况，取

.

（3）转速环小时间常数Tn。按小时间常数近似处理，取

1Ton0.0074s0.01s0.0174s TnKI2. 选择转速调节器结构

按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数式为

WASR(s)Kn(ns1)

ns3. 计算转速调节器参数

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按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5，则ASR的超前时间常数为

n=hTn=50.0174s=0.087s 则转速环开环增益

KNh16s2396.4s2 22222hTn250.0174可得ASR的比例系数为

Kn式中转速反馈系数4.检验近似条件

h1CeTm2hRTn60.0490.1320.1125.25

250.00680.70.017410V0.0068V.min/r。

1460r/min转速截止频率为

cnKN1KNn396.40.087s134.5s1

（1）电流环传递函数简化条件为

1KI1135.11s63.7s1cn

3Ti30.0037满足简化条件。

（2）转速环小时间常数近似处理条件为

1KI1135.11s38.7s1cn

3Ton30.01满足近似条件。

5.计算调节器电阻和电容

根据图 所示，取R040k，则

Cn RnKnR05.2540k210k

0.087F0.414106F 3Rn210104Ton0.04F1106F Con3R04010取210kΩ，Cn取μF，Con取1μF。

n6.校核转速超调量

当h=5时，查附表典型型系统阶跃输入跟随性能指标得，n37.6%，不能满足设计要求。实际上，以上是按按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线

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性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。计算超调量。

设理想空载起动时，负载系数Z0，已知IN136A，nN1460A，1.5，R0.7，

Ce0.132Vmin/r，Tm0.112s，IN136A ，Tn0.0174s。当h5时，由课本查得，

Cmax/Cb81.2%而调速系统开环机械特性的额定稳态速降

maxbmaxNn n2(Z)Cn*Cn*TmbbCnCnTn*为基准值，对应为额定转速nN1500r/min。 根据式（）计算得

1360.70.01749.4%10%10%

15000.112n281.2%1.5满足设计要求。

5 稳态结构框图和动态数学模型

稳态结构框图

为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构框图，如下图5-1所示。电流调节器和转速调节器均为具有限幅输出的PI调节器，当输出达到饱和值时，输出量的变化不再影响输出，除非产生反向的输入才能使调节器退出饱和。当输出未达到饱和时，稳态的输入偏差电压总是为零。正常运行时，电流调节器设计成总是不会饱和的，而转速调节器有时运行在饱和输出状态，有时运行在不饱和状态。

Id  R U*n + - Un ASR U*i Ui ACR Uc UPE Ud0 + - E + - 1/Ce Ks n  图5-1 双闭环直流调速系统的稳态结构框图 —转速反馈系数;  —电流反馈系数

分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征，一般存在两种状况：①饱和

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——输出达到限幅值。即饱和调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。②不饱和——输出未达到限幅值。即PI的作用使输入偏差电压U在稳态时总为零。

实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有调速调节器饱和与不饱和两种状况：

n（1）转速调节器不饱和：稳态时，他们的输入偏差电压都是零，因此nU，而n0得到下图5-2静特性的CA段。

* （2）转速调节器饱和： 输出达到限幅值Uim，转速外环呈开环状态，转速的变化对系

统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的点电流闭环调节系统。稳态时

IdUimIdm，从而得到下图5-2静特性的AB段。

这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点漂移而采用“准PI调节器”时，静特性的两段实际上都N略有很小的静差，见图5-2的虚线。

n n0 C A O

B IdN Idm Id 图5-2 双闭环直流调速系统的静特性 IdIdm ASR主导，表现为转速无静差

IdIdm ACR主导，表现为电流无静差（过电流保护）

动态数学模型

如下图5-3表示双闭环直流调速系统的动态框图，图中WASR(s)和WACR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。在分析双闭环直流调速系统的动态性能时，着重分析电机的起动过程及抗扰动性能。在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，抗扰动性能包括抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。

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在起动过程有三个特点：①随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态。当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环则表现为电流随动系统。这就是饱和非线性控制的特征。②准时间最优控制即恒流升速阶段，电流保持恒定，一般选择为允许的最大值，以便充分发挥电机的过载能力，是起动过程尽可能的最快。③转速超调： 由于采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速调节器退出饱和状态。按照PI调节器的特性，只有使转速超调，ASR的输入偏差电压为负值，才能使ASR退出饱和。即采用PI调节器的双闭环调速系统的转速动态响应必然有超调。

U*n - 1/R Ks 1 + 1 + T0ns+1 - ASR T0is+1 - ACR Tss+1 Tl s+1 + Ud0 Uc Un Ui U*i  T0is+1 T0ns+1 Id -IdL R Tms 1 Ce n E 

图5-3 双闭环调速系统的动态结构框图

Toi—电流反馈滤波时间常数 Ton—转速反馈滤波时间常数

在实际动态系统中，常增加滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤

波环节。由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数Toi按需要选定，以滤平电流检测信号为准然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同的延时，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换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用

Ton表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上加入时间常数为Ton的给定滤波环节。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于最大电流Idmax 时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到Idmax 后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。

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6 总结体会

在一周的时间我完成了运动控制系统的课程设计，虽然时间很短，但我觉得我学到很多。本文是对双闭环直流电机调速系统的设计，我首先根据系统设计要求，对系统进行分析，然后确定整个系统大概由哪些模块组成。然后查看课本，搜索相关资料来完成各个部分的电路设计以及参数设计。通过自己的努力对该电路有了较为深入的研究，也进一步熟悉了双闭环直流调速系统的结构形式、工作原理及各个器件的作用和设计。本设计的主要工作是设计直流调速控制器的电路，设计的电路都是模拟电路，详细地介绍了器件的选型、电路保护、晶闸管的触发电路的设计过程以及电流调节器和转速调节器的设计，当然还有其它电路的设计。

在这个过程中，我再次学习了《电力电子技术》和《运动控制系统》课本，发现很多平时没有注意到的知识点，同时通过查资料还丰富了我直流电机控制方面的知识，理解了常用电机控制系统的基本工作原理。通过电力电子技术课程的学习，对电力电子器件在电能变换和控制领域的应用有了初步认识。课程中学习了电力电子器件及其应用中的问题，整流电路、斩波电路的应用，增深了我对电力电子器件的认识。通过本次课程设计过程的学习，不仅提高了我对课本知识的理解，还扩充了我的课外知识的积累，并对已掌握知识进行复习考验。以前总觉得书上学的东西没什么用，总是觉得理论结合不了实际，但通过这次设计使我认识到了理论结合实际的重要性。这次课程设计在原理图的设计上，基本上都是参照的课本。其实很多复杂的设计都离不开最基础的电路。

通过本次课程设计，首先对直流双闭环调速系统有了更深的认识，加深了理解，是对 课堂所学知识的一次很好的应用。我成功设计出了转速、电流双闭环直流调速系统，并能熟练地掌握转速和电流调节器参数的选择和计算，在设计的基础上更加认识到直流双闭环调速系统的应用之广泛。这次课程设计让我深深地明白老师们曾经说过的话：课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。

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参考文献

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