1、运动控制系统课程设计题 目： 某 V-M 双闭环不可逆直流调速系统设计 专业班级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 评阅意见：指导老师签名： 日期： 2014 年 月 日 目录1 绪论 11.1 研究背景 .11.2 研究目的与意义 .12 课程设计概述与要求 22.1 课程设计概述 22.2 课程设计要求 .23 转速、电流双闭环直流调速系统的组成 34 调速系统主电路元部件的确定及其参数计算 44.1 变压器参数选取 44.1.1 变压器二次侧电压 U2 的计算 .44.1.2 一次、二次侧相电流 I1、I 2 的计算 .44.1.3 变压器容量 S 的计算 54.2 平波电抗器参数计算
2、54.2.1 电流连续的临界电感量 L1 的计算 54.2.2 限制输出电流脉动的临界电感量 L2 的计算 54.2.3 电动机电感量 LD 的计算 64.2.4 实际串入平波电抗器的电感量 L 的计算 64.3 可控晶闸管参数计算 64.3.1 晶闸管的额定电压计算 64.3.2 晶闸管的额定电流计算 74.3.3 三相桥式全控整流电路原理 74.3.4 整流电路及晶闸管保护电路设计 84.4 过电压保护和 du/dt 限制 94.5 过电流保护和 di/dt 限制 105 控制系统设计 105.1 双闭环调速系统的动态结构 105.2 电流调节器的设计 115.2.1 电流环结构框图的化简
3、 115.2.2 电流环结构框图小惯性环节近似处理 125.2.3 电流调节器结构的选择 125.2.4 电流调节器的实现 135.2.5 电流调节器的参数计算 135.3 转速调节器的设计 155.3.1 转速环结构框图的化简 155.3.2 转速调节器结构的选择 165.3.3 转速调节器的实现 175.3.4 转速调节器的参数计算 176 触发电路的选择与原理图 197 双闭环直流调速系统 MATLAB 仿真 228 设计总结 239 参考文献 24附录 V-M 双闭环不可逆直流调速系统电气原理图 2501 绪论1.1 研究背景双闭环不可逆调速系统在上世纪七十年代在国外一些发达国家兴起，
4、经过数十年的发展已经成熟，在二十一世纪已经实现了数字化与智能化。我国在直流调速产品的研发上取得了一定的成就，但和国外相比仍有很大差距。我国自主的全数字化直流调速装置还没有全面商用，产品的功能上没有国外产品的功能强大。而国外进口设备价格昂贵，也给国产的全数字控制直流调速装置提供了发展空间。目前，发达国家应用的先进电气调速系统几乎完全实现了数字化，双闭环控制系统已经普遍的应用到了各类仪器仪表，机械重工业以及轻工业的生产过程中。随着全球科技日新月异的发展，双闭环控制系统总的发展趋势也向着控制的数字化，智能化和网络化发展。而在我们国内，双闭环控制也已经经过了几十年的发展时期，目前已经基本发展成熟，但是
5、目前的趋势仍是追赶着发达国家的脚步，向着数字化发展。1.2 研究目的与意义直流电动机因具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛应用。晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管电动机调速系统（简称 V-M 系统）。采用速度、电流双闭环直流调速系统,可以充分利用电动机的过载能力获得最快的动态过程，调速范围广，精度高，和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性，动态和静态性能均好，且系统易于控制。双闭环系统的转速环用来控制电动机的转速，电流环控制输出
6、电流；该系统可以自动限制最大电流，能有效抑制电网电压波动的影响；且采用双闭环控制提高了系统的阻尼比，因而较之单闭环控制具有更好的控制特性。尽当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中 V-M系统的应用还是有相当的比重。所以以此为课题进行研究具有一定的实用价值。12 课程设计概述与要求2.1 课程设计概述某电动拖车， V-M 双闭环不可逆直流调速系统，技术要求：1.该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D10） ，系统在工作范围内能稳定工作。2.系统静特性良好，无静差（静差率 s0.2） 。3.动态性能指标：转速超调量 n8%，电流超调量 i5%
7、，动态速降n8-10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts1s 。4.系统在 5%负载以上变化的运行范围内电流连续。5.调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。2.2 课程设计要求1.根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图。2.调速系统主电路元部件的确定及其参数计算（包括有变压器、电力电子器件、平波电抗器与保护电路等） 。3.驱动控制电路的选型设计（模拟触发电路、集成触发电路、数字触发器电路 均可） 。4.动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定 ASR 调节器与 ACR 调节器的结构型式及进行参数计算，使调
8、速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。5绘制 V-M 双闭环直流不可逆调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图）。6.整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书。技术数据：1.三相桥式晶闸管整流装置：Rrec=0.032，Ks=45-48。2.负载电机额定数据：PN=90KW，UN=440V，IN=220A，nN=1800r/min，Ra=0.088，=1.5。3.系统主电路：R=0.12，Tm=0.1s。23 转速、电流双闭环直流调速系统的组成开环直流调速系统调节控制电压 Uc 就可改变电动机的转速。如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的
9、无级调速，但是，对静差率有较高要求时，开环调速系统往往不能满足要求。这时就要采用闭环调速系统。 采用 PI 调节的单个转速闭环直流调速系统可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，单环系统就难以满足需要。这是就要考虑采用转速、电流双环控制的直流调速系统。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。二者之间实行嵌套（串联）联接。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。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。 转速
10、、电流双闭环直流调速系统组成的原理框图如下图 3.1所示。图 3.1 转速、电流双闭环直流调速系统原理框图图 3.1 说明：ASR转速调节器，ACR 电流调节器， TG测速发电机，TA电流互感器，UPE电力电子变换器，Un*转速给定电压，Un转速反馈电压， Ui*电流给定电压，Ui电流反馈电压。3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。两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器 ASR 的输出限幅电压Uim*决定了电流给定电压的最大值，电流调节器 ACR 的输出限幅电压 Ucm 限制了电力电子电换器的最大输出电压 Udm。双闭环直流调速系统电路原理图如下图
11、3.2 所示。 图 3.2 双闭环直流调速系统电路原理图4 调速系统主电路元部件的确定及其参数计算4.1 变压器参数选取4.1.1 变压器二次侧电压 U2 的计算由于整流输出电压 的波形在一周期内脉动 6 次的波形相同，因此在 计算du时只需对一个脉冲进行计算。由此得整流输出平均电压（ ） cos34.2d0显然 =440V，如果忽略晶闸管和电抗器的压降，则可以求得变压器duU副边输出电压=217.1V (通常取导通角 为 )2/34.02 30取 =220V 2U变压比 12380K.74.1.2 一次、二次侧相电流 I1、I 2 的计算选取 KI1=0.816，K I2=0.8164原边输
12、出有效电流 11.05.0816208.9673IdKI A副边输出有效电流 25Id4.1.3 变压器容量 S 的计算11mUI212S式中 m1、m 2一次、二次侧绕组的相数；所以 1380.964.1UI KVA221752S1/20.6考虑到晶闸管和电抗器的压降，变压器本身的漏磁，并根据变压器应留有一定裕量的原则，选择参数为额定容量为 150KVA。4.2 平波电抗器参数计算在 V-M 系统中，脉动电流会增加电机的发热，同时也产生脉动转矩，对生产机械不利，为了避免或减轻这种影响，须设置平波电抗器。平波电抗器的电感量一般按低速轻载时保证电流连续的条件来选择。通常首先给定最小电流(以 A
13、为单位通常取电动机额定电流的 5%-10%)，再利用它计算所需的总电inmI感量（以 为单位），减去电枢电感，即得平波电抗器应有的电感值。H4.2.1 电流连续的临界电感量 L1 的计算平波电抗器的临界电感量 L1（单位 mH）可由下式计算21dminKUI式中 K1 为与整流电路形式有关的系数，可由表查得 K1=0.693，由技术要求知Idmin=10%IdN=20.4545A，所以：L=0.639Ud/Idmin=(0.639*440)/20.4545=13.74563mH=0.0137H4.2.2 限制输出电流脉动的临界电感量 L2 的计算5由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出
14、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。通常伏在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，应在直流侧传入平波电抗器，用来限制输出电流的脉动量。平波电抗器的临界电感量 L2（单位 mH）可由下式计算 2idKULSI式中 K2 为与整流电路形式有关的系数，S i 为电流最大允许脉动系数，通常三相电路 。i510%根据本电路形式查表可得 K2=1.045，所以2.4501.45mHL4.2.3 电动机电感量 LD 的计算电动机电感量 LD（单位 mH）可按下式计算3102dKUpnI式中 Ud 、 Ld、n直
15、流电动机额定电压、额定电流和额定转速；P 电动机磁极对数； 计算系数，对一般无补偿电机取 =812。所以D DK（取 P=2, =10）31042.7828mH4.2.4 实际串入平波电抗器的电感量 L 的计算由于变压器的漏电感很小，可以忽略不计，那么串入平波电抗器的电感量取其电感值为12max,3.86271.08DL12mH根据电感量大小取其电阻为 0.24.3 可控晶闸管参数计算4.3.1 晶闸管的额定电压计算 通常取晶闸管的断态重复峰值电压 和反向重复峰值电压 中较小DRMURMU的标值作为该器件的额定电压。选用时，额定电压要留有一定裕量，一般取额6定电压为正常工作电压时晶闸管所承受峰
16、值电压的 2-3 倍。本设计中峰值电压538.9V26UTM故晶闸管电压定额 232358.9107.6.TNTMUV取其电压定额 =1500V。T4.3.2 晶闸管的额定电流计算 晶闸管的电流定额主要由其通态平均电流 来标称，规定为晶闸管在环境TI为 和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温是允许流过的最大工频C40正弦半波电流的平均值。因此在使用时同样应按照实际波形的电流与通态平均电流所造成的发热效应相等，即有效值相等的原则来选取晶闸管的电流定额，并留有一定裕量。一般取其通态平均电流为此原则所得计算结果的 1.5-2 倍。可按下式计算：()fbdm=1.52KITAVI式中计算系数 =
17、/1.57 由整流电路型式而定， 为波形系数，fbf fK为共阴极或共阳极电路的支路数。当 时，三相全控桥电路 =0.368bK0 fb故晶闸管额定电流 取其电流定额为 200A。4.3.3 三相桥式全控整流电路原理变压器调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有 3 种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。旋转变流机组简称 G-M 系统，适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。静止可控整流器又称 V-M 系统，通过调节触发装置 GT 的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变 Ud， 从而实现平滑调
18、速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。直流斩波器和脉宽调制交换器采用 PWM 受器件限制，适用于中、小功率的系统。根据本设计的技术要求和特点选 V-M 系统。在 V-M 系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置 GT 输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出瞬时电压 Ud。由于要求直流电压脉动较小，故采() dm1.52)1.52 .36821.582.64.8ATAVfbIKI7用三相全控桥式整流电路。考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择晶闸管三相全控桥整流器供电方案。因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相整流电路的一
19、大优点。并且晶闸管可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、体积小、重量轻、投资省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。综上所述，选晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。三相桥式全控整流电路的原理如图 4.1 所示，习惯将其中阴极连接在一起到 3 个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极；阳极连接在一起的 3 个晶闸管（VT4 、VT6、VT2）称为共阳极，另外通常习惯晶闸管从 1 至 6 的顺序导通，为此将晶闸管按图示的顺序编号，即共阴极组中与 a，b，c 三相电源相接的 3个晶体管分别是 VT1、VT3、VT5,共阳极组中与 a，b，c 三相电源相接的 3
20、 个晶闸管分别是 VT4、VT6、VT2。VT5VT3VT1VT4 VT6 VT2ABCab 负负c图 4.1 三相桥式全控整流电路原理图其工作特点如下：1）每个时刻均需两个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，一个是共阳极组的，且不能为同一相的晶闸管。2）对触发脉冲的要求：六个晶闸管的脉冲按 VT1VT2VT3VT4VT5VT6 的顺序相为，相位依次相差 ；共阴极组 VT1、VT3、VT5 的脉冲60依次差 ，共阳极组 VT4、VT6、VT2 也依次差 ;同一相的上下两个桥臂10 120即 VT1 与 VT4，VT3 与 VT6，VT5 与 VT2 脉冲相差 。8
21、3）整流输出电压 一周期脉动 6 次，每次脉动的波形都一样，故该电路du8为六脉波整流电路。4）在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的两个晶闸管均有触发脉冲。为此，可采用两种方法：一种是使脉冲宽度大于 （一般取 ） ，称为宽脉冲触发；另一种方法是，在触60o801发某个晶闸管的同时，给前一个晶闸管补发脉冲，即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差 ，脉宽一般为 ，称为双脉冲触发。双脉冲电 o203路较复杂，但要求的触发电路输出功率小。宽脉冲触发电路虽可少输出一半脉冲，但为了不使脉冲变压器饱和，需将铁芯体积做得较大，绕组匝数较多，导致漏感增大，脉冲前沿
22、不够陡，对于晶闸管串联使用不利。虽可用去磁绕组改善这种情况，但又触发电路复杂化。因此，常用的是双脉冲触发。4.3.4 整流电路及晶闸管保护电路设计晶闸管具有许多优点，但它属于半导体器件，因此具有半导体器件共有的弱点，承受过电压和过电流的能力差，很短时间的过电压和过电流就会造成元件的损坏。为了使晶闸管装置能长期可靠运行，除了合理选择元件外，还须针对元件工作的条件设置恰当的保护措施。晶闸管主要需要四种保护：过电压保护和 du/dt 限制，过电流保护和 di/dt 限制。图 4.2 整流电路及晶闸管保护电路4.4 过电压保护和 du/dt 限制VT5VT3VT1VT4 VT6 VT2ABCabcF1
23、F2F3C1C2C3C4C5C6R1R2R3R4R5R6+-Ud9凡是超过晶闸管正常工作是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。4.5 过电流保护和 di/dt 限制由于晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流
24、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：（1）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
25、熔断，这是晶闸管过电流保护的主要措施。（2）硒堆保护 硒堆是一种非线性电阻元件，具有较陡的反向特性。当硒堆上电压超过某一数值后，它的电阻迅速减小，而且可以通过较大的电流，把过电压的能量消耗在非线性电阻上，而硒堆并不损坏。硒堆可以单独使用，也可以和阻容元件并联使用。本系统采用快速熔断器对可控硅进行过流保护，整流电路及晶闸管保护电路如图 4.2 所示。5 控制系统设计5.1 双闭环调速系统的动态结构按照“先内环后外环”的设计原则，从内环开始，逐步向外扩展。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环节中的一个环节，10再设计转速调节器。双闭环调速系统的实际动态结构图如图 5.1 所
26、示。图 5.1 双闭环调速系统的动态结构图5.2 电流调节器的设计 5.2.1 电流环结构框图的化简如图 3.1 所示为点画线框内是电流环的动态结构框图，其中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，同的电磁时间常数远小于机电时间常数，因此，转速的变化往往比电流变化慢得多。对电流环来说，反电动势是一个变化较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即。这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响。也就是说，可以暂时把反电动势的作用去掉，得到忽略电动势影响的电流环近似结构图
27、，如图 5.2 所示。11图 5.2 忽略反电动势的电流环动态结构框图05.2.2 电流环结构框图小惯性环节近似处理如果把给定滤波和反馈滤波同时等效的移到环内前向通道上，再把给定信号改成，则电流环变等效成单位负反馈系统。由于和一般都比小得多，可以当作小惯性群而近似的看作是一个惯性环节，其时间常速为，则电流环结构图最终化简图如图 5.3 所示.图 5.3 小惯性环节近似处理后电流环简化动态结构图5.2.3 电流调节器结构的选择根据设计要求，并且保证稳态电流无差，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，因此可以用比例积分型电流调节器，其传递函数为：WACR（s ）=则电流环
28、的动态结构框图便成为图 5.4 所示的典型形式，其中：KI=图 5.4 校正成典型 I 型系统的电流环动态结构框图15.2.4 电流调节器的实现含给定滤波和反馈滤波的模拟式 PI 型电流调节器原理图如图 5.5 所示。图 5.5 模拟式 PI 型电流调节器原理图5.2.5 电流调节器的参数计算1.确定时间常数1）电磁时间常数:Tl=L/R=0.031416 (S)。2）三相桥式晶闸管整流电路的平均滞后时间 Ts=0.0017s，取电流反馈滤波时间常数 Toi=0.002s,可得电流环的小时间常数为 Ti =Ts-Toi=0.0017s-0.002s=0.0037s。2.选择电流调节器结构根据设
29、计要求 i5%，并保证静态电流无差，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 型电流调节器。检查对电源电压的抗扰性能：Tl/Ti=0.031416/0.0037=8.11,参照典型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。3.计算电流调节器的参数 2电流调节器超前时间常数：i=Tl=0.03s电流环开环增益：要求 i5%时，按表 4.6，应取 KITi =0.5，因此KI=0.5/Ti=0.5/0.0037=135.1s-1取 Ks=48，而电流反馈系数 =10V/1.5IN=10/（1.5220）=0.03V/A表 5.6 典型 I 型系统动态跟随性能指
30、标和频域指标与参数的关系参数关系 KT 0.25 0.39 0.50 0.69 1.0阻尼比 1.0 0.8 0.707 0.6 0.5超调量 0% 1.5% 4.3% 9.5% 16.3%上升时间 tr 6.6T 4.7T 3.3T 2.4T峰值时间 tp 8.3T 6.2T 4.7T 3.6T相角稳定裕度 76.3 69.9 65.5 59.2 51.8截止频率 c 0.243/T 0.367/T 0.455/T 0.596/T 0.786/T于是，ACR 的比例系数为Ki=(KIiR)/(Ks)=1.0134.校验近似条件电流环截止频率：ci=KI=135.1S-11）晶闸管整流装置传递
31、函数的近似条件Ts=196.1 S-1ci，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3 =40.82 S-1ci，满足近似条件。5.计算调节器电阻和电容由图 5.5，按所用运算放大器取 R0=40K,各电阻和电容值为Ri=KiR0=40.52 K,取 40 K3按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为 i=4.3%，满足设计要求。5.3 转速调节器的设计5.3.1 转速环结构框图的化简用电流环的等效环节代替图 5.1 中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构框图如图 5.7 所示。图 5.7 用等效环节代替电流环后的转速环动态结构框图和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈
32、滤波环节移到环内，同时将给定信号改成 Un*（s）/，再把时间常数为 1/KI 和 Ton 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为 Tn 的惯性环节，其中 Tn= +Ton，则转速环结构框图可简化为如下图 5.8 所示。4图 5.8 等效成单位负反馈系统和小惯性近似处理后的转速环动态结构框图5.3.2 转速调节器结构的选择为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 ASR 中。现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。至于其阶跃响应超调
33、量较大，那是按照线性系统理论计算的数据，实际系统中调速调节器的饱和非线性性质会使超调量大大降低。由此可见，ASR 也应该采用 PI 调节器，其传递函数为：WASR(s)=不考虑负载扰动时，校正后的调速系统动态结构框图如下图 5.9 所示。图 5.9 校正后成为典型系统的转速环动态结构框图5.3.3 转速调节器的实现含给定滤波和反馈滤波的 PI 型转速调节器原理图如下图 5.10 所示。5图 5.10 含给定滤波与反馈滤波的 PI 型转速调节器5.3.4 转速调节器的参数计算1.确定时间常数1）电流环等效时间常数 1/KI:=2T i=2x0.0037s=0.0074s2)转速滤波时间常数 To
34、n：根据所用测速发动机纹波情况，取 Ton=0.01S3）转速环小时间常数：按小时间常数近似处理，取T i= +Ton=0.0074s+0.01s=0.0174s2.计算转速调节器结构按跟随性能和抗扰性能较好的原则选择 h=5，求出转速超调量 %和过渡n过程时间 。如果能够满足设计要求，则可根据所选的 h 值计算有关参数；否st则要改变 h 值重新进行计算，直到满足设计要求为止。当 h=5 时，ASR 退饱和超调量为= max*()bnCnmax*2()NnbmTz6式中， 表示电动机允许的过载系数，按题意 =1.5；z 为负载系数，设为理想空载起动，则 z=0；为调速系统开环机械特性的额定稳
35、态速降 = Nn NndeIRC是基准值为 时的超调量相对值；max%bC*n而 = bn2()iNmTz参照表 5.11，当 h=5 时， =81.2%，ax%bC故起动到额定转速，即 = 时，退饱和超调量为nom = =7.09%20.3/270.1481.2.518满足设计要求。表 5.11 典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系h 3 4 5 6 7 8 9 10Cmax/Cb 72.2% 77.5% 81.2% 84.0% 86.3% 88.1% 89.6% 90.8%tm/T 2.45 2.70 2.85 3.00 3.15 3.25 3.30 3.40tv/T 13.60 10.
36、45 8.80 12.95 16.85 19.80 22.80 25.85则 ASR 的超前时为: n=hT n=5x0.0174=0.087s空载起动到额定转速的过渡过程中，由于在大部分时间内 ASR 饱和而不起调转速环开环增益KN= =396.4S-2Ce=（U N- I NRa）/nN=（4 40-2200.088）/ 1000=0.234 V/min/r=10V/ nN =10/1800=0.006 V./ r / min ASR 的比例系数为Kn= =11.773.检验近似条件转速环截止频率为：Wcn= =34.5s-21） 电流环传递函数简化条件为：=63.7S-1cn,满足简化条
37、件2)转速环小时间常数近似处理条件为：=38.7S-1cn,满足近似条件3计算调节器电阻和电容根据图 5.10，取 R0=40K,则Rn=KnR0=468 K,取 470 KCn= =0.185x10-6F,取 0.2FCon= =1x10-6F，取 1F根据上述参数可以达到的动态指标为： =7.09%, nN=INR/ Ce=220 0.12/0.234=94.01 r/min,n因此能满足设计要求。6 触发电路的选择与原理图三相整流电路中必须对两组中应导通的一对晶闸管同时给触发脉冲为此可以采用两种办法：一种是使每个触发脉冲宽度大于 ，称宽脉冲触发；另一种60是在触发某一号晶闸管的同时给前一
38、号晶闸管补发一个脉冲，相当于用两个窄脉冲等效代替一个宽脉冲，称为双脉冲触发。随着工业自动化，集成化的不断把发展；现在市场中已有多种型号的六脉冲触发集成电路广泛应用于各种控制中，从本设计的简单和稳定性出发，本设计直接采用 KJ 系列的三相全控桥式整流电路的集成触发器 KJ041 作为三相整8流电路的触发电路。只需用三个 KJ004 集成块，即可形成六路双脉冲，再由留个晶体管进行脉冲放大，即构成完整的三相全控桥整流电路的集成触发电路。KJ041 的内部是由 12 个二极管构成的 6 个或门，其作用是将 6 路单脉冲输入转换为 6 路双脉冲输出。以上触发电路均为模拟量，这样使集成片内部结构、可靠，但
39、是却是其容易受电网电压影响，导致触发脉冲的不对称度较高，可达。在对精度要求高的大容量变流装置中，采用了数字触发电路，可获得很034好触发脉冲对称度。KJ041 的主要参数和限制：（1）工作电源电压： V15（2）同步输入允许最大电流值：6mA（3）输出脉宽：400us2ms（4）最大负载能力：100mA由 KJ041 外部电路接线图如图 6.1 所示：图 6.1 KJ041 外部电路接线图该集成片的主要设计特点为：（1）端口 1 和端口 4，端口 2 和端口 5，端口 3 和端口 6 分别输出两路相位互差 的移向脉冲，可以方便地构成全控桥式晶闸管触发器线路。089（2）输出负载的能力大，移相性
40、能好，脉冲输出稳定，正、负半周脉冲相位均衡性好。（3）移相范围宽，对同步电压要求不高，并且具有脉冲列调制输出端等功能。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：VT1VT2VT3VT4VT5VT6，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
41、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 6.2 所示。图 6.2 三相全控桥整流电路的集成触发电路107 双闭环直流调速系统 MATLAB 仿真利用 matlab 仿真工具组成转速,电流双闭环调速系统仿真图如图 7.1 所示，转速和电流闭环通过一个滞后环控制接入脉冲发生器的输入端，来实现对他励直流电动机的转速控制，使转速最终趋于稳定值。同时通过转速输出显示器可以很直观清晰的观察仿真结果。通过仿真得到电机转速情况如图 7.2 所示。图 7.1 双闭环直流调速系统仿真图图 7.2
42、双闭环直流调速系统转速仿真结果图118 设计总结通过本次设计使我对电力拖动自动控制系统有了进一步的认识和了解，掌握了用工业设计法对双闭环调节器的设计方法。另外，我也学到了很多东西，也使得我将电力拖动自动控制系统、电路等一系列书籍有了更深入的了解。让我知道怎么将理论与实践结合，从其中获得有用的知识。在时间充裕的学期末，我们有了更多的时间来完成我们的课程设计，使我可以花更多时间去研究直流调速系统方面的知识。能够对电流调节器和转速调节器的设计有更多的认识。在这次课程设计中，我也遇到了很多问题。比如计算出的参数不满足要求，但是通过我反复的查阅资料，反复的计算数据，最后问题还是得以解决。遇到有难度的问题
43、，我首先会自己钻研，或者与同学讨论，最后请教老师。所以，我要感谢和我一起设计的同学。是我们的团队合作才使我们课程设计完成的如此顺利。也感谢我们的老师，使他们教给我们有用的知识，我们才能够有能力完成此次设计。总之在这次课程设计中，我获得了很多，也知道自己哪一方面不足，为我的人生上了很宝贵的一课。也为我的人生留下了一个很好的篇章。129 参考文献1陈伯时主编，电力拖动自动控制系统第 3 版，北京：机械工业出版社，2003 年2王兆安，黄俊主编，电力电子技术第 4 版，北京：机械工业出版社，2000 年3阎石主编，数字电子技术基础第 5 版，北京：高等地育出版社，2005 年4邱关源原著，电路第 5 版，北京：高等教育出版社，2006 年5胡寿松主编，自动控制原理第 5 版，北京：科学出版社，2004 年6童诗白、华成英主编，模拟电子技术基础第 4 版，北京：高等教育出版社，2003 年13附录 V-M 双闭环不可逆直流调速系统电气原理图14
