双闭环直流调速系统

一设计要求

1、原始条件

主要参数：直流电机PN =22KW，额定电压UN=220V，额定电流IN=106A，nN =1500r/min，电枢绕组电阻Ra =0.11Ω，主电路总电阻R=0.32Ω，磁极对数P=2， Ks=22，GD2=34N∙m2，允许过载倍数λ=1.5，电网波动系数0.9。其它参数：Unm*=10V，Uim*=10V，Ucm=10V。

2、技术指标：

1. 稳态性能指标：无静差，速调速范围D=20，静差率S≤5%，要求在调速范围内平滑可调。

2. 动态性能指标：电流超调量σi<5%，空载起动到额定转速的转速超调量 σn<5%，空载起动到额定转速的过渡过程时间（调节时间）ts < 1s。

3. 主电路采用晶闸管三相桥式全控整流电路供电。

设计内容：

1. 根据题目的技术要求，论证并确定主电路的结构形式和闭环调速系统的组成，作出系统组成的原理框图与动态结构框图。

2. 调速系统主电路元部件的确定及其参数计算。

3. 稳态与动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定ASR调节器与ACR调节器的结构形式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。

4．绘制调速系统电路图，标注正确、清楚、齐全，制图符合现行的国家标准，采用符合国标的标题栏。

5．建立系统的数学模型与仿真模型，并对系统进行仿真研究，并研究参数变化时对直流电动机动态性能的影响。

二设计方案确定

对于设计直流双闭环不可逆调速系统，其实就是对转速调节器和电流调节器的设计。电流调节器的作用是使电流随外环调节器的输出量变化，是调速系统的内环调节器。转速调节器的作用是使转速随给定电压变化，稳态时可以减小转速误差，是调速系统的外环调节器。根据设计的一般原则，多环控制系统应优先设计内环，然后是外环。所以在本系统中，应该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部分，再设计转速调节器。

三主电路的设计

3.1主电路电气原理图及其说明

当在该直流调速系统中，我们采用的是晶闸管-电动机调速系统（简称V-M系统），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。

常用的整流电路有：单相半波可控整流电路、单相桥式全控制整流电路、单相全波可控整流电路、三相半波可控整流电路和三相桥式全控整流电路。整流负载容量较大，或要求直流电压脉动较小时，应采用三相整流电路，交流测由三相电源供电。三相全控桥整流电压的脉动频率比半波高，所需要的平波电抗器的电感量可以相应减少约一半, 晶闸管可控整流装置无噪声、响应快、体积小、重量轻、投资少、而且工作可靠，耗能少，效率高，故选择晶闸管三相全控桥整流供电电路同时要考虑晶闸管的过电压与过电流保护。

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。

晶闸管触发电路类型很多，有分立式、集成式和数字式，分立式相控同步模拟电路相对来说电路比较复杂；数字式触发器可以在单片机上来实现，需要通过编程来实现，本设计不采用。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，选择常用的KJ004集成块和KJ041集成块。

V1~V4等组成同步环节，同步电压us经限流电阻R20加到V1、V2基极。在us的正半周，V1导通，电流途径为(+15V-R3-VD1-V1-地)；在us负半周，V2、V3导通，电流途径为(+15V-R3-VD2-V3-R5-R21-(-15V))。因此，在正、负半周期间。V4基本上处于截止状态。只有在同步电压|us|<0.7V时，V1~V3截止，V4从电源+15V经R3、R4取得基极电流才能导通。

电容C接在V5的基极和集电极之间，组成电容负反馈的锯齿波发生器。在V4导通时，C1经V4、VD3迅速放电。当V4截止时，电流经(+15V—R6-C1—R22-RP1-(-15V))对C1充电，形成线性增长的锯齿波，锯齿波的斜率取决于流过R22、RP1的充电电流和电容C1的大小。根据V4导通的情况可知，在同步电压正、负半周均有相同的锯齿波产生，并且两者有固定的相位关系。

V6及外接元件组成移相环节。锯齿波电压Uc5（即4#端电压）、偏移电压Ub、移相控制电压Uc分别经R24、R23、R26在V6基极上叠加。当ube6>+0.7V时，V6导通。设uc5、Ub为定值，改变Uc，则改变了V6导通的时刻，从而调节脉冲的相位。

V7等组成了脉冲形成环节。V7经电阻R25获得基极电流而导通，电容C2由电源+15V经电阻R7、VD5、V7基射结充电。当V6由截止转为导通时，C2所充电压通过V6成为V7基极反向偏压，使V7截止。此后C2经(+15V—R25-V6一地)放电并反向充电，当其充电电压uc2≥+1.4V时，V7又恢复导通。这样，在V7集电极就得到固定宽度的移相脉冲，其宽度由充电时间常数R25C2决定。

3.2元器件的选择及主要参数计算

四控制电路的设计

4.1 电流调节器的设计

电流环结构图的简化分为忽略反电动势的动态影响、等效成单位负反馈系统、小惯性环节的近似处理等环节。

在一般情况下，系统的电磁时间常数 Tl远小于机电时间常数 Tm，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，即E≈0。这时，电流环下图所示。

如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成 U*i(s) /b，则电流环便等效成单位负反馈系统；最后，由于 Ts 和 T0i 一般都比 Tl 小得多，可以当作小惯性群而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为：T∑i = Ts + Toi

则电流环结构图最终简化为下图：

4.2 转速调节器的设计

电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为 Ui*(s)，因此电流环在转速环中应等效为

用电流环的等效环节代替转速环后，整个转速控制系统的动态结构和电流环一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成U*n(s)/a，再把时间常数为 1 / KI 和 T0n 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为T∑n的惯性环节，其中

4.3 调节器参数计算

4.3.1电流环参数的计算

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=0.0017s。

（2）电流滤波时间常数即Toi=0.002s。

（3）电流环小时间常数之和 T∑=Ts+Toi=0.0037s。

电流调节器结构

从稳态要求上看，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。

但从动态要求上看，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不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型I型系统。电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型I型系统，显然应采用 PI 型的电流调节器，其传递函数可以写成：

式中：

检验对电源电压的抗扰性能：Tl/T∑i=0.07/0.0037=18.9198，参照典型Ⅰ型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表格，可以看出各项指标都是可以接受的。

电流调节器参数

电流调节器超前时间常数：

电流环开环增益：要求：要求δi＜5%时，应取 KIT∑i=0.5，因此：

因此，电流调节器（ACR）的比例系数为：

计算调节器电阻和电容

按所用运算放大器取R0=40k欧姆，各电阻和电容值为

按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为δi=4.3%<5%，满足设计要求。

4.3.2转速环参数的计算

时间常数

（1）电流环等效时间常数 1/KI。由电流环参数可知 KIT∑i=0.5，则
（2）转速滤波时间常数 Ton。根据已知条件可知 Ton=0.01s

（3）转速环小时间常数 T∑n。按小时间常数近似处理，取

转速调节器结构

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 Ⅱ 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR也应该采用 PI 调节器，其传递函数为