基于MATLAB的直流电机调速系统

绪 论

直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速，以满足工作机械的要求。从机械特性上看，就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化。

直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一。广泛地应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中。它通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速，传统的控制系统采用模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，从而致使系统的运行特性也随之变化，故系统运行的可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。

双闭环直流调速系统是一个复杂的自动控制系统，在设计和调试的过程中有大量的参数需要计算和调整，运用传统的设计方法工作量大，系统调试困难，将SIMULINK用于电机系统的仿真研究近几年逐渐成为人们研究的热点。同时，MATLAB软件中还提供了新的控制系统模型输入与仿真工具SIMULINK，它具有构造模型简单、动态修改参数实现系统控制容易、界面友好、功能强大等优点，成为动态建模与仿真方面应用最广泛的软件包之一。它可以利用鼠标器在模型窗口上“画”出所需的控制系统模型，然后利用SIMULINK提供的功能来对系统进行仿真或分析，从而使得一个复杂系统的输入变得相当容易且直观。

本文采用工程设计方法对转速、电流双闭环直流调速系统进行辅助设计，选择适当的调节器结构，进行参数计算和近似校验，并建立起制动、抗电网电压扰动和抗负载扰动的MATLAB/SIMULINK仿真模型，分析转速和仿真波形，并进行调试，使双闭环直流调速系统趋于完善、合理。

2 MATLAB简介

MATLAB是一门计算机编程语言，取名来源于Matrix Laboratory，本意是专门以矩阵的方式来处理计算机数据，它把数值计算和可视化环境集成到一起，非常直观，而且提供了大量的函数，使其越来越受到人们的喜爱，工具箱越来越多，应用范围也越来越广泛。

MATLAB最突出的特点就是简洁。MATLAB用更直观的，符合人们思维习惯的代码，代替了C和FORTRAN语言的冗长代码。MATLAB给用户带来的是最直观，最简洁的程序

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开发环境。MATLAB还具有以下特点：

① 语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富。 ② 运算符丰富。

③ MATLAB既具有结构化的控制语句（如for循环，while循环，break语句和if语句），又有面向对象编程的特性。

④ 程序限制不严格，程序设计自由度大。

⑤ 程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。

⑥ MATLAB的图形功能强大。

⑦ MATLAB的缺点是，它和其他高级程序相比，程序的执行速度较慢。由于MATLAB的程序不用编译等预处理，也不生成可执行文件，程序为解释执行，所以速度较慢。

⑧ 功能强大的工具箱是MATLAB的另一特色。

⑨ 源程序的开放性。开放性也许是MATLAB最受人们欢迎的特点。

2.1 MATLAB的安装

MATLAB的安装非常简单，这里以MATLAB 6.5版本为例。运行setup后，输入正确的序列号，选择好安装路径和安装的模块，几乎是一直回车就可以了。这里有一点要注意的是，由于不同操作系统设置，可能会出现一些意外错误，而且越高版本的MATLAB对计算机系统的要求也越高，如6.1版本要求至少64M内存，最好128M。所以根据自身情况选择适合的版本安装，最好还要在操作系统初安装后就安装，避免出现意外。

2.2 MATLAB的启动运行

MATLAB的启动运行：＃:\\MATLAB6.5\\bin\\win32\\matlab.exe(其中＃为安装盘符)。但一般安装完毕后会在安装目录下有一个快捷运行方式。

MATLAB启动后显示的窗口称为命令窗口，提示符为“>>”。一般可以在命令窗口中直接进行简单的算术运算和函数调用。如果重复输入一组表达式或计算复杂，则可以定义程序文件来执行达到目的。程序文件扩展名为“.mdl”，以文本文件形式保存。有两种方式运行程序文件：一是直接在MATLAB命令窗口输入文件名，二是选择File-Open打开m文件，弹出的窗口为MATLAB编辑器。这时可选择它的Debug菜单的Run子菜单运行。

2.3 MATLAB的帮助文件

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学习MATLAB软件最好的教材是它的帮助文件。只要硬盘容量够大，极力推荐安装完整的帮助文档，即使对阅读英文不是很有信心，但我相信其足够的实例还是能让我们对要查询的命令函数有一定的了解的。有两种方法取得帮助信息：一是直接在命令窗口输入>>help 函数名；如help imread，会得到相应函数的有关帮助信息。二是在帮助窗口中查找相应信息。不同版本的帮助菜单界面有所不同，这只能依赖于自己去熟悉了。但总体上都和windows的界面具有相似的处理过程。

2.4 MATLAB所定义的特殊变量及其意义

MATLAB所定义的特殊变量及其意义如表2.1所示。

表2.1 MATLAB所定义的特殊变量及其意义

变量名 help who ans eps pi inf 意 义 在线帮助命令, 如用help plot调用命令函数plot的帮助说明。 列出所有定义过的变量名称 最近的计算结果的变量名 MATLAB定义的正的极小值=2.2204e-16 π值3.... ∞值，无限大 2.5 MATLAB工具箱及SIMULINK简介

MATLAB是目前控制系统计算机辅助设计实用且有效的工具。它有先进和流行的控制策略工具箱，如鲁棒控制、u-分析与综合、神经网络、模糊预测控制、非线性控制设计、模糊逻辑工具箱等。可以说目前理论界和工业界广泛应用和研究的控制算法，几乎都可以在MATLAB中找到相应的工具箱。

MATLAB的工具箱里，软件内容丰富，系统门类齐全。其中，SIMULINK仿真工具是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统。在SIMULINK环境中，利用鼠标就可以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，然后直接进行仿真。它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就像你用手和纸来画一样容易。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。SIMULINK包含有SINKS（输入方式）、SOURCE（输入源）、LINEAR（线性环节）、

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NONLINEAR（非线性环节）、CONNECTIONS（连接与接口）和EXTRA（其他环节）子模型库，而且每个子模型库中包含有相应的功能模块。用户也可以定制和创建用户自己的模块。

用SIMULINK创建的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。用户可以从最高级开始观看模型，然后用鼠标双击其中的子系统模块，来查看其下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。在定义完一个模型后，用户可以通过SIMULINK的菜单或MATLAB的命令窗口键入命令来对它进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，而命令行方式对于运行一大类仿真非常有用。采用SCOPE模块和其他的画图模块，在仿真进行的同时，就可观看到仿真结果。除此之外，用户还可以在改变参数后来迅速观看系统中发生的变化情况。仿真的结果还可以存放到MATLAB的工作空间里做事后处理。

由于MATLAB和SIMULINK的集成在一起的，因此用户可以在这两种环境下对自己的模型进行仿真、分析和修改。

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3 方案选择及系统工作原理

3.1 电动机参数及设计要求

已知设计参数如下：

直流电机额定电压UN220V，额定电枢电流IN136A，额定转速nN1460rpm，电枢回路总电阻Ra0.5Ω，电感La0.012H，励磁电阻Rf240，励磁电感

Lf120H，互感Laf1.8H，Ce0.132Vminr，允许过载倍数1.5。

晶闸管装置放大系数：Ks40。 时间常数：Tl0.03s，Tm0.18s。 具体设计要求：

① 选择PID控制器控制电机的启动和调速，用MATLAB建立所设计的控制器的模型和进行仿真。

② 调速范围D10，静差率S5%；稳态无静差，电流超调量i5%,电流脉动系数Si10%；启动到额定转速时的转速退饱和超调量n10%。

③ 要求系统具有过流、过压、过载保护。 ④ 要求触发脉冲有故障封锁能力。

3.2 方案选择及系统框图

3.2.1 方案一：转速单闭环直流电机调速系统

闭环系统较开环系统具有以下优点： ① 静态速降小，特性硬；

② 系统的静差率减小，稳速精度高； ③ 系统调速范围大大提高；

转速单闭环调速系统是一种最基本的反馈控制系统，它具有反馈控制系统的基本规律，其系统框图如图3.1所示。

图3.1 转速单闭环直流调速系统原理框图

ASR—转速环节 GT—触发装置 TA—电流互感器

TG—测速发电机 Un/Un—转速给定电压和转速反馈电压

3.2.2 方案二：转速、电流双闭环直流电机调速系统

采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实

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现转速无静差。如果对系统的动态性能要求很高，例如要求快速起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。这主要是因为在闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流和转矩。

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在转速、电流双闭环调速系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接。为获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器，如图3.2所示。图中，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，而电流调节器的输出去控制电力电子变换器。

图3.2 转速、电流双闭环直流调速系统原理框图

ASR—转速环节 ACR—电流环节 GT—触发装置 TG—测速发电机 TA—电流互感器

Un/Un—转速给定电压和转速反馈电压 Ui/Ui—电流给定电压和电流反馈电压

3.2.3 方案三：双闭环脉宽调速系统

一般动、静态性能较好的调速系统都采用转速、电流双闭环控制方案，脉宽调速也不例外。双闭环脉宽调速系统的原理框图如图3.3所示，其中属于脉宽调速系统特有的部分是脉宽调制器UPW、调制波发生器GM、逻辑延时环节DLD和电力晶体管基极的驱动GD。其中最关键的部件是脉宽调制器。脉宽调制器是一个电压----脉宽变换装置，由电流调节器ACR输出的控制电压Uc 进行控制，为PWM装置提供所需的脉冲信号，其脉冲宽度与Uc成正比。

图3.3 双闭环控制的直流脉宽调速系统原理框图

UPW—脉宽调制器 GM—调制波发生器 GD—基极驱动器

DLD—逻辑延时环节 PWM—脉宽调制变换器 FA—瞬时动作的限流保护

比较三种方案，虽然转速单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差，但对于动态性能要求很高的系统中，单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流和转矩。转速、电流双闭环调速系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，能获得良好的静、动态性能。

所以本设计最终采用的是方案二：转速、电流双闭环调速。

3.3 系统工作原理简介

3.3.1 双闭环调速系统静态特性

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图，如图3.4所示。

图3.4 双闭环调速系统稳态结构图 图3.5 双闭环调速系统的静特性

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分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征。一般存在两种情况：饱和----输出达到限幅值；不饱和----输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的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。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压U在稳态时总是零。

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，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。

（1） 转速调节器不饱和

这时，两个调节器都不饱和，稳态时，他们的输入偏差电压都是零。因此 UnUnn ………………………………………3.1

和 UiUiId ………………………………………3.2 由第一个关系式可得

从而得到图3.5静特性的 n0－A 段。

与此同时，由于ASR不饱和，UiUim, 上述第二个关系式可知：IdIdm。这就是说，n0－A 段静特性从Id0（理想空载状态）一直延续到IdIdm，而Idm一般都是大于额定电流Idnom的。这就是静特性的运行段。

nUn/n0 ……………………………………3.3

（2） 转速调节器饱和

这时，ASR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单闭环系统。稳态时

IdUimIdm …………………………3.4 式

中，最大电流Idm是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系允许的最大加速度。式3.4所描述的静特性是图3.5中的A – B段。这样的下垂特性只适合于nn0的情况。因为如果nn0，则UnUn，ASR将退出饱和状态。 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要作用。当负载电流达到Idm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。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略有很小的静差，如图3.5中虚线所示。

由图3.4可以看出，双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系：

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UnUnnn0 ……………………………………3.5 UiUiIdIdL ……………………………………3.6

Ud0CenIdRCeUnIdLR ……………………3.7 UctKsKsKs上述关系表明，在稳态工作点上，转速n是由给定电压Un决定的，ASR的输出量Ui是由负载电流IdL决定的，而控制电压Uct的大小则同时取决于n和Id，或者说，同时取决于Un和IdL。这些关系反映PI调节器不同于P调节器的特点。比例环节的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，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。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，知道饱和为止。

鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数：

电流反馈系数 Uim/Idm …………………………………………3.9

两个给定电压的最大值Unm和Uim是受运算放大器的允许输入电压限制的。

转速反馈系数 Unm/nmax …………………………………………3.8

3.3.2 双闭环系统启动过程分析

设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程（图3.6），因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先讨论它的起动过程。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分成三段，在图3.7中分别标以Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。

图3.6 双闭环调速控制系统理想快速起动 图3.7 双闭环调速系统起动时转速和电流波形

第Ⅰ阶段 0～t1 是电流上升的阶段。突加给定电压Un后，通过两个调节器的控制作用，使Uct、Ud0、Id都上升，当IdIdL后，电动机开始转动。由于机电惯性的作用，转速的增长不会很快，因而转速调节器ASR的输入偏差电压UnUnUn数值较大，其输出很快达到限幅Uim，强迫电流Id迅速上升。当IdIdm时，UiUim，电流调节器的作用时Id不再迅猛增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般应该不饱和，以保证电流环的调节作用。

第Ⅱ阶段 t1～t2 是电流恒流升速阶段。从电流升到最大值Idm开始，到转速升到给定值n（即静特性上的n0）为止，属于恒流升速阶段，是启动过程中的主要阶段。在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒定电流给定Uim作用下的电流调节系统，基本上保持电流恒定（电流可能超调，也可能不超调，取决于电流调节器的结构和参数），因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增

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长（图3.7）。与此同时，电动机的反电动势E也按线性增长。对电流调节系统来说，这个反电动势是一个线性渐增的扰动量，为了克服这个扰动，Ud0和Uct也基本上按线性增长，才能保持Id恒定。由于电流调节器ACR是PI调节器，要是它的输出量按线性增长，其输入偏差电压UiUimUi必须维持一定的恒值，也就是说，Id应略低Idm。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在启动过程中电流调节器是不能饱和的，同时整流装置的最大电压Ud0m也须留有余地，即晶闸管装置也不应饱和，这些都是在设计中必须注意的。

第Ⅲ阶段 t2 以后是转速调节阶段。在这阶段开始时，转速已经达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压相平衡，输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值Uim，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超调。转速超调以后，ASR输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出电压及ASR的给定电压Ui立即从限幅值降下来，住电流Id也因而下降。但是，由于Id仍大于负载电流IdL，在一段时间内，转速仍继续上升。到IdIdL时，转矩TeTL, 则dndt0，转速n达到峰值（tt3时)。此后，电动机才开始在负载的阻力下减速，与此相应，电流Id也出现一段小于IdL的过程，直到稳定（设调节器参数已调整好）。在这最后的转速调节阶段内，ASR与ACR都不饱和，同时起调节作用。由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则是力图使Id尽快地跟随ASR的输出量Ui，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。

综上所述，双闭环调速系统的起动过程有三个特点：

（1） 饱和非线性控制

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。在不同情况下表现为不同结构的线性系统，这就是饱和非线性控制的特征。决不能简单地应用线性控制理论来分析和设计这样的系统，可以采用分段线性化的方法来处置。分析过渡过程时，还必须注意初始状态，前一阶段的终了状态就是后一阶段的初始状态。如果初始状态不同，即使控制系统的结构和参数都不变，过渡过程还是不一样的。

（2） 准时间最优控制

起动过程中主要的阶段是第Ⅱ阶段，即恒流升速阶段，它的特征是电流保持恒定，一般选择为允许的最大值，以便充分发挥电机的过载能力，使起动过程尽可能最快。这个阶段属于电流受限制条件下的最短时间控制，或称“时间最优控制”。但整个启动过程与图3.6的理想快速起动过程相比还有一些差距，主要表现在第Ⅰ、Ⅱ两段电流不是突变。不过这两段的时间只占全部起动时间中很好的成份，已无伤大局，所以双

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闭环调速系统的起动过程可以称为“准时间最优控制”过程。如果一定要追求严格最优控制，控制结构要复杂得多，所取得的效果则有限，并不值得。

采用饱和非线性控制方法实现准时间最优控制是一种很有实用价值的控制策略，在各种多环控制系统中普遍地得到应用。

（3） 转速超调

由于采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入第Ⅲ段及转速调节阶段后，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Un为负值，才能是ASR退出饱和。这就是说，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。在一般情况下，转速略有超调对实际运行影响不大。如果工艺上不允许超调，就不许采取另外的措施。

最后，应该指出，晶闸管整流器的输出电流是单方向的，不可能在制动时产生负的回馈制动转矩。因此，不可逆的双闭环调速系统虽然有很快的起动过程，但在制动时，当电流下降到零以后，就只好自由停车。如果必须加快制动，只能采用电阻能耗制动或电磁抱闸。同样，减速时也有这种情况。类似的问题还可能在空载起动时出现。这时，在起动的第Ⅲ阶段内，电流很快下降到零而不可能变负，于是造成断续的动态电流，从而加剧了转速的振荡，使过渡过程拖长，这是又一种非线性因素造成的。

3.3.3 双闭环调速系统的动态抗扰动性能

一般说来，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。

（1） 动态跟随性能

双闭环调速系统在起动和升速过程中，能够在电流受电机过载能力约束的条件下，表现出很快的动态跟随性能。在减速过程中，由于主电路电流的不可逆性，跟随性能变差。对于电流内环来说，在设计调节器时应强调有良好的跟随性能。

（2） 动态抗扰性能

① 抗负载扰动

由图3.8动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器来产生抗扰作用。因此，在突加(减)负载时，必然会引起动态速降(升)。为了减少动态速降(升)，必须在设计ASR时，要求系统具有较好的抗扰性能指标。对于ACR的设计来说，只要电流环具有良好的跟随性能就可以了。

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电流环Un*+1ASRTonS1_UnUi*UctKSUd0E1RIdIdL+1ACRTsS1+ToiS1_T1S1+Ui __RTmS1nCe ToiS1TonS1图3.8 双闭环调速系统的动态结构图

②抗电网电压扰动

电网电压扰动和负载扰动在系统动态结构图中作用的位置不同，系统对它的动态抗扰效果也不一样。电网电压扰动的作用点则离被调量更远，它的波动先要受到电磁惯性的阻挠后影响到电枢电流，再经过机电惯性的滞后才能反映到转速上来，等到转速反馈产生调节作用，已经嫌晚。在双闭环调速系统中，由于增设了电流内环，这个问题便大有好转。由于电网电压扰动被包围在电流环之内，当电压波动时，可以通过电流反馈得到及时的调节，不必等到影响到转速后才在系统中有所反应。因此，在双闭环调速系统中，由电网电压波动引起的动态速降会比单闭环系统中小的多。

3.3.4 双闭环调速系统中两个调节器的作用 （1） 转速调节器的作用

①使转速n跟随给定电压Un变化，稳态无静差。 ②对负载变化起抗扰作用。

③其饱和输出限幅值作为系统最大电流的给定，起饱和非线性控制作用，以实现系统在最大电流约束下起动过程。

（2） 电流调节器的作用

① 对电网电压波动起及时抗扰作用。 ② 起动时保证获得允许的最大电流。

③ 在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压Ui变化。

④ 当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护作用。如果故障消失，系统能够自动恢复正常。

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4 双闭环调速系统的具体设计说明

4.1 双闭环直流调速系统总体设计方案

（1） 供电方案选择：

变电压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，用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。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。用静止的可控整流器，例如，晶闸管可控整流器，以获得可调直流静止可控整流器又称V-M系电压。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，用恒定直流或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压。受器件各量限制，适用于中、小功率的系统。根据本此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，故采用三相整流电路。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交流器供电方案。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，这是三相桥式整流电路的一大优点。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，选用晶闸管三相全控桥整流电路供电方案。

（2） 总体结构选择

电动机额定电压为220V，为保证供电质量，应采用三相减压变压器将电源电压降低，为避免三次谐波对电源干扰，主变压器采用D/Y联结。

为使线路简单、工作可靠、装置体积小，宜选用KC04组成的六脉冲集成触发电路。 因调速精度要求高，为获得良好的静、动态性能，故选用转速、电流双闭环调速系统，且两个调节器采用PI调节器，电流反馈进行限流保护，出现故障电流时由快速熔断器切断这电路电源。

该双闭环调速系统采用减压调速方案，故励磁应该保持恒定，励磁绕组采用三相不控桥式整流电路供电，电源可从主变压器二次侧引入。

整体电路原理图见附录1。

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转速、电流双闭环调速系统原理框图如图3.2所示。 转速、电流双闭环调速系统原理图如图4.1所示。

图4.1 双闭环调速系统的原理图

ASR—转速环节 ACR—电流环节 TG—测速发电机 TA—电流互感器

UPE—电力电子变换器GT—触发装置 Un/Un—转速给定电压和转速反馈电压

Ui/Ui—电流给定电压和电流反馈电压

转速、电流双闭环调速系统动态结构图如图3.8所示。

4.2 主电路设计与参数计算

4.2.1 主电路原理图

直流调速系统由晶闸管—直流电机组成的主电路部分包括以下几部分：交流电源、晶闸管可控整流器、同步6脉冲触发器、移相控制环节和电动机等。主电路原理图如图4.2所示。

电源接入主回路之前先要接一个空气开关，以保护主回路。再经过整流变压器T降压，电源由380V(AC)变为220V(AC)，再经过各相一个快速熔断器接入晶闸管全桥整流电路。这三个熔断器主要保护晶闸管，作为过电流保护器件。变压器一次侧和二次侧过电压保护均采用阻容吸收保护电路。

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4.2.2 整流变压器的设计

工业供电电压为AC 380V，而电动机的额定电压为220V，所以必须通过降压变压器使之达到系统要求。本设计采用的是直流电机，故还须通过整流电路使之变成连续的直流电压。为避免三次谐波对电源的干扰，整流变压器采用D/Y-11联结的三相全控桥式接法，如图4.3所示：

图4.3 整流变压器三相全控桥式连接图

（1） 变压器二次侧电压U2的计算

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。要比较精确地计算二次相电压必须考虑以下因素：

① 最小控制角min。在一般可逆传动系统的min取3035的范围。

② 电网电压波动。根据规定电网允许波动5%10%，考虑在电网电压最低时要求能保证最大整流输出电压，故通常取波动系数0.9。

mXLIdmUshU2Id③ 变压器漏抗产生的换相压降：Ur 2I2e2④ 晶闸管或整流二极管的正向导通压降U1。 考虑了以上因素后，变压器二次电压的计算公式为：

U2UdmaxnU …………………4.1

AcosminCUshI2/I2N14页

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式中，Udmax—整流电路输出电压最大值；

U—为主电路中电流经过几个串联晶闸管的正向压降；

A—理想情况0时整流电压Ud0与二次电压U2之比，即AUd0U2，三相

桥式整流A为2.34；

C—线路接线方式系数，三相桥式整流C为0.5；

Ush—变压器短路电压比，10100KV·A取Ush0.05，容量越大，Ush也越大；

I2I2N—变压器二次侧实际工作电流与变压器二次侧额定电流之比，应取最大

值。

所以，根据设计要求取min30，U1V，n2，I2I2N1，

UdmaxUN220V,A2.34, C0.5 , Ush0.05 ,代入式4.1得：

U1380电压比K2.97。

U2128（2） 一次侧电流I1和二次侧相电流I2的计算

在可控硅整流电路中，交流侧电流有效值I1与直流侧整流电流Id之间，存在着固定的比例关系，即I1KIId；其中比例系数KI因整流电路而异，例如三相桥式整流电路带大电感负载变压器二次电流有效值I2为：

I21222222Id(Id)Id0.816Id …………………4.2 333由式4.2此可得：KI10.816, KI20.816；

Id取电动机额定电流16.2A，考虑变压器励磁电流和变比K，得：

（3） 变压器容量的计算

一次侧的容量为：S13U1I1……………………………………………………4.3 二次侧的容量为：S23U2I2……………………………………………………4.4 1变压器平均容量：S(S1S2)……………………………………………………4.5

2式中，U1380V，U2128V，I139.23A，I2110.98A； 从上述数据可得变压器参数如下表4.1所示：

表4.1 变压器参数

相数 3

接线

容量

一次侧电压 一次侧电流 二次侧电压 二次侧电流

380 V

39.23A

128V

110.98A

D/Y-11 25.21KVA

4.2.3 晶闸管元件选择

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（1） 晶闸管的额定电压

晶闸管实际承受的最大峰值电压UTM，乘以(2～3)倍的安全裕量，参照标准电压等级，即可确定晶闸管的额定电压UTN，即

UTN(23)UTM …………………………………………4.6

整流电路形式为三相全控桥，而UTM23U26U2，代入式4.6,则 取UTN1000V

（2） 晶闸管的额定电流

选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值ITN大于实际流过管子电流最大有效值IT，即ITN1.57IT(av)IT[8]。

晶闸管电流有效值： ITId30.577Id……………………………………4.7

考虑(1.5～2)倍的裕量，则晶闸管的额定电流：

(1.52)IT(1.52)0.577IdITN0.368Id1.52……………4.8

1.571.57式中，Id取电动机额定电流136A，代入式4.8得： 取ITN100A。故选晶闸管的型号为KP100—10D。 此外，还需注意以下几点：

① 当周围环境温度超过+40C时，应降低元件的额定电流值。 ② 当元件的冷却条件低于标准要求时，也应降低元件的额定电流值。 ③ 关键、重大设备，电流裕量可适当选大些。

4.2.4 电抗器参数的计算

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） 维持输出电流连续的临界电感量L1

L1K1U2 ……………………………………4.9 Idmin式中，K1—与整流电路有关的计算系数，三相全控桥式K1=0.693； U2—变压器二次侧相电压，U2128V；

Idmin—电路所需的最低电流，一般为5%10%Id，在此取5%。

K1U20.69312813.04mH 所以， L1Idmin0.05136（2） 限制输出电流脉动的电感量L2

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L2Udmax/U2U2 …………………………4.10

2fdSiId式中，Udmax—整流电路输出电压最大值；

U2—变压器二次侧相电压，U2128V；

fd—输出最低频率分量的频率值，三相全控桥式电路fd300Hz；

Si—给定的允许电流脉动系数，通常三相整流电路中Si取到5%10%之

间，此处取Si5%；

Id—取电流有效值，即Id136A。 可得： L2Udmax/U2U222012812817.17mH

2fdSiId23.143000.05136（3） 电动机电感量LD

电动机的电感LD可按下式计算：

LD(KDUN103)/(2PnNIN) mH……………………4.11

nN—直流电动机的额定电压、式中：电流与转速，UN、IN、UN220V，IN136A，

nN1460rpm；

P —电动机磁极对数，P2；

KD—计算系数，一般无补偿电动机KD812，快速无补偿电动机KD68，有补偿电动机KD56，此处取KD8。 由此可得： LD(KDUN103)/(2PnNIN)

（4） 变压器的漏感LB

变压器的漏感LB可按下式计算：

LB(KBUshU2)Id mH …………………………4.12

式中：KB—计算系数，三相桥式整流电路KB3.9；

Ush—变压器短路电压比，一般取Ush0.05。

将KB3.9、Ush0.05、U2128V、Id136A代入式4.11可得：

（5） 实际串入电抗器的电感量

输出电流连续的实际临界电感量 限制电流脉动时的实际电感量

取较大者做为串入电抗器的电感量，即Ld14.59mH。

4.2.5 励磁电路

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该双闭环调速系统采用减压调速方案，故励磁应该保持恒定，励磁绕组采用三相不控桥式整流电路供电，电源可从主变压器二次侧引入。励磁电路如图4.4所示。

图4.4 励磁电路

4.2.6 三相桥式全控整流电路

三相桥式整流电路如图4.5所示。

图4.5 三相桥式全控整流电路

三相桥式整流电路中，共阴极组的自然换流点(α=0)在ωt1、ωt3、ωt5时刻，分别触发VT1，VT3，VT5晶闸管，共阳极组的自然换流点(α=0)在ωt2、ωt4、ωt6时刻，分别触发VT2，VT4，VT6晶闸管，两组的自然换流点对应相差60度，电路各自在本组内换流，即VT1—VT3—VT5—VT1……, VT2—VT4—VT6—VT2……，每个管子轮流导通120度。

在ωt1—ωt2期间U相电压较正V相电压较负，在触发脉冲作用下，VT6，VT1管同时导通，电流从U相流出，经VT1—负载—VT6流回V相，负载上得到UV相电压。从ωt2开始U相电压仍保持电位最高，但W 相电压开始比V相更负了，此时脉冲Ug2触发VT2导通，迫使VT6承受反压而关断，负载电流从VT6换到VT2，在ωt2—ωt3期间，电流路径为U相—VT1—负载—VT2—W相，负载上得到UW相电压。在ωt3时刻，由于V相电位比U相高，故触发VT3导通后，能迫使VT1关断，电流从VT1中换到VT3。依次类推，ωt3—ωt4是VW相供电，VT2，VT3导通；ωt4—ωt5期间是VU相供电，VT3，VT4管导通；ωt5—ωt6期间为WU相供电，VT4，VT5管导通，ωt6—ωt7为WV相供电，VT5，VT6管导通，ωt7—ωt8重复UV相供电，VT6，VT1管导通。

对共阴极而言，其输出电压波形是三相电压波形正半周期的包络线，对共阳极而言，是负半周期的包络线。

三相全控桥式整流的输出电压为两组输出电压之和，是相电压正负包络线的面积，其平均直流电压Ud21.17U2。整流后的波形如图4.6所示。

以上的分析说明，整流输出电压Ud的波形在一周内脉动6次，且每次脉动的波形相同，因此在计算其平均值时，只需对一个脉波(即1/6周期) 进行计算即可。此外，以线电压的过零点为时间坐标的零点，于是可得当整流输出电压连续时(即带电阻负载

60)的平均值为：

带电阻负载60时，整流电压平均值为：

2.34U21cos() 图

3三相桥式全控整流电路电压波形图

U2uuuvuw4.6 晶闸管同时导通的是：KP1 KP1 KP3 018页

ωt1ωt2ωt3ωt4ωt5ωt6ωt如有你有帮助，请购买下载，谢谢！

KP3 KP5 KP5

KP6 KP2 KP2 KP4 KP4 KP6

4.2.7 晶闸管触发电路

晶闸管触发电路如图4.7所示。电路由同步变压器提供同步信号Us，变压器提供正负15V的直流电源，同步信号在触发器内经过触发脉冲的生成、放大以后经输出端到晶闸管的门极，当同步触发脉冲来临的时候，晶闸管已经加上了正向压降，所以晶闸管就会在触发脉冲前沿来临后开始导通。

图4.7 晶闸管同步6脉冲触发电路

（1） 电路特性

为晶闸管门极提供触发和电流的电路称为触发电路。触发电路可分为移相触发和过零触发，移相触发是改变晶闸管每周期导通的起始点即控制角，以达到改变输出电压、功率的目的；而过零触发是晶闸管在设定时间间隔内，通过改变导通的周波数来实现电压和功率的控制。本设计采用的是移相触发。

为保证晶闸管装置能可靠地工作，触发电路应满足以下要求：触发信号应有足够的功率(电压与电流)触发电路送出的触发信号是作用于晶闸管门极与阴极的；触发脉冲应有一定的宽度，脉冲前沿尽可能陡，以使元件在触发导通后，阳极电流能迅速上升超过擎住电流而维持导通；触发脉冲必须与晶闸管的阳极电压同步，脉冲移相范围必须满足电路要求。晶闸管门极伏安特性与可靠触发区如图4.8所示。

图4.8 闸管门极伏安特性与可靠触发区

图中的阴影部分为可靠触发区，所有合格元件其触发电流与电压均应落在这个区域。触发电路同时受控制电压和同步电压的控制，控制电压使脉冲在要求范围内移相，同步电压使脉冲和电源电压保持同步，保证每一个周期内控制角恒定，以得到稳定的直流电压。三相桥式全控电路移相范围为0180。

12345678161514131211109（2） 集成触发器

随着晶闸管变流技术的发展，目前已使用KC（KJ）系列集成电路触发器。由于集成触发器的应用，提高了触发工作可靠性，缩小体积，大大简化了触发电路的生产与调试。目前KC系列已发展到11个品种，用于各种移相触发，过零触发，双脉冲形成以及脉冲列调制等场合。基于集成触发电路的各种优点，本次设计就采用了KC04移相集成触发器。KC04

KC04的外部图形如图4.9所示。 图4.9 KC04的外部图形

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其引出管脚顺序由缺口起，按逆时针方向排列。它与分立元件组成的锯齿波同步触发电路一样，由同步信号、锯齿波产生、移相控制、脉冲形成和整形放大输出等环节组成。Pin7和pin8通过R4接同步电压us，在us过零点时，V1、V2、V3均截止，V4饱和导通使积分电容C1放电。同步电压过零点结束后V4恢复截止，积分电容C1接在V5集电极与基极，组成密勒积分。这是一种电容负反馈的锯齿波发生器，在V4截止瞬间，+15V和-15V电源经R10、R6、RP1向电容C1充电，V5集电极电位升高。V5从饱和过渡到放大状态，基极电流减小，集电极电流亦相应下降，使流经C1、R6、RP1的电流基本恒定，V5集电极电位线性增长得到锯齿波电压。RP1是调节锯齿波斜率的电位器。锯齿波电压uc5与偏移电压Ub(-)、控制电压Uc(+)在V6基极并联综合，改变Uc值V6导通时刻随之改动。V7截止时间即为输出脉冲的宽度，由R8、C2值决定。V7集电极每个周期输出相隔180°的两个脉冲，经脉冲选择环节V8和V12分别截去负半周和正半周的脉冲，使pin1输出正相脉冲pin15输出负相脉冲，集成触发电路引脚各点波形如下图所示。Pin13和pin14脚提供脉冲列调制和脉冲封锁控制端。KC04的同步电压可以是任意值，限流电阻R4按下式估算：

R4=同步电压/（1～2）mA=12～24KΩ

本设计取R4为15KΩ。对于不同值的控制电压Uc与偏移电压Ub，只要改变电阻R1、

R2的比例仍可以工作。此触发电路为正极性型电路，即控制电压Uc增加晶闸管输出电压Ud也增加。

KC04移相触发器主要用于单相或三相全控桥式装置，其主要技术数据如下： 电源电压：DC正负15V允许波动正负5% 电源电流：正电流15mA，负电压8mA 移相范围：170（同步电压24V，R4为15KΩ） 脉冲宽度：400μs2ms 脉冲幅值：13V 最大输出能力：100mA

正负半周脉冲相位不均衡：3。

4.3 直流调速系统的保护

晶闸管有换相方便，无噪音的优点。设计晶闸管电路除了正确的选择晶闸管的额定电压、额定电流等参数外，还必须采取必要的过电压、过电流保护措施。正确的保护是晶闸管装置能否正常可靠运行的关键。

4.3.1 过电压保护

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不能从根本上消除过电压的根源，只能设法将过电压的幅值抑制到安全限度之内，这是过电压保护的基思想。抑制过电压的方法不外乎三种：用非先行元件限制过电压的幅度；用电阻消耗产生过电压的能量；用储能元件吸收产生过电压的能量。实用中常视需要在电路的不同部位选用不同的方法，或者在同一部位同时用两种不同保护方法。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。

（1） 交流侧保护

电源变压器初级侧突然拉闸，使变压器的励磁电流突然切断，铁心中的磁通在短时间内变化很大，因而在变压器的次级感应出很高的瞬时过电压，这种过电压可用阻容保护。由于电容两端的电压不能突变，可以限制变压器次级的电压变化率，因而限制了瞬时电压上升的水平。电容器把变压器铁心的磁能转化成电容电能。串联的电阻可以消耗部分能量，并可抑制LC回路的振荡。

①变压器一次侧阻容吸收装置

变压器一次侧阻容吸收电路如图4.10所示。

图4.10 变压器一次侧阻容吸收电路 图4.11 变压器二次侧阻容吸收电路

变压器每相平均容量： 阻容值可用下式计算：

C6i0%SU22(μF)…………………………………………4.13 R2.3(U22S)Uk%i0%() ……………………………4.14 式中, S—变压器每相平均计算容量(VA)

U2—变压器次级相电压有效值(V)

i0%—变压器励磁百分数，10～1000KVA的变压器，对应的i0%104；

Uk%—变压器的短路比，10～1000KVA的变压器，对应的Uk%510。

Ush—变压器短路电压比，100KV·A以下取Ush0.05，容量越大，Ush也越大； 在此取i0%5，Uk%5，代入式4.13 由4.14得：

实取C15μF, R150。 因为，电容C1的耐压值1.5Uc。

Uc是阻容两端在正常工作时交流电压的有效值，Uc380V。

Ic2fUc10-623.145038010-60.12A。

所以，电容C1的耐压值1.5Uc1.5380570V

电阻功率PR1(34)Ic2R140.122502.88W

所以，一次侧阻容装置为5μF，650V，3支，绕线电阻取50，5W，3支。

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② 变压器二次侧阻容吸收装置

三相二次侧保护电路如图4.11所示，为阻容吸收保护电路。变压器二次绕组和阻容保护电路均采用Y连接的方法，它的R、C计算公式为：

1所以， C26i0%SU22(μF) ……………………………………………4.15

3R232.3(U22S)Uk%i0%() ……………………………4.16

代入式4.15得： 代入式4.16得：

实取C21μF，R2125。

取电容C1的耐压值1.5Uc1.53U21.53128332.5V

所以，实取变压器二次侧电容：1μF，450V，3支，电阻为125，5W，3支。

（1） 直流侧过电压保护

以电动机为负载时，变流装置的直流侧也会产生过电压，当直流端设置的快速开关，突然切断过载电流时，电源变压器中储存能量的释放也会产生过电压。虽然交流侧过电压保护可以起到抑制过电压的作用，但过载时变压器所储存能量比空载时要大，这种过电压仍会通过导通的晶闸管反映到直流侧。

压敏电阻是一种非线性电阻，具有正反向相同且很陡的伏安特性，抑制过电压能力强，反应速度快，本身体积小，是目前较好的过电压保护元件，她的主要缺点是：持续的平均功率小。

压敏电阻的额定电压：

U1max(0.80.9)（压敏电阻承受的额定电压峰值）………………4.17

式中，—电网电压升高系数，一般取1.08～1.10；

系数(0.8～0.9)——考虑U1max下降10%而通过压敏电阻仍保持在1mA以下，以及考虑整流装置允许过电压的系数。 代入4.17有：

所以采用的压敏电阻为：MY31—440/3 取3支，额定电压440V，逆流容量3KA。

4.3.2 电流保护

快速熔断器断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的过电流保护措施。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。

熔断器过流保护电路如右下图4.12所示。

（1） 交流侧快速熔断器的选择

变压器二次侧电流I2110.98A

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选取RLS-120快速熔断器，熔体额定电流120A。

（2） 晶闸管串联的快速熔断器的选择

因为II2110.98A

选取RLS-120快速熔断器，熔体额定电流120A。

（3） 电压和电流上升率的限制 图4.12 熔断器过流保护电路

电压上升率dudt：正相电压上升率dudt较大时，会使晶闸管误导通。因此作用于晶闸管的正相电压上升率应有一定的限制。

造成电压上升率dudt过大的原因一般有两点：由电网侵入的过电压；由于晶闸管换相时相当于线电压短路，换相结束后线电压有升高，每一次换相都可能造成dudt过大。

限制dudt过大可在电源输入端串联电感和在晶闸管每个桥臂上串联电感，利用电感的滤波特性，使dudt降低。

电流上升率didt：导通时电流上升率太大，则可能引起门极附近过热，造成晶闸管损坏。因此对晶闸管的电流上升率didt必须有所限制。

产生didt过大的原因，一般有：晶闸管导通时，与晶闸管并联的阻容保护中的电容突然向晶闸管放电；交流电源通过晶闸管向直流侧保护电容充电；直流侧负载突然短路等等。

限制didt，除在阻容保护中选择合适的电阻外，也可采用与限制相同的措施，即在每个桥臂上串联一个电感。

限制dudt和didt的电感，可采用铁心电抗器，L值可偏大些。在容量较小系统中，也可把接晶闸管的导线绕上一定圈数，或在导线上套上一个或几个磁环来代替桥臂电抗器。

所以为了防止dudt和didt，每个桥臂上串联一个14.59mH的电感。

4.4 控制电路设计

在控制系统中如果采用比例积分调节，可使系统稳定，并有足够的稳定裕度，同时还能满足稳态性能，达到消除稳态速差的地步。也就是说，带比例放大器的反馈控制闭环调速系统是有静差的调速系统，采用比例积分调节器的闭环调速系统则是无静差调速系统。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，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的

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恒流过程。

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。两者之间实行嵌套（或称串级）联接，如图3.2所示。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。

设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环地逐步向外扩展。在本节的设计中，先从电流环入手，首先设计好电流调节器，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。

电流反馈系数：0.05VA(10V1.5IN)。 转速反馈系数：0.007Vminr(10VnN)。 转速、电流双闭环控制电路原理图如图4.13所示。

图4.13 转速、电流双闭环控制电路原理图

4.4.1 电流调节器的设计 （1） 确定时间常数

① 整流装置滞后时间常数T0

由下表4.2可知，三相桥式电路的平均失控时间：

表4.2 各种整流电路的平均失控时间（f50Hz）

整流电路形式 单相半波 单相桥式 三相半波

三相桥式，六相半波

② 电流滤波时间常数T0i

平均失控时间Ts/ms 10 5 3.33 1.67

三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤平波头，应有(1～2)

Toi3.33ms，因此取Toi2ms0.002s。

③ 电流环小时间常数Ti

按小时间常数近似处理，取TiTsToi0.0037s。

（2） 选择电流调节器结构

根据设计要求：电流超调量i5%，而且

因此可按典型Ⅰ型系统设计。电流调节器选用PI型，其传递函数为

（3） 选择电流调节器参数

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ACR超前时间常数：iTl0.03s。

电流环开环增益：要求i5%时，应取KITi0.5（见下表4.3），因此

表4.3 典型Ⅰ型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系

参数关系KT 阻尼比ζ 超调量σ% 上升时间tr 相角稳定裕量γ 截止频率ωc

0.25 1.0 0 ∞ 76.3。 0.243/T

0.39 0.8 1.5% 6.67T 69.9。 0.367/T

0.5 0.707 4.3% 4.72T 65.5。 0.455/T

0.69 0.6 9.5% 3.34T 59.2。 0.596/T

1.0 0.5 16.3% 2.41T 51.8。 0.786/T

于是，ACR的比例系数为

（4） 校验近似条件

电流环截止频率ciKI135.11

s① 晶闸管装置传递函数近似条件：ci1 3Ts现在，

11196.11ci，满足近似条件。

s3Ts30.0017s1 TmTl② 忽略反电动势对电流环影响的条件：ci3现在， 3111340.821ci满足近似条件。

sTmTl0.180.03s11 3TsToi③ 小时间常数近似处理条件：ci现在 11111180.81oi

s3TsToi30.00170.002s满足近似条件。

（5） 计算调节器电阻和电容

电流调节器原理图如图4.14所示。

图4.14 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器

按所用运算放大器取R040k，各电阻和电容值计算如下：

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RiKRi01.01340k40.52k，取40k Ci CoiiRi0.03610F0.75F，取0.75F 340104Toi40.002106F0.2F，取0.2F 3R04010按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为：i%4.3%5%(见表4.3)，满足设计要求。

4.4.2 转速调节器的设计 （1） 确定时间常数

① 电流环等效时间常数为2Ti0.0074s。 ② 转速滤波时间常数Ton

根据所用测速发电机纹波情况，取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Tn2TiTon0.0174s

（2） 选择转速调节器结构

由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型Ⅱ型系统设计转速环。故ASR选用PI调节器，其传递函数为：

（3） 选择转速调节器参数

按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h5，则ASR的超前时间常数为 转速环开环增益 于是，ASR的比例系数为：

（4） 校验近似条件

转速环截止频率为：

① 转速环传递函数简化条件： cn现在，

1 5Ti11154.11cn s5Ti50.0037s满足简化条件。

② 小时间常数近似处理条件：cn11 32TiTon现在， 111138.75on

32TiTon320.00370.0126页

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满足近似条件。

（5） 计算调节器电阻和电容

转速调节器原理图如图4.15所示。

图4.15 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器

取R040kΩ，则

RnKnR011.740kΩ468kΩ， 取470kΩ

n0.087 Cn106F0.185F， 取0.2F 3Rn470104Ton40.016Con10F1F， 取1F 3R04010（6） 校核转速超调量

超调量n%(CmaxnnomTn %)2(λz)*CbnTmCmaxIdnomR1360.5r当h5时， %81.2%，而nnom515.2rminminCbCe0.132515.20.0174因此， n81.2%21.58.31%10%

14600.18能满足设计要求。

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5 调速系统的仿真

本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件MATLAB，使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种，一是以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究。另外一种是面向控制系统电气原理结构图，使用Power System工具箱进行调速系统仿真的新方法。本次系统仿真采用前一种方法。

5.1 调速系统仿真模型的建立

转速、电流双闭环直流调速系统的主电路模型主要由交流电源、同步脉冲触发器、晶闸管、平波电抗器、直流电动机等部分组成。转速、电流双闭环系统的控制电路包括：给定环节、ASR、ACR、电流反馈环、速度反馈环等。根据转速、电流双闭环直流调速系统原理图和计算出的相关参数，在MATLAB的模型窗口下建立双闭环直流调速系统的MATLAB/SIMULINK动态仿真模型，如图5.1所示。

图5.1 转速、电流双闭环直流调速系统的仿真模型

5.2 仿真结果

运行仿真模型，得出在额定转速和空载下，起动、制动时输出转速n(t)和内环反馈电流i(t)的波形图，如图5.2和图5.3所示。当突加给定电压时，系统进人起动过程，转速由零迅速增加到最大转速，在系统的调节作用下转速下降至额定转速并继续下降 ，到达一定值后回升，最终达到额定转速。制动过程与起动过程正好相反。

图5.2 起、制动时转速n(t)波形图 图5.3 起、制动时反馈电流i(t)波形图

当发生电网电压扰动时其过程为：电网电压波动——速度变化——负反馈一速度恢复。在双闭环调速系统中，电网电压扰动施加点在电流闭环之内。由于电流调节器的作用，电网电压扰动不必等到转速变化才调节，而是等电流变化后通过电流环进行调节，因此造成的转速通常不是很明显。这表明，对电网电压，电流环有较强的抗扰能力。其波形如图5.4和图5.5所示。

图5.4 电网电压扰动时转速n(t)波形图 图5.5 电网电压扰动时反馈电流i(t)波形图

负载扰动在电流环之外速度环之内，因此负载扰动需要速度环来调节。在突加(减)负载时，必然会引起动态速降(升)。为了减少动态速降(升)，必须在设计速度环时，

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要求系统具有较好的抗扰性能指标。对于电流环的设计来说，只需电流环具有良好的跟随性能。其波形如图5.6和图5.7所示。

图5.6 负载扰动时转速n(t)波形图 图5.7 负载扰动时反馈电流i(t)波形图

5.3 仿真结果分析

从仿真结果可以看出，它非常接近于理论分析的波形。下面分析一下仿真的结果。启动过程的第一阶段是电流上升阶段，突加给定电压，ASR的输入很大，其输出很快达到限幅值，电流也很快上升，接近其最大值。第二阶段，ASR饱和，转速环相当于开环状态，系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统，电流基本上保持不变，拖动系统恒加速，转速线形增长。第三阶段，当转速达到给定值后。转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零，但是由于积分作用，其输出还很大，所以出现超调。转速超调后，ASR输入端出现负偏差电压，使它退出饱和状态，进入线性调节阶段，使转速保持恒定，实际仿真结果基本上反映了这一点。

在MATLAB的模型窗口下对转速电流双闭环系统进行建模和仿真，分析系统输出，得到如下结论：

① 利用转速调节器的饱和特性，使系统保持恒定最大允许电流，在尽可能段的时间内建立转速，在退饱和实现速度的调节和实现系统的无静差特性。

② 由于构成了无静差系统，在负载变换和电网电压波动等扰动情况下，保持系统的恒定输出。

③ 转速电流双闭环系统可以很好的克服负载变化和电网电压波动等扰动情况，特别是电网电压扰动点在电流环内，多数情况可以在电流环内就克服，而不会造成电机转速的波动。

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结 论

本文设计的转速、电流双闭环调速系统能够用PID控制器控制电机的起动和调速。需要用到电力拖动自动控制原理、电力电子技术和自动控制原理等课程的内容，而且要求能够熟练的运用MATLAB这一功能强大的专业软件。在老师的指导、同学的帮助和自己的努力下，我成功的完成了转速、电流双闭环调速系统在MATLAB里面的建模与仿真。完成这一课题进一步强化我的专业知识、提高我的设计能力。并学会了使用MATLAB这一功能强大的软件，能够在其中建模与仿真。

虽然我按照课题要求完成了此次毕业设计，但仍然存在很多问题。在按照工程设计方法设计转速、电流双闭环调速系统的过程中，由于非线性环节线性化处理、近似处理、降阶处理、调节器的饱和非线性等因素导致了工程设计与性能要求有差距。从而，仿真出来的波形超调量过大，抗扰性能不是很理想。所以在系统的仿真过程中，必须经过大量的调试，适当的调整参数，才能得出超调量较低、抗扰性能较好的双闭环调速系统一。

造成系统工程设计方法与仿真实验之间有差距的原因，现总结如下几点: ① 工程设计方法在推导过程中做了许多近似的处理，而这些简化处理在一定的条件下才能成立。

② 仿真实验在建立模型过程中忽略了许多非线性因素和次要因素。

③ 用MATLAB/SIMULINK软件是控制系统的一种功能完善，实现系统控制容易，构造模型简单的强大的动态仿真工具。该方法经济又方便，能大大缩短科研开发的速度，提高开发效率，同时可以尝试不同的控制策略，进行优化设计。

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参考文献

[1] 陈伯时．电力拖动自动控制系统[M]．北京：机械工业出版社，2000.6 [2] 黄坚．自动控制原理及其应用[M]. 北京：高等教育出版社, 2004.1

[3] 黄忠霖．控制系统MATLAB计算及仿真[M]．北京：国防工业出版社，2004.9 [4] 王兆安，黄俊．电力电子技术[M]．北京：机械工业出版社，2000 [5] 顾绳谷．电机及拖动基础[M]．北京：机械工业出版社，2000

[6] 姚建红，戴淞，厉立国．基于Matlab/Simulink的双闭环直流调速系统的设计［J］．佳

木斯大学学报(自然科学版)， 2006.10，24(4)

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致 谢

三年的大学生活即将结束，为期一个学期的毕业设计也接近了尾声。此次毕业设计的完成，凝聚着许多人的关怀和帮助。首先要感谢我敬爱的指导教师李建军教授在学术上的精心指导和严格要求，在思想、学习和生活等各个方面的典范作用，在科研中创造的良好学术气氛，在系统研究和调试过程中给予的及时帮助。这些使我的学业得以顺利完成，并激励着我在今后的人生道路上不断开拓进取，勇往直前。在此，我再一次对李老师的培养和关怀表示诚挚的谢意！

非常感谢老师们，他们不但在大学三年中指导我们学习和生活，而且在完成论文期间给我许多帮助和建议，他们兢兢业业、对工作认真负责的态度为我做出了好的表率，时刻鞭策着我向他们学习。

非常感谢我的同学们，在与他们共同的学习、工作、生活过程中，他们给予了我很大的帮助和建议，开拓了我的思路。我对他们致以真诚的谢意和衷心的祝福！

附 录 1

总的电路原理图如下：

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