湖南科技大学 信息与电气工程学院
《课程设计报告》
题 目：带电流截止负反馈的转速闭环的数字式可逆 直流调速系统的仿真与设计
专 业：电气工程及其自动 班 级： 姓 名： 学 号：
指导教师： 吴新开
课程设计任务书
题 目 带电流截止负反馈的转速闭环的数字式可逆直流调速系统的仿真与设计 设 计 时 间 17周周一至18周周五 设 计 目 的： 应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。 应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。 在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础 设 计 要 求： 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 应详细叙述控制系统各部件的方案选择 应详细叙述控制系统的设计过程及参数选择的理由. 设计报告应包括控制系统原理图一份(用A3图纸),并附系统工作原理说明. 仿真结果曲线图要有性能分析. 设计报告应有自己的设计感想. 设计报告除应交文字版外,还应递交电子版. 设计报告必须在1月10日前交. 总体方案实现： 1 可控电源选择脉宽调速系统，即采用直流PWM调速系统 2 主电路选用V-M系统，采用三相桥式全控整流电路，并增加抑制电流脉动的措施，为此设置平波电抗器。触发电路采用三相集成触发器。 3 确定整流装置的放大倍数 4 设计电流调节器和转速调节器，确定其参数，调节器结构 5 用protel99se绘制主电路原理图 6 系统的matlab仿真运行，确定系统的仿真模型，转速，电流仿真波形 指导教师评语： 一、设计目的
应用所学的交、直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行运动控制系统的初步设计。
应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立运动控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。
在原理设计与仿真研究的基础上，应用PROTEL进行控制系统的印制板的设计，为毕业设计的综合运用奠定坚实的基础。
二、设计参数
1、直流电动机（1）：
输出功率为:7.5Kw，电枢额定电压220V 电枢额定电流 36A，额定励磁电流2A 额定励磁电压110V，功率因数0.85
电枢电阻0.2欧姆，电枢回路电感100mH
电机机电时间常数2S，电枢允许过载系数1.5 额定转速1430rpm 2、环境条件：
电网额定电压:380/220V，电网电压波动:10% 环境温度:-40~+40摄氏度，环境湿度:10~90% 3、控制系统性能指标：
电流超调量小于等于5%
空载起动到额定转速时的转速超调量小于等于30% 调速范围D＝20，静差率小于等于0.03.
三、系统方案选择
1.可控电源选择
直流电动机具有良好的起制动性能?在广泛范围内可实现平滑调速，在需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。从生产机械要求控制的物理量来看，各种系统往往都通过控制转速来实现的。因而直流调速系统是最基本的拖动控制系统。直流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：
①转电流机组
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。 ②静止可控整流器
可通过调节触发装置的控制电压来移动触发脉冲的相位?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。
③PWM(脉宽调制变换器)或称直流斩波器
利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变平均电压，与V—M系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性：
主电路线路简单，需要的功率器件少，开关频率高；电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；?低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；功率开关器件工作在开关状态，道通损耗小，
当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率高；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流高。因此，本设计应选择脉宽调速，即采用直流PWM调速。
2.转速负反馈的闭环直流调速系统的原理
该系统由转速给定环节为Un*,放大倍数为KP的放大器、移相触发器CF、晶闸管整流器和直流电动机M、测速发电机TG等组成。带转速负反馈的直流调速系统的稳态特性方程为:K=KPKSKa/Ce,KP为放大器放大倍数;KS为晶闸管整流器放大倍数;Ce为电动机电动势常数; 为转速反馈系数;R 为电枢回路总电阻。从稳态特性方程2.10 式可以看到,如果适当增大放大器放大倍数KP电机的转速降△n 将减小,电动机有更好的保持速度稳定的性能。
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 P I 调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于下图。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。
1 电流截止负反馈
为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大问题,系统 中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理,要维持哪一 个物理量基本不变,就应该引入那个物理量的负反馈。那么引入电流 负反馈,应该能够保持电流基本不变,使它不超过允许值。但是这种作
用只应在起动和堵转时存在,在正常运行时又得取消,让电流自由地随着负载增减,这样的当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈叫做电流截止负反馈,简称截流反馈。
为了实现截流反馈,须在系统中引入电流截止负反馈环节。如图1所示,电流反馈信号取自串人电动机电枢回路的小阻值电阻RS,IdRS正比于电流。设Idcr为临界的截止电流,当电流大于Idcr时将电流负反馈信号加到放大器的输入端,当电流小于Idcr时将电流反馈切断。为了实现这一作用,须引入比较电压Ucom。图1a中利用独立的直流电源作比较电压,其大小可用电位器调节,相当于调节截止电流。在IdRS与Ucom之间串接一个二极管VD,当IdRS>Ucom时,二极管导通,电流负反馈信号Ui即可加到放大器上去;当IdRS≤Ucom时,二极管截止,Ui即消失。显然,在这一线路中,截止电流Idcr=Ucom/RS。
图2-1b中利用稳压管 VST的击穿电压Ubr作为比较电压,线路要简单得多,但不能平滑调节截止电流值。
图1 电流截止负反馈环节
图2 电流截止负反馈环节的输入输出特性
图3 带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性
电流截止负反馈环节的输入输出特性如图2所示,它表明:当输入信号(IdRs-Ucom)为正值时,输出和输入相等;当(IdRs-Ucom)为负值时,输出为零。这是一个非线性环节(两段线性环节),将它画在方框中,再和系统的其它部分联接起来,即得带电流截截止负反馈的闭环调速系统稳态结构图4,图中Ui表示电流负反馈信号电压,Un表示转速负反馈信号电压。