程 设 计 说 明 书 课程名称： 电力拖动自动控制系统 设计题目： 转速电流双闭环直流调速系统 院 系： 电子信息与电气工程学院 学生姓名： 学 号： 专业班级： 级自动化班 指导教师： 雷 慧 杰 2012年12 月20 日
课
转速电流双闭环直流调速控制系统
摘 要：为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可以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。二者之间实行嵌套的连接方式：把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，在用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。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。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值不变，使转速线性变化，迅速达到给定值；当系统稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。
关键词：双闭环，直流调速系统，转速调节器，电流调节器
1
目 录
1、设计背景..................................................................................................................................1
1.1设计背景...........................................................................................................................1 1.2转速电流双闭环调速系统简介 ...........................................................................................1 2 设计方案 ...................................................................................................................................2
2.1 方案对比..........................................................................................................................2 2.2 方案论证..........................................................................................................................3 2.3 方案选择..........................................................................................................................3 2.4 设计要求..........................................................................................................................3 3 方案实施 ...................................................................................................................................4
3.1 转速给定电路设计 ...........................................................................................................5
3.2 转速检测电路设计............................................................................................................6 3.3电流检测电路设计............................................................................................................7
3.31 主电路器件的计算与选择 ........................................................................................7 3.32主电路保护环节的设计与计算 ..................................................................................8
3.33电抗器参数计算与选择 .............................................................................................9
4．调速系统控制单元的确定和调整...............................................................................................9
4.1 检测环节..........................................................................................................................9 4.2 调节器的选择与调整 ...................................................................................................... 10
4.3 调节器的限幅................................................................................................................. 14 4.4、系统的给定电源 ........................................................................................................... 15 5.触发电路的设计........................................................................................................................ 16 6．调速系统动态参数的工程设计 ................................................................................................ 16 7、系统仿真................................................................................................................................ 17
7.1 使用普通限幅器进行仿真 ............................................................................................... 17 7.2 积分输出加限幅环节仿真 ............................................................................................... 19 7.3 使用积分带限幅的PI调节器仿真 ................................................................................... 20 心得体会 ..................................................................................................................................... 22 参 考 文 献................................................................................................................................ 23 附件 ............................................................................................................................................ 23
1、设计背景
1.1设计背景
电机自动控制系统广泛应用于机械，钢铁，矿山，冶金，化工，石油，纺织，军工等行业。这些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电机，提高其运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。
20世纪90年代前的大约50年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能实现高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立并且正交，为控制提供了便捷的方式，使得电动机具有优良的起动，制动和调速性能。尽管近年来直流电动机不断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制首选。因为它具有良好的线性特性，优异的控制性能，高效率等优点。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。
本次设计的主要任务就是应用所学的知识对直流调速系统进行设计和控制，设计出能够达到性能指标要求转速、电流双闭环的调节器。
1.2转速电流双闭环调速系统简介
转速电流双闭环调速系统是一种当前应用广泛、经济、实用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这
1
是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。从闭环结构上来看，电流环在里面，称作内环；转速环在外面，称作外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。
2 设计方案
2.1 方案对比
方案一：单闭环直流调速系统
单闭环直流调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统。在电动机轴上装一台测速发电机SF ,引出与转速成正比的电压Uf 与给定电压Ud 比较后,得偏差电压ΔU ,经放大器FD ,产生触发装置CF 的控制电压Uk ,用以控制电动机的转速,如图2.1所示。 图2.1 单闭环直流调速系统
给定电压 放大器 整流触发装置 电动机 负载 速度检测 2.方案二：双闭环直流调速系统
该方案主要由给定环节、ASR、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环；转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成转速环，称为双闭环调速系统。因转速换包围电流环，故称电流环为内环，转速环为外环。在电路中，ASR和ACR串联，即把ASR的输出当做ACR的输入，再由ACR得输出去控制晶闸管整流器的触发器。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具有输入输出限幅功能的PI调节器，且转速和电流都采用负反馈闭环。该方案的原理框图如图2.2所示。 电压 ASR 电流检测 ACR 整流触发装置 电动机 负载