双闭环直流调速系统 课程设计
姓 名：
专 业： 动化
班 级：
学 号：
指 导 老 师：
目 录
1 设计目意义 2
2 工作原理 3
21 双闭环直流调速系统组成原理 3
22 双闭环直流调速系统静特性分析 4
23 双闭环直流调速系统稳态结构图 6
24 双闭环直流调速系统数学模型 6
25 调节器具体设计 7
26 速度环设计 9
27 双闭环直流调速系统仿真 11
3 方案设计证 13
4 系统硬件设计 14
41 电路 14
42 控制电路 14
43 驱动电路 14
44 反馈保护电路 15
5 系统调试 16
6 心体会 17
参 考 文 献 18
1 设计目意义
设计直流电动机工作原理入手详细分析系统原理静态动态性然动控制原理双闭环调速系统设计参数进行分析计算利Simulink系统进行种参数定仿真通仿真获参数整定
转速电流双闭环直流调速系统性应广直流调速系统 采转速电流双闭环直流调速系统获优良静动态调速特性转速电流双闭环直流调速系统控制规律性特点设计方法种交直流电力拖动动控制系统重基础应掌握转速电流双闭环直流调速系统基组成静特性起动抗扰两方面分析性转速电流两调节器作应工程设计方法解决双闭环调速系统中两调节器设计问题等等
通转速电流双闭环直流调速系统解够更掌握调速系统基理相关容种性加深解时够发现缺陷处通该系统足处完善提高该系统性够适种工作场合提高效率
2 工作原理
21 双闭环直流调速系统组成原理
图21 双闭环直流调速系统原理图
电动机启动阶段电动机实际转速(电压)低定值速度调节器输入端存偏差信号放输出电压保持限幅值速度调节器工作开环状态速度调节器输出电压作电流定值送入电流调节器 时电流定值电流调节器输出移相信号直流电压迅速升电流增直等定值 电动机电流恒流加速启动电动机电流(堵转电流)通整定速度调节器输出限幅值改变电动机转速升定转速 速度调节器输入端偏差信号减零速度调节器电流调节器退出饱状态闭环调节开始起作负载引起转速波动速度调节器输入端产生偏差信号时通速度调节器电流调节器修正触发器移相电压整流桥输出直流电压相应变化校正补偿电动机转速偏差外电流调节器时间常数 够电网波动引起电动机电枢电流变化进行快速调节电动机转速未发生改变时迅速电流恢复原值速度更稳定某转速运行
22 双闭环直流调速系统静特性分析
分析静特性关键掌握PI调节器稳态特征般存两种状况：饱—输出达限幅值饱—输出未达限幅值调节器饱时输出恒值输入量变化影响输出非反输入信号调节器退出饱换句话说饱 调节器暂时隔断输入输出联系相该调节环开环调节器饱时PI作输入偏差电压ΔU稳态时总零
实际正常运行时电流调节器会达饱状态静特性说转速调节器饱饱两种情况
（1）转速调节器饱
时两调节器饱稳态时输入偏差电压零
（21）
（22）
第关系式：
（23）
图22示静特性曲线CA段时ASR饱知说CA段特性理想空载状态0直延续般额定电流Idn静特性运行段条水特性
（2）转速调节器饱
时ASR输出达限幅值Uim*转速外环呈开环状态转速变化系统产生影响双闭环系统变成电流静差单电流闭环调节系统稳态时：
（24）
中电流取决电动机容许载力拖动系统允许加速度式静特性AB段条垂直特性样垂特性适合情况果ASR退出饱状态
双闭环调速系统静特性负载电流Idm*时表现转速静差时转速负反馈起调节作负载电流达Idm时应转速调节器饱输出Uim*时电流调节器起调节作系统表现电流静差电流动保护采两PI调节器分形成外两闭环效果然实际运算放器开环放系数穷静特性两段实际略静差见图22中虚线
图22 双闭环直流调速系统静特性
23 双闭环直流调速系统稳态结构图
首先画出双闭环直流系统稳态结构图图26示分析双闭环调速系统静特性关键掌握PI调节器稳态特征般存两种状况：饱
——输出达限幅值饱——输出未达限幅值调节器饱时输出恒值输入量变化影响输出相该调节环开环调节器饱时PI作输入偏差电压稳态时总零
图23 双闭环直流调速系统稳态结构框图
实际正常运行时电流调节器会达饱状态静特性说转速调节器饱饱两种情况
24 双闭环直流调速系统数学模型
双闭环控制系统数学模型形式然传递函数零极点模型基础系统动态结构图双闭环直流调速系统动态结构电流调节器传递函数引出电流反馈电动机动态结构框图中必须电枢电流Id显露出
绘制双闭环直流调速系统动态结构框图：
图24双闭环直流调速系统动态结构框图
25 调节器具体设计
设计双闭环直流调速系统整流装置采三相桥式全控整流
电路基数：
1)晶闸装置放系数Ks30
2)电枢回路总电阻R018Ω
3)时间常数：电磁时间常数T10012s
4)机电时间常数Tm012s
5)调节器输入电阻R020Ω
设计指标：
1)静态指标：静差
2)动态指标：电流超调量空载起动额定转速时转速超调量
计算反馈关键参数：
(31)
(32)
（1）确定时间常数
整流装置滞时间常数Ts00022s电流滤波时间常数 Toi0002 s（三相桥式电路波头时间33ms基滤波头应Toi333ms取Toi2ms0002s）时间常数似处理(TsToi般Tl作惯性群似作惯性环节)
（2）选择电流调节器结构
根设计求：≤5
典型Ⅰ型设计电流调节器电流环控制象双惯性型电流调节器设计成PI型
检查电源电压抗扰性
（3）选择电流调节器参数
ACR超前时间常数电流环开环时间增益
(33)
ACR例系数
(34)
（4）校验似条件
电流环截止频率Ki1351S1
1）晶闸装置传递函数似条件：
(35)
(36)
满足似条件
2) 忽略反电动势电流环影响条件：
(37)
(38)
满足似条件
3) 时间常数似处理条件：
(39)
(310)
电流环达动态指标：满足设计求
26 速度环设计
1）确定时间常数
（1）电流环等效时间常数
(311)
（2）转速滤波时间常数Ton0014s
(3)转速环时间常数似处理 (312) 2）选择转速调节器结构
抗扰性较原负载扰动点已积分环节实现转速静差必须扰动作点前设置积分环节需Ⅱ设计求转速调节器必须含积分环节典型Ⅱ型系统—选设计PI调节器典型Ⅱ型系统阶跃输入性指标见附录表三
3）选择调节器参数
(313)
转速开环增益：
(314)
ASR例系数：
(315)
（4）似校验
转速截止频率：
(316)
电流环传递函数简化条件： (317)
（5）检验转速超调量
h5时满足求ASR退饱情况计算超调量
满足设计求
27 双闭环直流调速系统仿真
双闭环直流调速系统电流环仿真图图25示：
图25 双闭环调速系统电流环仿真图
仿真结果：
图26 转速电流曲线
图蓝线电机转速曲线绿线电机电流曲线加电流启动时电流环电机速度提高保持电流时速度环起作转速时间线性变化升饱状态进入稳态运行转速换起作保持转速稳定
3 方案设计证
电路模块原理框图
图31双闭环直流调速系统电路图
电路模块功通PWM变换器调直流电压直流电动机供电检测模块包括转速电流温度检测转速电流检测系统提供转速电流负反馈信号温度检测目保护PWM变换器电机键盘显示报警模块（单片机控制）负责转速定实时显示障声光报警通信模块负责DSPPC间数通信实现系统计算机监控DSP系统整系统核心负责整系统理控制
4 系统硬件设计
41 电路
电动机电源控制电路采桥式整流电路三相电源进行整流整流通IGBT电机电压进行控制利电流互感器电路电流进行电流反馈电流保护电路中电流变更加缓电路中加入波电抗器变流器输出电流Idmin时维持电流连续时电抗器电感量L式计算三相整流桥中K取112L200mH电机电路图41示
图41 电路电路图
42 控制电路
图42转速调节器PI环节电路
运算放器取R040kΩ电阻电容值计算：
(41) （42）
（43）
述参数电流环达动态指标σi45<5满足设计求
43 反馈保护电路
电流反馈流保护电路功检测电源输出电流超某设定值时发出流信号切断控制屁输出电源
电流反馈流保护电路设计思想利电流互感器电机电路中获取电路中电流参数反馈电流调节电路中电路拥电流反馈流保护作电流反馈流保护电路图示
图44 电流反馈流保护电路
RP7滑动抽头端输出作电流反馈信号If端输出电流调节器反馈系数RP7中进行调节流动作电流设定RP8滑动触头位置决定该电路中设流复位电流系统流手动进行复位系统通段时间动复位系统流启动报警装置进行报警
系统调试
双闭环逆PWM直流调速系统进行实验验证键盘系统输入定转速值 通系统调节控制 电机实际转速进行测量 实际测转速显示LED显示器稳态时 较定值实测值 结果表51示
表51 实验结果表
设定值（转分）
200
500
1000
15000
2000
2500
3000
3500
测量值（转分）
182
487
993
1506
1996
2498
3002
3499
利MATLAB软件仿真结果图51示
图51 双闭环逆直流脉宽调速系统仿真结果
5 心体会
通次课程设计课知识更加深入解通实践加深理知识解更加懂合作珍贵性
课程设计题目时进行明细分工形成张凯组长责制度首先组课程设计作初步探讨制订简略方案接起图书馆查阅书籍网搜集资料然整理分析结合学知识制订具体方案讨程中组成员积极提供观点齐心协力
次课程设计中收获喜悦遭受挫折合作终解决遇问题感高兴信心倍增暂时没想解决方法时历情绪低落时候没气馁齐心协力终利完成次课程设计
感谢指导老师没帮助法利完成务谢谢
参 考 文 献
[1] 阮毅陈维钧 运动控制系统 清华学出版社2002
[2] 陈伯时 电力拖动动控制系统（第2版） 机械工业出版1991
[3] 陈伯时陈敏逊 交流调速系统 机械工业出版社1997
[4] 胡崇岳 现代交流调速技术 机械工业出版社2001
[5] 李友善 动控制原理北京：国防工业出版社1981
[6] 周渊深 交直流调速系统MATLAB仿真北京：中国电力出版社2004
[7] 陈国呈编著 PWM变频调速软件开关电力交换技术北京：机械工业出版社2001
[8] 陈伯时 双闭环调速系统工业设计（讲座）冶金动化1983（1）
[9] 赖寿宏 微型计算机控制技术北京：机械工业出版社1999
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双闭环直流调速系统 课程设计
姓 名：
专 业： 动化
班 级：
学 号：
指 导 老 师：
目 录
1 设计目意义 2
2 工作原理 3
21 双闭环直流调速系统组成原理 3
22 双闭环直流调速系统静特性分析 4
23 双闭环直流调速系统稳态结构图 6
24 双闭环直流调速系统数学模型 6
25 调节器具体设计 7
26 速度环设计 9
27 双闭环直流调速系统仿真 11
3 方案设计证 13
4 系统硬件设计 14
41 电路 14
42 控制电路 14
43 驱动电路 14
44 反馈保护电路 15
5 系统调试 16
6 心体会 17
参 考 文 献 18
1 设计目意义
设计直流电动机工作原理入手详细分析系统原理静态动态性然动控制原理双闭环调速系统设计参数进行分析计算利Simulink系统进行种参数定仿真通仿真获参数整定
转速电流双闭环直流调速系统性应广直流调速系统 采转速电流双闭环直流调速系统获优良静动态调速特性转速电流双闭环直流调速系统控制规律性特点设计方法种交直流电力拖动动控制系统重基础应掌握转速电流双闭环直流调速系统基组成静特性起动抗扰两方面分析性转速电流两调节器作应工程设计方法解决双闭环调速系统中两调节器设计问题等等
通转速电流双闭环直流调速系统解够更掌握调速系统基理相关容种性加深解时够发现缺陷处通该系统足处完善提高该系统性够适种工作场合提高效率
2 工作原理
21 双闭环直流调速系统组成原理
图21 双闭环直流调速系统原理图
电动机启动阶段电动机实际转速(电压)低定值速度调节器输入端存偏差信号放输出电压保持限幅值速度调节器工作开环状态速度调节器输出电压作电流定值送入电流调节器 时电流定值电流调节器输出移相信号直流电压迅速升电流增直等定值 电动机电流恒流加速启动电动机电流(堵转电流)通整定速度调节器输出限幅值改变电动机转速升定转速 速度调节器输入端偏差信号减零速度调节器电流调节器退出饱状态闭环调节开始起作负载引起转速波动速度调节器输入端产生偏差信号时通速度调节器电流调节器修正触发器移相电压整流桥输出直流电压相应变化校正补偿电动机转速偏差外电流调节器时间常数 够电网波动引起电动机电枢电流变化进行快速调节电动机转速未发生改变时迅速电流恢复原值速度更稳定某转速运行
22 双闭环直流调速系统静特性分析
分析静特性关键掌握PI调节器稳态特征般存两种状况：饱—输出达限幅值饱—输出未达限幅值调节器饱时输出恒值输入量变化影响输出非反输入信号调节器退出饱换句话说饱 调节器暂时隔断输入输出联系相该调节环开环调节器饱时PI作输入偏差电压ΔU稳态时总零
实际正常运行时电流调节器会达饱状态静特性说转速调节器饱饱两种情况
（1）转速调节器饱
时两调节器饱稳态时输入偏差电压零
（21）
（22）
第关系式：
（23）
图22示静特性曲线CA段时ASR饱知说CA段特性理想空载状态0直延续般额定电流Idn静特性运行段条水特性
（2）转速调节器饱
时ASR输出达限幅值Uim*转速外环呈开环状态转速变化系统产生影响双闭环系统变成电流静差单电流闭环调节系统稳态时：
（24）
中电流取决电动机容许载力拖动系统允许加速度式静特性AB段条垂直特性样垂特性适合情况果ASR退出饱状态
双闭环调速系统静特性负载电流Idm*时表现转速静差时转速负反馈起调节作负载电流达Idm时应转速调节器饱输出Uim*时电流调节器起调节作系统表现电流静差电流动保护采两PI调节器分形成外两闭环效果然实际运算放器开环放系数穷静特性两段实际略静差见图22中虚线
图22 双闭环直流调速系统静特性
23 双闭环直流调速系统稳态结构图
首先画出双闭环直流系统稳态结构图图26示分析双闭环调速系统静特性关键掌握PI调节器稳态特征般存两种状况：饱
——输出达限幅值饱——输出未达限幅值调节器饱时输出恒值输入量变化影响输出相该调节环开环调节器饱时PI作输入偏差电压稳态时总零
图23 双闭环直流调速系统稳态结构框图
实际正常运行时电流调节器会达饱状态静特性说转速调节器饱饱两种情况
24 双闭环直流调速系统数学模型
双闭环控制系统数学模型形式然传递函数零极点模型基础系统动态结构图双闭环直流调速系统动态结构电流调节器传递函数引出电流反馈电动机动态结构框图中必须电枢电流Id显露出
绘制双闭环直流调速系统动态结构框图：
图24双闭环直流调速系统动态结构框图
25 调节器具体设计
设计双闭环直流调速系统整流装置采三相桥式全控整流
电路基数：
1)晶闸装置放系数Ks30
2)电枢回路总电阻R018Ω
3)时间常数：电磁时间常数T10012s
4)机电时间常数Tm012s
5)调节器输入电阻R020Ω
设计指标：
1)静态指标：静差
2)动态指标：电流超调量空载起动额定转速时转速超调量
计算反馈关键参数：
(31)
(32)
（1）确定时间常数
整流装置滞时间常数Ts00022s电流滤波时间常数 Toi0002 s（三相桥式电路波头时间33ms基滤波头应Toi333ms取Toi2ms0002s）时间常数似处理(TsToi般Tl作惯性群似作惯性环节)
（2）选择电流调节器结构
根设计求：≤5
典型Ⅰ型设计电流调节器电流环控制象双惯性型电流调节器设计成PI型
检查电源电压抗扰性
（3）选择电流调节器参数
ACR超前时间常数电流环开环时间增益
(33)
ACR例系数
(34)
（4）校验似条件
电流环截止频率Ki1351S1
1）晶闸装置传递函数似条件：
(35)
(36)
满足似条件
2) 忽略反电动势电流环影响条件：
(37)
(38)
满足似条件
3) 时间常数似处理条件：
(39)
(310)
电流环达动态指标：满足设计求
26 速度环设计
1）确定时间常数
（1）电流环等效时间常数
(311)
（2）转速滤波时间常数Ton0014s
(3)转速环时间常数似处理 (312) 2）选择转速调节器结构
抗扰性较原负载扰动点已积分环节实现转速静差必须扰动作点前设置积分环节需Ⅱ设计求转速调节器必须含积分环节典型Ⅱ型系统—选设计PI调节器典型Ⅱ型系统阶跃输入性指标见附录表三
3）选择调节器参数
(313)
转速开环增益：
(314)
ASR例系数：
(315)
（4）似校验
转速截止频率：
(316)
电流环传递函数简化条件： (317)
（5）检验转速超调量
h5时满足求ASR退饱情况计算超调量
满足设计求
27 双闭环直流调速系统仿真
双闭环直流调速系统电流环仿真图图25示：
图25 双闭环调速系统电流环仿真图
仿真结果：
图26 转速电流曲线
图蓝线电机转速曲线绿线电机电流曲线加电流启动时电流环电机速度提高保持电流时速度环起作转速时间线性变化升饱状态进入稳态运行转速换起作保持转速稳定
3 方案设计证
电路模块原理框图
图31双闭环直流调速系统电路图
电路模块功通PWM变换器调直流电压直流电动机供电检测模块包括转速电流温度检测转速电流检测系统提供转速电流负反馈信号温度检测目保护PWM变换器电机键盘显示报警模块（单片机控制）负责转速定实时显示障声光报警通信模块负责DSPPC间数通信实现系统计算机监控DSP系统整系统核心负责整系统理控制
4 系统硬件设计
41 电路
电动机电源控制电路采桥式整流电路三相电源进行整流整流通IGBT电机电压进行控制利电流互感器电路电流进行电流反馈电流保护电路中电流变更加缓电路中加入波电抗器变流器输出电流Idmin时维持电流连续时电抗器电感量L式计算三相整流桥中K取112L200mH电机电路图41示
图41 电路电路图
42 控制电路
图42转速调节器PI环节电路
运算放器取R040kΩ电阻电容值计算：
(41) （42）
（43）
述参数电流环达动态指标σi45<5满足设计求
43 反馈保护电路
电流反馈流保护电路功检测电源输出电流超某设定值时发出流信号切断控制屁输出电源
电流反馈流保护电路设计思想利电流互感器电机电路中获取电路中电流参数反馈电流调节电路中电路拥电流反馈流保护作电流反馈流保护电路图示
图44 电流反馈流保护电路
RP7滑动抽头端输出作电流反馈信号If端输出电流调节器反馈系数RP7中进行调节流动作电流设定RP8滑动触头位置决定该电路中设流复位电流系统流手动进行复位系统通段时间动复位系统流启动报警装置进行报警
系统调试
双闭环逆PWM直流调速系统进行实验验证键盘系统输入定转速值 通系统调节控制 电机实际转速进行测量 实际测转速显示LED显示器稳态时 较定值实测值 结果表51示
表51 实验结果表
设定值（转分）
200
500
1000
15000
2000
2500
3000
3500
测量值（转分）
182
487
993
1506
1996
2498
3002
3499
利MATLAB软件仿真结果图51示
图51 双闭环逆直流脉宽调速系统仿真结果
5 心体会
通次课程设计课知识更加深入解通实践加深理知识解更加懂合作珍贵性
课程设计题目时进行明细分工形成张凯组长责制度首先组课程设计作初步探讨制订简略方案接起图书馆查阅书籍网搜集资料然整理分析结合学知识制订具体方案讨程中组成员积极提供观点齐心协力
次课程设计中收获喜悦遭受挫折合作终解决遇问题感高兴信心倍增暂时没想解决方法时历情绪低落时候没气馁齐心协力终利完成次课程设计
感谢指导老师没帮助法利完成务谢谢
参 考 文 献
[1] 阮毅陈维钧 运动控制系统 清华学出版社2002
[2] 陈伯时 电力拖动动控制系统（第2版） 机械工业出版1991
[3] 陈伯时陈敏逊 交流调速系统 机械工业出版社1997
[4] 胡崇岳 现代交流调速技术 机械工业出版社2001
[5] 李友善 动控制原理北京：国防工业出版社1981
[6] 周渊深 交直流调速系统MATLAB仿真北京：中国电力出版社2004
[7] 陈国呈编著 PWM变频调速软件开关电力交换技术北京：机械工业出版社2001
[8] 陈伯时 双闭环调速系统工业设计（讲座）冶金动化1983（1）
[9] 赖寿宏 微型计算机控制技术北京：机械工业出版社1999
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