课程设计务书
题 目
带电流截负反馈转速闭环数字式直流调速系统
设 计 时 间
18周周四~20周周三
设 计 目 ：
应学交直流调速系统基知识工程设计方法结合生产实际确定系统性指标实现方案进行运动控制系统初步设计
应计算机仿真技术通MATLAB软件建立运动控制系统数学模型控制系统进行性仿真研究掌握系统参数系统性影响
原理设计仿真研究基础应PROTEL进行控制系统印制板设计毕业设计综合运奠定坚实基础
设 计 求：
1 应详细叙述控制系统部件方案选择
2 应详细叙述控制系统设计程参数选择理
3 设计报告应包括控制系统原理图份(A3图纸)附系统工作原理说明
4 仿真结果曲线图性分析
5 设计报告应设计感想
6 设计报告应交文字版外应递交电子版
7 设计报告必须1月10日前交
总体方案实现：
1 控电源选择脉宽调速系统采直流PWM调速系统
2 电路选VM系统采三相桥式全控整流电路增加抑制电流脉动措施设置波电抗器触发电路采三相集成触发器
3 确定整流装置放倍数
4 设计电流调节器转速调节器确定参数调节器结构
5 protel99se绘制电路原理图
6 系统matlab仿真运行确定系统仿真模型转速电流仿真波形
指导教师评语：
设计目
应学交直流调速系统基知识工程设计方法结合生产实际确定系统性指标实现方案进行运动控制系统初步设计
应计算机仿真技术通MATLAB软件建立运动控制系统数学模型控制系统进行性仿真研究掌握系统参数系统性影响
原理设计仿真研究基础应PROTEL进行控制系统印制板设计毕业设计综合运奠定坚实基础
二设计参数
1直流电动机（4）：
输出功率10Kw电枢额定电压220V
电枢额定电流 55A额定励磁电流1A
额定励磁电压220V功率数085
电枢电阻01欧姆电枢回路电感100mH
电机机电时间常数1S电枢允许载系数15
额定转速1430rpm
2环境条件：
电网额定电压380220V电网电压波动10
环境温度40~+40摄氏度环境湿度10~90
3控制系统性指标：
电流超调量等5
空载起动额定转速时转速超调量等30
调速范围D＝20静差率等003
三系统方案选择
1控电源选择
直流电动机具良起制动性广泛范围实现滑调速需高性控电力拖动领域中广泛应生产机械求控制物理量种系统通控制转速实现直流调速系统基拖动控制系统直流变电压调速直流调速系统方法调节电枢供电电压需控制电源通常3种：
①转电流机组
适调速求高求逆运行系统设备体积费高效率低
②静止控整流器
通调节触发装置控制电压移动触发脉相位实现滑调速控制作快速性提高系统动态性
③PWM(脉宽调制变换器)称直流斩波器
利直流斩波器脉宽调制变换器产生变均电压V—M系统相PWM系统方面较优越性：
电路线路简单需功率器件少开关频率高电流容易连续谐波少电机损耗发热较低速性稳速精度高调速范围宽快速响应电动机配合系统频带宽动态响应快动态抗扰力强功率开关器件工作开关状态道通损耗开关频率适时开关损耗装置效率高直流电源采控整流时电网功率数相控整流高设计应选择脉宽调速采直流PWM调速
2转速负反馈闭环直流调速系统原理
该系统转速定环节Un*放倍数KP放器移相触发器CF晶闸整流器直流电动机M测速发电机TG等组成带转速负反馈直流调速系统稳态特性方程KKPKSKaCeKP放器放倍数KS晶闸整流器放倍数Ce电动机电动势常数 转速反馈系数R 电枢回路总电阻稳态特性方程210 式果适增放器放倍数KP电机转速降△n 减电动机更保持速度稳定性
获良静动态性转速电流两调节器般采 P I 调节器样构成双闭环直流调速系统电路原理图示图图中标出两调节器输入输出电压实际极性电力电子变换器控制电压Uc正电压情况标出考虑运算放器倒相作
1 电流截止负反馈
解决反馈闭环调速系统起动堵转时电流问题系统
中必须动限制电枢电流环节根反馈控制原理维持
物理量基变应该引入物理量负反馈引入电流
负反馈应该够保持电流基变超允许值种作
应起动堵转时存正常运行时取消电流着负载增减样电流定程度时出现电流负反馈做电流截止负反馈简称截流反馈
实现截流反馈须系统中引入电流截止负反馈环节图1示电流反馈信号取串电动机电枢回路阻值电阻RSIdRS正电流设Idcr界截止电流电流Idcr时电流负反馈信号加放器输入端电流Idcr时电流反馈切断实现作须引入较电压Ucom图1a中利独立直流电源作较电压电位器调节相调节截止电流IdRSUcom间串接二极VDIdRS>Ucom时二极导通电流负反馈信号Ui加放器IdRS≤Ucom时二极截止Ui消失显然线路中截止电流IdcrUcomRS
图21b中利稳压 VST击穿电压Ubr作较电压线路简单滑调节截止电流值
图1 电流截止负反馈环节
图2 电流截止负反馈环节输入输出特性
图3 带电流截止负反馈闭环调速系统静特性
电流截止负反馈环节输入输出特性图2示表明输入信号(IdRsUcom)正值时输出输入相等(IdRsUcom)负值时输出零非线性环节(两段线性环节)画方框中系统部分联接起带电流截截止负反馈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
图4 带电流截止负反馈闭环调速系统稳态结构图
2双闭环直流调速系统
双闭环（转速环电流环）直流调速系统种前应广泛济适电力传动系统具动态响应快抗干扰力强优点知道反馈闭环控制系统具良抗扰性反馈环前通道切扰动作效加抑制采转速负反馈PI调节器单闭环调速系统保证系统稳定条件实现转速静差果系统动态性求较高例求起制动突加负载动态速降等等单闭环系统难满足求单闭环系统中完全需控制动态程电流转矩
单闭环系统中电流截止负反馈环节专门控制电流超界电流值强烈负反馈作限制电流击理想控制电流动态波形带电流截止负反馈单闭环调速系统起动时电流转速波形图5a示电流值降低电机转矩减加速程必然拖长
实际工作中希电机电流（转矩）受限条件充分利电机允许载力渡程中始终保持电流（转矩）允许值电力拖动系统加速度起动达稳定转速电流立降转矩马负载相衡转入稳态运行样理想起动程波形图5b示时启动电流成方波形转速线性增长电流（转矩）受限条件调速系统快起动程
带电流截止负反馈单闭环调速系统启动程
理想快速启动程
图5 调速系统启动程电流转速波形
实际电路电感作电流突跳实现允许条件快启动关键获段电流保持值恒流程反馈控制规律采某物理量负反馈保持该量基变[1]采电流负反馈似恒流程问题希启动程中电流负反馈转速负反馈时加调节器输入端达稳态转速希转速负反馈电流负反馈发挥作采双闭环调速系统样做存转速电流两种负反馈作作阶段
实现转速电流两种负反馈分起作系统中设置两调节器分调节转速电流二者间实行串级连接图22示转速调节器输出作电流调节器输入电流调节器输出控制晶闸整流器触发装置闭环结构电流调节环里面做环转速环外面做外环样形成转速电流双闭环调速系统
该双闭环调速系统两调节器ASRACR般采PI调节器PI调节器作校正装置保证系统稳态精度系统稳态运行时静差调速提高系统稳定性作控制器时兼顾快速响应消静差两方面求般调速系统求稳准采PI调节器便保证系统获良静态动态性
三 电路设计
1 电路控制系统确定
电路选VM系统采三相桥式全控整流电路增加抑制电流脉动措施设置波电抗器总电感量计算公式
L0693U2Idmin般取Idmin电动机额定电压510触发电路采三相集成触发器
图 晶闸控整流器供电直流调速系统（VM系统）
图 双闭环直流调速系统电路原理图
2 确定整流装置放倍数
1) 满足调速系统稳态性指标额定负载时稳态速降：
2）闭环系统应开环放系数：
电动机电动势系数：
开环系统额定速降：
闭环系统开环放系数应：
3）计算转速负反馈环节反馈系数参数
转速反馈系数α包含测速发电机电动势系数Cetg输出电位器RP2分压系数α2αα2Cetg
根测速发电机额定数：
试取α2015测速发电机电动机直接连接电动机高转速970rmin时转速反馈电压
稳态时略现直流稳压电源15V完全够满足定电压需取015正确
转速负反馈系数计算结果：
电位器RP2选择方法：测速发电机电枢电压降转速检测信号线性度没显著影响取测速发电机输出高电压时电流约额定值20
时RP2消耗功率：
致电位器温度高实选电位器瓦数应消耗功率倍RP2选10w2kΩ调电位器
4）计算运算放器放系数参数
根调速指标求前已求出闭环系数应K1656运算放器放系数Kp应
取Kp65
运算放器参数计算：
根运算放器型号取
晶闸触发整流装置：三相桥式控整流电路整流变压器YY联结二次线电压电压放系数
1 电流调节器设计
1） 确定时间常数
A 整流装置滞时间常数三相桥式电路均失控时间00017s
B 机电时间常数电磁时间常数
C 电流滤波时间常数三相桥式电路波头时间33ms基滤波头应取2ms0002s
D 电流环时间常数时间常数似处理取+00037s
2） 选择电流调节器结构
根设计求电流超调量保证稳态电流差典型I型系统设计电流调节器电流环控制象双惯性型PI型电流调节器传递函数
检查电源电压抗扰性：参典型I型系统动态抗扰性项指标接受
3） 计算电流调节器参数
电流调节器超前时间常数
电流环开环增益：求时应取
ACR例系数
电流反馈系数
4) 校验似条件
电流环截止频率：
A 晶闸整流装置传递函数似条件
满足似条件
B 忽略反电动势变化电流环动态影响条件
满足似条件
C 电流环时间常数似处理条件
满足似条件
5） 计算调节器电阻电容
运算放器取电阻电容值
取20
述参数电流环达动态性指标满足设计求
2 转速调节器设计
1） 确定时间常数
［1］ 电流环等效时间常数1已取
［2］ 转速滤波时间常数根测速发电机纹波情况取001s
［3］ 转速环时间常数时间常数似处理取
2） 选择转速调节器结构
设计求选PI调节器传递函数
3） 计算转速调节器参数
抗扰性较原取h5ASR超前
时间常数
转速开环增益
ASR例系数
4） 检验似条件
转速环截止频率
A 电流环传递函数简化条件
满足似条件
B 转速环时间常数似处理条件
满足似条件
5） 计算调节器电阻电容
取
6） 校核转速超调量
h5时满足设计求实际
表中线性系统计算突加阶跃定时ASR饱符合线性系统前提应该ASR退饱情况重新计算超调量
已知
Ce015Vminrh5时查表
代入式
满足设计求
六系统MATLAB仿真
1系统仿真模型
2 转速仿真波形
3 电流仿真波形
七心体会
文转速闭环直流电机调速系统进行分析MATLABSIMULINK 建立起仿真图进行仿真介绍转速负反馈闭环直流调速系统原理 完成转速闭环调速系统优点建立原理框图仿真图建立仿真图MATLAB软件里面仿真出直流电动机物理量波形波形进行分析出转速负反馈闭环调速系统优点足文具强理实际意义
通次设计加强单片机应知识掌握时解目前工业生产中数字化系统重性巩固专业课知识受益匪浅总通次设计仅进步强化专业知识掌握设计系统方法步骤等工作学坚实基础
课程设计专业课程知识综合应实践训练迈社会事职业工作前必少程．千里行始足通次课程设计深深体会句千古名言真正含义．天认真进行课程设计学会脚踏实迈开步明天稳健社会潮中奔跑坚实基础．
八参考文献
[1]陈伯石电力拖动动控制系统[M]机械工业出版社北京2003
[2]顾绳谷电机拖动基础册[M]机械工业出版社北京2000
[3]陈治明电力电子器件[M]机械工业出版社北京1992
[4]王兆安电力电子变流技术[M]机械工业出版社北京2003
[5]张明勋电力电子设备应手册[M]机械工业出版社北京1992
[6]顾绳谷电机拖动基础册[M]机械工业出版社北京2000
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题 目
带电流截负反馈转速闭环数字式直流调速系统
设 计 时 间
18周周四~20周周三
设 计 目 ：
应学交直流调速系统基知识工程设计方法结合生产实际确定系统性指标实现方案进行运动控制系统初步设计
应计算机仿真技术通MATLAB软件建立运动控制系统数学模型控制系统进行性仿真研究掌握系统参数系统性影响
原理设计仿真研究基础应PROTEL进行控制系统印制板设计毕业设计综合运奠定坚实基础
设 计 求：
1 应详细叙述控制系统部件方案选择
2 应详细叙述控制系统设计程参数选择理
3 设计报告应包括控制系统原理图份(A3图纸)附系统工作原理说明
4 仿真结果曲线图性分析
5 设计报告应设计感想
6 设计报告应交文字版外应递交电子版
7 设计报告必须1月10日前交
总体方案实现：
1 控电源选择脉宽调速系统采直流PWM调速系统
2 电路选VM系统采三相桥式全控整流电路增加抑制电流脉动措施设置波电抗器触发电路采三相集成触发器
3 确定整流装置放倍数
4 设计电流调节器转速调节器确定参数调节器结构
5 protel99se绘制电路原理图
6 系统matlab仿真运行确定系统仿真模型转速电流仿真波形
指导教师评语：
设计目
应学交直流调速系统基知识工程设计方法结合生产实际确定系统性指标实现方案进行运动控制系统初步设计
应计算机仿真技术通MATLAB软件建立运动控制系统数学模型控制系统进行性仿真研究掌握系统参数系统性影响
原理设计仿真研究基础应PROTEL进行控制系统印制板设计毕业设计综合运奠定坚实基础
二设计参数
1直流电动机（4）：
输出功率10Kw电枢额定电压220V
电枢额定电流 55A额定励磁电流1A
额定励磁电压220V功率数085
电枢电阻01欧姆电枢回路电感100mH
电机机电时间常数1S电枢允许载系数15
额定转速1430rpm
2环境条件：
电网额定电压380220V电网电压波动10
环境温度40~+40摄氏度环境湿度10~90
3控制系统性指标：
电流超调量等5
空载起动额定转速时转速超调量等30
调速范围D＝20静差率等003
三系统方案选择
1控电源选择
直流电动机具良起制动性广泛范围实现滑调速需高性控电力拖动领域中广泛应生产机械求控制物理量种系统通控制转速实现直流调速系统基拖动控制系统直流变电压调速直流调速系统方法调节电枢供电电压需控制电源通常3种：
①转电流机组
适调速求高求逆运行系统设备体积费高效率低
②静止控整流器
通调节触发装置控制电压移动触发脉相位实现滑调速控制作快速性提高系统动态性
③PWM(脉宽调制变换器)称直流斩波器
利直流斩波器脉宽调制变换器产生变均电压V—M系统相PWM系统方面较优越性：
电路线路简单需功率器件少开关频率高电流容易连续谐波少电机损耗发热较低速性稳速精度高调速范围宽快速响应电动机配合系统频带宽动态响应快动态抗扰力强功率开关器件工作开关状态道通损耗开关频率适时开关损耗装置效率高直流电源采控整流时电网功率数相控整流高设计应选择脉宽调速采直流PWM调速
2转速负反馈闭环直流调速系统原理
该系统转速定环节Un*放倍数KP放器移相触发器CF晶闸整流器直流电动机M测速发电机TG等组成带转速负反馈直流调速系统稳态特性方程KKPKSKaCeKP放器放倍数KS晶闸整流器放倍数Ce电动机电动势常数 转速反馈系数R 电枢回路总电阻稳态特性方程210 式果适增放器放倍数KP电机转速降△n 减电动机更保持速度稳定性
获良静动态性转速电流两调节器般采 P I 调节器样构成双闭环直流调速系统电路原理图示图图中标出两调节器输入输出电压实际极性电力电子变换器控制电压Uc正电压情况标出考虑运算放器倒相作
1 电流截止负反馈
解决反馈闭环调速系统起动堵转时电流问题系统
中必须动限制电枢电流环节根反馈控制原理维持
物理量基变应该引入物理量负反馈引入电流
负反馈应该够保持电流基变超允许值种作
应起动堵转时存正常运行时取消电流着负载增减样电流定程度时出现电流负反馈做电流截止负反馈简称截流反馈
实现截流反馈须系统中引入电流截止负反馈环节图1示电流反馈信号取串电动机电枢回路阻值电阻RSIdRS正电流设Idcr界截止电流电流Idcr时电流负反馈信号加放器输入端电流Idcr时电流反馈切断实现作须引入较电压Ucom图1a中利独立直流电源作较电压电位器调节相调节截止电流IdRSUcom间串接二极VDIdRS>Ucom时二极导通电流负反馈信号Ui加放器IdRS≤Ucom时二极截止Ui消失显然线路中截止电流IdcrUcomRS
图21b中利稳压 VST击穿电压Ubr作较电压线路简单滑调节截止电流值
图1 电流截止负反馈环节
图2 电流截止负反馈环节输入输出特性
图3 带电流截止负反馈闭环调速系统静特性
电流截止负反馈环节输入输出特性图2示表明输入信号(IdRsUcom)正值时输出输入相等(IdRsUcom)负值时输出零非线性环节(两段线性环节)画方框中系统部分联接起带电流截截止负反馈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
图4 带电流截止负反馈闭环调速系统稳态结构图
2双闭环直流调速系统
双闭环（转速环电流环）直流调速系统种前应广泛济适电力传动系统具动态响应快抗干扰力强优点知道反馈闭环控制系统具良抗扰性反馈环前通道切扰动作效加抑制采转速负反馈PI调节器单闭环调速系统保证系统稳定条件实现转速静差果系统动态性求较高例求起制动突加负载动态速降等等单闭环系统难满足求单闭环系统中完全需控制动态程电流转矩
单闭环系统中电流截止负反馈环节专门控制电流超界电流值强烈负反馈作限制电流击理想控制电流动态波形带电流截止负反馈单闭环调速系统起动时电流转速波形图5a示电流值降低电机转矩减加速程必然拖长
实际工作中希电机电流（转矩）受限条件充分利电机允许载力渡程中始终保持电流（转矩）允许值电力拖动系统加速度起动达稳定转速电流立降转矩马负载相衡转入稳态运行样理想起动程波形图5b示时启动电流成方波形转速线性增长电流（转矩）受限条件调速系统快起动程
带电流截止负反馈单闭环调速系统启动程
理想快速启动程
图5 调速系统启动程电流转速波形
实际电路电感作电流突跳实现允许条件快启动关键获段电流保持值恒流程反馈控制规律采某物理量负反馈保持该量基变[1]采电流负反馈似恒流程问题希启动程中电流负反馈转速负反馈时加调节器输入端达稳态转速希转速负反馈电流负反馈发挥作采双闭环调速系统样做存转速电流两种负反馈作作阶段
实现转速电流两种负反馈分起作系统中设置两调节器分调节转速电流二者间实行串级连接图22示转速调节器输出作电流调节器输入电流调节器输出控制晶闸整流器触发装置闭环结构电流调节环里面做环转速环外面做外环样形成转速电流双闭环调速系统
该双闭环调速系统两调节器ASRACR般采PI调节器PI调节器作校正装置保证系统稳态精度系统稳态运行时静差调速提高系统稳定性作控制器时兼顾快速响应消静差两方面求般调速系统求稳准采PI调节器便保证系统获良静态动态性
三 电路设计
1 电路控制系统确定
电路选VM系统采三相桥式全控整流电路增加抑制电流脉动措施设置波电抗器总电感量计算公式
L0693U2Idmin般取Idmin电动机额定电压510触发电路采三相集成触发器
图 晶闸控整流器供电直流调速系统（VM系统）
图 双闭环直流调速系统电路原理图
2 确定整流装置放倍数
1) 满足调速系统稳态性指标额定负载时稳态速降：
2）闭环系统应开环放系数：
电动机电动势系数：
开环系统额定速降：
闭环系统开环放系数应：
3）计算转速负反馈环节反馈系数参数
转速反馈系数α包含测速发电机电动势系数Cetg输出电位器RP2分压系数α2αα2Cetg
根测速发电机额定数：
试取α2015测速发电机电动机直接连接电动机高转速970rmin时转速反馈电压
稳态时略现直流稳压电源15V完全够满足定电压需取015正确
转速负反馈系数计算结果：
电位器RP2选择方法：测速发电机电枢电压降转速检测信号线性度没显著影响取测速发电机输出高电压时电流约额定值20
时RP2消耗功率：
致电位器温度高实选电位器瓦数应消耗功率倍RP2选10w2kΩ调电位器
4）计算运算放器放系数参数
根调速指标求前已求出闭环系数应K1656运算放器放系数Kp应
取Kp65
运算放器参数计算：
根运算放器型号取
晶闸触发整流装置：三相桥式控整流电路整流变压器YY联结二次线电压电压放系数
1 电流调节器设计
1） 确定时间常数
A 整流装置滞时间常数三相桥式电路均失控时间00017s
B 机电时间常数电磁时间常数
C 电流滤波时间常数三相桥式电路波头时间33ms基滤波头应取2ms0002s
D 电流环时间常数时间常数似处理取+00037s
2） 选择电流调节器结构
根设计求电流超调量保证稳态电流差典型I型系统设计电流调节器电流环控制象双惯性型PI型电流调节器传递函数
检查电源电压抗扰性：参典型I型系统动态抗扰性项指标接受
3） 计算电流调节器参数
电流调节器超前时间常数
电流环开环增益：求时应取
ACR例系数
电流反馈系数
4) 校验似条件
电流环截止频率：
A 晶闸整流装置传递函数似条件
满足似条件
B 忽略反电动势变化电流环动态影响条件
满足似条件
C 电流环时间常数似处理条件
满足似条件
5） 计算调节器电阻电容
运算放器取电阻电容值
取20
述参数电流环达动态性指标满足设计求
2 转速调节器设计
1） 确定时间常数
［1］ 电流环等效时间常数1已取
［2］ 转速滤波时间常数根测速发电机纹波情况取001s
［3］ 转速环时间常数时间常数似处理取
2） 选择转速调节器结构
设计求选PI调节器传递函数
3） 计算转速调节器参数
抗扰性较原取h5ASR超前
时间常数
转速开环增益
ASR例系数
4） 检验似条件
转速环截止频率
A 电流环传递函数简化条件
满足似条件
B 转速环时间常数似处理条件
满足似条件
5） 计算调节器电阻电容
取
6） 校核转速超调量
h5时满足设计求实际
表中线性系统计算突加阶跃定时ASR饱符合线性系统前提应该ASR退饱情况重新计算超调量
已知
Ce015Vminrh5时查表
代入式
满足设计求
六系统MATLAB仿真
1系统仿真模型
2 转速仿真波形
3 电流仿真波形
七心体会
文转速闭环直流电机调速系统进行分析MATLABSIMULINK 建立起仿真图进行仿真介绍转速负反馈闭环直流调速系统原理 完成转速闭环调速系统优点建立原理框图仿真图建立仿真图MATLAB软件里面仿真出直流电动机物理量波形波形进行分析出转速负反馈闭环调速系统优点足文具强理实际意义
通次设计加强单片机应知识掌握时解目前工业生产中数字化系统重性巩固专业课知识受益匪浅总通次设计仅进步强化专业知识掌握设计系统方法步骤等工作学坚实基础
课程设计专业课程知识综合应实践训练迈社会事职业工作前必少程．千里行始足通次课程设计深深体会句千古名言真正含义．天认真进行课程设计学会脚踏实迈开步明天稳健社会潮中奔跑坚实基础．
八参考文献
[1]陈伯石电力拖动动控制系统[M]机械工业出版社北京2003
[2]顾绳谷电机拖动基础册[M]机械工业出版社北京2000
[3]陈治明电力电子器件[M]机械工业出版社北京1992
[4]王兆安电力电子变流技术[M]机械工业出版社北京2003
[5]张明勋电力电子设备应手册[M]机械工业出版社北京1992
[6]顾绳谷电机拖动基础册[M]机械工业出版社北京2000
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