双闭环V-M(无环流)直流调速系统的工程设计及仿真

第一章.绪 论

第一节 设计题目

为某生产机械设计一个调速范围宽、起制动性能好的直流调速系统，且拟定该系统为双闭环晶闸管-电动机（无环流）直流调速系统。已知系统中相关参数如下：

直流电动机：额定电压220V,额定电流136A, 额定转速1460r/min；

         电枢电阻Ra=0.21欧，电枢电感L=20mH,GD2=22.5N.M2;

         励磁电压220V，励磁电流1.5A；电枢允许过载系数1.5；

运行环境参数：电网额定参数380/220，电网电压波动10%，环境温度

              -40~+50度，环境湿度10~90%；                       

第二节技术指标

（1）要求系统具有过流、过压、过载保护能力

（2）要求以转速、电流双闭环形式作为系统控制方案

（3）要求系统为逻辑无环流可逆调速系统

（4）要求超调量不大于5%,转速超调量不大于30%，静差率不大于0.3

（5）要求连续调速，可逆运行，回馈制动，过载倍数

（6）主回路采用电枢可逆，磁场单独供电

第三节设计题目意义

    双闭环直流调速系统是电力拖动自动控制系统中一个很重要的系统，而逻辑无环流可逆直流调速系统是双闭环直流调速系统的典型系统。通过本设计培养了我们应用所学理论知识解决实际工程问题的能力，同时进一步提高我们理论的水平。该课程设计是我们第一次接触工程实际问题，有一定挑战性。

第四节 系统总方案设计

    逻辑无环流可逆直流调速系统原理框图如图1所示。其主电路采用反并连接电路。因为无环流，所以不需要设置限环流电抗器，控制电路仍是典型的转速、电流双闭环系统，只是电流环是分设的。1ACR、2ACR分别控制的是正组VF、反组VR的整流桥。正组VF、反组VR工作时有整流和逆变两种状态。当给定信号U*n为正时，转速调节器ASR输出Ui*为负值，逻辑切换装置DLC给正组桥VF发出触发脉冲，使其处于整流状态，电动机正想转动，当给定信号U*n为0或负值，转速调节器ASR输出Ui*为正值。由于电机电枢电流不为零，逻辑切换电路DLC仍然向正组桥VF提供脉冲，但却使VF处于逆变状态，电流和转速变小。当电枢电流为0时，反组桥VR处于整流状态，此时电机处于制动状态，快速停车或反向运行。

第二章 系统主电路设计

第一节 主电路参数设计

Ud=2.34U2cos  

   Ud=UN=220V, 取=0°         U2=

Idmin=(5%-10%)IN,这里取10% 则

L=0.693

晶闸管参数计算：

对于三相桥式整流电路，晶闸管电流的有效值为：

则晶闸管的额定电流为：

取1.5~2倍的安全裕量， 

由于电流连续，因此晶闸管最大正反向峰值电压均为变压器二次线电压峰值，即：

取2~3倍的安全裕量， 

第二节 系统原理及说明

   逻辑无环流可逆直流调速系统的主电路如下图所示:

图3.1 无环流可逆直流调速系统主电路

两组桥在任何时刻只有一组投入工作（另一组关断），所以在两组桥之间就不会存在环流。但当两组桥之间需要切换时，不能简单的把原来工作着的一组桥的触发脉冲立即封锁，而同时把原来封锁着的一组桥立即开通，因为已经导通的晶闸管并不能在触发脉冲取消的一瞬间立即被关断，必须待晶闸管承受反压时才能关断。如果对两组桥的触发脉冲的封锁和开放同时进行，原先导通的那组桥不能立即关断，而原先封锁着的那组桥已经开通，出现两组桥同时导通的情况，因没有环流电抗器，将会产生很大的短路电流，把晶闸管烧毁。为此首先应是已导通的的晶闸管断流，要妥当处理主回路中的电感储存的一部分能量回馈给电网，其余部分消耗在电机上，直到储存的能量释放完，主回路电流变为零，使原晶闸

管恢复阻断能力，随后再开通原来封锁着的那组桥的晶闸管，使其触发导通。

第三章 双闭环调节器的设计

第一节 双闭环直流调速系统总设计框图

    在生活中，直接提供的是三相交流760V电源，而直流电机的供电需要三相直流电， 因此要进行整流，本设计采用三相桥式整流电路将三相交流电源变成三相直流电源，最后达到要求把电源提供给直流电动机。如图2.1设计的总框架。

图3.1  双闭环直流调速系统设计总框架 

第二节 转速、电流双闭环调速系统设计准备

采用PI调节的单个转速闭环直流调速系统可以在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要求。为了随心所欲的控制电流和转速的动态过程，可以采用转速、电流双闭环调速系统.

转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。系统中引入转速和电流负反馈，两者之间实现嵌套连接。转速调节器是双闭环控制直流调速系统的主导调节器，它可以实现稳态无静差。电流调节器作为内环的调节器能够加快动态过程。

图3.2 双闭环系统结构框图

第三节 转速调节器的设计

为了保证较好的抗干扰性能，可以把转速环校正成典Ⅱ型系统。

图3.5转速调节器环结构框图

转速调节器参数的计算

，， 

， 

取

按跟随性能和抗扰动性能都较好的原则，取，则

检验近似条件：

电流环传递函数简化条件： 

转速环小时间常数近似处理条件： 

均满足近似条件。

转速调节器的实现

图3.6  PI型转速调节器

，，  取

则，取

，取， 

第四节 电流调节器的设计

为了保证较好的跟随性能，可以把电流环校正成典I型系统。

   图3.3 电流调节器闭环结构框图

电流调节器参数的计算

， 

， 

，， 

检验近似条件：

晶闸管整流装置传递函数的近似条件： 

忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：

可以近似处理为如下：

  均满足近似要求

电流调节器的实现

图3.4 PI型电流调速器

取，则，取

，取， 

第四章 控制及驱动电路设计

第一节 调节器结构组成及说明

逻辑无环流可逆直流调速系统的原理框图如下图所示。

图4.1 逻辑无环流可逆直流调速系统原理框图

主电路采用两组晶闸管装置反并联线路，由于没有环流，不用再设置环流电抗器，但是为了保证运行时电流波形的连续性，应保留平波电抗器。控制线路采用典型的转速、电流双闭环控制系统，电流环分设两个电流调节器ACR1和ACR2，ACR1用来控制正组触发装置，ACR2 控制反组触发装置，ACR1的给定信号Ui*经反向器AR同时作为ACR2的给定信号Ui*，这样就可以使电流反馈信号Ui*的极性在正转和反转时都不用改变，从而可采用不反应电流极性的电流检测器，即交流互感器和整流器。由于在主电路中不设均衡电抗器，一旦出现环流将造成严重的短路事故，所以对工作时的可靠性要求特别高，为此在系统中加入了无环流控制器DLC，以保证系统的可靠运行，所以DLC是系统中的关键部件。

第二节 触发电路设计

     触发电路采用集成移相触发芯片TC787，与TCA785及KJ（或KC）系列移相触发集成电路相比，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点。只需要一块这样的集成电路，就可以完成三块TCA785与一块KJ041、一块KJ042器件组合才能具有的三相移相功能。

TC787的原理框图如图4.2所示

图4.2 TC787原理框图

由图可见：在它的内部集成了三个过零和极性检测单元、三个锯齿波形成单元、三个比较器、一个脉冲发生器、一个抗干扰锁定电路、一个脉冲形成电路、一个脉冲分配及驱动电路。

引脚18、l、2分别为三相同步电压Va、Vb、Vc输人端。

引脚16、15和14分别为产生相对于A、B和C三相同步电压的锯齿波充电电容连接端。电容值大小决定了移相锯齿波的斜率和幅值。

引脚13为触发脉冲宽度调节电容Cx，该电容的容量决定着TC787输出脉冲的宽度，电容的容量越大，输出脉冲宽度越宽。

引脚5为输出脉冲禁止端，该端用来在故障状态下封锁TC787的输出，高

电平有效。

引脚4为移相控制电压输入端。该端输入电压的高低，直接决定着TC787输出脉冲的移相范围。

引脚12、10、8、9、7和11是脉冲输出端。其中引脚12、10和8分别控制上半桥臂的A、B、C相晶闸管；

引脚9、7和11分别控制下半桥臂的A、B和C相晶闸管。正组晶闸管触发电路原理图如图4.3所示，反组的与正组相同。

图4.3 正组触发电路原理图

第三节 逻辑控制器的设计

无环流逻辑控制器的任务是在正组晶闸管工作时，则封锁反组晶闸管，在反组晶闸管工作时，则封锁正组晶闸管。采用数字逻辑电路，使其输出信号以0 和1 的数字信号形式来执行封锁与开放的作用，为了确保正反组不会同时开放，应使两者不能同时为1。系统在反转和正转制动时应该开放反组晶闸管，封锁正组晶闸管，在这两种情况下都要开放反组，封锁正组。从电动机来看反转和正转制动的共同特征是使电动机产生负的转矩。上述特征可以由ASR 输出的电流给定信号来体现。DLC 应该先鉴别电流给定信号的极性，将其作为逻辑控制环节的一个给定信号。

仅用电流给定信号去控制DLC 还是不够，因为其极性的变化只是逻辑切换的必要条件。只有在实际电流降到零时，才能发出正反组切换的指令。因此，只有电流转矩极性和零电流检测信号这两个前提同时具备时，并经过必要的逻辑判断，才可以让DLC 发出切换指令。

逻辑切换指令发出后还不能马上执行，需经过封锁时时间Tdb1才能封锁原导通组脉冲；再经过开放延时时间Tdt后才能开放另一组脉冲。通常Tdb1=3ms，Tdt=7ms。

在逻辑控制环节的两个输出信号之间必须有互相连锁的保护，决不允许出现两组脉冲同时开放的状态。

逻辑控制器装置由PLC来实现，转矩极性鉴别信号UI*和零电流检测信号Ui0作为PLC的输入信号X0和X1，再由PLC的软件来实现逻辑运算和控制。

在逻辑运算判断发出切换指令UF、UR后，必须经过封锁延时Udb1和开放延时Udt才能执行切换命令。用FX2系列PLC实现时，只要用其内部的1ms定时器即可达到延时目的。一般封锁延时取Udb1=3ms，此时封锁原导通组脉冲；再经过开放延时Udt=7ms开放另一组。若封锁延时与开放延时同时开始计时，则开放延时时间为3+7=10ms，设延时后的UF'、UR'状态分别用辅助继电器M4、M5表示。 

DLC装置的最后部分为逻辑保护环节。正常时，UF'与UR'状态总是相反的；一旦DLC发生故障，使UF'和UR'同时为“1”，将造成两组晶闸管同时开放，必须避免此情况。满足保护要求的逻辑真值表如下表。设DLC的输出信号由PLC输出端子Y0、Y1输出。 

表1 逻辑真值表

LAD程序如下：

 Network20:                         

    O M4

    O AN Y1

    O AN X2

    O AN X3

    = Y0

 Network20:

    O M5

    O AN Y0

    O AN X2

    O AN X3

    = Y1

第五章 基于MATLAB/SIMULINK的调速系统的仿真

通过对整个控制电路的设计， 用MATLAB/SIMULINK对整个调速系统进行仿真。

首先建立双闭环直流调速系统的动态数学模型，可以参考该系统的动态结构形式，双闭环直流调速系统的动态结构框图如图6-1所示：

图5-1 双闭环直流电机调速系统的动态数学结构框图

   把这些这些参数的值代入框图中的公式就可得到以下框图6-2。                         

              图5-2 双闭环直流调速系统仿真结构框图

为了分析双闭环调速系统的特性，在转速调节器和速度调节器的输出端设置一个限幅值，限幅值的大小可以根据所选的运算放大器的输入电压的大小来选定，本设计选取的限幅值为±13V。

根据动态模型图以及计算参数，用MATLAB/SIMULINK进行仿真，主要是仿真电动机的输出转速。最终得到的转速仿真图形如图6-3所示

图5-3 双闭环直流电机转速输出仿真图形  

         图5-4双闭环直流调速系统的启动过程

自我总结

三周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．

通过这次课程设计，使我对逻辑无环流直流可逆调速系统有了更深入的理解。其中涉及到多方面的知识，主要包括转速-电流双闭环的设计、逻辑控制器的设计及晶闸管触发电路的设计，涉及到了电力电子，电力拖动和PLC等多学科。

在这次设计过程中，体现出团队合作的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。

在此感谢我们的陈志武老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次模具设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。

同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。

总之，在这次设计中让我对运动控制这门课有了更深入的了解，也使我认识到自己的不足之处。

参考文献

【1】杨荫福,段善旭,朝泽云.《电力电子装置及系统》,北京,清华大学出版社,2006.9

【2】马莉.《MATLAB数学实验与建模》,北京,清华大学出社,2010.01

【3】康华光.《电子技术基础》,北京,高等教育出版社,2006.01

【4】王兆安,黄俊.《电力电子技术》,北京,机械工业出版社,2007.7

【5】漆汉宏.《PLC电气控制技术》,北京,机械工业出版社,2006.12

【6】陈伯时主编.《电力拖动自动控制系统》,北京,机械工业出版社,2003.7