转速电流双闭环的数字式可逆直流调速系统的仿真与设计(课程设计完整版)

湖南科技大学

信息与电气工程学院

《课程设计报告》

题目：转速电流双闭环的数字式可逆直流调速系统的仿真与设计

专业：电气工程及其自动化

班级：

姓名：

学号：

指导教师：

任务书 题 目 转速电流双闭环的数字式可逆直流调速系统的仿真与设计

时 间安排

2013年下学期17,18周

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。 要 求：电动机能够实现可逆运行。要求静态无静差。动态过渡过程时间s T s 1.0≤，电流超调量%5%≤i σ，空载起动到额定转速时的转速超调量%30%≤n σ。

总体方案实现：主电路选用直流脉宽调速系统，控制系统选用转速、电流双闭环控制方案。主电路采用25JPF40电力二极管不可控整流，逆变器采用带续流二极管的功率开关管IGBT 构成H 型双极式控制可逆PWM 变换器。其中属于脉宽调速系统特有的部分主要是UPM 、逻辑延时环节DLD 、全控型绝缘栅双极性晶体管驱动器GD 和PWM 变换器。系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，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，使转速线性变化，迅速达到给定值；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。

指导教师评语：

评分等级：（ ）

指导教师签名：

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。

1、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。

2、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、系统设计参数

1、直流电动机控制系统设计参数：（ 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.

4、设计内容和数据资料

某直流电动机拖动的机械装置系统。

主电动机技术数据为：

V

U N 220=,A I N 30=，min 970r n N =，电枢回路总电阻Ω=2.0R ，机

电时间常数s T m 1=，电动势转速比r V C e min 221.0?=，Ks=40，ms T l 5.0=，

Ts=0.0017ms ，电流反馈系数A V 85.0=β，转速反馈系数r V min 5.1?=α，试对该系统进行初步设计。

5、 技术指标要求

电动机能够实现可逆运行。要求静态无静差。动态过渡过程时间s T s 1.0≤，电流超调量%5%≤i σ，空载起动到额定转速时的转速超调量%30%≤n σ。

三、主电路方案和控制系统确定

主电路选用直流脉宽调速系统，控制系统选用转速、电流双闭环控制方案。主电路采用25JPF40电力二极管不可控整流，逆变器采用带续流二极管的功率开关管IGBT 构成H 型双极式控制可逆PWM 变换器。其中属于脉宽调速系统特有的部分主要是UPM 、逻辑延时环节DLD 、全控型绝缘栅双极性晶体管驱动器GD 和PWM 变换器。系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，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，使转速线性变化，迅速达到给定值；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。

1、PWM变换器的选用

PWM变换器有可逆和不可逆两类。可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等多种。由于题目要求须事先电动机可逆运行，故本设计选用带续流的绝缘栅双极晶体管IGBT 构成H型双极性控制PWM变换器。其中，电源电压Us选用不可控电力二极管25JPF40整流提供，并采用大电容C进行滤波。

功率管开关管应承受2Us的电压，为此选用FGA25N120AN绝缘栅双极晶体管IGBT并接在功率开关管两端二级管用在IGBT关断时为电枢回路提供释放电感储能的续流。FGA25N的参数：Vce=200V，Ic=15A。选用10CTF30型电力二极管，If=10A，Urm=300V。

采用单相交流220V供电，变压器二次电压为67V，桥式整流二极管最大反向电压大于电源的幅值的2倍，最大整流电流按2倍额定电流考虑。选25JPF40，If=25A，Urm=400V。

整流桥输出端所并接的电容作用滤除整流后的电压纹波，并在负载变化时保持电压平稳。另外，当脉宽调速系统的电动机减速或停车时，贮存在电动机和负载转动部分的动能将由电容器吸收，所以所用的电容较大，这里选用4000uf，电压按大于2倍电压选择。

2、传感器以及测速发电机的选用

由于题目要求需要对电流进行采样，故此这里我们选用霍尔电流传感器HNC-025A，HNC-025A传感器所能测量的额定电流为5A、6A、8A、12A、25A，当原边导线经过电流传感器时，原边电流IP会产生磁力线，原边磁力线集中在磁芯气隙周围，内置在磁芯气隙中的霍尔电片可产生和原边磁力线成正比的，大小仅为几毫伏的感应电压，通过后续电子电路可把这个微小的信号转变成副边电流IS，并存在以下关系式：IS* NS= IP*NP。在外环中，我们需要有速度的反馈，这里我们选用永磁式ZYS231/110型作为测速机。

3、驱动电路选用

驱动电路的作用是将控制电路输出的PWM 信号放大至足以保证IGBT 可靠导通或关断的程度。同时具有实现主电路与控制电路相隔离、故障后自动保护及延时等功能。这里我们选用上海马克电气公司的AST96X 系列的MAST5-2C-U12型IGBT 驱动板 ，AST96X 为单路光电耦合隔离带短路、欠压和过压保护功能的 IGBT 驱动模块； MAST 系列为 1 － 7 路、带隔离电源的 IGBT 驱动板，易于使用，对供电电源要求低，适用 600V － 1700V 的各种不同类型 IGBT 驱动；两者均提供 电流源或电压源－电阻两种驱动方式，具有单电源供电、输入电压范围宽、内置正负电压发生器以及电压滤波器、内置短路保护电路、内置驱动欠压和过压保护电路、内置 VCE 检测的快恢复高压二极管、内置光电耦合器以传输驱动保护／故障信号、内置栅极过压箝位元件等特点。MAST5-2C-U12是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立电路集成在单片IC 之中，使外围器 件成本降低，整机可靠性提高。该产品为大规模集成基极驱动电路，可对IGBT 实现较理想的基极电流优化驱动和自身保护。

4、调节器的选择

根据题目要求我们尝试用P 调节器进行动态校正，但是存在静差，PI 调节器可以进一步提高稳态性能，达到消除稳态速差的地步。在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器，并且这里我们采用PI 调节器。

5、 脉宽调制器选用

脉宽调制器用于产生控制PWM 变换器的功率器件通断的PWM 信号。常用种类有：模拟式、数字式和专用集成电路。这里选用美国德克萨斯仪器公司TL494专用集成电路作为双端输出型脉宽调制器，其载波为锯齿波信号，振荡频率()T T C R f 1.1=，其中T R 和T C 取值范围：Ω=k R T 100~5，F C T μ1.0~001.0=。

四、主电路的原理

该系统是属于双闭环调速系统，其中具有转速环，称为外环，还有就是电流环，这里称为内环，外环由测速机采集信号经过反馈系数得到电压信号反馈给ASR ，内环我们这里采

用直流PWM 控制系统相结合，其中脉宽调速系统由调制波发生器GM 、脉宽调制器UPM 、逻辑延时环节DLD 以及绝缘栅双极性晶体管的GD 和脉宽调制变换器组成。直流PWM 控制系统是直流脉宽调制式调速系统控制系统，与晶闸管直流调速系统的区别在于用直流PWM 变换器取代了晶闸管交流装置，作为系统的功率驱动器。脉宽调制器是有一个运算放大器和几个输入信号构成电压比较器。运算放大器工作在开环状态，在电流调节器输出的控制信号的控制下，产生一个等幅、宽度受Uc 控制的方波脉冲序列，为PWM 提供所需要的脉冲信号。逻辑延时环节DLD 保证在一个管子发出关断脉冲时，经延时后再发出对另一个管子的开通脉冲，在延时环节中引入瞬时动作限流保护FA 信号，一旦桥臂电流超过允许最大电流值时，使工作管子同时封锁，以保护电力晶体管。

在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况 双闭环直流调速系统的静特性如上图所示，0n *n n n U U αα===，d i *i I U U β==式中α，β —— 转速和电流反馈系数。由第一个关系式可得0*n

n U n ==α，从而得到上图静特性的CA 段。与此同时，由于ASR 不饱

和，U*i < U*im ，从上述第二个关系式可知: I d < I dm 。 这就是说， CA 段静特性从理想空载状态的 I d = 0 一直延续到 I d = I dm ，而 I dm 一般都是大于额定电流 I dN 的。这就是静特性的运行段，它是水平的特性。这时，ASR 输出达到限幅值U*im ，转速外双闭环直流调速系统的稳态结构图

K s α

1/C e U *n U c I d

E n

U d0 U n +

+ - ASR + U *i - R

β

ACR - U i UPE

环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时dm *im

d I U I ==β式中，最大电流I dm 是由设计者选定的，取

决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。式中所描述的静特性是上图中的AB 段，它是垂直的特性。这样的下垂特性只适合于 n < n 0 的情况，因为如果 n > n 0 ，则U n > U*n ，ASR 将退出饱和状态。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于I dm 时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到 I dm 后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。

系统稳态结构图以及动态结构图

四、设计过程

1 电流调节器的设计

1） 确定时间常数

（1）整流装置滞后时间常数错误！未找到引用源。，PWM

电源滞后时间常数错误！未找到引用源。

=0.0017s 。

（2） 机电时间常数错误！未找到引用源。，电磁时间

常数错误！未找到引用源。。

（3）电流滤波时间常数错误！未找到引用源。=0.01s

（4）电流环小时间常数之和错误！未找到引用源。。按

小时间常数近似处理，取错误！未找到引用源。

=错误！未找到引用源。+错误！未找到引用源。

图2：双闭环调速系统的静态结构U *n

α

U c -I dL n

U d0 U n + - - β + - U i

W ASR (s W ACR (s) K s T s

s +1 1/R T l s+1 R T m s U *i I d 1/C e + E

=0.002s。

电流超前时间常数错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。=0.67S 2）选择电流调节器结构

根据设计要求电流超调量错误！未找到引用源。，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可以用PI型电流调节器，其传递函数为

错误！未找到引用源。

3）计算电流调节器参数

电压放大系数错误！未找到引用源。。

电流调节器超前时间常数:错误！未找到引用源。。

电流环开环增益：要求错误！未找到引用源。时，应取错误！未找到引用源。，因此

错误！未找到引用源。。

于是，ACR的比例系数为错误！未找到引用源。

电流反馈系数错误！未找到引用源。）

4) 校验近似条件

电流环截止频率：错误！未找到引用源。。

A、晶闸管整流装置传递函数的近似条件

满足近似条件。

B、忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

满足近似条件。

C、电流环小时间常数近似处理条件

满足近似条件。

2转速调节器的设计

1）确定时间常数

A、电流环等效时间常数1/错误！未找到引用源。,

由上已取错误！未找到引用源。，则

B、转速滤波时间常数错误！未找到引用源。，根据所

用测速发电机纹波情况，取错误！未找到引用源。

=0.01s。

C、转速环小时间常数错误！未找到引用源。，按小时

间常数近似处理，取

错误！未找到引用源。。

2）选择转速调节器结构

按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为

3）计算转速调节器参数

按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的

超前

时间常数为错误！未找到引用源。

转速开环增益错误！未找到引用源。

于是，ASR的比例系数为

4）检验近似条件

转速环截止频率为

错误！未找到引用源。

A、电流环传递函数简化条件为

错误！未找到引用源。，满足近似条件。

B、转速环小时间常数近似处理条件为

错误！未找到引用源。，满足近似条件。

5）校核转速超调量

当h=5时，错误！未找到引用源。，不能满足设计要

求。实际上，

由于表中是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。

由已知有错误！未找到引用源。，

C e=0.219Vmin/r，错误！未找到引用源。，当h=5时，查表可得错误！未找到引用源。，代入式错误！未找到引用源。

可得错误！未找到引用源。

能满足设计要求。

五、系统的MATLAB仿真

转速仿真波形

图4：双闭环调速系统的静态结构: U *n

α

U c -I dL n U d0 U n + - - β

+ - U i W ASR (s ) W ACR (s) K s T s s +1 1/R T l s+1 R T m s U *i I d 1/C e

+ E

六、系统部分电气原理图：

七、设计总结

通过这次双闭环直流脉宽调速系统的课程设计，对自己学习电力拖动自动控制系统有了较深刻的认识。在学习本科目时首先感觉内容很多，而且有些理解很抽象，所以在做作业以及设计的时候遇到比较大的阻碍。

通过看课本，以及去图书馆找资料慢慢看出了些眉头后，通过请教老师和师兄把部分不懂的细节弄清了。完成这个艰难的第一步后，对整个题目解析宏观的把握，对解题方法也有了大致思路。第二步就是详细分析，计算线路参数作出原理框图，这一步相对进行的比较顺利。

接下来就是理清思路认真做潮流计算，在做潮流计算的时候由于计算量比较大，线路参数比较多，所花的时间很多，而且要保证正确率。完成整个计算后，面临这一个更艰巨的任务，就是仿真：这一步进行的异常艰难，寸步难行，因为我们没有开设matable软件，从来没有接触这软件。后面通过自学软件实行仿真，终于完成调试。

在本次的双闭环调速系统课程设计，我重新了认识到，我们对掌握的知识还不扎实。在考完之后或是经过一段时间我们就对前面学过的知识没有印像了，这主要是因为没有理解性学习。所以，在以后的学习中，一定要学的扎实，学的牢靠，并且能学以致用，活学活用。

八、参考文献

[1]《电力拖动自动控制系统》陈伯时.机械工业出版社.

[2]《电力拖动控制系统设计手册》朱仁初.机械工业出版社.

[3]天津电气传动研究所,《电气传动自动化技术手册》,机械工业出版社.

[4]刘祖润,《毕业设计指导》,机械工业出版社.

[5]黄俊,《电力电子变流技术》,机械工业出版社.

[6]张明达,《电力拖动自动控制系统》,冶金工业出版社.

[7]冯信康,《电力传动控制系统原理与应用》,水利电力出版社.

[8]周德泽,《电气传动控制系统的设计》,机械工业出版社.

[9]吴新开,《电工电子实践教程》，人民邮电出版社.

[10]《电气自动化》,杂志.

[11]《电气传动自动化》,杂志.

[12]《电力电子技术》,杂志.