直流调速系统的设计

课程设计说明书

课程名称：电机拖动控制系统课程设计

专业：自动化班级：073033

姓名：学号：

指导教师：成绩：

完成日期：2010 年7 月12 日

任务书

摘要

本设计从直流电动机的工作原理入手，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对直流电机调速系统的设计参数进行分析和计算。

转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统, 采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、电流双闭环直流调速系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。应掌握转速、电流双闭环直流调速系统的基本组成及其静特性；从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调节器的作用；应用工程设计方法解决双闭环调速系统中两个调节器的设计问题，等等。

关键词：直流调速双闭环转速、电流调节器

目录

1 单闭环直流调速系统主电路的设计 (1)

1.1整流变压器参数的计算 (1)

1.1.1整流变压器二次侧相电压 (1)

1.1.2 二次侧相电流和一次侧相电流 (1)

1.1.3 变压器容量 (1)

1.2 整流器件晶闸管的参数计算及选择 (2)

1.2.1 电压、电流定额 (2)

1.2.2阻容保护电路的参数计算及选择 (2)

2 单闭环直流调速系统控制电路的设计 (3)

2.1 整流模块 (3)

2.1.1 单相整流模块参数 (3)

2.1.2 模块内部电路及使用和安装 (3)

2.2 LM331芯片简介及工作原理 (4)

2.3运算放大环节 (5)

2.4光电编码器 (6)

2.5单闭环调速系统控制电路图 (7)

3 双闭环直流调速系统主电路的设计 (8)

3.1 主电路的选择和参数的计算 (8)

3.1.1 二次侧相电压 (8)

3.1.2 二次侧相电流和一次侧相电流 (8)

3.1.3 变压器容量 (8)

3.1.4 电压、电流定额 (8)

3.1.5 保护环节的计算和选择 (9)

4双闭环直流调速系统控制电路的设计 (10)

4.1电流环的设计 (10)

4.1.1.确定时间常数： (10)

4.1.2．选择电流调节器结构 (10)

4.1.3.选择电流调节器参数 (10)

4.1.4．校验近似条件 (10)

4.1.5. 计算调节器电阻和电容 (11)

4.2 转速环的设计 (11)

4.2.1．确定时间常数 (11)

4.2.2．选择转速调节器结构 (11)

4.2.3．选择转速调节器参数 (11)

4.2.4．校验近似条件 (12)

4.2.5．计算调节器电阻和电容 (12)

4.2.6．校核转速超调量 (12)

总结 (14)

参考资料 (15)

附录： (16)

1 单闭环直流调速系统主电路的设计

1.1 整流变压器参数的计算

1.1.1整流变压器二次侧相电压

为了保证负载能正常工作，当主电路的接线形式和负载要求的额定电压确定之后，晶闸管交流侧的电压2u 只能在一个较小的范围内变化，为此必须精确计算整流变压器次级电压2u

电网电压波动系数∑=0.9，A=0.9,C=0.707,min ?=?30 ,k u =0.05,所以

)

(cos 22

min max 2N

k VT

d d I I Cu A U n RI U U -?++=

αε V V 8.20)

105.0707.0866.0(9.09.01

212=??-???+=

1.1.2 二次侧相电流和一次侧相电流

所以变压器电压比为：58.108.20/220/21==U U 二次侧相电流：A I I I N d 41/1/2=== 一次侧相电流：378.058.10/4/21===k I I

1.1.3 变压器容量

二次容量：VA VA I U m S 2.834\8.2012222≈??== 一次容量：VA VA I U m S 1.83378.022011111≈??== 平均计算容量：VA S S S 15.83)(2

1

21=+=

1.2 整流器件晶闸管的参数计算及选择

1.2.1 电压、电流定额

V V U U Tm TN 23.88~82.588.202)3~2()3~2(=??== A A I TN 4.5~05.445.145.0)2~5.1(=???= 取V U TN 80=，A I TN 5=，选择KP300-8晶闸管6只。

1.2.2阻容保护电路的参数计算及选择

226%S C if U ≥

2.R ≥Ω

97.1114

.628.203.291.68

.2015

.83662

2

=??≥≈?

?≥R uF C

2 单闭环直流调速系统控制电路的设计

2.1 整流模块

2.1.1 单相整流模块参数

⑴、工作频率f为50Hz。

⑵、输入线电压范围VIN（RMS）为30～450V AC。

⑶、控制信号电压VCON为0～10VDC。

⑷、控制信号ICON≤10μA。

⑸、输出电压不对称度＜6％。

⑹、输出电压温度系数＜600PPM/℃。

⑺、模块绝缘电压VISO（RMS）≥2500V。

2.1.2模块内部电路及使用和安装

（1）单相整流模块内部电路，如图2.1

图2.1 单相整流模块

（2）模块的使用安装

模块电流规格选择：为保证设备运转正常，选取的模块电流应为负载电流的1.5～3倍，整个运行过程，负载电流不能超过模块的额定电流。环境要求：模块的存贮和工作场所应干燥、通风、无尘、无腐蚀性气体。工作环境温度范围为－25℃～＋45℃

安装步骤

①把散热器和风机按通风要求安装好，散热器表面必须平整、光洁。在模块

导热底板与散热器表面均匀涂覆一层导热硅脂，然后用螺钉把模块固定于散热器上，注意用力要均等。

②因模块工作电流较大，必须用带接线鼻的多股铜线进行连接（禁用铝线），导线截面积按电流密度＜4A/mm 2 选取。严禁将铜线直接压接在模块电极上。

③用接线鼻环带将铜线扎紧，以免接触不良而附加发热，然后套上绝缘热缩管，用热风或热水加热收缩。将接线鼻固定在模块电极上，确保良好的平面接触，并用螺钉紧固。

④注意模块输入输出电极勿掀起，以免损坏模块。

⑤接控制线：控制插口有两种开式。一种为5脚，另－种为15脚。5脚、15脚的接线见图2.2及2.3和表2.1

图2.2 五脚插座的对应顺序图2.3 十五脚插座的对应顺序

表 2.1 引脚接线

引脚功能引线颜色5脚插座15脚插座

＋12 红色 5 1

GND 黑色 4 2

GND 黑色(灰色) 3 3

CON 黄色 2 4

E CON橙色(褐色) 1 5

2.2 LM331芯片简介及工作原理

LM331采用单电源供电，电源电压VCC，模拟信号的输入范围-VCC～

0V,频率范围为1～500KHZ，非线性低于0.01％。模拟信号经积分器积分处理后,在INPUT端变成与输入电压成正比的稳定电流输入,通过LM331芯片进行V/F转换后,变成与电压成正比的频率信号,FOUT端输出的频率信号送到计算机的计数/定时端口,计算机对频率信号进行采集、处理、存储。从而实现模拟信号到数字信号的转换。由于LM331的转换线性度直接影响转换结果的准确性，而通常引起V/F转换产生非线性误差的原因是引脚1的输出阻抗，它使输出电流随输入电压的变化而变化，因而影响转换精度，为克服此缺点，高精度V/F转换器在1脚和7脚间加入了一个积分器，这个积分器是由常规运放LF356和积分电容C4构成的反积分器。内部电路图如图2.2

图2.2 内部电路图

2.3运算放大环节

运放ML324

LM324系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V或+16V。

LM324的特点：

1.短跑保护输出

2.真差动输入级

3.可单电源工作：3V-32V

4.低偏置电流：最大100nA（LM324A）

5.每封装含四个运算放大器。

6.具有内部补偿的功能。

7.共模范围扩展到负电源

8.行业标准的引脚排列

9.输入端具有静电保护功能

2.4光电编码器

光电编码器E6B2_C

光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器，光电编码器是由光栅盘和光电检测装置组成。光栅盘是在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔。由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90º的两路脉冲信号。接线如图2.3

图2.3 光电编码器接线图

2.5 单闭环调速系统控制电路图

单闭环调速系统控制电路如图2.4

~ 220

--

图2.4 单闭环调速系统控制电路

3 双闭环直流调速系统主电路的设计

3.1 主电路的选择和参数的计算

3.1.1 二次侧相电压

查表

34.2=A ，5.0=C ， 30min =α，866.030cos cos min == α，忽略

R 时有：

)

(cos 22min max 2N

k VT d d I I Cu A U n RI U U -?++=

αεV V 35.125)

105.05.0866.0(9.034.21

2220=??-???+=

3.1.2 二次侧相电流和一次侧相电流

所以变压器电压比为：755.135.125/220/21==U U 一次侧相电流：A Id I 4.376.1/122.1/2=?=

二次侧相电流：A In Id I 622.1/33.722.1/22.1/2====

3.1.3 变压器容量

一次容量：VA VA I U m S 14964.322031111≈??== 二次容量：VA VA I U m S 3.2256635.12532222≈??== 平均计算容量：VA S S S 3752)(2

1

21=+=

3.1.4 电压、电流定额

A

I V

U U d TN 473.6~88.3796.8368.0)2~5.1(K 2~5.1I 918~712U 63~2)3~2(Fb TN 2TM =??=====）（）（

取TN U =800V 取TN I =5A

3.1.5 保护环节的计算和选择

226%S C if U ≥

2.R ≥Ω

58.913752

1253.276.5~4.141253752

)4~10(62

2

=??≥=?

?≥R F C μ

直流调速系统主电路如图2.5

U V W

图2.5 双闭环直流调速系统主电路

4双闭环直流调速系统控制电路的设计

4.1电流环的设计

4.1.1.确定时间常数 ：

S T =s 0017.0oi T =s 01.0

∑i

T =Toi +s T =s 0117.0

4.1.2．选择电流调节器结构

根据设计要求：%5≤l σ，而且

1027.60117.00734

.0<==∑i l T T

因此电流环可按典型Ⅰ型系统设计。电流调节器选用PI 型，其传递函数为 s

s K s W i i i ACR ττ1

)(+= 4.1.3.选择电流调节器参数

ACR 超前时间常数：s T l i 0743.0==τ。

电流环开环增益：要求%5≤i σ时，应取5.0=∑i I T K

s T K i I /73.420117.05

.05.0==∑

=

于是，ACR 的比例系数为 544.05

.4105.036

.00743.073.42=???==s i I i K R K K βτ 4.1.4．校验近似条件

电流环截止频率s K I ci /731.42==ω

（1）晶闸管装置传递函数近似条件： S

ci T 31≤

ω

现在

ci S s T ω>=?=111.1960017

.03131 满足近似条件

（2）忽略反电动势对电流环影响的条件：l

m ci T T 1

3≥ω

现在，ci l m s s

T T ω<=??=/31.361

0734.00926.01313

满足近似条件。

（3）小时间常数近似处理条件：oi

s ci T T 131≤ω

现在，

ci i s s s

T T ωσ>=??=/81.801

01.00017.0131131

满足近似条件。 4.1.5. 计算调节器电阻和电容

电流调节器原理图，按所用运算放大器取Ω=k R 400，各电阻和电容值计算如下

Ω=Ω?==k k R K R O i i 76.2140544.0，取Ωk 21

F F R C i i

i μμτ34.010********.06

3

=??=

=

, 取F μ34.0 F F R T C oi oi μμ110104001.0446

3

0=???==，取F μ1 按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为：%5%3.4%<=i σ，满足设计要求。

4.2 转速环的设计

4.2.1．确定时间常数

（1）电流环等效时间常数为s T i 0234.02=∑。 （2）转速滤波时间常数on T

根据所用测速发电机纹波情况，取s T on 01.0= （3）转速环小时间常数n T ∑

按小时间常数近似处理，取s T T T on i n 0334.02=+=∑∑ 4.2.2．选择转速调节器结构

由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型Ⅱ型系统设计转速环。故ASR 选用PI 调节器，其传递函数为

s s K s W n n

n ASR ττ1

)(+= 4.2.3．选择转速调节器参数

按跟随和抗扰性能都较好的原则，取5=h ，则 ASR 的超前时间常数为 s s hT n n 167.00334.05=?==∑τ

转速环开环增益

2

22

223.40167.0252621--∑=??=+=s s T h h K n N 于是，ASR 的比例系数L 由式（4-76）为

355.4334

.036.0007.0100926

.0132.005.062)1(=??????=∑

+=n m e n RT h T C h K αβ

4.2.4．校验近似条件

由式（4-24），转速环截止频率为

111

72.0167.03.4--=?===s s K K

n N N cn τωω

（1）电流环传递函数简化条件：。 ∑≤

i

cn T 51

ω

现在

cn i s s T ω>=?=--∑1

109.110117

.05151 满足简化条件。

（2）时间常数近似处理条件： on

i cn T T ∑≤213

1

ω

现在， cn on i T T ω>=??=∑79.2101

.00234.01

312131

满足近似条件。

4.2.5．计算调节器电阻和电容

转速调节器原理图，取Ω=k R 400，则

ΩΩ=Ω?==k k k R K R n n 174 2.17440355.40取 F F F R C n n

n μμμτ9.0 959.010********.063

取=??=

=

F F F R T C on on μμμ1 110104001.0446

3

取=???== 4.2.6．校核转速超调量 由式（4-84），m

n nom b n T T n n

z C C ∑??-??=*

max )(2)(λδ 当5=h 时，%2.81max

=?b

C C 而min /20min /132

.036.033.7r r C R I n e dnom nom

=?==?

因此%10%09.40926

.00334

.0430205.12%2.81<=????=n σ 能满足设计要求。

每个环本身都是稳定的，对系统的组成和调试工作非常有利。

总之，多环系统的设计思想是：以稳为主，稳中求快。如果主要追求的目标是快速响应，那还不如采用单闭环系统，只要用别的措施解决限流保护等问题就可以了。

总结

系统模型由晶闸管-直流电动机组成的主电路和转速电流调节器组成的控制电路两部分组成。主电路采用三相可控晶闸管整流电路整流，用PI调节器控制，通过改变直流电动机的电枢电压从而进行调压调速。控制电路设置两个PI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。二者实行嵌套连接，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器，形成转速电流双闭环直流调速系统。

实验结果表明经过该设计系统改进，双闭环系统与单闭环系统相比：机械特性偏硬，快速起制动，突加负载动态速将小。

因为本系统采用了双闭环系统，所以系统能够通过两个转速调节器进行自动调节作用减少稳态速降，但是有超调。为使系统的稳态性能更好，该系统采用无静差调节，即转速调节器采用比例积分调节器（PI调节器），使系统保证恒速运行，以保证满足更严格的生产要求

这次实验是最后一个课程设计了,所以做得非常认真,通过这次实验使我明白了直流调速系统的原理,以前没明白的一些细节在这次设计中也得到了深刻的理解。理合实际互相结合是我对电力拖动自动控制系统这门课有了进一步的认识。同时还要感谢给我帮助的同学和在技术给我指导的老师。

参考资料

[1] 王兆安，黄俊主编《电力电子技术》第四版,机械工业出版社，2003

[2] 莫正康，《电力电子应用技术》，第三版，机械工业出版社，2000

[3] 张东力、陈丽兰、仲伟峰，《直流拖动控制系统》，机械工业出版社，1999

[4] 朱仁初、万伯任，《电力拖动控制系统设计手册》，机械工业出版社，1994