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江苏师范大学本科生毕业设计 直流电机双闭环调速系统设计

6.3.1 基本数据 ......................................................................................... 20 6.3.2 设计所要求的指标 ......................................................................... 21 6.4 用工程设计方法设计电流调节器............................................................. 22

6.4.1 电流调节器的设计及其动态结构框图的简化 ............................. 22 6.4.2 电流环时间常数的确定 ................................................................. 23 6.4.3 电流调节器的设计 ......................................................................... 23 6.4.4 电流环参数计算 ............................................................................. 24 6.4.5 校验近似条件 ................................................................................. 26 6.4.6 电流环的跟随性能指标 ................................................................. 26 6.5 用工程设计方法设计转速调节器............................................................. 27

6.5.1 电流环的等效传递函数 ................................................................. 27 6.5.2 转速调节器动态结构框图的简化 ................................................. 27 6.5.3 转速调节器的设计 ......................................................................... 28 6.5.4 转速调节器参数的计算 ................................................................. 30 6.5.5 转速环性能指标的检测 ................................................................. 32

7 双闭环直流调速系统的数字仿真 .................................................... 33

7.1 基于工程设计的方法的数字仿真............................................................. 33

7.2 结果分析..................................................................................................... 34

8 结 论 ................................................................................................ 37 致 谢 ....................................................................................................... 38 参考文献 .................................................................................................. 39

IV

江苏师范大学本科生毕业设计 直流电机双闭环调速系统设计

1 概述

1.1 直流调速系统的概述

直流电动机在近三十多年的时间里在很多方面都有了很大的改进，特别是在调速控制方面，其变革是十分重大且有意义的。代表着先进技术的晶闸管整流技术以一种全新的姿态代替了我们已经应用了很久的其他整流技术，其中最具有代表性就是直流发电机组，不得不说，这种变化使电驱动完成了跨时代的飞跃。而且随着科学技术的日益更新，调速控制电路已经逐步实现了高密集化、高可依赖性和低成本等特点，这些特点也使得直流调速系统的性能不止进步了一点点，而且其应用范畴也随着这一改变而有了更大的突破。直流调速技术由于其成熟完美，系列化、标准化，使之很难在电驱动PWM调速领域被取代。充分迎合工作设备的要求，通过各种方法改变直流电机的转速被称之为直流调速。为了改变电动机各方面的性能以及它的稳速状态，必须从其机械特性入手，尽可能的改变它的外部电压或者结点参数。尽管交流调速系统随着调速技术以及电力电子技术的发展，正在不断地吞噬着直流调速系统的领地，但是就目前的大体局势看来，直流调速系统在根本上还是整个调速系统的主流，仍然在自动调速系统中占领着不可撼动的地位。在我国很多的工业部门中，比如冶炼轧钢、采矿、纺织造纸业等依旧是直流调速系统占主导地位。直流调速系统不仅是交流调速系统的基础，而且其理论和实践相比于交流调速更为成熟完善，所以直流调速系统不仅在调速领域有着至关重要的地位，而且与我们的生活是密不可分的。

1.2 研究课题的目的和意义

双闭环直流调速相比于单闭环直流调速，在抗干扰性能方面是十分突出的，其中，PI调节器在直流双闭环调速系统中的作用是十分巨大的，首先他能够消除负载转矩对稳态速降的扰动，使系统更加趋向于稳定，并且还可以达成系统的转速稳态无静差，与此同时，利用电流截止负反馈限制电枢电流对系统产生的冲击，但是假如电枢电流是动态的而不是静态的，然后单闭环直流调速系统电流就不能任意的控制了。要想解决这一问题，就必须在调速系统中引入两个十分重要的负反馈：转速和电流负反馈。而且双闭环调速系统相比于直流单闭调速系统，在抗干扰性能，特别是抗电网电压扰动方面有了质的飞跃。矛盾的存在在于，在

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设计调节器的时候必须考虑到很多方面，比如稳定性、快速性以及抗干扰性等，而在使用经典的动态校正方法时，同时考虑整个系统的动态性能和静态性能，是一个很难权衡的过程[1]。建立一个实用易行的设计方法在这个时候就显得十分必要和急迫，同时进行这个设计的设计人员的理论基础以及他的实践能力都是不可或缺的，刚刚进入调速领域的人是不可能轻易的掌握其中的诀窍的。低阶系统可以被用来近似成很多系统，例如在在电力驱动领域中，十分具有代表性和先进性的自动控制系统。因此在进行设计之前，我们可以事先研究这个体系以及图标，将实际的系统利用低阶系统校正简化，设计过程就能相应的简化了，可能产生的工程设计方法就可以大大提高。

1.3 国内外研究现状

电机控制技术在近三十多年发生了史无前例的变化，其最根本的原因不仅仅是电力电子技术，同时还有自动控制技术有了翻天覆地的进步。在20世纪，特别是70年代，单片机由于其出众的性能，被广泛的应用于制作电机调速系统中最重要的部分—控制器。恰恰是由于单片机的应用，电机的速度控制系统，特别是性能方面有了很大的提高。与此同时，微机也开始出现，并且由于其出众的性能使之频繁的被用于完成各式各样的控制系统。

自80年代中后期起，伴随着数字化控制这一理念，数字化调速装置不断的被世界各大电气公司所研发。极其高的精度、优良的控制性能加上无可比拟的抗干扰能力为数字化直流调速装置在控制平台占领了一席之地。

1.4 设计内容和要求

1.4.1 设计要求

（1） 系统性能良好，无静差或者静差率很小。

（2） 系统能够进行平滑无级的调速，工作范围广，在其工作范围内，电 机能稳定持续的运行。

（3） 调速系统中设置有保护电路。 （4） 主电路采用三项全控桥。

1.4.2 设计内容

（1） 按照设计所提供的要求，设计出双闭环直流调速系统的系统框图，

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清楚的描述出其工作原理，画出设计时所必要的各个原理图和框图。

（2） 确定系统各个部分的参数。

（3） 确定主电路的各个组成部分，包括变流变压器、整流器、平波电抗器、保护元件等。

（4） 完成驱动电路的设计，确定其组成结构。 （5） 通过MATLAB/SIMULINK调速系统进行仿真。

2 双闭环直流调速系统设计框图

所谓直流电机，就是需要通过三相直流电机来供电，使其能够运行的一种电机类型。在人们的日常生活中，都是直接使用三相交流380V电源，因此需要将交流电整流使其转变成直流电。本设计采用三相桥式整流电路，将日常生活中的380V交流电变成三相直流电，然后将满足供应直流电机的要求[1]。系统的总框架如图2-1：

三相交流电整流三相桥式整流电路供电直流电动机保护电路驱动电路图2-1 双闭环直流调速系统总框图

双闭环直流调速器 一般在三相交流和三相桥式整流电路中都有一定的电路保护措施，比如快速熔断器等。根据不同的要求和不同的情况我们应选择不同的电压电流保护方法和器件，并且还要准确的计算各个器件的参数。

在直流电机双闭环调速系统中，电流负反馈和转速负反馈是系统中的灵魂，有了它们，才有了整个系统的可行性。他们之间采用的是串级连接。稳速精度是整个系统很重要的一部分，它是由外环，即转速负反馈来保障的。而电流负反馈环很明显的是内环，它的存在很好的改善了整个调速系统的动态性能，同时也为控制转矩和限流提供了可靠的保证。系统要求必须有优秀的静态和动态性能，一

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