双闭环直流调速系统

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摘要

本文实现了转速电流双闭环直流调速系统的设计，实验结果可以准确直观的观察转速-电流双闭环调速系统的启动过程，可方便的设计各种不同的调节器参数及控制策略并分析其多系统性能的影响，取得了很好的效果。但怎样处理好转速控制和电流控制之间的关系呢？经过反复研究和实践，终于发现，如果在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，两者之间实行串联连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器ACR的输入，再用电流调节器的输出作为晶闸管触发装置的控制电压，那么这两种调节作用就能互相配合，相辅相成了。

本文利用MATLAB软件中的simulink组件对直流双闭环调速系统进行仿真，结果表明，应用MATLAB进行系统仿真具有方便，高效及可靠性高等优点。

关键词：双闭环直流调速系统，晶闸管，直流电动机，MATLAB，仿真

Abstract

This paper presents the speed-current double closed-loop DC speed control system design, experimental results can be accurate visual observation of speed - current double closed-loop speed control system startup process can be designed to facilitate the regulation of the various parameters and control strategies and to analyze their multi-system performance and achieved good results. But how to handle the speed control and current control between the relationship? After repeated study and practice, and finally found that if in the system set up two regulators, respectively, regulate speed and current in series connection between the practice, that is, the output of speed regulator as the input current regulator ACR, and then current regulator's output as the control voltage thyristor triggering device, then the regulatory role of these two will be able to complement one another by.

In this paper, MATLAB software components of the simulink pairs of closed-loop speed control system of the DC simulation results show that the application of MATLAB for system simulation is convenient, efficient and high reliability.

Key words: Double-Loop DC Motor Control systems, thyristor, DC motors, MATLAB, simulation

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第1篇 直流电动机调速系统的设计

1 绪论

在现代工业中，为了实现各种生产工艺过程的要求，需要采用各种各样的生产机械，这些生产机械大多采用电动机拖动。随着工艺技术的不断发展，各种生产机械根据其工艺特点，对生产机械和拖动的电动机也不断提出各种不同的要求，这些不同的工艺要求，都是靠电动机及其控制系统和机机械传动装置实现的。可见各种拖动系统都是通过控制转速来实现的，因此，调速控制技术是最基本的电力拖动控制技术。

由于直流调速控制系统具有良好的启制动、正反转及调速等性能，目前在调速领域中仍占主要地位。按供电方式，它可分交流机组供电、水银整流供电和晶闸管供电三类。晶闸管供电的直流调速控制系统具有良好的技术经济指标。因此，在国内外已取代了其他两种供电方式。目前，我国的直流调速控制主要在以下几个方面进行着研究。

① 提高调速的单机容量。我国现有最大单机容量为7000kW，国外单机容量已达14500kW。

② 提高电力电子器件的生产水平，增加品种。20世纪50年代末出现的无自关断能力的半控型普通晶闸管是第一代电力电子器件。70年代以后，出现了能自关断的全控型器件，如电力晶体管（GTR）、门极可关断晶闸管（GTO）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、电力场效应管（MOSFET）、静电感应晶体管（SIT）和静电感应晶闸管（SITH）等称之为第二代电力电子器件，使得变流器结构变得简单、紧凑。80年代后，出现了电力集成电路（PIC），属于第三代电力电子器件，在PIC中，不仅含有主电路的器件，而且把驱动电路以及过压、过电流保护、电流检测甚至温度自动控制等电路都集成在一起，形成一个整体。当今，电力电子器件正在向大功率化、高频化、模块化、智能化发展。

③ 提高控制单元水平。目前国内使用较多的仍是小规模集成运放和组件构成的交直流调速控制系统，触发装置甚至仍是分立元件的，目前，国外的第四代产品以微处理机为基础，具有控制、监视、保护、诊断及自复原等多种功能。

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2直流调速系统的方案确定

2.1 系统技术数据及要求

技术数据：直流电机额定功率PN=48KW；额定电压UN=230V, 额定电流IN=209A,极对数2P=2,转速nn=1450r/min；电枢电阻Ra=0.3Ω ,励磁电压UL=220V, 励磁电流IL=1.6A。

设计要求：系统调速范围D=10,静差率S≤ 5%；稳态无静差，电流超调量σ≤ 5%；启动到额定转速时的转速退饱和超调量≤10%。

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2.2 调速系统的方案选择

因调速精度要求较高，故选用转速负反馈调速系统。并设有电流反馈，以提高电机的动态快速性以及进行限流保护。调速系统的结构框图如图2-1所示。

电流反馈

Ui

Ld

转速 转速 -

触发器 M 调节器 调节器 Ud **Un + Ui Un

TG

图2-1 调速系统的结构框图

与电动机同轴安装一台测速发电机TG，从而引出与被调量转速成正比的负反

*馈电压Un，与给定电压Un相比较后，得到转速偏差电压?Un，经转速调节器放大

后，作为电流调节器的给定，与电流反馈信号相减后得到电流偏差?Ui，经电流调节器放大后，去控制触发器的导通角，从而改变输出电压，达到变压调速的目的。

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2.2.1 主电路的选择

一般说来，对晶闸管整流装置在整流器功率很小时（4KW以下），用单相整流电路，功率较大时用三相整流电路。这样可以减小负载电流的脉动。由于所提供的电动机为10KW。故主电路采用三相整流电路。

在三相整流电路中，主要有三相零式整流电路、三相全控桥式整流电路和三相半控桥式整流电路。三相零式电路突出的优点是电路简单，用的晶闸管少，触发器也少，对需要220V电压的用电设计直接用380V电网供电，而不需要另设整流变压器。但缺点是要求晶闸管耐压高，整流输出电压脉动大，需要平波电抗器容量大，电源变压器二次电流中有直流分量，增加了发热和损耗。因零线流过负载电流，在零线截面小时压降大。而三相全控桥式整流电路，在输出电流和电压相同时，电源相电压可较三相零式整流电路小一半。因此显著减轻了变压器和晶闸管的耐压要求。变压器二次绕组电流中没有直流分量，种用率高。输出整流电压脉动小，所以平波电抗器容量就可以小一些。三相全控桥式整流电路的缺点是整流器件用得多，需要六个触发电路，需要220V电压的设备也不能用380电网直接供电，而要用整流变压器。三相半控桥式整流电路，虽然只用三只晶闸管、三个触发电路，但整流输出电压脉动大，且不能用于需要有源逆变的场合。

综合上述三种三相整流电路，及根据系统设计要求，主电路选用三相全控桥式整流电路。又由于电动机的额定电压为220V，为保证供电质量，应采用三相减压变压器将电源电压降低；为避免三次谐波电动势的不良影响，三次谐波电流对电源的干扰，主变压器采用D/Y联结。

2.2.2 触发电路的选择

目前触发电路主要有阻容移相触发电路、单结晶体触发电路、正弦波同步触发电路、锯齿波同步触发电路，以及集成触发电路等。对常见的几种触电发电路进行综合考虑，集成触发电路具有明显的优点，因而选用集成触发电路。触发集成芯片采用目前比较常用的KC系列。

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3主电路设计与计算

3.1 主电路的设计

由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小，故选用三相全控桥式整流电路供电。如图3-1所示。

U1 V1 W1 SB1SB2KAKMUVWT1KA2FR11R4KM1R51VT11R6I>1VT3FU31VT5FU41C61R9WKA1Ld1R1--1R31C1--1C31C41R7KMFR1TA1TA2TA3QS1L1L2L3NFU1FU2U1C51R8VVMFU51VT41RV1--1RV31C71C8FU61VT61C9FU71VT2VD1VD2VD3RW1RW2VD4VD5VD6I

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3.2整流变压器的设计

3.2.1变压器二次侧电压U2的计算

U2是一个重要的参数，选择过低就会无法保证输出额定电压。选择过大又会造成延迟角α加大，功率因数变坏，整流元件的耐压升高，增加了装置的成本。一般可按下式计算，即：

U2??1~1.2?Ud （3-1） A?B式中:

A—理想情况下，α=0°时整流电压Ud0与二次电压U2之比，即A=Ud0/U2； B—延迟角为α时输出电压Ud与Ud0之比，即B=Ud/Ud0； ε—电网波动系数，通常取ε=0.9； 1～1.2——考虑各种因数的安全系数；

对于三相全控整流电路 A=2.34；取ε=0.9；α角考虑10°裕量， 则 B=cosα=0.985，由式（3-1）可得

U2??1~1.2?230?111~133V，取U2=120V。

2.34?0.9?0.985电压比 K=U1/U2=380/120=3.17。

3.2.2 一次、二次相电流I1、I2的计算

整流变压器一次、二次相电流与负载电流Id之比分别为：

KI1=I1/Id （3-2）

KI2=I2/Id （3-3） 考虑变压器的励磁电流时，I1应乘以1.05左右的系数，即：

I1?1.05KI1Id （3-4） K对于三相全控整流电路 KI1=0.816, KI2=0.816，由式（3-3）、（3-4）可得：

I1?1.05KI1Id0.816?209?1.05?56.49A K3.17I2?KI2Id?0.816?209?170.54A

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3.2.3变压器容量的计算

S1=m1U1I（3-5）

S2=m2U2I2（3-6）

S=0.5(S1+S2)（3-7）

式中m1、m2 --一次侧与二次侧绕组的相数； 对于三相全控挢式整流电路m1=3，m2=3，则有： S1=m1U1I1=3×380×56.49=64.398 kVA

S2=m2U2I2=3×120×170.54=61.394 kVA S=0.5(S1+S2)= 0.5×(64.398+61.394）=62.896 kVA 取S=62.9kVA

；

；

；

3.3晶闸管元件的选择 3.3.1晶闸管的额定电压

晶闸管实际承受的最大峰值电压Um，并考虑（2～3）倍的安全裕量，参照标准晶闸管电压等级，即可确定晶闸管的额定电压UTN，即UTN =（2～3）Um

在三相全控桥式整流电路，每个晶闸管所承受的最大峰值电压为Um?6U2，则

UTN??2~3?Um??2~3?6U2??2~3??6?120?587.9~881.8V （3-8）

这里取UTN?700V

3.3.2晶闸管的额定电流

选择晶闸管额定电流的原则是必须使管子允许通过的额定电流有效值ITN大于实际流过管子电流最大有效值IT，即:

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ITN =1.57IT(AV)>IT 或 IT(AV)>

IIIT=Td=KId （3-9） 1.571.57Id考虑到（1.5～2）倍的裕量

IT(AV)（3-10）

=（1.5～2）K

Id

式中K=IT/（1.57Id）——电流计算系数。

对于三相全控整流电路K=0.368，考虑1.5～2倍的裕量

IT?AV???1.5~2?KId??1.5~2?KIn

??1.5~2??0.368?209?115.4~153.8A

取IT?160A。故选晶闸管的型号为KP160晶闸管元件。

3.4 主电路的保护设计与计算

在实际的运行过程中，会受各种各样因素的引响，使电压或电流超出系统允许的范围，如电网电压波动导致的过电压，过载或堵转引起的过电流等等，这时很容易损坏系统，因而需要设置相应的保护电路。

3.4.1 过电压保护

以过电压保护的部位划分，可分为交流侧过电压保护、直流侧过电压保护和器件两端过电压保护三种。

（1）交流侧过电压保护

①错误！未指定书签。 阻容保护 即在变压器二次侧并联电阻R和电容C进行保护，如图3-1中的1R1—1R3和1C1-1C3。对于单相电路 C?6Iem（3-11）

2UshU2 R?2.3

SIemS 电容C的耐压?1.5Um 2U2（3-12）

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2PR?(3~4)IRR 电阻功率：（3-13）

IC?2?fCUC?10?6

式中： S——变压器容量（VA） U2——变压器二次相电压有效值 IR——通过电阻的电流（A）

Iem——变压器励磁电流百分比，10~100KVA的变压器，对应的

Iem=10~4；

Ush——变压器的短路比，10~1000KVA的变压器，对应的Ush=5~10； Um——阻容两端正常工作时交流电压峰值（V）。 对于相电路，R和C的数值可按表3-1进行换算。

表3-1 变压器和阻容装置不同接法时电阻和电容的数值

变压器接法 电容 电阻 单相 C R 三相、二次Y联结 Y联结 C R D联结 1/3C 3R 三相、二次D联结 Y联结 3C 1/3R D联结 C R 阻容装置接法 与变压器二次侧并联 取Iem=6, Ush=8，由式（3-11）、（3-12）、（3-13）得

C≥6IemS/U2=6×6×62.9×10/120=157.3μF

耐压≥1.5Um =1.5×2×120=254.6V

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由公式计算出电容量一般偏大，实际选用时还可参照过去已使用装置情况来确定保护电压的容量，这里选CZ32-2型金属化纸介电容器，电容量160uF，耐压300V。

取2Ω

IC=2πfCUC×10-6=2π×50×160×120×10-6=6.03 A

PR≥（3～4）ICR=(3～4) ×6.03×2=（218.17～290.89）W 可选取2Ω，300W的陶瓷绕线电阻。 ② 压敏电阻的选择

压敏电阻标称电压U1mA=1.32U2=1.3×2×120=220.6V

取电流量5KA，选MY31-220/5型压敏电阻。允许偏差+10％（242V）。 （2） 直流侧过电压保护

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直流侧保护可采用与交流侧保护相同保护相同的方法，可采用阻容保护和压敏电阻保护。但采用阻容保护易影响系统的快速性，并且会造成di/dt加大。因此，一般不采用阻容保护，而只用压敏电阻作过电压保护。

U1Ma?(1.8～2)UDC=(1.8～2.2) ×230=414～460V

选MY31-660/5型压敏电阻，允许偏差+10％。

闸管及整流二极管两端的过电压保护

抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。如图3-1中的1R4~1R9、1C4~1C9。阻容保护的数值一般根据经验选定，见表3-2

表3-2 阻容保护的数值一般根据经验选定 晶闸管额定电流/μA 电容/μF 电阻/Ω 10 0.1 100 20 0.15 80 50 0.2 40 100 0.25 20 200 0.5 10 500 1 5 1000 2 2 抑制晶闸管关断过电压一般采用在晶闸管两端并联阻容保护电路方法。电容耐压可选加在晶闸管两端工作电压峰值Um的1.1～1.15倍。

由于 IT?160A

由上表得C=0.5μF，R=10Ω，

电容耐压≥1.5Um=1.5×6U2=1.5×6×120=441V

选C为0.15μF的CZJD-2型金属化纸介质电容器, 耐压为450V。

PR2?fcUc?10?6=50×0.15×(3?120)2?10?6=0.324W 选R为80Ω，1W的普通金属膜电阻器。

23.4.2 过电流保护

本系统采用电流截止反馈环节作限流保护外，还设有与元件串联的快速熔断器作过载与短路保护。快速熔断器的断流时间短，保护性能较好，是目前应用最普遍的保护措施。快速熔断器可以安装在直流侧、交流侧和直接与晶闸管串联。 如图3-1中的FU1-FU7。

（1）交流侧熔断器的选择

在交流则设有熔断器FU1，对整流变压器及后面的电路进行短路与过载保护，整流变压器一次侧的电流有效值为I1=56.49A。故可选取RW06-80低压熔断器，熔体的额定电流选为80A

（2）晶闸管串连的快速熔断器的选择

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接有电抗器的三相全控桥电路，通过晶闸管的有效值

IT?In/3?209/3=120.7 A

选取RLS-150快速熔断器，熔体额定电流150A。 （3）过电流继电器的选择

因为负载电流为209A，所以可选用吸引线圈电流为30A的JL14-11ZS型手动复位直流过电流继电器，整定电流取1.25×209=261.25A≈260A。

3.4.3 缺相与无励磁或弱磁保护

在发生缺相故障时，会使输出电压降低，电流和电压波动增大，使电机运行时振动加大，增大了对生产机械的冲激，有必要设置缺相保护电路。对于他励直流电动机，启动时必须先加励磁电源，然后才能加电枢电压，以及在弱磁时，会使系统不稳定，因而应设置无励磁或弱磁保护。

（1）缺相保护 缺相保护采用带缺相保护功能的热继电器实现，如图3-1中的FR。热继电器FR既作缺相保护，也可作过载保护。当发生缺相故障或负载过载时，热继电器FR动作，其常闭触头断开，KM线圈失电，KM的主触头断开整流电路的电源，从而实现缺相和过载保护。

整流变压器二次侧的电流有效值为I2=170A.，可选用JR60，热元件选用4U，整定电流为180A。

（2）无励磁或弱磁保护 无励磁或弱磁保护采用欠电流继电器实现，如图3-1中的KA2。当发生无励磁或弱磁（励磁电流没达到最小允许值）时，KA2的常开触头断开，接触器KM失电，其主触头切断全控整流器的电源，从而实现无励磁或弱磁保护。励磁电流为1.6A，可选用JT18型欠电流继电器，额定电流取4.6A，吸合电流整定为1.2A。

3.5 平波电抗器的计算

为了使直流负载得到平滑的直流电流，通常在整流输出电路中串入带有气隙的铁心电抗器Ld，称平波电抗器。其主要参数有流过电抗器的电流一般是已知的，因此电抗器参数计算主要是电感量的计算。

（1）算出电流连续的临界电感量L1可用下式计算，单位mH。

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L1?K1U2 （3-14） Idmin式中 K1－与整流电路形式有关的系数，可由表查得；

Idmin－最小负载电流，常取电动机额定电流的5％～10％计算。

根据本电路形式查得K1=0.695

所以 L1=0.695?120=7.98mH

209?5%（2）限制输出电流脉动的临界电感量L2

由于晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，因此输出电流波形也是脉动的。该脉动电流可以看成一个恒定直流分量和一个交流分量组成。通常负载需要的只是直流分量，对电动机负载来说，过大的交流分量会使电动机换向恶化和铁耗增加，引起过热。因此，应在直流侧串入平波电抗器，用来限制输出电流的脉动量。平波电抗器的临界电感量L2（单位为mH）可用下式计算

L2?K2U2 （3-15） SiId式中K2－系数，与整流电路形式有关，Si－电流最大允许脉动系数，通常三相电路Si≤（5～10）％。

根据本电路形式查得K2=1.045,

所以 L2?K2U2120=1.045?=6mH

10%?209SiId（3）变压器漏电感量LT

变压器漏电感量LT（单位为mH）可按下式计算

LT?KTUshU2 （3-16）

100ID式中 KT－计算系数，查表可得 Ush－变压器的短路比，一般取5～10。 本设计中取KT=3.9、Ush=8

所以 LT=3.9×8×120/（100×209）=0.179mH (4）实际串入平波电抗器的电感量Ld

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Ld?max?L2,L1??(LD?2LT) （3-15）

已知电动机电感量LD=7mH ，L1?L2则：

Ld=max(L2,L1)-(LD+2LT)=7.98-(7+2×0.179)=0.622mH

3.6 励磁电路元件的选择

整流二极管耐压与主电路晶闸管相同，故取700V。对于三相不可控桥式整流电路 K=0.367，

ID(AV)=(1.5～2)KIL=(1.5～2)×0.367×1.2A=0.6～0.88A

图3—2主电路图电路

可选用ZP型3A、700V的二极管。

在图中，RW1和RW2是用来调节励磁电流的，可选择50Ω，10W的可调电阻。

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4 触发电路的设计

4.1 触发电路的选择

根据设计要求，选用集成触发电路。触发集成芯片采用目前比较常用的KC系列。典型应用电路如图4-1所示。

中图3-1中，由KC04及其周围的元件组成6路依次相差60°的触发脉冲，并从其第8引脚引入三相电网电压，实现6路脉冲与电网电压的同步。KC42主要是用于电网电压波形的补偿，从而使同步脉冲更加准确，减小了电网电压波形对触发脉冲的影响。KC41是将由KC04产生的6路单脉冲信号转换成6路双脉冲信号，使触更加可靠。

在触发器选用15V供电电源的时候，移相输入电压应小于15V，选UC?10V则晶闸管装置的放大倍数:Ks=Ud/Uc=220/10=22

Va+15V2.2KVb2.2KVc2.2KUc-15V15K5.1K1uF15K5.1K1uF15K5.1K1uF10K1uF1uF10K9875436.8K10K5.1K1112131410K10K9875436.8K5.1K1112131410K10K 9875436.8K5.1K111213KC04140.01uF0.047uF1K30K0.01uF0.047uF1K30K0.01uF0.047uF1K30KKC04KC0430K151630K0.47uF151630K0.47uF15160.47uF111+15V0.01uF0.01uF216134781K116215314413KC4151261171089G2K2G1K1G3K3G5K51K1K1K1KG6K6G4K4KC42121196800p20K6800p1K3DG12B × 62CK4310K图 4-1 由KC04、KC41、KC42组成的集成触发脉冲产生电路

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由产品目录中查得KP100晶闸管的触发电流为IGT为10~250mA,触发电压

VGT?4V。在触发电路直流电源电压为15V时，脉冲变压器匝数比为2﹕1，Ug可获

得6V左右的电压，脉冲变压器一次电流只要大于75mA，即可满足晶闸管要求，这里选用3DG12B作为脉冲功率放大管，其极限参数BVCEO?45，ICM?300mA，完全能满足要求。

4.2 同步变压器设计

如图4-1所示的六路双脉冲触发电路需要三个互差120°，且与主电路三个相电压uU、uV、uW同相的三个同步电压，因此需要设计一个三相同步变压器，但考虑到同步变压器功率很小，一般每相不超过1W，这样小的三相变压器很难买到，故可用三个单相变压器组来代替，并联成DY0，即可获得与主电路二次侧相电压同相的三个电压uu、uv、uw。按电路要求，同步电压取30V，因一次侧直接与电网相接，每相绕组电压为380V，考虑制造方便，功率的裕量留大一些，最后确定单相变压器参数为：容量为3VA，电压为380V/30V，数量为3只，同步变压器的联结如图4-2所示。

图4-2 同步变压器的U1V1VbW1VcVa4.3 控制电路的直流电源

这里选用集成稳压电路CM7815和CM7915，如图4-3所示。

B1~17V78153C13C3+15V3D13C23C43C6~17VB2

3C53D2-15V7915图4-3 ±15V直流稳压电源原理图

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5 双闭环的动态设计和校验

5.1电流调节器的设计和校验

① 整流装置滞后时间常数Ts

对于三相全控桥式整流电路，可取Ts?0.0017s。 ② 电流滤波时间常数Toi

对于三相全控桥式整流电路，可取Toi?2ms?0.002s。 ③ 电流环小时间常数T?i

按小时间常数近似处理，取T?i?Ts?Toi?0.0017?0.002?0.0037s。 ④ 电流调节器的选择

因为电流超调量?i?5%，并保证稳态电流无静差，可按典型系统设计电流调

Ki??i?1?。?is其模拟电路图如图5-1所示。二极管3VD1和3VD2起运放输入限幅，保护运放的作节器电流环控制对象是双惯性型的，故可用PI型电流调节器WACR?s??用。二极管3VD3、4VD4和电位器3RW1、3RW2用于正负限幅，调节3RW1或3RW2就可以改变下输出幅值或负限幅值。3R1是为了避0免运算放大器长期工作产生零点

3R13Ri3Ci+15V3VD3U *i3R0i/23R0i/23Coi3VD13RW1UC

Ui 3VD23Coi3Rbal3VD43RW2-15V3R0i/23R0i/2 图5-1 电流调节器

漂移，其阻值较大，可取4.7M。

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Ui*10??0.12V/A ⑤ 电流反馈系数???Id1.5?55⑥电流调节器参数计算

L?107.7?10?3电枢回路电磁时间常数：Tl???0.1s。

R1电流调节器超前时间常数： ?i?Tl?0.1s。

电流环开环增益：要求?i?5%时，就取KIT??0.5，因此 KI?0.5/T??0.5/0.0037?135.1s?1 于是，电流环的比类系数为 Ki?⑦ 校验近似条件

电流环截止频率：?ci=KI=135.1S?1。 晶闸管整流装置传递函数的近似条件：

11??196.1S?1>?ci满足条件。 3Ts3?0.0017KI?iR135.1?0.1?1??5.117 Ks?22?0.12忽略反电动势变化对电流环动态影响条件：

311?3??22.36S?1??ci，满足条件。 Tm?Tl0.18?0.1电流环小时间常数近似处理条件：

1111????180.8s?1??ci，满足条件。 3Ts?Toi30.0017?0.002⑧计算调节器的电阻和电容

取运算放大器的3R0i=40k?，有Ri?Ki?R0=5.117?40=204.68k?，取220k?， 3Ci??iRi?0.1?0.45?F220k?，取0.47?F，3Coi?4Toi4?0.002??0.2?F，取R040k?0.2?F。故WACR?s??

Ki??i?1?5.117??0.1s?1?=。

0.1s?is17

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5.2转速调节器的设计和校验

① 电流环等效时间常数1/KI 在前面的计算中，已取KIT??0.5，则② 转速滤波时间常数Ton

根据所用没速发电机纹波情况，取Ton?0.01s。 ③ 转速环小时间常数T?n?④ 转速调节器的选择

按设计要求，选用PI调节器，其传函为WASR?s??1?Ton?0.0074?0.01?0.0174s。 KI1?2T??2?0.0037?0.0074s。 KIKn??ns?1?，其模拟电路图

?n?s如图5-2所示。其结构与电流调节器一样。在此不再重述。

3R23Rn*Un+15V3Cn3VD73RW33R0n/23R0n/23Con3VD5Un3R0n/23R0n/23VD63Con3Rbal3VD8Ui*3RW4-15V图5-2 转速调节器

⑤ 转速调节器的参数计算

按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=5,则ASR的超前时间常数为：

?n?hT?n?5?0.0174?0.087s，

h?16??396.35s?1。 22222hT?n2?5?0.0174转速环开环增益 KN?18

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ASR的比例系数为：Kn?⑥ 检验近似条件

?h?1??Ce?Tm2h?RT?n?6?0.12?0.193?0.18?14.4。

2?5?0.01?1?0.0174转速环截止频率为?cn?KN?1?KN??n?396.4?0.087?34.5s?1。

电流环传递函数简化条件为

1KI1135.1??63.7s?1?Wcn，满足条件。

3T?i30.00371KI1135.1转速环小时间常数近似处理条件为：??38.7s?1?Wcn，满足近

3Ton30.01似条件。

⑦ 计算调节器电阻和电容：

取R0=40k?，则Rn?Kn?R0?14.4?40?576k?，取620k?。 3Cn??nRn?0.087?0.14?F，取0.15?F 620k?3Con?4?0.01?1?F，取1?F。

40k??Kn??ns?1??14.4??0.087s?1?0.087s。

故WASR?s???n?s⑧ 校核转速超调量：

由h=4，查得?n?37.6%?10%，不满足设计要求，应使ASR 退饱和重 计算?n。设理想空载z=0，h=5时，查得

?Cmax=81.2%，所以 Cb?nT?n=2（?Cmax）

（??z）?N??n

TmnCb=2?81.2%?1.5?2850.0174??0.067?6.7%?10%，满足设计要求。 10000.18

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6 系统MATLAB仿真

本次系统仿真采用目前比较流行的控制系统仿真软件MATLAB，使用MATLAB对控制系统进行计算机仿真的主要方法有两种，一是以控制系统的传递函数为基础，使用MATLAB的Simulink工具箱对其进行计算机仿真研究。另外一种是面向控制系统电气原理结构图，使用Power System工具箱进行调速系统仿真的新方法。本次系统仿真采用后一种方法。

6.1 系统的建模与参数设置 6.1.1 系统的建模

采用Simulink工具箱中的Power System模块组成的转速、电流双闭环直流调速系统如图6-1所示。模型由晶闸管-直流电动机组成的主回路和转速、电流调节器组成的控制回路两部分组成。其中的主电路部分，交流电源、晶闸管整流器、触发器、移相控制环节和电动机等环节使用Power System模型库的模块。控制回路的主体是转速和电流两个调节器。模型中转速反馈和电流反馈均取自电动机测量单元的转速和电流输出端，减小了测速和电流检测环节，这不会影响仿真的真实性。电流调节器ACR的输出端其后面的环节运算后，得到移相控制电压，去控制整流桥的输出电压。而电流调节器ACR的输出限幅就决定控制角的最大和最小限制。

负载

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6.1.2 模型参数设置

（1） 交流电路电源的参数设置

由于整流变压器的二次电压为110V，其峰值电压为2U2?2?110?155.56V， 将U相、V相、W相电压发生器的峰值设为155.56V，频率设为50Hz，相位依次设为0°、-120°、120°。

（2）晶闸管的参数设置

Rn?0.001?，Lon?0.0001H，Vf?0，Rs?50?，Cs?250e?9（250×10）F

-9

（3）同步触发脉冲模块的参数设置

频率设为50Hz，脉冲宽度设为10°，选择双脉冲触发方式。 （4）电机模型的设置

励磁电阻为Uf/If?220/1.6?137.5?。 求电枢绕组和励磁绕组的互感Laf 因为 Ce? KE?UN?RaIN220?0.5?55??0.193V?min/r， nN10006060Ce??0.193?1.843 2?2?所以 Laf?KE/If?1.843/1.6?1.15H 电机的额定负载转矩

TL?9.55CeIn?9.55?0.193?55?101.37N?m 按以上计算出的参数，设置好电机模型。

6.2 系统仿真结果的输出及结果分析

当建模和参数设置完成后，在开始仿真前，需要对仿真器参数进行设置，选择“Simulation”菜单中的“Simulation parameters”命令，出现仿真参数设置对

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话框。选择ode23tb算法，将相对误差设置为1e-3（1×10-3），开始时间设置为0.0，停止时间设置为0.2，然后点击“OK”退出设置。单击工具栏的仿真。

（1）空载起动

将图6-1中的负载给定设为0，转速给定设为1000，启动仿真，得到如图6-2所示的结果，从图可看出，刚起动时，电枢电流各电磁转矩很大，并被限制在最大值，转速上升很快，转速超调后，电枢电流几乎下降到0，转速很快稳定到给定转速，在稳态时，电枢电流基本为0。

（2）负载起动

将图6-1中的负载给定设为10，转速给定设为1000，启动仿真，得到如图6-3所示的结果，从图可看出，刚起动，电枢电流各电磁转矩很大，并被限制在最大值，转速上升很快，转速超调后，电枢电流下降很快，转速很快稳定到给定转速，在稳态时，电枢电流约为15A。

（3）低速动行过程

将图6-1中的负载给定设为10，转速给定设为100，启动仿真，得到如图6-4所示的结果。从图可看出，起动时电枢电流各电磁转矩没达到最大允许值，转速也没有超调，稳态时，转速仍稳定中给定转速。

（4）负载变化

将图6-1中的负载给定模块换为一个阶跃函数模块，并设置延时时间为1s，

按钮，即可进行

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图6-4 双闭环调速系统，低速时运行过程 图6-5 双闭环调速系统，负载变化时运行过程

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初值为10，终值为50。转速给定设为1000，启动仿真，得到如图6-5所示的结果。从图可看出，系统稳定后突增负载，转速略有下降，但很快又稳定在给定转速。电枢电流增大很多。

从以下的仿真结果可看出，所设计的双闭环调速系统满足要求。

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