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双闭环直流调速系统设计

电气与控制工程

已知参数：
某转速电流双闭环直流调速系统的已知参数为：
（1）电动机参数：，,,，
，；
（2）功率放大器：放大倍数，，；
（3）其它参数：电枢回路总电感,最大允许电流，ASR和ACR的输出限幅值均为,最大转速给定电压,电流反馈滤波时间常数为，转速反馈滤波时间常数为。
设计指标：
电流超调量,转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量,过度过程时间。

电流调节器设计
（一）参数计算
确定时间常数
电流滤波时间常数
电流环小时间常数之和
电磁时间常数
选择电流调节器结构
根据设计要求，并保证稳态电流无差，按典型I型系统设计，采用PI型电流调节器。其传递函数形式如：

计算电流调节器参数
电流调节器超前时间常数：
电流环开环增益：要求，按表3-1，应取，因此

电流反馈系数为
于是，ACR的比例系数为
电流调节器传递函数为
校验近似条件
电流环截止频率：
校验晶闸管整流装置换地函数的近似条件
满足近似条件
校验电流环小时间常数近似处理条件
满足近似条件
（5）计算调节器电阻和电容
根据运算放大器的电路原理，选，各电阻和电容值计算如下

按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为
满足设计要求

含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器

（二）仿真模型

（三）仿真结果

转速调节器设计
（一）参数计算
确定时间常数
转速滤波时间常数
转速环小时间常数
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

计算转速调节器参数
按跟随和抗扰性能都较好的原则，取，则ASR的超前时间常数为

转速环开环增益为

ASR的比例系数为

其中，

转速调节器传递函数为
检验近似条件
转速环截止频率为
电流环传递函数简化条件
满足近似条件
转速环小时间常数近似处理条件
满足近似条件
3）计算调节器电阻和电容
含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器

取，则
取
取
取

（二）仿真模型

（三）仿真结果

系统硬件设计
原理图

整流电路

整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它将交流电变为直流电。本设计采用三相桥式全控整流电路，其原理图如图所示，阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1、VT3、VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4、VT6、VT2）称为共阳极组。这种整流电路的输出电压一周期脉动6次，每次脉动的波形完全相同，故该电路为6脉动整流电路。

PWM变换器
脉宽调速系统的主要电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。直流电动机PWM控制系统分为不可逆和可逆系统。不可逆系统是指电动机只能单向旋转；可逆系统是指电动机可以正反两个方向旋转。对于可逆系统，又可以分为单极性驱动和双极性驱动两种方式。单极性驱动是指在一个PWM周期里，作用在电枢两端的脉冲电压是单一极性的；双极性驱动是指在一个PWM周期里，作用在电枢两端的脉冲电压是正负交替的。本设计采用双极性驱动可逆PWM变换器。
如图是H型双极性可逆PWM变换器原理图。它包含有4个IGBT管和4个续流二极管。4个IGBT管分成两组，VT1，VT4为一组；VT2，VT3为另一组。同一组的IGBT管同时导通或截止，不同组的IGBT管的导通与截止是不相同的。

泵升限制电路

当脉宽调速系统的电动机转速由高变低时（减速或者停车），储存在电动机和负载转动部分的动能将会变成电能，并通过双极式可逆PWM变换器回送给直流电源。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回送电能，电机制动时只好给滤波电容充电，从而使电容两端电压升高，称作“泵升电压”。过高的泵升电压会损坏元器件，所以必须采取预防措施，防止过高的泵升电压出现。可以采用由分流电阻R和开关元件（电力电子器件）VT组成的泵升电压限制电路，如图所示。当滤波电容器C两端的电压超过规定的泵升电压允许数值时，VT导通，将回馈能量的一部分消耗在分流电阻R上。在本设计中泵升电路电解电容选取C=2200μF；电压U=450V；VT选取IRGPC50U型号的IGBT管；电阻选取R=20Ω。

按键电路

独立式按键电路如图所示，这种独立式按键电路所需器件比较少、软件编程结构比较简单，在此电路中，按键输入都采用低电平有效，上拉电阻的接入保证了冷按键断开时，I/O口线上有确定的高电平。通过软件编程实现如下功能：当按下1键时，电动机启动；当按下2键时，电动机正转；当按下3键时，电动机反转；当按下4键时，电动机停止；当按下5键时，电动机加速；当按下6键时，电动机减速。

四、直流调速原理

双闭环直流调速系统稳态结构

双闭环直流调速系统的动态结构

直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节