湖南科技大学 信息与电气工程学院
《课程设计报告》
题目：带电流截止负反馈的转速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：电气三班 姓名： 学号：
指导教师：吴新开
课程设计任务书
指导教师评语：
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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。
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。 一、 设计参数
1、直流电动机（1）各参数如下：
输出功率为:10Kw，电枢额定电压220V 电枢额定电流50A，额定励磁电流2A 额定励磁电压110V，功率因数0.85
电枢电阻0.15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970rpm 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. 二、 反馈控制闭环直流调速系统的工作原理 1、 限流保护—电流截止负反馈
为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大问题,系统 中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理,要维持哪一 个物理量基本不变,就应该引入那个物理量的负反馈。那么引入电流 负反馈,应该能够保持电流基本不变,使它不超过允许值。但是这种作 用只应在起动和堵转时存在,在正常运行时又得取消,让电流自由地 随着负载增减,这样的当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈叫
做电流截止负反馈,简称截流反馈。
为了实现截流反馈,须在系统中引入电流截止负反馈环节。如图 1所示,电流反馈信号取自串人电动机电枢回路的小阻值电阻RS,IdRS正比于电流。设Idcr为临界的截止电流,当电流大于Idcr时将电流负反馈信号加到放大器的输入端,当电流小于Idcr时将电流反馈切断。为了实现这一作用,须引入比较电压Ucom。图1a中利用独立的直流电源作比较电压,其大小可用电位器调节,相当于调节截止电流。在IdRS与Ucom之间串接一个二极管VD,当IdRS>Ucom时,二极管导通,电流负反馈信号Ui即可加到放大器上去;当IdRS≤Ucom时,二极管截止,Ui即消失。显然,在这一线路中,截止电流Idcr=Ucom/RS。
图2-1b中利用稳压管 VST的击穿电压Ubr作为比较电压,线路要简单得多,但不能平滑调节截止电流值。
图1 电流截止负反馈环节
图2 电流截止负反馈环节的输入输出特性
图3 带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性
电流截止负反馈环节的输入输出特性如图2所示,它表明:当输入信号(IdRs-Ucom)为正值时,输出和输入相等;当(IdRs-Ucom)为负值时,输出为零。这是一个非线性环节(两段线性环节),将它画在方框中,再和系统的其它部分联接起来,即得带电流截截止负反馈的闭环调速系统稳态结构图4,图中Ui表示电流负反馈信号电压,Un表示转速负反馈信号电压。
图4 带电流截止负反馈的闭环调速系统稳态结构图
三、 设计过程
1、 主电路和控制系统确定
主电路选用V-M系统，采用三相桥式全控整流电路，并增加抑制电流脉动的措施，为此设置平波电抗器，总电感量的计算公式为 L=0.693U2/Idmin,一般取Idmin为电动机额定电压的5%-10%。触发电路采用三相集成触发器。
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原理图如图所示。 2、 确定整流装置的放大倍数 3、 电流调节器的设计 4、 转速调节器的设计 四、 系统的MATLAB仿真 1、 系统仿真模型
2、 电流环仿真
1）KIT i 0.5时，按典型 系统的设计方法得到的PI调节器的传递函数为Wpi s 1.013 波形：
33.33
，可以得到电流环阶跃响应的仿真输出的s
电流环临界超调输出波形
2）KIT i 0.25时，按典型 系统的设计方法得到的PI调节器的
传递函数为Wpi s 0.5067 出的波形：
16.89
，可以得到电流环阶跃响应的仿真输s
电流环无超调输出波形
3）KIT i 1.0时，按典型 系统的设计方法得到的PI调节器的传递函数为
Wpi s 2.027
67.567s，可以得到电流环阶跃响应的仿真输出
的波形：
电流环超调较大输出波形
总结：从以上各电流环的图形得出KT越大时上升时间越快，但同时超调量也比较大，当KT=0.5时，各项动态参数较合理。 3、转速环仿真
五．心得体会
本次主要对转速闭环直流电机的调速系统进行分析并在MATLAB/SIMULINK 建立起仿真图并进行仿真。介绍了转速负反馈的闭环直流调速系统的原理, 完成了转速闭环调速系统的优点并建立其原理框图和仿真图。将建立的仿真图在MATLAB软件里面仿真得出直流电动机各物理量的波形。对波形进行分析得出转速负反馈闭环调速系统的优点和不足。
通过本次设计，加强了我对应用知识的掌握，同时了解了目前工业生产中数字化系统的重要性，巩固了我的专业课知识，使自己受益匪浅。总之，通过本次设计不仅进一步强化了专业知识，还掌握了设计系统的方法、步骤等，为今后的工作和学习打下了坚实的基础。
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，积累了丰富的实践经验，为我们迈向社会，从事职业工作打下了坚实的基础．正所谓“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，令我深深体会到这句千古名言的真正含义．今天进行认真的进行课程设计，为了将来迈出脚踏实的步子，一切为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．
六．参考资料
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.《电气传动自动化技术手册》天津电气传动研究所.机械工业出版社.
4.《毕业设计指导》刘祖润.机械工业出版社. 5.《电力电子变流技术》黄俊.机械工业出版社.
6.《电力拖动自动控制系统》张明达.冶金工业出版社.
7.《电力传动控制系统原理与应用》冯信康.水利电力出版社. 8.《电气传动控制系统的设计》周德泽.机械工业出版社. 9.《控制系统课程设计》吴新开，中南大学出版社
10.《电子测试、仿真与制作技术》吴新开，中南大学出版社 11.《电气自动化》杂志
12.《电气传动自动化》杂志 13. 《电力电子技术》杂志
