VM双闭环直流调速系统设计

1、自动化工程学院课程设计报告课程：电机与运动控制系统 设计题目：V-M双闭环直流调速系统设计专业 自动化 班级 2012级2班 姓名 学号 指导教师： 时间： 2015 年 7 月 16 日成绩：评语：目录第1章 绪论 1.1 设计背景.1 1.2方案选择.1 1.2 总体设计. .2第2章 主回路选择和计算 1.1 整流变压器的计算.3 1.2 整流器的选择.3 1.3 整流元件晶闸管选型.4 1.4 主回路保护环节的择.4第3章 控制回路的设计 3.1 触发回路的选择.5 3.2 反馈电路参数的选择.5 3.3 控制系统的动态计算及调机器设计.6第4章 驱动电路的设计 4.1触发电路的驱动.

2、9 4.2 给定电压及运放的驱动.10第5章 总结.10参考文献.12附录 附录一.13 附录二.14 第1章 绪论1.1 设计背景近几年，交流调速飞速发展，逐渐有赶超并代替直流调速的趋势。直流调速理论基础是经典控制理论，而交流调速主要依靠现代控制理论。不过最近研制成功的直流调速器，具有和交流变频器同等性能的高精度、高稳定性、高可靠性、高智能化特点。同时直流电机的低速特性，大大优于交流鼠笼式异步电机，为直流调速系统展现了无限前景。单闭环直流调速系统对于运行性能要求很高的机床还存在着很多不足，快速性还不够好。而基于电流和转速的双闭环直流调速系统静动态特性都很理想。目前主要研究方向采用新型电力电子

3、器，应用现代控制理论.采用总线技术内含嵌入式操作系统的控制器正在进入电动机控制领域直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内实现平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础，所以应该首先掌握直流拖动控制系统。1.2 方案选择本课程设计就要求结合给定的初始条件来完成直流双闭环调速系统的设计，其中包括绘制该调速系统的原理图，对调节器进行工程设计，选择调节器的参数等。要实现直流双闭环调速系统的设计需先对控制系统的组成及工作原理有一定深入的理解，弄清楚调速系统每个组成部分的作用，弄清楚转速环和电流环的工作原理，

4、合理选择调节器的参数以便进行合理的工程设计。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统是比较基础比较容易掌握的，它可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。原因是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程，采用电流负反馈就可以得到近似的恒流过程。怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈，又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢？转速、电流双闭环直流调速系统很好的解决了这个问题。在设计双闭

5、环调速系统时，一般是先内环后外环，调节器的结构和参数取决于稳态精度和动态校正的要求，双闭环调速系统动态校正的设计与调试都是按先内环后外环的顺序进行，在动态过程中可以认为外环对内环几乎无影响，而内环则是外环的一个组成环节。由于典型型系统的跟随性能由于典型型系统，而典型型系统的抗扰性能优于典型型系统，因此一般来说，从快速启动系统的要求出发，可按典型型系统设计电流环；由于要求转速无静差，转速环应按典型型系统设计。工程设计法是建立在频率特性理论基础上的，只需将典型系统和典型系统的开环频率特性作为调速系统仅有的两种预期特性。工程设计的步骤如下：1对已知系统的固有特性做恰当的变换和近似处理，以简化调节器结

6、构。2根据具体情况选定预期特性，即典型系统或典型系统，并按照零极点相消的原则，确定串联调节器的类型。3根据要求的性能指标，确定调节器的有关P、I、D参数。1.3 总体设计直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 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。两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。转速调节器ASR的输出限幅电压Uim决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm。由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环,以保证电动机的转速准确跟随给定电压

7、, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 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UPE，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。该设计过程中系统，一般是按照先内环后外环，调节器的结构和参数取决于稳态精度和动态校正的要求，双闭环调速系统动态校正的设计与调试都是按先内环后外环的顺序进行，在动态过程中可以认为外环对内环几乎无影响，而内环则是外环的一个组成环节。由于典型型系统的跟随性能由于典型型系统，而典型型系统的抗扰性能优于典型型系统，因此一般来说，从快速启动系统的要求出发，可按典型型系统设计电流环；由于要求转速无静差，转速环应按典型型系统设计。工程设计法是建立在频

8、率特性理论基础上的，只需将典型系统和典型系统的开环频率特性作为调速系统仅有的两种预期特性。直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。总体结构图如下：图一 总体结构图第2章 主回路选择和计算2.1 整流变压器的计算（1）变压器二次电压： （2） 二次相电流和一次相电流： （三相全控桥电感负载） （3） 变压器的容量： ；：变压器一次侧，二次侧绕组的相数为3。 2.2 . 整流器的选择： 整流桥就是将数个整流管封在一个壳内，构成一个完整的整流电路。当功率

9、进一步增加或由于其他原因要求多相整流时三相整流电路就被提了出来。三相整流桥分为三相全波整流桥(全桥)和三相半波整流桥(半桥)两种。选择整流桥要考虑整流电路和工作电压。对输出电压要求高的整流电路需要装电容器，对输出电压要求不高的整流电路的电容器可装可不装。该设计选择三相桥式整流器。2.3 整流元件晶闸管的选型 （1）晶闸管额定电压：UTN=(23)UTM,(三相桥式UTM=) UTN=（23）UTM=(23)=622.2933.3V,故取UTN=900V。 （2）晶闸管的额定电流： ITN=1.57IT(AV)>IT(有效值)，IT(AV)=(1.52) IT= IT(AV)=(1.52)

10、,故取IT(AV)=100A ITN=1.57ITN=1.57×100A=157A。2.4 主回路保护环节的选择 阻容保护只能保护过高的电压上升率，如抑制电网中的尖峰电压波。当尖峰波来时，因电容上的电压不变（来不及），尖峰波的电压会直接加在与电容串联的电阻上，而与电容串联的电阻值较小（只有几十欧姆），尖峰波的能量被消耗在电阻上，从而立即降低尖峰波的电压幅度。当正常运行时，电容的容抗远大于电阻（相差几百倍），阻容之路上的电流很小，故而电阻上的功率消耗很小。 （1）交流侧过电压保护用阻容保护：A.整流变压器二次侧采用三相Y型接法;B.二次侧采用三相型接法。 （2）交流侧用压敏电阻保护，Y

11、型标准电压U1mA=1.3U2;型U1mA=1.3U2。 （3）直流侧过电压保护：晶闸管的阻容保护。 （4）过电流保护用快速熔断器：交流侧、直流侧和晶闸管串联快速熔断器；额定电压大于线路工作电压的有效值，额定电流IFU的有效值：1.57IT(mA)IFUIT,IT为工作电流有效值。 1.57IT（mA）=1.57×78.5A=123,2AIFUIT=78.5A,故综合考虑IFU=100A图二 主电路原理图第3章 控制回路的设计 3,.1 触发回路的选择集成元件TC787电路原理和逻辑框图：图三 TC787原理图3.2 反馈电路参数的选择(1) 测速发电机的选择：55CY61型永磁直流

12、测速发电机 55CY61型永磁式直流测速发电机系封闭自冷式，其输出电压正比于电枢转速，适用于自动控制系统中作为测速、反馈和阻尼元件；发电机系连续工作制。使用条件：1、海拔不过4000米;2、环境温度为40。C-+55。C;3、空气相对湿度95%(+25。C时);4、任意安装位置。表一 55CY61型永磁式直流测速发电机额定参数型号输出电压(伏)转速(转/分)负载电阻(欧) 输出电压不对称度(%) 输出电压线性误差(%)重量(公斤)55CY6140± 420002000 1±10.95永磁直流电动机采用铁氧体永久磁铁激磁，系封闭自冷式。作为小功率直流电动机，可在各种装置中用作

13、驱动元件。（2） 电流反馈环节的选择：选用电流互感器。3.3 控制系统的动态计算及调机器设计3.3.1 ACR 的选择与计算 （1）确定时间常数 1)整流装置滞后时间常数Ts。按三相桥式电路的平均失控时间的Ts=0.0017s. 2)电流滤波时间常数Toi。三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms,为了基本滤平波头，应有（12）Toi=3.33ms,因此取Toi=2ms=0.002s。 3）电流环小时间常数Ti=Ts+Toi=0.0037。 （2）选择电流调节器结构根据设计要求i=5%，并保证稳态电流无差，可按典型型系統设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器。检查对

14、电源电压的抗扰性能：，者在典型型系统中各项各项动态性能指标都可以接受。 （3）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：i=Tl=0.03s.电流环开环增益：要求i5%时，应取KiTi=0.5,因此 于是，ACR的比例系数为 （4）校验正式条件电流环截止频率：ci=KI=135.1s-1 1）晶闸管整流装置传递函数的近似条件 满足近似条件。 2）忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 满足近似条件。 3）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 按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为 Ri=KiR0=1.013×40k=40.52k，取40k

15、 Ci=,取0.75F Coi=.取0.2F 按照上述要求参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为i=4.3%<5%3.3.2 ASR的选择和计算（1）确定时间常数 1）电流环等效时间常数1/Ki：已知KiTi=0.5，则 1/KI=2Ti=2×0.0037s=0.0074s 2）转速滤波时间常数Ton：根据所用测速发动机纹波情况，取Ton=0.01 3）转速环小时间常数Tn：按小时间常数近似处理，取 (2)选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器 （3）计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为 n=hTn=5×0.01

16、7s=0.087s转速开环增益为 KN=于是，可得ASR的比例系数为 Kn= （4）检验近似条件 转速环截止频率为 cn=KN/1=KNn=396.4×0.087s-1=34.5s-1 1）电流环传递函数简化条件为 满足简化条件 2）转速环小时间常数近似处理条件为 ，满足近似条件。(5) 计算调节器电阻和电容 取R0=40k，则 Rn=KnR0=11.7×40k=468k，取470k； Cn=，取0.2F; Con=,取1F.(6)校核转速超调量 设理想空载启动时z=0，有=1.5，R=Ra+Rrec=0.5，Idn=136A，nN=1460r/min，Tm=0.18s，T

17、n0.017s。 =0.132V.min/r 当h=5时，有Cmax/Cb=81.2%，可得 = 能满足设计要求。图四 控制电路原理图第4章 驱动电路的设计 控制电路与主电路之间，用来对控制电路的信号进行放大的中间电路（即放大控制电路的信号使其能够驱动功率晶体管），称为驱动电路。按照驱动电路加在电力电子器件控制端和公共端之间信号的性质，可以将电力电子器件分为电流驱动型和电压驱动型两类。晶闸管是半控型器件，一般其驱动电路成为触发电路，下面分别分析晶闸管的触发电路，GTO、GTR、电力MOSFET和IGBT的驱动电路。4.1触发电路的驱动TC787集成芯片需外界提供一个+15V和一个-15V的电压

18、，才能稳定的工作。该设计选用稳压直流芯片7815和7915,78与79系列稳压芯片可以再输入大于15V时，输出一个误差极小的稳定电压。7815特性如下：1.7815不是三极管而是正稳压集成块； 2.输入工作电压20V26V(最大值35V)； 3. 稳压输出电压15V(稳压最小值14.4V 稳压最大值15.6V)；4. 4.功耗15W。 79系列同上。驱动电源采用一个220V/24V的单相变压器变压，再经晶体管整流电路整流滤波后，输出给稳压块。其中稳压电路及其各原件的选择都采用稳压块的经典接法。原理图如下图五：4.2 给定电压及运放的驱动一个稳定的给定电压是保证调速精度的重要条件之一。该设计需要

19、外界提供一个稳定的10V给定电压和10V的运放电压。 该设计选用直流稳压芯片7810，同触发电路驱动电源，220V单相交流电经变压整流滤波后提供给7810，输出一个稳定的10V电压。原理图如下图四：图五 驱动电路原理图第5章 总结 该文是对双闭环直流电机调速系统的设计，为期几周的努力对该电路有了进一步的研究，也熟悉了双闭环直流调速系统的结构形式、工作原理及各个器件的作用和设计。双闭环调速系统起动过程的电流和转速波形是接近理想快速起动过程波形的。按照ASR在起动过程中的饱和情况，可将起动过程分为三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。从起动时间上看，阶段恒流升速是主要的阶段，因此双

20、闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速起动，利用了饱和非线性控制方法，达到“准时间最优控制”。带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是转速必超调。在双闭环调速系统中，ASR的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态时无静差，其输出限幅决定允许的最大电流。ACR的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压波动。本设计的主要工作是设计直流调速控制器的电路，设计的电路都是模拟电路，详细地介绍了器件的保护、电流调调节器、转速调节器以及晶闸管的触发电路的设计过程，当然还有其它电路的设计，最后得到整个调速控制的电路原理图。在赵老师细心的指导下，并与有共同设计内容的同学交流，分析、整理和研究课题，先确立了设

21、计基本思路，遇到问题及时与指导老师沟通，在老师的指点和自己的努力，最后完成了整个设计。设计中，通过查阅书籍，在了解的情况下运用公式按要求设计出所要的系统。 在此过程中我深刻的学到照搬理论会发现做出来的设计结果有点出入，因为理论是不考虑任何的外在原因，是在理想化的情况。而现实它则除了内在不可改变的原因，还有不可避免的外在原因，外在原因可以改变但是智能改善。所以本设计在有限的条件下和本人有限的学识，做出的设计还是存在着一些不足。设计研究是一个漫长的过程，要想让它真正的使用到现实中，还需要不断的改善。 通过这次实验使我详细的明白了双闭环直流调速系统的原理,也使我知道了一些它在工业中的一些应用,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。理论和实际互相结合使得我对运动控制系统这门课有了进一步的认识。在作业之初，我不知道该如何来完成这次的的课程设计，但经过努力终于还是完成了。参考文献：1王兆安电力电子技术第4版北京：机械工业出版社，2000 2胡贞.直流电动机双闭环调速系统仿真研究长春光学精密机械学院学报. 20003胡寿松自动控制原理第4版北京：国防工业出版社4冯培悌.有源电网调节器技术的发展.北京：机械工业出版社 5吴忠智 吴加林.变频器原理及应用指南.中国电力出版社6王树.变频调速系统设计