双闭环直流调速系统课程设计方案

- 1 - 双闭环直流调速系统课程设计方案 1 绪论 直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置之一。 在工业生产中 ,需要高性能速度控制的电力拖动场合 ,直流调速系统 ,特别是双闭环直流调速系统发挥着极为重要的作用。 广泛地应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中。它通常采用三相全控桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速，传统的控制系统采用模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等，在一定程度上满足了生产要求。 直流电动机和交流电动机相比，其制造工艺复杂，生 产成本高维修困难，需备有直流电源才能使用。但因直流电动机具有宽广的调速范围，平滑的调速特性，较高的过载能力和较大的起动、制动转矩，因此被广泛地应用于调速性能要求较高的场合。在工业生产中，需要高性能速度控制的电力拖动场合，直流调速系统发挥着极为重要的作用，高精度金属切削机床，大型起重设备、轧钢机、矿井卷扬、城市电车等领域都广泛采用直流电动机拖动。特别是晶闸管一直流电动机拖动系统，、具有自动化程度高、控制性能好、起动转矩大，易于实现无级调速等优点而被广泛应用。 双闭环调速系统是由单闭环自动调速系统发展而来的。它 通过转速和电流两个调节器分别引入转速负反馈和电流负反馈，并构成双闭环系统。从而有效的改善电机性能。该系统 主要由给定环节、 发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了电流调节器 转速调节器 流调节器速调节器 为双闭环调速系统。 - 2 - 2 双闭环直流调速系统 一，双闭环直流调速系统的组成结构与原理 双闭环调速系统是建立在单闭环自动调速系统上 的，实际的调速系统除要求对转速进行调整外 , 很多生产机械还提出了加快启动和制动过程的要求 ,这就需要一个电流截止负反馈系统。 为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行嵌套连接。 即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晶闸管整流器的触发装置 。 从闭环结构上看，电流环在里面称内环；转速环在外面称外环。这就构成了转速、电流双闭环调速系统。 图 1 调速、电流双闭环直流调速系统 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 样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图如图 2所示。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们电力电子变换器的控制电压 考虑到运算放大器的倒相作用。 - 3 - 图 2 双闭环直流调速系统电路原理 二，采用转速电流双闭环的理由 在要求较高的调速系统中，一般有两个基本要求：一是能够快速启动制动；二是能够快速克服负载、电网等干扰。通过分析发现，如果要求快速起动，必须使直流电动机在起动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩，即最大的恒定允许电枢电流，当电枢电流保持最大允许值时，电动机以恒加速度升速至给定转速，然后电枢电流立即降至负载电流值。 如果要求快速克服电网的干扰，必须对电枢电流进行调节。以上两点都涉及电枢电流的控制，所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量，组成转速、电流双闭环调速系统。而且转速、电流双闭环直流调速系统在突加给定下的跟随性能、动态限流性能和抗扰动性能等，都比单闭环调速系统好。 三，双闭环调速系统的动态数学模型 在工程实践中 ,虽然交流电动机结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易。但由于直流电动机双闭环调速系统在理论和实践上都比较成熟 ,具有极好的运行和控制性能 ,在工业生产中仍占有 相当的比例 ,其双闭环调速系统结构如图 3 所示。 由于在起动过程中转速调节器 和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的 I、 三个阶段。 - 4 - 图 3 双闭环直流调速系统的动态结构框图 3 课程设计任务与要求 一，课程设计指标 某晶闸管供电的双闭环直流调速系统，整流装置采用三相桥式电路基本数据如下： 1， 直流电动机： 220V， 136A， 1460r/0 . 1 3 2 m i r, 2， 晶闸管装置放大系数 0; 3， 电枢回路总电阻 R= 4， 时间常数：电磁时间常数 机电时间常数 5， 电流反馈系数 6， 调节器输入电阻 0 ; 7， 转速反馈系数 0 . 0 0 7 m i 二，课程设计基本要求 1，根据题目的技术要求，分析并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成。 2，动态设计计算：根据技术要求，对系统进行动态校正，确定 5 - 调节器的结构型 式及进行参数计算，使调速系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。 3，绘制 求计算机绘图）。 4，要求电流超调量 % 5%i ，转速无静差，空载起动到额定转速时的转速超调量 10%n 。试按工程设计方法设计转速调节器，并校验转速超调量的要求能否得到满足。 5，整理设计数据资料，撰写设计计算说明书。 4 控制系统设计 一，系统的设计 按照 “ 先内环后外环 ” 的设计原则，从内环开始，逐步 向外扩展。在这里，首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。 （ 1）电流调节器的设计 确定时间常数： 整流装置滞后时间常数； 电流滤波时间常数 : s（三相桥式电路每个波头是时间是 了基本滤平波头，应有 此取 按小时间常数近似处理。i s o i 0 . 0 0 3 7T T T (可以当作小惯性群近似地看作是一个惯 性环节 ) 选择电流调节器结构： 根据设计要求： i % 5%，可按典型型设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的 ,所以把电流调节器设计成 检查对电源电压的抗扰性能 : 0 . 0 3 8 . 1 10 . 0 0 3 7l iT 计算电流调节器的参数： 0 3； 电流环开环时间增益 :要求 % 5%i 时，应取 ，因此 - 6 - 10 . 5 0 . 5 1 3 5 . 10 . 0 0 3 7 所以， 1 3 5 . 1 0 . 0 3 0 . 5 1 . 0 1 34 0 0 . 0 5 校验近似条件： 电流环截止频率 : 11 3 5 . 1Ic i K s 晶闸管装置传递函数近似条件： 即 60 0 1 3 1 sT s 满足近似条件； 忽略反电动势对电 流环影响的条件： ,13T 即 1113 3 4 0 . 8 20 . 1 8 0 . 0 3 s s 满足近似条件； 小时间常数近似处理条件： ， 即 111 1 8 0 . 83 0 . 0 0 1 7 0 . 0 0 2 满足近似条件； 按 所用运算放大器取0R=40k ，各电阻和电容值为 0 1 . 0 1 3 4 0 4 0 . 5 2 R k k ，取 40k 30 . 0 3 0 . 7 54 0 1 0ii ，取 - 7 - 304 4 0 . 0 0 2 0 . 24 0 1 0 ，取 含滤波环节的 电流调节器 按上述参数，电流环可以达到的动态指标为： 4 5 %i ，也满足设计要求。 电流调节器的实现： 含给定滤波和反馈滤波的模拟式 所示： 图 4 模拟式 电流调节器原理图 （ 2）转速环的设计 确定时间常数： 电流环等效时间常数 - 8 - 7 3 转速滤波时间常数 转速环小 时间常数近似处理 1 0 . 0 0 7 4 0 . 0 1 0 . 0 1 7 4n o s s 选择转速调节器结构： 按跟随和抗扰性能都能较好的原则 ,在负载扰动点后已经有了一个积分环节 ,为了实现转速无静差 ,还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节 ,因此需要 由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型型系统 选用设计 节器。 选择调节器的参数： = h = 5 0 . 0 1 7 4 s = 0 . 0 8 7 转速开环增益： 2 216 3 9 6 . 42 2 5 0 . 0 1 7 4 比例系数： 1 6 0 . 0 5 0 . 1 3 2 0 . 1 8 1 1 . 72 2 5 0 . 0 0 7 0 . 5 0 . 0 1 7 4 T 近似校验 转速截止频率为： 1113 9 6 . 4 0 . 0 8 7 3 4 . 5Nc n N s s 电流环传递函数简化条件为 111 1 1 3 5 . 1 6 3 . 73 3 0 . 0 0 3 7I 满足简化条件 转速环小时间常数近似处理条件为 111 1 1 3 5 . 1 3 8 . 73 3 0 . 0 1I 满足近似条件 计算调节器电阻和电容，根据图所示，取0 40，则 ： - 9 - 0 1 1 . 7 4 0 4 6 8 R k k 取 470k 630 . 0 8 7 0 . 1 8 5 1 04 7 0 1 0nn 取 304 4 0 . 0 1 14 0 1 0 取 1F 含滤波 环节的 转速调节器 检验转速超调量 当 h=5时， % ,不能满足要求 饱和的情况计算超调量 : %,m a x a x *2 ( ) n n T 1 3 6 0 . 50 . 0 1 7 40 . 1 3 22 8 1 . 2 % 1 . 5 8 . 3 1 % 1 0 %1 4 6 0 0 . 1 8n ，满足设计要求。 转速调节器的实现： 含给定滤波和反馈滤波的 所示。 - 10 - 图 5 含给定滤波与反馈滤波的 5 心得体会 转速负反馈环为外环，其作用是保证系统的稳速精度；电流负反 馈环为内环，其作用是实现电动机的转距控制，同时又能实现限流以及改善系统的动态性能。转速、电流双闭环直流调速系统在突加给定下的跟随性能、动态限流性能和抗扰动性能等，都比单闭环调速系统好。 双闭环能够快速启动制动，能够快速克服负载、电网等干扰。 就目前来看，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。电流转速双闭环调速电路，因其具有极高的调速范围、很好的动静态性能及抗扰性能，在调速领域得到广泛的应用。而且双闭环直流调速系统因其具有动态响应快、抗干扰能力强等优点，所以在现代化工业生产中得到越来越广泛的应用，来实现生产的 制动调速即提高工艺产品的质量。目前，双闭环控制系统已经普遍的应用到了各类仪器仪表，机械重工业以及轻工业的生产过程中。随着全球科