《运动控制系统》课程设计-配合控制直流双闭环自然环流系统设计.doc

武汉理工大学运动控制系统课程设计说明书目录前言11总体方案设计21.1总体的设计原理21.2整体设计框图32主电路设计52.1主电路原理及电路图52.2晶闸管触发电路原理63调节器设计83.1电流调节器设计83.2转速调节器设计114反馈及其他电路164.1转速及电流反馈环节设计164.2给定器设计164.3稳压电源设计174.4保护及其他电路设计17设计心得19参考文献20附录:21前言许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速的启动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，即需要可逆的调速系统。较大功率的可逆直流调速系统多采用晶闸管电动机系统。即采用两组晶闸管整流装置反向并联的方法实现系统的可逆运行。但是，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称为环流，加重晶闸管和变压器的负担，甚至导致晶闸管损坏。配合控制消除直流平均环流的原则是正组整流装置处于整流状态，即ud0f为正时，强迫使反组处于逆变状态，即ud0r，且幅值相等，使逆变电压把整流电压顶住，则直流平均环流为零。1总体方案设计1.1总体的设计原理晶闸管反并联可逆v-m系统解决了电动机的正反转和回馈制动问题，但是，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称为环流。加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率。因此应该予以抑制或消除。为了防止产生直流平均环流，应该当正组处于整流状态时，强迫让反组处于逆变状态，且控制其幅值与之相等，用逆变电压把整流电压顶住，则直流平均环流为零。于是 ud0r = ud0f 由得 ud0f = ud0max cosafud0r = ud0max cosar其中 af 和ar 分别为vf和vr的控制角。由于两组晶闸管装置相同，两组的最大输出电压 ud0max 是一样的，因此，当直流平均环流为零时，应有 cosa r = cosa f或 a r + a f = 180 如果反组的控制用逆变角 b r 表示，则 a f = b r 称作=配合控制。为更可靠的消除环流，可采用a f b r为了实现配合控制，可将两组晶闸管装置的触发脉冲零位都定在90，即当控制电压 uc= 0 时，使a f = ar = 90，此时 ud0f = ud0r = 0 ，电机处于停止状态。增大控制电压uc 移相时，只要使两组触发装置的控制电压大小相等符号相反就可以了。这样的触发控制电路示于下图。图1 触发控制电路图 gtf-正组触发装置 gtr-反组触发装置 ar-反相器 mvrvfrrecrrec-1argtrgtfucra1.2整体设计框图 mvrvf-1argtrgtfucasracru*n+-unuiu*i+-tglc1lc2lc3lc4tmtalduc- 图2 整体设计框图主电路采用两组三相桥式晶闸管装置反并联的可逆线路，其中：正组晶闸管vf，由gtf控制触发， 正转时，vf整流； 反转时，vf逆变。反组晶闸管vr，由gtr控制触发， 反转时，vr整流； 正转时，vr逆变。根据可逆系统正反向运行的需要，给定电压、转速反馈电压、电流反馈电压都应该能够反映正和负的极性。这里给定电压：正转时，kf闭合， u*n=“+”； 反转时，kr闭合，u*n =“-”。转速反馈：正转时， un=“-”， 反转时，un =“+”。控制电路采用典型的转速、电流双闭环系统，其中：转速调节器asr控制转速，设置双向输出限幅电路，以限制最大起制动电流；电流调节器acr控制电流，设置双向输出限幅电路，以限制最小控制角 amin 与最小逆变角 bmin 。2主电路设计2.1主电路原理及电路图作为整流装置电源用的变压器称为整流变压器。一般的变压器有整流跟变压两项功能,其中整流是把交流变直流。整流的过程中,采用三相桥式全控整流电路。在三相桥式反并联可逆线路中，由于每一组桥又有两条并联的环流通道，总共要设置4个环流电抗器。主回路原理图如下：vfvrabcabcm 图3 主回路原理图可控整流的原理：当晶闸管的阳极和阴极之间承正向电压并且门极加触发信号晶闸管导通，并且去掉门极的触发信号晶闸管依然维持导通。当晶闸管的阳极和阴极之间承受反向电压并且门极不管加不加触发信号晶闸管关断。晶闸管导通的条件：受正向阳极电压，同时受正向门极电压，一旦导通后，门极信号去掉后晶闸管仍导通。晶闸管维持导通的条件：继续受正向阳极电压，同时流过晶闸管的电流大于它的维持电流。晶闸管关断条件：必须去掉阳极所加的正向电压，或者给阳极施加一反电压，或者设法使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。2.2晶闸管触发电路原理对三相桥式全控整流电路，六个晶闸管需要依次轮流触发。为了确保实现每个晶闸管的准确导通，可采用两种方法实现：一是提供宽度大于60小于120的宽脉冲，二是提供间隔60的双窄脉冲。前者需要触发电路输出较大的功率，进而使脉冲变压器功率也相应增大，所以很少采用，一般都采用双窄脉冲。由分立元件组成的晶闸管电路的触发电路种类很多，有阻容移相桥触发电路、单结晶体管触发电路及同步信号为正弦波以及同步信号为锯齿波的触发电路等，这些电路都有自己的特点和适用范围。相比较而言，同步信号为锯齿波的触发电路由于不受电网波动和波形畸变的影响，同时具有较宽的调节范围和较强的抗干扰能力，因而得到了广泛应用。此电路的输出为双窄脉冲(也可为单窄脉冲)，适用于必须有两相的晶闸管同时导通才能形成通路的电路，例如本例中的晶闸管三相桥式全控电路。下图所示为同步信号为锯齿波的触发电路。它由5 个基本环节组成：锯齿波形成与脉冲移相控制环节；同步检测环节；脉冲形成、放大和输出环节；双窄脉冲形成环节和强触发环节。vt5、vt6两个晶体管构成一个“或”门电路，当两个晶体管都导通时，vt7、vt8截止，不会输出触发脉冲。但不论哪个管子截止，都会使晶体管vt5集电极电压u c5 变为正电压，使得vt7、vt8管导通，从而输出触发脉冲。所以只要用适当的信号来控制使vt5或vt6截止(前后间隔60 )，就可以产生符合要求的双窄脉冲。对照下图，同时参看上图的x，y 接线端，1 号触发器内由晶体管vt4向vt5的基极送出的负脉冲信号使vt5截止，vt7、vt8导通一次，对元件1 输出第一个触发窄脉冲。经过60后，2 号触发器同样对元件2 送出第一个窄脉冲，同时由该触发器中vt4管的集电极经的x 端送到与之相连的1号触发器的y端，使1号触发器电路中电容c4微分，产生负脉冲送至vt6基极，使vt6截止，vt7、vt8又导通一次，从而由1 号触发器输出第二个窄脉冲，且第二个脉冲比第一个脉冲滞后60。以下重复这样的过程，循环反复，就会使得六个晶闸管都得到相隔60的触发脉冲。vd4、r17的作用是防止双脉冲信号互相干扰。图4 图4 同步信号为锯齿波的触发电路3调节器设计3.1电流调节器设计 双闭环直流调速系统动态结构图如下：-idlud0un+-+-uiacr1/rtl s+1rtmsu*iucks tss+1id1ce+eb t0is+11 t0is+1asr1 t0ns+1a t0ns+1u*nn图5 双闭环直流调速系统动态结构忽略反电动势的影响，并把tc和toi当作小惯性群近似处理，电流内环可化简为下图：+-acruc (s)bks /r (tls+1)(tsis+1)id (s)ti=ts+toiu*i(s)b图6电流内环结构确定时间常数1) 整流装置滞后时间常数ts。 主电路为三相桥式电路，平均失控时间ts=0.0017s2) 电流滤波时间常数 toi。 三相桥式电路每个波头时间为3.3ms，应有(12)toi=3.33ms，取toi=2ms=0.002s。3) 电流环小时间常数之和 ti。ti=ts+toi=0.0037s4) 电枢回路电磁时间常数 tl。 tl=l/r=0.03s5) 电力拖动系统机电时间常数 tm。tm=(gd2r)/(375cecm )=0.18s选择电流调节器结构从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由上图可以看出，采用 i 型系统就够了。从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应选用典型i型系统。计算调节器参数及近似条件校验采用pi型调节器，传递函数可写成：式中 ki 电流调节器的比例系数； ti 电流调节器的超前时间常数。 为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择 =0.03则电流环的动态结构图便成为下图所示的典型形式 id (s)k i s(tsis+1)+-u*i(s)b图7 典型形式的电流环 其中校正后电流环开环对数幅频特性如图80l/dbwci-20db/decw /s-1-40db/deciti图8 电流环对数幅频特性设计要求电流环超调量i5%，可选可选 x =0.707，ki tsi =0.5，则即含给定滤波与反馈滤波的pi型电流调节器的原理图如图9所示图9 pi型电流调节器根据运算放大器电路原理，导出： 电流环截止频率为 ci=ki=晶闸管整流装置传递函数的近似条件，满足近似条件。忽略反电动势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。电流调节器实现取r0=40k，求得 ri=kir0=41.6k 取40k ci=i/ri0.77f 取0.75f coi=4toi/r0=0.2f取0.2f3.2转速调节器设计电流环的等效闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环中的一个环节，为此，须求出它的闭环传递函数。忽略高次项，上式可降阶近似为 电流环等效时间常数为1/ki和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成 u*n(s)/a，再把时间常数为 1 / ki 和 ton 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为tn的惯性环节，其中等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理 tsns+1ui*(s)/n (s)+-asrcetmsru*n(s)+-idl (s)id (s)a /b tsns+1图10 单位负反馈系统的近似处理结构转速调节器结构的选择为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器 asr 中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型 型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。 由此可见，asr也应该采用pi调节器，其传递函数为式中 kn 转速调节器的比例系数； t n 转速调节器的超前时间常数。 这样，调速系统的开环传递函数为其中校正后的系统结构为n (s)+-u*n(s)a图11校正后的系统结构转速调节器参数的选择 已知kiti=0.5，则1/ki2ti20.0037s0.0074s转速滤波时间常数ton，取ton=0.01s转速环小时间常数 tn=1/ki+ton=0.0174s转速调节器的参数包括 kn 和 tn。按跟随和抗扰性能都较好原则，取h=5得 n=0.087s再由得 校验近似条件及转速超调量转速环截止频率为 电流环传递函数简化条件为，满足近似条件。转速环小时间常数近似处理条件为，满足近似条件。满足设计要求。转速调节器的实现模拟式转速调节器电路原理图 图12模拟式转速调节器电路原理图取r0=40k，求得 rn=knr0=239.6k cn=n/rn=0.36f con=4ton/r0=1f4反馈及其他电路4.1转速及电流反馈环节设计转速反馈环节主要作用是将测速发电机输出的电压进行滤波，滤除交流分量并变换为能满足系统需要的与电动机转速成正比的电压作为系统的转速反馈信号，另外还备有转速的检测信号。 图13 转速检测电路 电流检测环节为电流调节器提供电流反馈信号，可逆调速系统要求反馈电流能够反映电流的极性，可采用霍尔传感器。4.2给定器设计给定器可以产生幅值可调和极性可变的阶跃给定电压或可平滑调节的给定电压。+15v-15v正负s1s2s1为正负作用切换开关s2为阶跃作用开关图14 给定器电路4.3稳压电源设计稳压电源输出稳定的15v直流电源向所有需要直流电源的各控制单元供电，它由整流、滤波、稳压三个部分组成。原理图如图15图15 稳压电源电路4.4保护及其他电路设计晶闸管保护电路晶闸管的保护电路，大致可以分为两种情况：一种是在适当的地方安装保护器件，例如，r-c阻容吸收回路、限流电感、快速熔断器、压敏电阻或硒堆等。再一种则是采用电子保护电路，检测设备的输出电压或输入电流，当输出电压或输入电流超过允许值时，借助整流触发控制系统使整流桥短时内工作于有源逆变工作状态，从而抑制过电压或过电流的数值。1） 晶闸管的过流保护晶闸管本身流过电流超过其所能承受最大电流时，电流所产生热量会将晶闸管烧毁击穿，引起事故。常见的保护措施是在晶闸管回路中串入快速熔断器。2） 晶闸管的过压保护晶闸管设备在运行过程中，会受到由交流供电电网进入的操作过电压和雷击过电压的侵袭。同时，设备自身运行中以及非正常运行中也有过电压出现。 过电压保护的常见方法是并接r-c阻容吸收回路，以及用压敏电阻或硒堆等非线性元件加以抑制。 下面是常见简单保护电路的原理图。图16 保护电路1图17 保护电路2设计心得本设计为“配合控制直流双闭环自然环流系统设计”，经过调试证明设计的双闭环系统能满足设计指标的要求，完成了设计任务。该系统采