运动控制课程设计-直流双闭环不可逆调速系统设计.doc

武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 信息工程系 题 目: 直流双闭环不可逆调速系统设计 初始条件：1.直流电动机额定参数：un220v，in136a，nn1500r/min ra0.5，电枢电感ld =7mh励磁：励磁电压ul=220v ，励磁电流il=2.0a2.电机过载倍数1.5，ks40，tl0.05 s，tm0.3 s，3.测速发电机参数：23w，110v，0.21a，1900 r/min，永磁式4.主电路采用三相全控桥，进线交流电源：三相380v要求完成的主要任务: 1.转速调节器asr及电流调节器acr的设计2.转速反馈和电流反馈电路设计3.集成触发电路设计4. 主电路及其保护电路设计课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭、雷同现象。满足如下要求：1转速和电流稳态无差，电流超调量小于10，转速超调量小于5。2. 对系统设计方案的先进性、实用性和可行性进行论证，说明系统工作原理。3. 画出单元电路图，说明工作原理，给出系统参数计算过程。4. 画出整体电路原理图，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。时间安排：2010.6.282010.6.30 收集课程设计相关资料2010.7.12010.7.6 系统设计2010.7.72010.7.9 系统调试2010.7.102010.7.11 撰写课程设计及答辩指导教师签名： 年 月 日 摘要对电机进行稳定的转速控制，直流双闭环调速系统是现今工业生产中应用最为广泛的调速系装置。该系统包括电流环和转速环两部分，前者通过电流反馈作用稳定电流，后者通过转速反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差。该系统具有控制稳定，抗干扰能力强的优点。采用调节电枢供电电压的方式，对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，可得到较硬的机械特性。本设计采用三相全桥式整流器，使输出直流电流的谐波小，脉动电流小，电流连续性好，既确保了系统稳定性又减小了电机的损耗。本文根据电机参数和任务要求，确定变压器、整流电路等相关参数，并给出双闭环控制系统结构及参数。关键词：直流双闭环；电流调节器acr；转速调节器asr；三相桥式整流目 录前言51 方案论证62 工作原理7 2.1 双闭环直流调速系统的组成与原理7 2.2 双闭环直流调速系统的稳态结构框图和静特性8 2.3 双闭环直流调速系统两个调节器的作用93 参数设定10 3.1 静态性能指标10 3.2 变压器参数设定10 3.3 平波电抗器参数设定10 3.4 晶闸管参数设定104 硬件设计124.1 电流调节器acr及转速调节器asr的设计12 4.1.1 电流调节器12 4.1.2 转速调节器134.2 电流反馈和转速反馈电路设计15 4.2.1 电流反馈电路15 4.2.2 转速反馈电路16 4.3 集成触发电路设计174.4 主电路及其保护电路设计17 4.4.1 主电路设计17 4.4.2 过压保护电路设计18 4.4.3 过流保护电路设计215 心得体会22参考文献附录 前言对于经常正、反转运行的调速系统，例如龙门刨床、可逆轧钢机等，尽量缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大允许电流和转矩受限制的条件下，需要充分利用电机的允许过载能力，最好在过渡过程中始终保持最大允许电流，使电机以最大的加速度起动，到达稳态转速之后，又让电流立即降低下来，使转矩和负载转矩平衡，电机在稳态运行。这就需要在起动过程中，获得一个使电流保持为最大电流的恒流过程，于是采用电流的负反馈来保持电路恒定，同时为保证转速无静差，需要有转速负反馈。为了实现转速电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置两个调节器，把转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。电流环在里面，为内环；转速环在外面，为外环。目前，v-m 调速系统多为带电流内环的转速控制系统，同时带有电流转速反馈滤波环节，以抑制反馈信号中的交流分量，在转速、电流给定信号的通道上加入两个给定滤波器，其时间常数与相应的反馈滤波环节的时间常数相等，以平衡反馈滤波环节给转速、电流反馈信号带来的延迟。双闭环直流调速系统具有较好的动态性能和能量利用率，直流电动机则具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速。直流双闭环不可逆调速系统设计1 方案论证对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。带转速负反馈的单闭环系统，由于它能够随着负载的变化而相应的改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化，所以相对开环系统它能够有效的减少稳态速降。当反馈控制闭环调速系统使用带比例放大器时，它依靠被调量的偏差进行控制的，因此是有静差率的调速系统，而比例积分控制器可使系统在无静差的情况下保持恒速，实现无静差调速。对电机启动的冲击电流以及电机堵转时的堵转电流，可以用附带电流截止负反馈作限流保护。采用三相全桥式整流器，可使输出直流电流的谐波小，脉动电流小，电流连续性好。在v-m系统中，脉动电流会增加电机的发热，同时也产生脉动转矩，对生产机械不利，为避免或减轻这种影响，须设置平波电抗器。由于转速和电流调节器的结构选择与参数设计需从动态校正的需要来确定，如果采用单闭环中伯德图设计串联校正装置的方法设计双闭环调速系统，则每次都要先求出该闭环的原始系统开环对数频率特性，从而选定结构并计算参数，显然这种方法的计算比较繁琐。因此，本设计采用工程设计的方法，即先确定调节器结构，以确保系统稳定和满足任务所需精度，再选择调节器参数，以满足动态性能指标。按照先内环后外环的传统设计原则，首先设计电流调节器acr，再把电流环视作转速环的一部分，设计转速调节器asr。2 工作原理2.1 双闭环直流调速系统的组成与原理许多生产机械，由于加工和运行的要求，使电动机经常处于起动、制动、反转的过渡过程中，因此起动和制动过程的时间在很大程度上决定了生产机械的生产效率。为缩短这一部分时间，仅采用pi调节器的转速负反馈单闭环调速系统，其性能还不很令人满意。双闭环直流调速系统是由电流和转速两个调节器进行综合调节，可获得良好的静、动态性能（两个调节器均采用pi调节器），由于调整系统的主要参量为转速，故将转速环作为主环放在外面，电流环作为副环放在里面，这样可以抑制电网电压扰动对转速的影响。双闭环直流调速系统的原理框图组成如下： 图2-1 转速、电流双闭环调速系统tgnasracru*n+-unuiu*i+-uctavm+-udidupel-mtg+图中、转速给定电压和转速反馈电压，、电流给定电压和电流反馈电压，asr转速调节器，acr电流调节器，tg测速发电机，ta电流互感器，upe电力电子变换器启动时，加入给定电压，“速度调节器”和“电流调节器”即以饱和限幅值输出，使电动机以限定的最大启动电流加速启动，直到电机转速达到给定转速(即)，并在出现超调后，“速度调节器”和“电流调节器”退出饱和，最后稳定在略低于给定转速值下运行。系统工作时，要先给电动机加励磁，改变给定电压的大小即可方便地改变电动机的转速。“电流调节器”、“速度调节器”均设有限幅环节，“速度调节器”的输出作为“电流调节器”的给定，利用“速度调节器”的输出限幅可达到限制启动电流的目的。“电流调节器”的输出作为“触发电路”的控制电压，利用“电流调节器”的输出限幅可达到限制的目的。2.2 双闭环直流调速系统的稳态结构框图和静特性双闭环直流系统的稳态结构图下： ks a 1/ceu*nuctidenud0un+-asr+u*i-idr r b acr-uiupe图2-2 双闭环直流系统的稳态结构图pi调节器一般存在两种状况：饱和输出达到限幅值；不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时，pi的作用使输入偏差电压在稳态时总是为零。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。1） 转速调节器不饱和这时，连个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，有。同时，由于asr不饱和，因此。2） 转速调节器饱和这时asr输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到时，对应于转速调节器的饱和输出，这时，电流调节器起主要调节作用，系统表现为无电流静差，得到过电流的自动保护。2.3 双闭环直流调速系统两个调节器的作用2.3.1转速调节器的作用 使转速n跟随给定电压变化，当偏差电压为零时，实现稳态无静差；对负载变化起抗扰作用；其输出限幅值决定允许的最大电流。2.3.2 电流调节器的作用 在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压变化；对电网电压波动起及时抗扰作用；起动时保证获得允许的最大电流，使系统获得最大加速度起动；当电机过载甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起大快速的安全保护作用，当故障消失时，系统能够自动恢复正常。3 参数计算3.1 静态性能指标 电动机的电动势系数： 当acr和asr都不饱和时，有， ， 转速反馈系数： 电流反馈系数： 3.2 变压器参数设定 副边输出有效电压： 副边输出有效电流： ，考虑到电机过载系数， 输 出电流实际可达变压器容量： ，考虑到晶闸管和电抗器的压降， 变压器本身的漏磁，并根据变压器应留有一定裕量的原则，选择额定容量为，副边输出额定电流为的变压器3.3 平波电抗器参数设定 三相桥式整流电路总电感： 电枢电感： ，其中电动机磁对数，计算系数 由于变压器的漏电感很小，可忽略不计，因此平波电抗器电感值取为，取其电感值为3.4 晶闸管参数设定通常取晶闸管断态重复峰值电压和反向重复峰值电压中较小的标值为该器件的额定电压。选用时需留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作电压时晶闸管所承受峰值电压的2-3倍。本设计中，固晶闸管额定电压，取其额定电压值为。晶闸管的额定电流主要由其通态平均电流决定，规定晶闸管在环境为和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时允许流过最大工频正弦半波电流的平均值。因此，在使用同时同样应按照实际波形的电流与通态平均电流所造成的发热效应相等，即有效值相等的原则来选取晶闸管的额定电流，并留有一定裕量。一般取其通态平均电流的1.5-2倍。即，其中由整流电路形式而定，为波形系数，为共阴极或共阳极电路的支路数。当时，三相全控桥式电路的。固晶闸管额定电流 ，取。 4 硬件设计4.1 电流调节器acr及转速调节器asr的设计4.1.1 电流调节器acr电流环动态结构图如下： acr + - 图4-1 电流环结构图1) 确定时间常数电磁时间常数： 三相桥式晶闸管整流电路的滞后时间： 电流反馈滤波时间常数： 电流环小时间常数： 2) 选择电流调节器结构根据设计要求，电流超调量，并使之无静差，可按典型型系统设计电流调节器，其传递函数另检查电源电压的抗扰动性能，参照典型型系统动态抗扰性能指标，选用pi调节器，各项参数都是符合要求的。3) 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： ，电流调节器比例系数： 4) 校验近似条件电流环截止频率频率： 晶闸管整流装置传递函数的近似条件： ，满足忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件： ，满足电流环小时间常数近似处理条件： ，满足5) 计算调节器电阻和电容取运算放大器，则，取，取，取4.1.2 转速调节器asr转速环动态结构图如下： 电流环 asr + - - + 图4-2 转速环结构图1）确定时间常数电流环等效时间常数： 转速滤波时间常数： 转速环小时间常数之和： 2）选择转速调节器结构为实现转速无静差，在负载扰动作用点前需有一个积分环节，它应包含在转速调节器中。因此转速环开环传递函数共有两个积分环节，可按典型型系统设计，其传递函数 3） 计算转速调节器参数转速调节器超前时间常数： 转速环开环增益： 转速调节器比例系数： 4）校验近似条件转速环截止频率频率： 电流环传递函数的近似条件： ，满足转速环小时间常数近似处理条件： ，满足5） 计算调节器电阻和电容 取调节器输入电阻，则，取 ，取 ，取6） 校核转速超调量饱和时，当时，不满足设计要求，固应按asr退饱和的情况计算超调量。退饱和时，当时，能满足设计要求。4.2 电流反馈和转速反馈电路设计4.2.1 电流反馈电路由于电流检测中常含有交流分量，为使其不影响调节器的输入，需加低通滤波。此滤波环节传递函数可用一阶惯性环节表示，由初始条件知滤波时间常数，以滤平电流检测信号为准。为了平衡反馈信号的延时，在给定通道上加入同样的滤波环节，使二者在时间上配合恰当。 图4-3 电流反馈电路电流给定电压，为电流负反馈电压，电力电子变换器的控制电压4.2.2 转速反馈电路由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波。由初始条件知滤波时间常数，根据和电流环同样的道理，在转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节。 图4-4 转速反馈电路 转速给定电压，转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节器的给定电压 4.3 集成触发电路设计由于集成触发电路不仅成本低、体积小，而且还具有调式容易、使用方便、性能稳定等优点，故本设计采用集成触发器kj401作为三相整流电路的触发器。kj401由12个二极管构成6个或门，可将6路单脉冲输入转换为6路双脉冲输出，还具有开关封锁等功能。kj401实用电路如图五所示，移相触发器输出脉冲加到该器件的1-6端，器件内的或门形成补脉冲，该脉冲经放大后分6路输出。当控制端7接逻辑“0”电平时，器件内的电子开关断开，各路输出触发脉冲。值得注意的是触发器的同步信号的问题。在调速系统中使用的三相桥式整流器， 整定电压的触发角，当时，电路工作在整流状态。而触发器的同步信号由锯齿波的触发电路产生，这里就涉及到触发电路的定相问题触发电路应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系；而触发电路定相的关键是确定同步信号与晶闸管阳极电压的关系。根据锯齿波触发器的工作原理，将确定为锯齿波的中心，锯齿波向前后各有的移相范围，于是与同步电压的对应，与同步电压的对应。又对应晶闸管vt1阳极电压的的位置，则同步信号的位置应该对应的位置，同步信号应该滞后于。 图4-5 触发电路4.4 主电路及其保护电路设计4.4.1 主电路设计虽然三相半波可控整流电路使用的晶闸管个数只是三相全控桥整流电路的一半，但它的性能不及三相全控桥整流电路。三相全控桥整流电路是目前应用最广泛的整流电路，其输出电压波动小，适合直流电动机的负载，并且该电路组成的调速装置调节范围广。把该电路应用于本设计，能实现电动机连续、平滑地转速调节、电动机不可逆运行等技术要求。三相全控桥整流电路实际上是组成三相半波晶闸管整流电路中的共阴极组和共阳极组串联电路，如图六所示。三相全控桥整流电路可实现对共阴极组和共阳极组同时进行控制，控制角都是。在一个周期内6个晶闸管都要被触发一次，触发顺序依次为：，6个触发脉冲相位依次相差。为了构成一个完整的电流回路，要求有两个晶闸管同时导通，其中一个在共阳极组，另外一个在共阴极组。为此，晶闸管必须严格按编号轮流导通。晶闸管与 按a相，晶闸管与 按b相，晶闸管与 按c相，晶闸管接成共阳极组，晶闸管 接成共阴极组。在电路控制下，只有接在电路共阴极组中电位为最高又同时输入触发脉冲的晶闸管，以及接在电路共阳极组中电位最低而同时输入触发脉冲的晶闸管，同时导通时，才构成完整的整流电路。由于电网电压与工作电压（u2）常常不一致，故在主电路前端需配置一个整流变压器，以得到与负载匹配的电压，同时把晶闸管装置和电网隔离，可起到降低或减少晶闸管变流装置对电网和其他用电设备的干扰。考虑到控制角增大，会使负载电流断续，并且负载为直流电动机时，由于电流断续和直流的脉动，会使晶闸管导通角减少，整流器等效内阻增大，电动机的机械特性变软，换向条件恶化，并且增加电动机的损耗，故在直流侧串接一个平波电抗器，以限制电流的波动分量，维持电流连续。为了使元件免受在突发情况下超过其所承受的电压电流的侵害，电路中加入了过电压、过电流保护装置。4.4.2 过压保护电路设计1）交流侧的过压保护 图4-6 交流侧过压保护电路图采用rc过电压抑制电路如图所示，在变压器次级并联rc电路，以吸收变压器铁心的磁场释放的能量，并把它转换为电容器的电场能而存储起来，串联电阻是为了在能量转换过程中消耗一部分能量并抑制lc回路所产生的震荡。本设计采用三相全控桥整流电路，变压器的绕组为y联结，阻容保护装置采用三角形接法。电容器： （=5，），取5.5，取1200v选择c=5.5f，耐压1200v的金属化纸介电容电阻值： （uk%=5，），取r=15rc支路电流： 电阻r的功率： 变压器每相平均容量，u2变压器次级相电压有效值，励磁电流百分比，uk%变压器的短路电压百分比，、当r正常工作时电流电压的有效值2） 直流侧的过压保护 图4-7 直流侧过压保护电路图整流器直流侧开断时，如直流侧快速开关断开或桥臂快熔熔断等情况，也会在a、b之间产生 过电压，如图二所示本设计用非线性元气件抑制过电压，在a、b之间接入的是压敏电阻，这是由氧化锌、氧化铋等烧结制成的非线性电阻元件，它具有正反向相同的很陡的伏安特性，击穿前漏电流为微安数量级，损耗很小，过电压时(击穿后)则能通过达数千安的浪涌电流， 所以抑制电流能力很强。压敏电阻的额定电压： ，ud0-晶闸管控制角时直流输出电压 对于本设计，压敏电阻通流容量可选择3-5ka3） 晶闸管换向过压保护图4-8 晶闸管换向过压保护电路图 如上图，在晶闸管元件两端并联rc电路，起到晶闸管换相过电压的保护。串联电阻r可阻尼ltc回路的震荡，并限制晶闸管开通瞬间的损耗，减小电流上升率di/dt。r、c值可按经验数据选取，对于本设计晶闸管额定电流为220a，故c可取0.3，r可取20。 4.4.3 过流保护电路设计 图4-9 过流保护电路图在电路中串接的器件是快速熔断器，这是一种最简单有效而应用最普遍的过电流保护元件，其断流时间一般小于10ms，按图四接法熔断器与每一个晶闸管元件相串联，可靠的保护每一个晶闸管元件。额定电压urn： 不小于线路正常工作电压的方均根值额定电流： ，其中电流裕度系数，取=1.1-1.5；环境温度系数，取=1-1.2；实际流过熔断器的电流有效值取， ， 取=140a 5 心得体会课程设计是实践课的一种，在很大程度上实现了动手与动脑，理论与实际的相互结合，既是对工业环境的一个简单缩影，又是对理论知识的一种检验，很好地实现了从书本到实际操作的一个过渡。这次课程设计历时两周，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。经过这次课程设计我感受颇多。在设计开始之前，我先查阅了一些相关资料，以此来开拓自己的思路，然后根据任务要求明确了设计方向，拟定了设计方案。在设计过程中也曾遇到一些问题，一般来说，值越小，也越小，和都短，因而抗扰性能越好；但是，当时，由于振荡次数的增加，再小，恢复时间反而拖长了。因此，是较好的选择，然而时并不能达到设计要求，经计算实践，时可满足要求，代价是其快速性有所降低。综合各方面因素，最终确定。通过本次课程设计，我对直流双闭环调速系统有了更深的认识，加深了理解，初步掌握了双闭环直流调速系统的工程设计方法，并对于、转速和电流调节器的选择有了一定的经验。最后，我深感要注重理论联系实际。以前一直觉得理论知识离我们很远，经过课程设计，才发现理论知识与生活的联系。这大大激发了我学习书本知识的兴趣。再者我们学习的是工科，不单纯只是理论方面的的工作，还应该考虑到实际情况。理论计算的结果可能与实际稍有差别，要以实际情况为准。参 考 文 献1 阮毅，陈维钧. 运动控制系统. 清华大学出版社，20022陈伯时. 电力拖动自动控制系统（第2版）. 机械工业出版，19913陈伯时，陈敏逊. 交流调速系统. 机械工业出版社，19974胡崇岳. 现代交流调速技术. 机械工业出版社，20015 李友善. 自动控制原理，北京：国防工业出版社，1981.6 周渊深. 交直流调速系统与matlab仿真.北京：中国电力出版社，2004.7 陈国呈编著. pwm变频调速及软件开关电力交换技术.北京：机械工业出版社，2001.8 陈伯时. 双闭环调速系统的工业设计（讲座）.冶金自动化.1983（1）.9 赖寿宏. 微型计算机控制技术，北京：机械工业出版社，1999.附录典型i型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系kt0.250.39 0.50.69 1.0阻尼比z超调量s上升时间 tr峰值时间 tp 相角稳定裕度g 截止频率wc 1.0 0 % 76.30.243/t 0.8 1.5% 6.6t8.3t69.90.367/t 0.707 4.3 % 4.7t6.2t 65.50.455/t 0.6 9.5 % 3.3t4.7t59.2 0.596/t 0.5 16.3 % 2.4t3.2t 51.8 0.786/t典型ii型系统阶跃输入跟随性能指标 h 3 4 56 7 8 9 10 s tr / tts / t k 5