双闭环逻辑无环流可逆调速系统设计.doc

运动控制系统课程设计题 目: 双闭环逻辑无环流可逆调速系统设计 院系名称： 电气学院 专业班级： 自动化1106 学生姓名： 学 号： 指导教师： 设计地点： 31520 设计时间： 2014.7.6 设计成绩： 指导教师： 本栏由指导教师根据大纲要求审核后，填报成绩并签名。摘 要21 方案选择31.采用单闭环直流调速系统32 可控硅元件的选择32.1 晶闸管正反向重复峰值电压的确定32.2 晶闸管电流等级的选择32.3 晶闸管的选择33 平波电抗器的选择43.1 平波电抗器的有关参数计算44 双闭环系统54.1 双闭环的原理54.2 双闭环的稳态结构图和静特性64.3 双闭环直流调速系统的动态数学模型85 逻辑无环流可逆调速系统145.1 可逆调速系统的方案145.2.2 可逆系统的组成155.2.3逻辑装置的功能155.3 逻辑无环流系统运行状态分析155.3.1 电机正向运行165.3.3电机正向制动状态165.3.4电机停车17参考文献17摘 要随着科学技术的不断发展，人们开始了很多方面的探索。对于自动控制系统方面，在工业，农业，交通运输和国防上，广泛应用电动机来拖动工作机械。较为先进的工作机械和生产工艺，普遍要求对生产机械的可靠性有严格要求。故本设计主要介绍了双闭环逻辑无环流可逆调速系统，并通过与带电流截止负反馈有环流可逆调速系统优缺点比较，更进一步验证了前者的优越性以及可靠性。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统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。本设计介绍了双闭环调速系统的原理，转速环和电流环的作用，并与电流截止负反馈进行了比较。介绍了逻辑无环流调速系统的原理，对其控制器的要求，以及它比有环流调速系统的优越性。从而更进一步的论证了本设计的可行性。关键字：转速环、电流环、无环流、回馈制动1 方案选择1.采用单闭环直流调速系统但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。在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值Idcr以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程中，起动电流达到最大值Idm后，受电流负反馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。2 可控硅元件的选择2.1 晶闸管正反向重复峰值电压的确定三相桥式整流电路，晶闸管正反向重复峰值电压及，对于三相桥式电路式中为电压安全系数，取=2.根据计算所得晶闸管，选取晶闸管=800V2.2 晶闸管电流等级的选择三相桥式整流电路，晶闸管的最大导通角为120，晶闸管的平均电流选取晶闸管的额定电流,应满足 式中 电流安全洗漱，取=2； =20A。从计算所得晶闸管的电流和电压，选取晶闸管的型号为KP-20-800.2.3 晶闸管的选择依据这两个极限值，选用东芝公司生产的带续流二极管的一单元IGBT模块型号VCEX/V Ic/AMG600Q1US51 1200 6003 平波电抗器的选择3.1 平波电抗器的有关参数计算为了抑制电枢电流的断续和脉动，又要顾及到电路反应的快速性，电枢电路中必须具有适当大小的电感，因此电枢电路中的电感要进行计算，电枢电路中电感不足的部分用平波电抗器的电感来填补，下面先求初电动机电枢电感和变压器漏感，在按电枢电流连续和抑制电流脉动分别求出电路总电感，取两个总电感的最大者为电枢电路总电感，总电感中去掉电动机电枢电感、变压器漏感和连接线电感，便是平波电抗器应有的电感。1.电动机D的电枢电感 （3-1）式中 电机绕组电感系数，无补偿绕组的直流电机，=8000；P电机磁极对数。于是便得 2.变压器每相漏感变压器漏感可按下式近似计算 （3-2）式中，电角频率，对于50Hz交流电，=3.14rad/s。代入各量的值可得 3.使电流连续的电感量为了使电流消失时仍保持电流连续，电枢电路中的电感量必须满足 （3-3）式中 计算电感的系数，对于三相桥式整流，=0.708; 电动机最小负载电流，取=0.05*12.66=161mH4.限制电枢电流脉动的电感量为了限制电枢电流的脉动幅度在一定范围内，电枢电路中的总电感可按下式计算 （3-4）式中 允许电流脉动率，在此取=0.1； 整流相数有关的系数，对于三相桥式全控整流电路，取=1.045.于是算得 5.平波电抗器电感为了达到在最小负载时电流连续和限制电流脉动幅度在一定范围内，因为，以取电枢电路的总电感 =161mH所以可求得平波电抗器的电感=-=161-35-4-0=122mH上式中的为电枢电路连线电感，由于线路较短其电感可以忽略不计，故取=0.4 双闭环系统4.1 双闭环的原理为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置一两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，如图4-1所示。这就是说，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，从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器，其原理图如下图所示。其中转速调节器ASR的输出限幅电压Uim,它决定了电流调节器给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压是Ucm,它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。图4-1 转速电流双闭环直流调速系统的结构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 电力电子变换器图4-2 双闭环直流调速系统电路原理图其中LM表示限幅作用。因此转速调节器ASR的输出限幅电压U*im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。4.2 双闭环的稳态结构图和静特性为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如图4-3。注意用带限幅的输出特性表示PI 调节器。 Ks a 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i- R b ACR-UiUPE图4-3 双闭环直流调速系统的稳态结构图a转速反馈系数; b 电流反馈系数分析静特性。即转速和电流或转矩的稳态关系。其关键是掌握这样的 PI 调节器的稳态特征。它的特性一般存在两种状况：1 ) ASR饱和输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时最大电流是由设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度。而上式所描述的静特性是上图中的AB段，它是垂直的特性。这样的下垂特性只适合于 n n0 ，则Un U*n ，ASR将退出饱和状态。2 ) ASR不饱和输出未达到限幅值当调节器不饱和时，PI 作用使输入偏差电压在稳态时总是零。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，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。转速调节器不饱和，也就是，双闭环调速系统在稳态工作中两个调节器都不饱和时，各变量之间的关系对于ASR有 (4-1)对于ASR有 (4-2)式中a，b 转速和电流反馈系数. 由此我们找到稳态工作点= (4-3)由(2-1)式可得 (4-4) 这是静特性的水平特性，与此同时，由于ASR不饱和，U*i U*im，从上述第二个关系式可知: Id Idm。这就是说， CA段静特性从理想空载状态的 Id = 0 一直延续到 Id = Idm ，而 Idm一般都是大于额定电流 IdN 的。这就是静特性的运行段。而且由上述关系表明，在稳态工作点上，转速n是由给定电压决定的，ASR的输出量是由负载电流决定的，而控制电压的大小则同时取决于n和，或者说，同时取决于和。这些关系反映了PI调节器则不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用地，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。因此，上面论述的可以知道：转速反馈系数 电流反馈系数 其中两个给定电压的最大值和是受运算放大器的允许输入电压限制的。4.3 双闭环直流调速系统的动态数学模型首先我们来介绍一下带电流截止负反馈的调速系统的动态过程。在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在起过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动的电流和转速波形如图4-4所示。图4-4 带电流截止负反馈的调速系统起动过程当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。在实际生产中，对于那些经常正反转的调速系统，要求其具有尽可能短的起制动过程以便提高生产率。基于上述电流截止负反馈的调速系统在动态过程过所遇到的问题，我们来看看用双闭环是否能解决。双闭环直流调速系统的动态结构图4-5图4-5双闭环调速系统的动态结构图图中WASR(s)和WASR(s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。如果采用PI调节器，则有 下面我们来研究一下双闭环调速系统的起动过程：前已指出，设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。 闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于图4-6。图4-6 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形 由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。 第I阶段电流上升的阶段 (0-t1) 突加给定电压Un后，Id上升，当 Id 小于负载电流Id 时，电机还不能转动。当 Id Idl 后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值 Uim，强迫电流 Id 迅速上升直到，Id = Idm， Ui = Uim 电流调节器很快就压制 Id了的增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。第 II 阶段 恒流升速阶段 (t1-t2) 在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流Uim给定下的电流调节系统，基本上保持电流Id 恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电机的反电动势E 也按线性增长，对电流调节系统来说，E 是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，Ud0和Uc 也必须基本上按线性增长，才能保持 Id 恒定。当ACR采用PI调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，Id 应略低于Idm，恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。第 III阶段 转速调节阶段 (t2-t3)当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值 ，所以电机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态， 和很快下降。但是,只要仍大于负载电流 ,转速就继续上升。直到=时,转矩,则dn/dt = 0，转速n才到达峰值(t =时)。在这最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使 Id 尽快地跟随其给定值,或者说,电流内环是一个电流随动子系统。表4-1 典型II型系统阶跃输入跟随性能指标（按Mrmin准则确定关系时）h345678910/T/Tk52.6%2.412.15343.6%2.6511.65237.6%2.859.55233.2%3.010.45129.8%3.111.30127.2%3.212.25125.0%3.313.25123.3%3.3514.201表4-2 典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系h345678910CMAX/CBtm/Ttv/T72.2%2.4513.6077.5%2.7010.4581.2%2.858.8084.0%3.0012.9586.3%3.1516.8588.1%3.2519.8089.6%3.3022.8090.8%3.4025.85由表4-2中数据可见，一般来说， h 值越小， Cmax/Cb 也越小， tm和tv 都短，因而抗扰性能越好，这个趋势与跟随性能指标中超调量与h 值的关系恰好相反，反映了快速性与稳定性的矛盾。当h 222.2= wci可见，满足近似条件。小时间常数近似条件 wci471222.2满足近似条件。忽略反电势对电流环影响的条件：wci128.4222.2满足近似条件。2）计算调节器的电阻和电容 按所用运算放大器取=15,则 =315=45由有 Ci=i/Ri=(0.061000)/45=1.33uF 由得 (42)/150.533 uF 取0.6uF5 逻辑无环流可逆调速系统5.1 可逆调速系统的方案 在由两套可控硅变流装置组成的电枢可逆系统，除了流经电枢支路的负载电流之外，还有一只流经两套可控硅变流装置之间的电流，这个电流称作环流。由于环流对于系统有不小的影响，我们所选择的调速系统必须要能解决这一方面的问题。针对电机本身的可逆方案实现的方法以及处理环流的方式不同，可控硅直流调速系统的形式，结构很多，大致上有以下四种： 1） 有环流电枢可逆直流调速系统 2） 逻辑无环流电枢可逆直流调速系统 3） 错位无环流电枢可逆直流调速系统 4） 磁场可逆直流调速系统 在这四种直流调速系统中，我们选择逻辑无环流电枢可逆直流调速系统,这是因为无环流系统不仅消除了直流环流，还消除了脉动环流。这种系统不用限制环流电抗器，即减少投资又节省电能损耗。以下我们就来介绍一下逻辑无环流可逆系统。5.2 逻辑无环流电枢可逆系统所谓环流是指不流过电动机或其他负载，直接在两组晶闸管之间流通的短路电流。环流太大甚至会导致晶闸管损坏，固必须予以抑制。无环流系统是指无直流平均环流又无瞬时脉动环流的系统，当工艺过程对系统的过度平滑性要求不高时，特别是对于大容量的系统从生产可靠性要求出发，常采用既无直流平均环流又无瞬时脉动环流的逻辑无环流系统。 要得到既无直流又无脉动环流的系统，可采用下述两种不同的方法来实现。一种是当一组晶闸管工作时，用逻辑电路封锁另一组晶闸管的触发脉冲，使它完全处于阻断状态，从根本上切断了环流的通路，将其称为逻辑控制无环流可逆系统。5.2.1 可逆系统对逻辑装置的基本要求 1、任何情况下，绝对不允许同时开放两组晶闸管的触发脉冲，必须是一组晶闸管工作时，另一组晶闸管的触发脉冲被封锁。 5.2.2 可逆系统的组成 主电路采用两组晶闸管装置反并联线路，由于无环流，不必在其中设置环流电抗器。系统控制部分与自然环流系统无本质的区别，所不同的是仅仅多了一个无环流逻辑切换装DLC,DLC按照转矩极性信号Ui*系统正确的选组与换组，而且在任何情况下杜绝环流的发生，获得电动机四象限正常运行。图5-1 逻辑控制无环流系统图5.2.3逻辑装置的功能 无环流系统中逻辑装置的功能就是选组、换组与杜绝环流。所谓选组，就是将触发脉冲施加到所期望的一组晶闸管上，让其工作。当电枢电流为0时，逻辑装置根据住信号Ui*极性相对应，因此Ui*极性必是逻辑切换的一个必要条件。 可逆系统运行中还常要求逻辑装置进行换组。为了杜绝环流，由VF到VR必须按一定程序进行。当系统发出“停车信号”时，则Ui*极性发生了变化，由负变正，这时Ui*极性变化是切换的必要条件。还有一个充分必要条件是零电流的控制信号。只有检测到VF组流过的电流为零时，才允许逻辑装置发出由VF切换到VR指令。切换指令发出后，为了确保电流真正断续或为零，经过封锁延时时间23ms,撤掉FM组上的脉冲，考虑晶闸管的恢复阻断能力的时间，确保晶闸管真正关断，再经过开放延时57ms,对VR加脉冲。以上便是以VF为例说明换组时逻辑装置的情况。5.3 逻辑无环流系统运行状态分析图5-1向我们展示了逻辑控制无环流系统原理图，现在我们根据电机的运行状态来说明图中正反组晶闸管的工作状态。5.3.1 电机正向运行系统正向运行时，其中转速给定电压为正，转速反馈电压为负，ASR的输入偏差电压为正。由于ASR的倒相作用，其输出为负，电流反馈为正，ACR的输入偏差电压为负。再经ACR倒相，得控制电压为正,为负。根据移相触发特性可知，此时，所以反组待逆变。故此阶段又可概括为：正组整流，反组待逆变。5.3.2 电机过渡阶段（电流降落过程）发出停车指令后，转速人给定电压Un*突变为零。由于转速反馈电压Un极性仍为负，所以Un为负，则ASR输出Ui*跃变到正幅值Ui*。这时电枢电流方向还没有来得及改变，电流反馈电压Ui的极性仍为正，在（Uim*+ Ui）合成信号的作用下，ACR的输出电压跃变成负的限幅值-，使正组VF由整流状态很快变成的逆变状态，同时反组VR由待逆变状态转变成待整流状态。在负载电流回路中，由于正组晶闸管由整流变成逆变，的极性反过来了，而电动机反电势E的未变，迫使迅速下降，在电路总电感L两端感应出很大的电压.这时， 由电感L释放的磁场能量维持正向电流，大部分能量通VF回馈电网，而反组VR并不能真正输出整流电流。由于在这一阶段中投入逆变工作的仍是原来处于整流状态工作的一组装置，所以称为本组逆变阶段。由于电流迅速下降，这个阶段占时间很短，转速来不及产生明显的变化。5.3.3电机正向制动状态当主回路电流下降过零时，本组逆变终止，转到反组VR工作。从这时起，直到制动结束，称为它组制动阶段。电机制动有两个状态，一是反接制动：电流过零反相，直到：二是回馈制动：系统力图维持使电机恒减速制动。（1） 反接制动当过零并反向，直到达到以前，为负，但其数值小于，,因此ACR仍处于饱和状态，其输出电压仍为-，和都和本组逆变阶段一样。但由于的数值略减，使反组VR由待整流进入整流，在整流电压和电动机反电动势E的共同作用下，反向电流很快增长，电动机处于反接制动状态，开始减速。 在这个子阶段中，VR将交流电能转变为直流电能，同时电动机也将机械能转变为电能，除去电阻上消耗的电能外，大部分转变成磁能储存在电感中。（2） 回馈制动当反向电流达到