V-M双闭环可逆直流调速系统的设计.doc

课程设计V-M双闭环可逆直流调速系统的设计课程名称： 自动控制技术综合设计 学生学院： 自动化学院 专业班级： 自动化09级(3)班 学 号： 学生姓名： 指导教师： 谢莉萍 2013年03月27日摘要 转速、电流反馈控制的直流调速系统具有优良的静、动态性能，是现今在工业生产中应用最广泛的调速系统，可逆直流调速系统在现实生产中具有其实际意义。本设计调速系统的主电路采用了三相全控桥整流电路来供电。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器,采用转速、电流双闭环控制系统，一般使电流环作为控制系统的内环，转速环作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能。本文是按照工程设计的方法来设计转速和电流调节器的。使电动机满足所要求的静态和动态性能指标、电流环应以跟随性能为主，转速环以抗扰性能为主。关键词：直流调速系统 双闭环 电流调节器 转速调节器目录1、概述42、设计任务及要求42.1 已知条件及控制对象的基本参数42.2 设计指标52.3 设计要求52.4 设计方法及步骤53、可逆系统电路结构设计63.1 方案论证63.1.1 可逆系统原理及方案论证63.1.2 整体设计方案83.2 控制电路和主电路设计103.2.1 触发控制电路的设计103.2.2 主电路设计124、系统设计134.1 电流调节器（ACR）设计134.1.1确定时间常数134.1.2选择电流调节器结构134.1.3选择电流调节器参数144.1.4校验近似条件144.2 速度调节器（ASR）设计154.2.1 确定时间常数154.2.2 选择转速调节器结构154.2.3 选择转速调节器参数164.2.4 校验近似条件175、系统仿真175.1 用MATLAB进行仿真（要求提供仿真系统结构原理图）175.2 仿真曲线打印（速度、电流）185.2 仿真结果与计算设计值进行比较196、总结20参考文献201.概述 直流电动机具有良好的起、制动性能。几十年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在不可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。2.设计任务及要求2.1、已知条件及控制对象的基本参数：（1）直流电动机参数为：=3.2kW，=220V，=12+0.2(按学号递增1.8)A，=1500r/min，电枢绕组电阻=1.5，=3.6。（2）设ASR和ACR均采用PI调节器，ASR限幅输出=8V，ACR限幅输出=7.5V，最大给定=10V，调速范围D=20，堵转电流 =2.0，临界截止电流 =1.5。参考数据：参考采用三相全控桥式电路，整流装置内阻=1.3。平波电抗器电阻=0.3。整流回路总电感L=200mH。2.2、设计指标电流超调量%5%，空载起动到额定转速时的转速超调量10%，空载起动到额定转速的过渡过程时间 t1.0s。2.3、设计要求（1）设计一个可逆V-M双闭环直流调速系统。（2）用工程设计方法进行设计，决定ASR和ACR结构并选择参数。（3）设计过程中应画出双闭环调速系统的电路原理图及写出设计过程。2.4、设计方法及步骤： （1）确定方案，绘制出系统原理图。 （2）绘制出系统的动态方框图，并确定各环节的数学模型。（3）理论计算。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的参数，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器的参数。 （4）系统仿真。（5） 实验验证。3.可逆系统电路结构设计3.1. 方案论证3.1.1 可逆系统原理及方案论证直流电动机只能在某一方向转动，不能反转时，该调速系统是不可逆的。在实际工作中，要求电动机反转的情况很多，实现电机反转的方法比较多。既有有环流的可逆调速系统又有无环流的可逆调速系统。当工艺要求对系统过程特性要求不高时，且系统容量大，可靠性能要求高时，采用无环流的可逆调速系统。有环流的可逆调速系统具有反向快，过渡平滑的优点，根据课程设计的要求， 需要采用有环流的可逆调速系统。直流可逆调速系统有几种实行方案：方案一：开关切换法。该方法简单，但在转向时要求快速、准确、安全，否则容易造成短路或切换时间过长。这种方案还存在噪声大，寿命低等缺点，不适合正反转切换频繁的场合。方案二：励磁反接可逆线路。它的原理是将电动机的励磁线圈接在两组反并联线路中，电枢仍采用一组晶闸管驱动，改变励磁电流的方向来改变电动机的方向。这种方式需要在磁通弱磁时保证电枢电流为零，增加了系统的复杂性，不宜采用。方案三：晶闸管反并联法。采用两组三相桥式晶闸管装置反并联的可逆线路。当一组晶闸管工作在整流状态时，另一组工作在逆变或阻断状态。该实验采用了两组三相桥式晶闸管装置反并联，但是两组装置同时工作时，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，叫做环流。为了防止产生直流平均环流，应该正组处于整流状态时，强迫反组处于逆变状态。即采用f =r就可以消除直流平均环流。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。直流平均环流可以用f =r配合消除，而瞬时脉动环流却是自然存在的。为了抑制瞬时脉动环流，可以在环流贿赂中串入电抗器，叫做环流电抗器。图3-1两组晶闸管反并联可逆V-M系统V-M双闭环直流可逆调速系统工作原理图见图2-2-2。 图3-2 双闭环可逆调速系统=配合控制原理图为了防止晶闸管装置在逆变状态工作中逆变角太小而导致换流失败，出现“逆变颠覆”现象，必须在控制电路中进行限幅，形成最小逆变角保护。与此同时，对角也实施保护，以免出现而产生直流平均环流。通常取，其值视晶闸管器件的阻断时间而定。 图3-3 配合控制特性3.1.2整体设计方案直流电机的供电需要三相直流电，在生活中直接提供的三相交流380V电源，因此要进行整流，则本设计采用三相桥式整流电路变成三相直流电源，最后达到要求把电源提供给直流电动机。如图2.1设计的总框架。三相交流电源三相桥式整流电路直流电动机整流供电双闭环直流调速机驱动电路保护电路图3-4设计的总框架本设计中直流电动机由单独的可调整流装置供电，采用三相桥式全控整流电路作为直流电动机的可调直流电源。通过调节触发延迟角的大小来控制输出电压Ud的大小，从而改变电动机M的电源电压。由改变电源电压调速系统的机械特性方程式: n=( Ud/Ce)-(RO+Ra)T/ CeCT2 注解：Ud整流电压 ,R0为整流装置内阻由此可知，改变Ud，可改变转速n。采用工程设计方法设计 （1）系统设计的一般原则：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。双闭环调速系统的实际动态结构框图如图2-22所示，它包括了电流滤波，转速滤波和两个给定信号的滤波环节。由于电流检测信号中经常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需要加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数Toi按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在一直交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同时间的延时，是二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。由于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，滤波时间常数用Ton表示。再根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为Ton的给定滤波环节。图3-5双闭环调速系统的动态结构图（2）电流环设计电流环动态结构图及简化 在图2-22点画线框内的电流环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际上，反电动势与转速成反比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，系统的电磁时间常数Tl远小于几机电时间常数Tm,因此，转速的变化往往比电流的变化慢的多，对电流环来说，反电动势是一个变化比较缓慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即dE=0.在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的影响，也就是说，可以暂且把电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如图2-23所示。可证明，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是：式中wci-电流环开环频率特性的截止频率。如果吧给定滤波和反馈两个环节都等效的移到环内，同时把给定信号改成Ui*(s)/,则电流环就等效成电流负反馈系统，从这里可以看出两个滤波环节时间常数取值相同的方便之处了。最后由于Ts和Toi一般都比Tl小的多，可应当作小惯性群而近似的看作一个惯性环节，其时间常数为：，进而再一步简化电流环动态结构图。图3-6电流环的动态结构图及其化简3.2控制电路和主电路设计3.2.1触发控制电路的设计晶闸管整流电路是通过控制触发角的大小，即控制触发脉冲的起始相位来控制输出电压的大小。为保证整流电路的正常工作，应确保触发角的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。 对于三相整流桥的晶闸管触发电路很重要的一点是保持触发电路和主电路的同步，即要求触发电路输出的驱动脉冲信号与电源的频率相同而且相位关系确定。为保证触发电路和主电路频率一致，在设计中采用了一个同步变压器，将其一次侧接入为主电路供电的电网，由其二次侧提供同步信号接入触发电路。 触发电路采用集成移相触发芯片TC787，与TCA785及KJ（或KC）系列移相触发集成电路相比，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点。只需要一块这样的集成电路，就可以完成三块TCA785与一块KJ041、一块KJ042器件组合才能具有的三相移相功能。由图可见：在它的内部集成了三个过零和极性检测单元、三个锯齿波形成单元、三个比较器、一个脉冲发生器、一个抗干扰锁定电路、一个脉冲形成电路、一个脉冲分配及驱动电路。引脚18、l、2分别为三相同步电压Va、Vb、Vc输人端。引脚16、15和14分别为产生相对于A、B和C三相同步电压的锯齿波充电电容连接端。电容值大小决定了移相锯齿波的斜率和幅值。引脚13为触发脉冲宽度调节电容Cx，该电容的容量决定着TC787输出脉冲的宽度，电容的容量越大，输出脉冲宽度越宽。引脚5为输出脉冲禁止端，该端用来在故障状态下封锁TC787的输出，高电平有效。引脚4为移相控制电压输入端。该端输入电压的高低，直接决定着TC787输出脉冲的移相范围。引脚12、10、8、9、7和11是脉冲输出端。其中引脚12、10和8分别控制上半桥臂的A、B、C相晶闸管；引脚9、7和11分别控制下半桥臂的A、B和C相晶闸管。正组晶闸管触发电路原理图如图5-4-1所示，反组的与正组相同。图3-7 正组触发电路原理图3.2.2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（将近50）。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。主电路图如图3.4：图3-8主电路原理图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。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：VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，6个触发脉冲相位依次相差60。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vt1与vt2接A相，晶闸管vt6与vt3接B相，晶闸管vt4与vt5接C相，晶闸管vt2、vt4、vt6接成共阳极组，晶闸管vt1、vt3、vt5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。如图3.4所示。由于电网电压与工作电压常常不一致，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。3. 手工绘制系统原理结构图纸一张（50*40cm）4.系统设计4.1 电流调节器（ACR）设计4.1.1确定时间常数根据已知数据得主电路总电阻 额定电动势系数 额定励磁下转矩系数 机电时间常数 电磁时间常数 三相桥式晶闸管整流电路的平均时间，取电流反馈滤波时间常数，可得电流环的小时间常数为+= 0.0017 s+0.002 s = 0.0037 s4.1.2选择电流调节器结构虽然 ，但从动态要求上看，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，对电流超调量有较严格要求，而抗扰指标却没有具体要求，所以对电网电压的波动的及时抗扰作用只是次要因素。为此，电流环应以跟随性能为主，因此电流环仍按典型I型系统设计。电流调节器选用PI调节器，其传递函数为：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。4.1.3选择电流调节器参数积分时间常数 电流环开环增益：要求要求，可选 x =0.707,因此取三相桥式整流装置放大倍数 ；电流反馈系数电流调节器比例系数为取调节器的输入电阻，则电流调节器的各参数为,取94,取,取0.2根据上述参数，查表，可以达到的动态指标为故能满足设计要求4.1.4校验近似条件1) 校验晶闸管整流装置传递函数的近似条件电流环截至频率，晶闸管装置传递函数近似条件为 ,现故该近似条件满足。2) 校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件忽略反电动势影响的近似条件为 ，现故该近似条件满足。3) 校验电流环小时间常数近似处理条件电流环小时间常数近似处理条件为 ，现故该近似条件满足。4.2速度调节器（ASR）设计电流环经过简化后可视作为转速环中的一个环节，为此，需要求出它的闭环传递函数，忽略高次项，可由近似条件，降阶近似为接入转速环内，电流环在转速环内应等效为：这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似的等效为只有较小时间常数的一个惯性环节，这就表明，电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）的一个重要功能。转速环动态结构图及简化：图4-1转速换的动态结构图及其简化4.2.1确定时间常数因 ，故转速反馈系数为电流环的等级时间常数为 。取转速反馈滤波时间常数，转速环的时间常数为=0.0074s+0.01s=0.0174s4.2.2选择转速调节器结构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，其传递函数为式中转速调节器的比例系数；转速调节器的超前时间常数。4.2.3选择转速调节器参数按跟随性能和抗扰性能较好的原则选择h=5，求出转速超调量和过渡过程时间 。如果能够满足设计要求，则可根据所选的h值计算有关参数；否则要改变h值重新进行计算，直到满足设计要求为止。当h=5时，ASR退饱和超调量为式中，为电动机允许过载系数，按题意 =2.0；z为负载系数，设为理想空载起动，则z=0; 为调速系统开环机械特性的额定稳态速降，；是基准值为时的超调量相对值，而。当h=5时，查表得，故起动到额定转速，即 时，退饱和超调量为满足设计要求。空载起动到额定转速的过渡过程中，由于在大部分时间内ASR饱和而不起调节作用，使过渡过程时间延长，可表示为其中为恒流升速时间，是退饱和超调过渡过程时间。s退饱和超调过渡过程时间等于动态速升的回复时间。当h=5时。但恢复时间是按误差为计算的。这里故 。这就是说，转速进入r/min 的恢复时间为 0.153s。但这里的恢复时间应按转速进入来计算，由于5%n_nom =75 r/min 5.135 r/min，显然所需时间将远小于0.153s，故可忽略不计，于是可见，能满足设计要求。这样，就可根据h=5选择转速调节器的参数。ASR的时间常数为转速环开环增益为ASR比例系数为如设调节器输入电阻 ，则，取510，取0.2，取14.2.4校验近似条件转速环截止频率为电流闭环传递函数简化条件为，现故满足该简化条件。小时间常数近似处理条件为 ，现故