电力拖动课程设计.doc

电力拖动与运动控制系统课程设计 姓 名： 戴叶能 学 号：22091577 专 业： 自动化09-2班 专 题： 双闭环直流调速系统的设计 指导教师： 夏帅 设计地点： 电工电子实验中心 2012 年 4 月课程设计任务书专业年级 自动化09-2 学号 22091577 学生姓名 戴叶能 任务下达日期：2012年4月5日设计日期： 2012年4月5日 至 2012年4月20日设计专题题目：双闭环直流调速系统的设计设计主要内容和要求：直流调速系统凭借其优良的调速性能在现场中得到了广泛使用，虽然交流电机得到了越来越多的使用，但直流调速系统的理论完全适用于交流电机调速系统的设计。针对附录中提供的直流电机参数，进行直流电机调速系统的设计。要求该直流调速系统调速范围宽、起制动性能好、可四象限运行，具体设计内容如下。1. 根据直流调速系统的要求，制定系统总体方案，主要包括如下方面：(1) 对现有的直流调速产品进行调查，并运行所学知识加以分析。要求必须给出一种具有代表性的直流调速产品，并给出系统控制框图；(2) 给出本设计中拟采用的主电路拓扑结构，并给出选择依据；(3) 采用数字处理器作为控制器，对目前调速系统中采用的数字处理器进行调查，并选择一款用于本系统的数字处理器。2. 直流调速系统的主电路设计，针对总体方案中选定的主电路拓扑结构，并结合附录中提供的直流电机参数进行如下设计：(1) 功率器件的选型，要求给出依据；(2) 针对所选择的功率器件，给出其触发或驱动电路的原理图，并对驱动电路的原理简要说明；(3) 根据系统控制要求，选择相应的电压、电流和温度等传感器，要求给出具体型号；(4) 要求在主回路设计中需给出相应的保护电路。 3. 直流调速系统的控制理论(1) 给出双闭环直流调速系统的动态结构框图；(2) 根据直流电动机和主回路参数，确定动态结构框图的具体参数；(3) 运用工程化设计方法对直流调速系统的调节器进行参数设计，要求必须给出限幅的具体参数及依据；(4) 根据设计的PI调节器参数，要求给出带有内外限幅的PI调节器的模拟量电路图；(5) 给出直流调速系统的完整结构框图。4. 双闭环直流调速系统的Matlab仿真(1) 根据上述双闭环直流调速系统的动态结构框图，建立Matlab仿真模型，并对调节器参数设计的合理性进行验证；(2) 运用Matlab/Simulink下的电机模型，建立基于电机模型的仿真模型，并对调节器的参数作出调整。5. 数字控制器的设计(1) 硬件设计：根据所选数字处理器，进行相应硬件电路的设计，要求包括PWM输出、AD采样及信号处理电路、编码器接口等；(2) 软件设计：给出双闭环直流调速系统的整体控制流程图，并给出增量式PI调节器、数字测速的程序流程框图。 指导教师签字：日 期：摘 要此设计利用晶闸管、二极管等器件设计了一个转速、电流双闭环直流晶闸管调速系统。该系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。并通过Simulink进行系统的数学建模和系统仿真分析双闭环直流调速系统的特性。关键词：双闭环，晶闸管，转速调节器，电流调节器，Simulink目 录1 前言52 总体方案设计62.1 双闭环直流调速系统62.2 产品分析62.3 设计要求93 单元模块设计103.1 转速给定电路设计103.2 转速检测电路设计103.3 电流检测电路设计113.4 整流及晶闸管保护电路设计123.4.1 过电压保护和du/dt限制123.4.2 过电流保护和di/dt限制123.4.3 整流电路参数计算133.5电源设计153.6 控制电路设计164 系统调试225 结束语246 参考文献267 清单附录271 前言自70年代以来，国外在电气传动领域内，大量地采用了“晶闸管直流电动机调速”技术（简称KZD调速系统），尽管当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中KZD系统的应用还是占有相当的比重。在工程设计与理论学习过程中，会接触到大量关于调速控制系统的分析、综合与设计问题。传统的研究方法主要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种方法在具有各自优点的同时也存在着不同的局限性。双闭环（电流环、转速环）调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止至负反馈环节是专门用来控制电流的。但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。2总体方案设计2.1双闭环直流调速系统该方案主要由给定环节、ASR、ACR、触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ACR和转速调节器ASR。电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环；转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成转速环，称为双闭环调速系统。因转速换包围电流环，故称电流环为内环，转速环为外环。在电路中，ASR和ACR串联，即把ASR的输出当做ACR的输入，再由ACR得输出去控制晶闸管整流器的触发器。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具有输入输出限幅功能的PI调节器，且转速和电流都采用负反馈闭环。该方案的原理框图如图1所示。电流检测电动机电压ASR整流触发装置ACR负载速度检测 图1.原理框图2.2产品分析l 6RA70 SIMOREG DC MASTER 系列整流器为全数字紧凑型整流器，输入为三相电源，可向直流驱动用的电枢和励磁供电，额定电枢电流从15A 至2200A。紧凑型整流器可以并联使用，提供高至12000A 的电流，励磁电路可以提供最大85A 的电流(此电流取决于电枢额定电流. 经过多年验证已经年成为该领域的领导者.在工业方面有广泛的应用,尤其在给大功率PWM变频器系统提供直流电压、给大电感负载供电例如发电机励磁，起重机磁铁等 图2.系统控制框图 电动电位计电动电位计通过控制功能“增大”，“减小”，“顺时针/逆时针”，“手动/自动”发挥作用，且本身带有加减速时间可分别设定的斜坡函数发生器及一个可调节的圆弧。通过参数对调节区域(最小和最大输出量)进行设定。通过开关量连接器施加控制功能。 在自动状态时(在“Auto ”位置)电动电位计的输入由一个可自由选择量(连接器编号)确定。这时可以选择斜坡函数发生器的时间是否有效，或输入是否可直接加到输出。 在“手动”位置时，给定值的调整借助“增大”“减小”功能。此外，还可选择，掉电时输出是否回零或最后一个数值是否被存储。该输出量通过一个连接器可任意使用。例如，作为主给定值，附加给定值或极限值。 转速给定值转速给定值和附加给定值的给定源可通过参数设定自由选择，即设定值的源可编程：模拟量给定0 1 0V 0 20mA 4 +20mA 。通过内装的电动电位计给定通过具有固定给定值，点动，爬行功能的开关量连接器给定通过基本装置的串行接口给定通过附加板给定一般情况下100 给定值(主给定值和附加给定值之和)对应电机最大转数。给定值可由参数设定或连接器限制其最大值和最小值。此外，软件中还有加法点，比如，为了能在斜坡函数发生器之前或之后输入附加给定值。通过开关量连接器可选择“给定值释放”功能，经过可参数设定的滤波(PT1-滤波器)以后，总的给定值作用于转速调节器的给定值输入端，这时斜坡函数发生器有效。 转速调节器转速调节器将转速给定值与实际值进行比较。根据它们之间的差值输出相应的电流给定值送电流调节器(原理：带有电流内环的转速调节)。转速调节器是带有可选择的D-部分的PI 调节器。此外尚有可参数设置的可接通速度软化。调节器的所有识别量都可分别设定。K p 值(放大系数)同一个连接器信号(外部或内部)相适配。同时，转速调节器的P-放大系数要与转速实际值，电流实际值，给定值-实际值的差值或卷径相匹配。为了获得更好的动态响应在速度调节回路有预控器，这可以通过例如在速度调节器输出附加一个转矩给定值来实现，该附加给定值与传动系统的摩擦及转动惯量有关。可通过一个自动优化过程确定摩擦和转动惯量的补偿。在调节器锁零放开后，速度调节器输出量的大小可以通过参数直接调整。通过参数设定可以旁路转速调节器，整流装置作为转矩调节或电流调节的系统运行。此外，在运行过程中可通过选择功能“主动/随动转换”来切换转速调节/转矩调节。这个功能是作为通过开关量可设置端子或一个串行接口的开关量连接器来选择。转矩给定值的输入可以通过可选择连接器实现也可由模拟量可设置端子输入口或串行接口输入。在“随动状态”下(转矩调节或电流调节)一个极限调节器投入运行。为了避免系统加速过快，通过一个参数可调的转速限幅对限幅调节器进行干预。但传动装置被限制于一个可调节的转速误差。 图3.主电路拓扑结构USS-通信协议是西门子公司制定的一种通信协议，也可用于非西门子系统，例如PC上进行编程处理，或使用任意主站连接。传动装置在运行时作为一个主站的从站。通过使用从站编码选取传动装置。可以通过USS-通信协议进行下列数据交换： 用于参数读写的PKW(参数识别值)数据组PZD-数据组(过程数据)如，控制字，给定值，状态字，实际值。发送的数据组(实际值)通过输入的连接器号在参数中找出，接收的数据组(给定值)以连接器号表示，在任意一个结合点都有效。2.3 设计要求直流电动机设计双闭环直流晶闸管调速系统，技术要求如下：1.直流电动机额定参数：直流电动机的额定参数PN=3.7kW、UN=220V、IN=20A、nN=1000 r/min，电枢电阻Ra=1.5， 2. 设计要求：稳态无静差，电流超调量i5%；空载起动到额定转速时的转速超调量 n10。3单元模块设计根据设计要求，本文所设计的双闭环直流晶闸管调速系统主要包含转速给定电路、转速检测电路、电流检测电路、控制电路、触发脉冲输出电路、整流及晶闸管保护电路、电源等几个部分。3.1 转速给定电路设计转速给定电路主要由滑动变阻器构成，调节滑动变阻器即可获得相应大小的给定信号。转速给定电路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。其电路原理图如图3.1所示。 图4. 转速给定电路原理图3.2 转速检测电路设计转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号，滤除交流分量，为系统提供满足要求的转速反馈信号。转速检测电路主要由测速发电机组成，将测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号，经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系统。其原理图如图3.2所示。 图5. 转速检测电路原理图3.3 电流检测电路设计电流检测电路的主要作用是获得与主电路电流成正比的电流信号，经过滤波整流后，用于控制系统中。该电路主要由电流互感器构成，将电流互感器接于主电路中，在输出端即可获得与主电路电流成正比的电流信号，起到电气隔离的作用。其电路原理图如图3.3所示。 图6. 电流检测电路原理图3.4 整流及晶闸管保护电路设计整流电路如图3.4所示，在整流电路中主要是晶闸管的保护问题。晶闸管具有许多优点，但它属于半导体器件，因此具有半导体器件共有的弱点，承受过电压和过电流的能力差，很短时间的过电压和过电流就会造成元件的损坏。为了使晶闸管装置能长期可靠运行，除了合理选择元件外，还须针对元件工作的条件设置恰当的保护措施。晶闸管主要需要四种保护：过电压保护和du/dt限制，过电流保护和di/dt限制。2 图7. 整流电路及晶闸管保护电路3.4.1 过电压保护和du/dt限制凡是超过晶闸管正常工作是承受的最大峰值电压的都算过电压。产生过压的原因是电路中电感元件聚集的能量骤然释放或是外界侵入电路的大量电荷累积。按过压保护的部位来分，有交流侧保护，直流侧保护和元件保护。元件保护主要是通过阻容吸收电路，连线如图4.4所示。阻容吸收电路的参数计算式根据变压器铁芯磁场释放出来的能量转化为电容器电场的能量存储起来为依据的。由于电容两端的电压不能突变，所以可以有效的抑制尖峰过电压。串阻的目的是为了在能量转化过程中能消耗一部分能量，并且抑制LC回路的振荡。3.4.2 过电流保护和di/dt限制由于晶闸管的热容量很小，一旦发生过电流时，温度就会急剧上升可能烧坏PN结，造成元件内部短路或开路。晶闸管发生过电流的原因主要有：负载端过载或短路；某个晶闸管被击穿短路，造成其他元件的过电流；触发电路工作不正常或受干扰，使晶闸管误触发，引起过电流。晶闸管允许在短时间内承受一定的过电流，所以过电流保护作用就在于当过电流发生时，在允许的时间内将过电流切断，以防止元件损坏。晶闸管过电流的保护措施有下列几种：1.快速熔断器 普通熔断丝由于熔断时间长，用来保护晶闸管很可能在晶闸管烧坏之后熔断器还没有熔断，这样就起不了保护作用。因此必须采用专用于保护晶闸管的快速熔断器。快速熔断器用的是银质熔丝，在同样的过电流倍数下，它可以在晶闸管损坏之前熔断，这是晶闸管过电流保护的主要措施。2.硒堆保护 硒堆是一种非线性电阻元件，具有较陡的反向特性。当硒堆上电压超过某一数值后，它的电阻迅速减小，而且可以通过较大的电流，把过电压的能量消耗在非线性电阻上，而硒堆并不损坏。硒堆可以单独使用，也可以和阻容元件并联使用。本系统采用快速熔断器对可控硅进行过流保护。3.4.3 整流电路参数计算(1)的计算负载要求的整流电路输出的最大值；晶闸管正向压降，其数值为0.41.2V，通常取；n主电路中电流回路晶闸管的个数；A理想情况下时，整流输出电压与变压器二次侧相电压之比；C线路接线方式系数；电网电压波动系数，通常取；最小控制角，通常不可逆取；变压器短路电压比，100Kv以下的取；变压器二次侧实际工作电流额定电流之比；已知，取、，查表得，取,查表得代入上式得：，应用式，查表得，取，取，电压比 （2）一次和二次向电流和的计算由式得 ，由表得 ，考虑励磁电流和变压器的变比K，根据以上两式得：（3）变压器的容量计算(4)晶闸管参数选择由整流输出电压，进线线电压为100V，晶闸管承受的最大反向电压是变压器二次线电压的电压峰值，即：，晶闸管承受的最大正向电压是线电压的一半，即：。考虑安全裕量，选择电压裕量为2倍关系，电流裕量为1.5倍关系，所以晶闸管的额定容量参数选择为：3.5电源设计该模块的主要功能是为转速给定电路提供电源，众所周知，电源是一切电路的心脏，其性能在很大程度上影响着整个电路的性能。为使系统很好的工作，本文特设计一款15V的直流稳压电源供电，其电路图如图3.5所示。直流稳压电源主要由两部分组成：整流电路和滤波电路。整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导通作用，因此二极管是组成整流电路的关键元件。在小功率（1KW）整流电路中，常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。本设计采用桥式整流电路，其主要特点如下：输出电压高，纹波电压小，管子所承受的最大反向电压较低，电源变压器充分利用，效率高。 图8. 15V电源电路原理图滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两侧并联电容器；或在整流电路输出端与负载间串联电感L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。3.6 控制电路设计本控制系统采用转速、电流双闭环结构，其原理图如图3.6所示。 图9. 双环调速系统原理图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PI 调节器。图4.7中标出了两个调节器的输入输出的实际极性，他们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图3.7为双闭环调速系统的稳态结构图。图3.8为双闭环调速系统的稳态结构图。ACR和ASR的输入、输出信号的极性，主要视触发电路对控制电压的要求而定。若触发器要求ACR的输出Uct为正极性，由于调节器一般为反向输入，则要求ACR的输入Ui*为负极性，所以，要求ASR输入的给定电压Un*为正极性。本文基于这种思想进行ASR和ACR设计。 图10. 双闭环调速系统稳态结构图 图11. 双闭环调速系统动态结构图第五章 课程设计原始数据直流电动机：功率Pe3.7KW，额定电压Ue=220V，额定电流Ie=20A，ne=1000r/min,电枢绕组电阻Ra=1.5，L37.22mH(电枢电感、平波电感和变压器电感之和)，电磁系数Ce=0.206 Vminr，电磁时间常数TL=0.018ms，机电时间常数Tm=0.080ms，滤波时间常数Ton=Toi=0.00235s，过载倍数1.5，电流给定最大值，速度给定最大值晶闸管装置放大系数：Ks=40电流反馈系数：=0.3333V/A（10V/1.5IN）转速反馈系数：=0.01Vmin/v（10V/nN）第六章 参数计算1. 确定时间常数（1）脉宽调制器和PWM变换器的滞后时间常数与传递函数的计算电动机的启动电流为 启动电流与额定电流比为 晶体管放大区的时间常数为 电流上升时间的计算公式为 取=2则 电流下降时间的计算公式为 最佳开关频率为 开关频率f选为5.5kHz，此开关频率已能满足电流连续的要求。于是开关周期脉宽调制器和PWM变换器的放大系数为 于是可得脉宽调制器和PWM变换器的传递函数为（2）电流滤波时间常数 取1.5ms（3）电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取= Ts+Toi=0.00168s。2. 选择电流调节器的结构根据设计要求，并保证稳态电流无静差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型调节器3. 计算电流调节器的参数电流调节器超前时间常数：。电流开环增益：要求时，取，因此 于是，ACR的比例系数为转速环的设计1. 确定时间（1）电流环等效时间常数。由前述已知，则（2）转速滤波时间常数，根据所用测速发电机纹波情况，取.（3）转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取2. 选择转速调节器结构按典型型系统选用设计PI调节器，其传递函数式为：3. 计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，先取h=5，则ASR的超前时间常数为则转速环开环增益 可得ASR的比例系数为 工程化校验及限幅电流校验环节及限幅1.校验：电流环截止频率： （1） PWM装置传递函数的近似条件 满足近似条件。（2） 忽略反电动势变化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。电流环可以达到的动态指标为：，也满足设计要求。2.限幅：按所用运算放大器取R0=40k，各电阻和电容值为： , 取 ，取 取 图11.电流校验环节原理图电压校验环节及限幅1.校验转速截止频率为：（1）电流环传递函数简化条件为： 满足简化条件。（2）转速环小时间常数近似处理条件为： 满足近似条件。2.限幅根据图2-10 所示，取，则 取 , 取 , 取 图12.电压校验环节原理图检验转速超调量当h=5时，,不能满足要求.按ASR退饱和的情况计算超调量: 调速系统开环机械特性的额定稳态速降 :为基准值，对应为额定转速。计算得：4系统调试由于本文只进行了理论性设计，故在系统安装与调试阶段只对控制电路部分进行了MATLAB仿真，以分析直流电机的启动特性。采用MATLAB中的simulink工具箱对系统在阶跃输入和负载扰动情况下的动态响应（主要为转速和电枢电流）进行仿真。仿真可采用面向传递函数的仿真方法或面向电气系统原理结构图的仿真方法，本文采用面向传递函数的仿真方法。系统仿真结构如图4.1所示。 图12 系统仿真结构图在仿真过程中，Matlab设置很多不同的算法，而不同的算法，对仿真出来波形影响很大。对于用数值方法求解常系数微分方程(Ordinary Differential Equation,简写为ODE)或微分方程组，MATLAB提供了七种解函数，最常用的是ODE45。ode45可用于求解一般的微分方程，他采用四阶、五阶龙格-库塔法。仿真结果如图4.2-4.3所示。 图13. 双闭环调速系统仿真结果图上部为电机转速曲线，中部为扰动电流曲线，下部为电机电流曲线。加电流启动时电流环将电机速度提高，并且保持为最大电