某磨床直流双闭环有环流调速系统中电流调节器及转速调节器的设计为某钻床设计一个调速范围宽、起制动性能好的直流双闭环调速系统且拟定该系统由大功率晶体管调制放大器给电动机供电.doc

太原理工大学阳泉学院课程设计目 录第一章 设计任务分析11.1 课题的内容与要求11.2 系统概述1第二章 主电路分析和双闭环调速系统的组成22.1主电路分析22.2双闭环调速系统的组成2第三章 系统校正与参数整定43.1 经典的动态校正方法设计43.2速度调节器参数计算4第四章 电流、转速调节器的设计44.1电流调节器44.1.1电流调节器原理图54.1.2电流调节器参数选择54.2转速调节器74.2.1转速调节器原理图74.2.2转速调节器参数选择7第五章 设计总结10参考文献11第一章 设计任务分析1.1 课题的内容与要求设计题目：某磨床直流双闭环有环流调速系统中电流调节器及转速调节器的设计为某钻床设计一个调速范围宽、起制动性能好的直流双闭环调速系统，且拟定该系统由大功率晶体管调制放大器给电动机供电。已知系统中直流电动机主要数据如下：直流电动机：2KW，220V，136A，1460 r/min，Ce=0.132，允许过载倍数=1.5；晶闸管装置放大系数：Ks=40；电枢回路总电阻：R=0.5；时间常数：Tl=0.03，Tm=0.18；电流反馈系数：=0.05V/A（10V/1.5In）；转速反馈系数：=0.007 min/r（10V/ nn）。设计要求：设计电流调节器，要求电流超调量i%5%,要求转速无静差，空载起运到额定转速时的转速超调量n%10%。按工程设计方法设计转速调节器，并校验转速超调量的要求能否得到满足。1.2 系统概述直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广泛的直流调速系统，采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、电流调速系统可以实现在允许条件下的最快起动，可以再保证系统稳定的前提下实现转速无静差。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，确保两组晶闸管不同时工作，从根本上切断了环流的通路。这就是逻辑控制的无环流系统。它的特点是：用逻辑切换装置封锁不工作组晶闸管的触发脉冲，开放工作组晶闸管的触发脉冲，在任何时候不准两组晶闸管都有脉冲，从而切断了产生环流的通路，实现了无环流控制。在实际生产中，有许多机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地启动和制动，逻辑无环流直流调速系统设计即可较好地实现这些功能，并具有较好的动态性能和能量利用率。因此，我们选择这样的系统不仅可节省成本，而且增强了系统的可靠性。 第二章 主电路分析和双闭环调速系统的组成2.1主电路分析用逻辑切换装置封锁不工作组晶闸管的触发脉冲，开放工作组晶闸管的触发脉冲，在任何时候不准两组晶闸管都有脉冲，从而切断了产生环流的通路，实现了无环流控制。主电路采用两组晶闸管装置交叉连接，由于没有环流，不用再设置环流电抗器。但为了保证稳定运行时电流波形连续，仍应保留平波电抗器。控制线路采用典型的转速，电流双死循环系统。图2-1：逻辑无环流调速系统原理图逻辑无环流调速系统的主回路由两组反并联的三相全控整流桥VF、VR组成，两组可控整流桥之间可省去限制环流的均衡电抗器，电枢回路仅串联一个平波电抗器。控制系统主要由给定器G，零速封锁起DZS，转速调节器ASR，电流调节器，反号器AR，转矩极性辨别器DPT，零电流检测器DPZ，无环流逻辑控制器DLC,，触发器GT，电流变换器FBC，过流保护器FA，速度变换器FBS，正、反组脉冲放大器AP1、AP2等组成。其系统原理图如图2-1所示。2.2双闭环调速系统的组成直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器（ASR）、电流调节器(ACR)、三相集成触发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成。由于调速系统的主要被控量是转速，故把转速负反馈组成的环作为外环，以保证电动机的转速准确跟随给定电压，把由电流负反馈组成的环作为内环，把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE，这就形成了转速、电流双闭环调速系统。如图2-2所示：图2-2：直流双闭环调速系统为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。这样构成的双闭环直流调速系统。图2-3：双闭环调速系统的实际动态结构框图双闭环调速系统的实际动态结构框图如图2-3所示，它增加了滤波环节，包括电流滤波、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常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，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。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，滤波时间常数用表示。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的给定滤波环节。按照多环控制系统设计的一般原则，先内环后外环，从内环开始，逐步向外扩展。在双闭环控制系统中，应首先设计电流调节器（ACR），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（ASR），即分别引入转速负反馈和电流负反馈。两者之间实行嵌套连接，且都带有输出限幅电路。转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值；电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压 。第三章 系统校正与参数整定3.1 经典的动态校正方法设计 用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、快、准、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求，需要有扎实的理论基础和丰富的实践经验，不易掌握，于是有必要建立实用的设计方法，即工程设计方法，步骤如下：（1） 选择调节器结构，使系统典型化并满足稳定和稳态精度。（2） 设计调节器的参数，以满足动态性能指标的要求。自动控制理论已经证明，0型系统稳状态精度低，而型和型以上的系统很难稳定。因此，为了保证稳定性和良好的稳定精度，多选择将系统校正为型和型系统。3.2速度调节器参数计算 一般速度环节校正为典系统，要求系统无静差时为PI调节器，则其时间常数和开环增益应为：选择转速调节器的参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为转速开环增益：于是，ASR的比例系数为：第四章 电流、转速调节器的设计4.1电流调节器电流环的动态结构框图,如图3-1图4-1：电流环的动态结构框图4.1.1电流调节器原理图图4-2：电流调节器原理图含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器原理图如图3-2所示。图中为电流给定电压，-为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压。4.1.2电流调节器参数选择1确定时间常数（1）整流装置滞后时间常数，即三相桥式电路的平均失控时间=0.0017s。（2）电流滤波时间常数=0.002s。（3）电流环小时间常数之和，取=+=0.0037s。2选择电流调节器结构根据设计要求5%，并保证稳态无静差，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型电流调节器，其传递函数：(s)=检查对电源电压的抗扰性能：，参照典型I型系统动态抗扰性能指标与参数，各项指标都是可以接受的。3计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：=0.03s。电流环开环增益：要求5%时，应取=0.5，因此=于是，ASR的比例系数为4校验近似条件电流环截止频率：（1）晶闸管整流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3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。5计算调节器电阻和电容由图3-2，按所用运算放大器取，各电阻和电容值为，取40，取0.75，取0.2按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为=4.3%5%，满足设计要求。4.2转速调节器转速环的动态结构框图，如图3-3图4-3：转速环的动态结构框图4.2.1转速调节器原理图含图4-4：转速调节器原理图给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器原理图如图3-4所示，图中为转速给定电压，-为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节器的给定电压。4.2.2转速调节器参数选择1确定时间常数（1）电流环等效时间常数：（2）转速滤波时间常数：（3）转速环小时间常数之和，取2选择转速调节器结构根据设计要求，选择PI型调节器，其传递函数：3计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5,则ASR的超前时间常数为转速环开环增益：可得ASR的比例系数为：4校验近似条件转速环截止频率：（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。5计算调节器电阻和电容由图3-4，取，则，取470，取0.2，取16校核转速超调量当h=5时，=37.6%，不能满足设计要求。应按ASR退饱和的情况重新计算超调量。7按ASR退饱和重新计算超调量 =能满足设计要求。第五章 设计总结课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。开始先认真审题，考虑设计系统的要求及条件，复习有关课程内容，如电力拖动自动控制系统、电力电子技术、电机与拖动、交流调速系统等，之后多方收集相关资料并截选，再与同学交流。 近年来，随着电力电子技术、微电子技术及大规模集成电路的发展，生产工艺的进步及功率半导体器件价格的降低，直流电机调速传动所需要的直流设备不仅在技术性能指标上已完全满足要求，而且在经济上直流电机调速装置的价格也逐年下降。这样，为直流电机调速传动的高性能、高效率及减小装置体积，提高可靠性，降低成本等提供了广阔的前景。直流电机调速中有些调速方式其性能也能做到和交流调速一样，而且在节约能源提高产品产量和质量方面都取的了很大的效果。 回顾起此次电机拖动综合课程设计，今我仍感慨颇多。的确，从理论到实践，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，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。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。 这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后经过努力研究终于游逆而解，在此我很感谢史老师，不是史老师严格要求，恐怕我就放弃这次学习的机会。参考文献1 陈伯时 电力拖动自动控制系统运动控制系统，第三版，机械工业出版社，20032 范正翘主编. 电力传动与自动控制系统. 北京：北京航空航天大学出版社，20033 何建平 陆治国主编. 电气传动. 重庆：重庆大学出版社，20024 刘松主编. 电力拖动自动控制系