转速闭环控制调速系统

长春建筑学院电气信息学院 课程设计 课程名称 电子系统仿真实习课程名称 电子系统仿真实习 设计题目 转速闭环控制直流调速系统仿真设计题目 转速闭环控制直流调速系统仿真 姓 名 学 号 专业班级 指导教师 起止日期 0 设计鉴定 学生姓名班 级学 号 设计期间表现 总评 指导 教师 综合 评语 成 绩指导教师 1 目录目录 目录 2 第一章 设计内容 3 1 1 设计背景 3 1 2 主要内容 4 1 3 双闭环调速系统 4 第二章 方案实施 6 2 1 转速给定电路设计 6 2 2 转速检测电路设计 6 2 3 电流检测电路设计 7 第三章 主电路保护电路设计 8 3 1 过电压保护设计 8 3 2 过电流保护设计 9 3 3 驱动电路的设计 11 3 4 控制电路设计 12 3 5 电流环与转速环的设计 13 3 6 电流调节器的设计 14 3 7 转速调节器的设计 15 第四章 结论体会 17 参考文献 18 2 第一章第一章 设计内容设计内容 1 1 设计背景 直流调速是现代电力拖动自动控制系统中发展较早的技术 在 20 世纪 60 年代 随着晶闸管的出现 现代电力电子和控制理论 计算机的结合促进了电 力传动控制技术研究和应用的繁荣 晶闸管 直流电动机调速系统为现代工业提 供了高效 高性能的动力 尽管目前交流调速的迅速发展 交流调速技术越趋 成熟 以及交流电动机的经济性和易维护性 使交流调速广泛受到用户的欢迎 但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场 并且建立在反 馈控制理论基础上的直流调速原理也是交流调速控制的基础 现在的直流和交 流调速装置都是数字化的 使用的芯片和软件各有特点 但基本控制原理有其 共性 对于那些在实际调试过程中存在很大风险或实验费用昂贵的系统 一般不允许 对设计好的系统直接进行实验 然而没有经过实验研究是不能将设计好的系统 直接放到生产实际中去的 因此就必须对其进行模拟实验研究 当然有些情况 下可以构造一套物理装置进行实验 但这种方法十分费时而且费用又高 而且 在有的情况下物理模拟几乎是不可能的 近年来随着计算机的迅速发展 采用 计算机对控制系统进行数学仿真的方法已被人们采纳 但是长期以来 仿真领域的研究重点是仿真模型的建立这一环节上 即在系统 模型建立以后要设计一种算法 以使系统模型等为计算机所接受 然后再编制 成计算机程序 并在计算机上运行 因此产生了各种仿真算法和仿真软件 3 1 2 主要内容 本课题以直流电动机为对象 用工程设计方法设计直流电动机转速 电流 双闭环调速系统 基于直流电动机的基本方程给出动态结构图 建立双闭环调 速系统的数学模型 并应用 MATLAB 进行仿真 对仿真结果分析 研究 验证控 制方案的合理性 主要完成如下工作 1 数学模型的建立 认真学习相关资料 根据直流电动机基本方程 建立双闭环调速系统的数学模 型并给出动态结构框图 2 系统方案设计 通过国内外中英文资料介绍 了解直流电动机双闭环调速系统的最佳工程设计 方法 并进行调速系统的设计 3 仿真的进行和结果的分析与探究 深入学习和掌握 MATLAB 下的 Simulink 和 Power System 系统模型的搭建方法 进行模型搭建和仿真 对结果进行分析与探究 1 3 双闭环调速系统 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 dcrI 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直流调速系 统中 起动电流突破 dcrI 以后 受电流负反馈的作用 电流只能再升高一点 经过某一最大值 dmI 后 就降低下来 电机的电磁转矩也随之减小 因而加速 过程必然拖长 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 4 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 应该充分利用电机的过载能力 最好是在过渡过程 中始终保持电流 转矩 为允许的最大值 使电力拖动系统以最大的加速度起 动 到达稳态转速时 立即让电流降下来 使转矩马上与负载相平衡 从而转 入稳态运行 实际上 由于主电路电感的作用 电流不可能突跳 为了实现在允许条件 下的最快起动 关键是要获得一段使电流保持为最大值 dmI 的恒流过程 按照 反馈控制规律 采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变 那么 采 用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程 问题是 应该在起动过程中只有 电流负反馈 没有转速负反馈 达到稳态转速后 又希望只要转速负反馈 不 再让电流负反馈发挥作用 要想既存在转速和电流两种负反馈 又使它们只能 分别在不同的阶段里起作用 只用一个调节器显然是不可能的 可以考虑采用 转速和电流两个调节器 图 1 1 转速 电流双闭环直流调速系统 5 第二章第二章 方案实施方案实施 2 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 2 1 所示 图 2 1 转速给定电路原理图 2 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 2 2 所示 6 图 2 2 转速检测电路原理图 2 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 2 3 所示 图 2 3 电流检测电路原理图 7 第三章第三章 主电路保护电路设计主电路保护电路设计 3 1 过电压保护设计 晶闸管对过电压很敏感 当正向电压超过其断态重复峰值值电压一定值时 就会误导通 引发电路故障 当外加的反向电压超过其反向重复峰值电压 一定值时 晶闸管将会立即损坏 因此 必须研究过电压的产生原因及抑 DRM U 制过电压的方法 过电压产生的原因主要是供给的电压功率或系统的储能发生 了激烈的变化 使得系统来不及转换 或者系统中原来积聚的电磁能量不能及 时消散而造成的 本设计采用如右图 3 1 阻容吸收回路来抑制过电压 通过经验公式 3 24 10 T CI 1030R 2 1 2 Rm PCU 图 3 1 阻 容吸收回路 得 33 24 10 24 50 100 10 2 T CIF 2623 11 0 2 101401 96 10 22 Rm ECUJ 由于一个周期晶闸管充放电各一次 因此 33 22 1 96 103 92 10 R EJ 3 3 92 10 0 196 0 02 E PW T 功率选择留 5 6 倍裕量 5 6 5 6 0 1961 1 2PPWW 因此 电阻 R 选择 阻值为 功率选择 1W 的电阻 20 电容 C 选择 容量为的电容 F 20 0 8 3 2 过电流保护设计 过电流保护措施有下面几种 可以根据需要选择其中一种或数种 1 在交流进线中串接电抗器或采用漏抗较大的变压器 这些措施可以限 制短路短路电流 2 在交流侧设置电流检测装置 利用过电压信号去控制触发器 使脉冲 快速后移或对脉冲进行封锁 3 交流侧经电流互感器接入过电流继电器或直流侧接入过电流继电器 可以在发生过电流时动作 断开主电路 4 对于大容量和中等容量的设备以及经常逆变的情况 可以用直流快速 开关进行过载或短路保护 直流开关的应根据下列条件选择 快速开关的额定电流额定整流电流 2l d I N I 快速开关的额定电压 额定整流电压 Kld U N U 快速开关的分断能力直流侧外部短路时稳态短路电流平均电流平均 2fd d I 值 快速开关的动作电流按电动机最大过载电流整定 20d I 2g d I 2g dN IKI 式中 K 为电动机最大过载倍数 一般不大于 2 7 为直流电动机的额定电 N I 流 5 快速熔断器 它可以安装在交流侧或直流侧 在直流侧与元件直接串联 在选择时应注 意以下问题 快熔的额定电压应大于线路正常工作电压的有效值 熔断器的额定电流应大于溶体的额定电流 溶体的额定电流可按下式计算 KN I1 57 TaKNT III 1 三相交流电路的一次侧过电流保护 在本设计中 选用快速熔断器与电流互感器配合进行三相交流电路的一次 侧过电流保护 1 熔断器额定电压选择 其额定电压应大于或等于线路的工作电压 本课题设计中变压器的一次侧的线电压为 380V 熔断器额定电压可选 择 400V 9 2 熔断器额定电流选择 其额定电流应大于或等于电路的工作电流 本课题设计中变压器的一次侧的电流 1 I 22 1 1 140 43 7 16 1 380 U I IA U 熔断器额定电流 1 1 61 6 16 125 76 FU IIA 因此 如右图在三相交流电路变压器的一次侧的每一相上串上一个熔断器 按 本课题的设计要求熔断器的额定电压可选 400V 额定电流选 25A 图 3 2 2 晶闸管过电流保护 晶闸管不仅有过电压保护 还需要过电流保护 由于半导体器件体积小 热容 量小 特别像晶闸管这类高电压 大电流的功率器件 结温必须受到严格的控 制 否则将遭至彻底损坏 当晶闸管中流过的大于额定值的电流时 热量来不 及散发 使得结温迅速升高 最终将导致结层被烧坏 晶闸管过电流保护方法 中最常用的是快速熔断器 快速熔断器由银质熔丝埋于石英砂内 熔断时间极 短 可以用来保护晶闸管 10 3 3 驱动电路的设计 晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲 保证晶闸管在学要 的时刻由阻断转为导通 晶闸管触发电路往往包括触发时刻进行控制相位控制 电路 触发脉冲的放大和输出环节 触发脉冲的放大和输出环节中 晶闸管触 发电路应满足下列要求 1 触发脉冲的宽度应保证晶闸管可靠导通 三相全控桥式电路应采用宽 于 60 或采用相隔 60 的双窄脉冲 2 触发脉冲应有足够的幅度 对户外寒冷场合 脉冲电流的幅度应增大为 器件最大触发电流 3 5 倍 脉冲前沿的陡度也需增加 一般需达 1 2A us 3 所提供的触发脉冲应不超过晶闸管门极的电压 电流和功率定额 且 在门极的伏安特性的可靠触发区域之内 4 应有良好的抗干扰性能 温度稳定性及与主电路的电气隔离 在本设计中最主要的是第 1 2 条 理想的触发脉冲电流波形如图 3 3 图 3 3 理想的晶闸管触发脉冲电流波形 脉冲前沿上升时间 12 tt1 s 强脉冲宽度 强脉冲幅值 13 tt M I3 5 GTGT II 脉冲宽度 脉冲平顶幅值 14 ttI1 5 2 GTGT II 常用的晶闸管触发电路如图 3 4 它由 V1 V2构成的脉冲放大环节和脉冲 变压器 TM 及附属电路构成的脉冲输出环节两部分组成 当 V1 V2导通时 通过 脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出出发脉冲 VD1和 R3是为了 V1 V2 由导通变为直截时脉冲变压器 TM 释放其储存的能量而设的 为了获得触发脉冲 波形中的强脉冲部分 还需适当附加其它的电路环节 11 123456 A B C D 654321 D C B A Title Num berRevisionSize B Date 17 M ay 2008Sheet of File F protel99 yll M yDesign1 ddbDrawn By R2 R4 R3 R1 TM VD1 VD2 VD3 V1 V2 E1 E2 图 3 4 触发电路 3 4 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 6 1 所示 图 3 5 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 5 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 6 为双闭环调速系统的稳态结构图 图 3 7 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 12 图 3 6 双闭环调速系统稳态结构图 图 3 7 双闭环调速系统动态结构图 3 5电流环与转速环的设计 在设计双闭环调速系统时 一般是先内环后外环 调节器的结构和参数取 决于稳态精度和动态校正的要求 双闭环调速系统动态校正的设计与调试都是 按先内环后外环的顺序进行 在动态过程中可以认为外环对内环几乎无影响 而内环则是外环的一个组成环节 3 由于典型 型系统的跟随性能由于典型 型系统 而典型 型系统的抗扰性能优于典型 型系统 因此一般来说 从快 速启动系统的要求出发 可按典型 型系统设计电流环 由于要求转速无静差 转速环应按典型 型系统设计 工程设计法是建立在频率特性理论基础上的 只需将典型 系统和典型 系统的开环频率特性作为调速系统仅有的两种预期 特性 13 3 6 电流调节器的设计 1 确定时间常数 1 整流装置滞后时间常数 Ts 则 三相桥式电路的平均失控时间 Ts 0 0017s 2 电流滤波时间常数 Toi 三相桥式电路的每个波头的时间是 3 3ms 为 了基本滤平波头 应有 1 2 Toi 3 3ms 因此取 Toi 2ms 0 002s 3 电流环小时间常数之和 按小时间常数近似处理 取 i T Ts Toi 0 0037s i T 2 选择电流调节器的结构 由于设计要求无静差 转速调节器必须含有积分环节 又根据动态要求 应按典型 II 型系统设计调速环 故 ASR 选用 PI 调节器 其传递函数为 1 ii ACR s i Ks W s 式中 电流调节器的比例系数 i K 电流调节器的超前时间常数 i 3 7 转速调节器的设计 1 确定时间常数 1 电流环等效时间常数 1 KI 由前述已知 则0 5 Ii K T 1 22 0 00370 0074 i I Tss K 2 转速滤波时间常数 根据所用测速发电机纹波情况 取 on T 0 01s on T 3 转速环小时间常数 按小时间常数近似处理 取 n T 1 0 00740 010 0174 non I TTsss K 2 选择转速调节器结构 按照设计要求 选用 PI 调节器 其传递函数式为 14 1 nn ASR n Ks Ws s 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 h 5 0 0174s 0 087s nn T 则转速环开环增益 K 22 2222 16 396 4 22 50 0174 N n h ss h T 可得 ASR 的比例系数为 Kn h 1 CeTm 2h R 34 92 n T 式中 电动势常数 Ce Un InRn Nn 220 6 5 3 7 1500 0 131 转速反馈系数 0 007Vmin r 我们取 R0为 40K 则 RN KNRO 34 92 40K 1396 8K Cn Rn 0 087 1396 8k 0 06uf i Con 4Ton R0 4 0 01 40K 1uf 3 8 Matlab 的 Simulink 来对系统进行模拟仿真 15 图 3 8 16 第四章第四章 结论体会结论体会 本论文是在老师的精心指导下完成的 从论文的选题 开题到论文的完成 都倾