双闭环系统的最佳工程设计.doc

双闭环系统的最佳工程设计目 录第1章 课程设计任务书1 1.1 系统性能指标1 1.2 设计内容1 1.3 应完成的技术文件1第2章 课程设计说明书2 2.1 综述2 2.2整流主电路2 2.3触发电路的选择和同步3 2.3.1概述3 2.3.2 TC787的基本原理3 2.3.3 触发电路的设计4 2.4双闭环控制电路的工作原理5第3章 设计计算书7 3.1 整流装置的计算7 3.1.1变压器副方电压7 3.1.2变压器和晶闸管的容量7 3.1.3平波电抗器的电感量8 3.1.4晶闸管保护电路9 3.2 控制电路的计算10 3.2.1已知参数10 3.2.2固有参数的设计计算10 3.2.3 预选参数11 3.2.4最佳典型I型电流环的计算11 3.2.5最佳典型II型速度环的计算13 3.3系统性能指标的分析计算14 3.3.1静态指标的计算14 3.3.2动态跟随指标的计算15 3.3.3动态抗扰动指标的计算15 3.3.4稳定性指标的分析16第4章 附图与附表17 4.1 系统基本原理图17 4.2 静态结构图18 4.3动态结构图和相应的动态结构参数图19 4.4系统参数表20 4.5元件明细表25参考资料26个人小结27第1章 课程设计任务书1.1 系统性能指标1.调速范围D102.静差率s5%3.电流超调量i5%4.空载起动到额定转速的超调量n15% 调整时间ts1s5.当负载变化20%的额定值、电网电压波动10%额定值时 最大动态速降nmax/Nn10% 动态恢复时间 tV0.3s 1.2 设计内容1.设计系统原理图2计算调节器参数及其它参数3编写课程设计说明书1.3 应完成的技术文件1设计说明书2设计计算书3系统原理图4电气元件明细表26第2章 课程设计说明书2.1 综述 运动控制系统也可称作电力拖动自动控制系统运动控制系统的任务是通过对电动机电压、电流、频率等输入量的控制，来改变电动机的转矩、速度、位移等机械量，使其拖动的机械按照人们期望的要求运行，以满足工业现场的要求。随着工业的发展，对于运动控制的要求也越来越高，在这种背景下，运动控制系统日趋复杂，逐渐成为一个跨多学科的综合性技术。运动控制系统主要用到以下学科的知识。关键词：双闭环系统 最佳 电流环 速度2.2 整流主电路 整流电路是电力电子电路中出现最早的一种，它的作用是将交流电能变为直流电能供给直流用电设备。整流电路应用十分广泛，直流电机就是其中一种十分常见的负载。 整流电路可从很多角度进行分类，主要分类方法是：按组成的器件可分为不可控、半控和全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数分可分为单相、双相、三相和多相电路；按控制方法又可分为相控整流和斩波控制整流电路。 本系统采用的是三相全控桥式晶闸管相控整流电路。这是因为电机容量相对较大，并且要求直流脉动小、容易滤波。其交流侧由三相电网直接供电，直流侧输出脉动很小的直流电。在分析时把直流电机当成阻感性加反电势负载。因为电机电流连续所以分析方法与阻感性负载相同，各参量计算公式亦相同。 现简述其工作原理：习惯将其中阴极连在一起的三个晶闸管（VT1，VT3，VT5)称为共阴极组；阳极连接在一起的三个晶闸管（VT4，VT2,VT6)称为共阳极组。此外习惯上希望晶闸管按从1到6的顺序依次导通。 三相桥式全控可看成两个半波电路的串联，输出电压是共阳极组和共阴极组的叠加。当0时，其实就相当于三相桥式不控整流电路。在电动机负载是，为了保持电流连续通常在电枢回路串入大电感。因此主回路电流可认为是平直的。随着控制角的增大输出电压将会减小。图2.1 三相桥式整流电路主电路2.3触发电路的选择和同步2.3.1概述TC787是采用独有的先进IC工艺技术，并参照最新集成移相触发集成电路而设计的单片集成电路，他可单电源工作，亦可双电源工作，主要适用于三相晶闸管移相触发和三相功率晶体管脉宽调制电路，以构成多种交流调速和交流装置，他们是目前国内市场上广泛流行的TCA785及KJ（或KC）系列移相触发集成电路的换代产品，与TCA785及KJ（或KC）系列集成电路相比，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，而且装调简便、使用可靠，只需一个这样的集成电路，就可完成3只TCA785与1只KJ041、1只KJ042或5只KJ（3只KJ004，1只KJ041，1个KJ042）（或KC）系列器件组合才能具有的三相移相功能，因此，TC787可广泛应用于三相半控、三相全控、三相过零等电力电子、机电一体化产品的移相触发系统，从而取代TCA785，KJ004，KJ009，KJ041，KJ042等同类电路，为提高整机寿命，缩小体积，降低成本提供了一种新的、更加有效的途径，为了让学生了解新技术，我们在设计三相全控桥式整流电路实验装置时触发电路采用了TCT787。 2.3.2 TC787的基本原理TC787的内部集成有3个过零和极性检测单元，3个锯齿波形成单元，3个比较器，1个脉冲发生器，1个抗干扰锁定电路、1个脉冲形成电路，1个脉冲分配及驱动电路。 它们的工作原理可简述为：经滤波后的三相同步电压通过过零和极性检测单元检测出零点和极性后，作为内部3个恒流源的控制信号，3个恒流源输出的恒值电流给3个等值电容Ca，Cb，Cc恒流充电，形成良好的等斜率锯齿波，锯齿波形成单元输出的锯齿波与移相控制电压Vr比较后取得交相点，该交相点经集成电路内部的抗干扰锁定电路锁定，保证交相唯一而稳定，使交相点以后的锯齿波或移相电压的波动不影响输出，该交相信号与脉冲发生器输出的脉冲信号经脉冲形成电路处理后变为与三相输入同步信号相位对应且与移相电压大小适应的脉冲信号送到脉冲分配及驱动电路。假设系统未发生过电流、过电压或其他非正常情况，则引脚5禁止端的信号无效，此时脉冲分配电路根据用户在引脚6设定的状态完成双脉冲（引脚6为高电平）或单脉冲（引脚6为低电平）的分配功能，并经输出驱动电路功率放大后输出，一旦系统发生过电流、过电压或其他非正常情况，则引脚5禁止信号有效，脉冲分配和驱动电路内部的逻辑电路动作，封锁脉冲输出，确保集成电路的6个引脚12，11，10，9，8，7输出全为低电平。2.3.3 触发电路的设计由TC787构成的三相六脉冲触发电路如图2.1所示。380V三相交流电经过同步变压器变压为30V的同步信号a1，b1，c1后，经过电位器RP1，RP2，RP3及RCT型网络滤波接入到TC787的同步电压输入端，通过调节RP1，RP2，RP3可微调各相电压的相位，以保证同步信号与主电路的匹配。Ca，Cb，Cc为积分电容，TC787芯片的锯齿波的线性、幅度由Ca、Cb、Cc电容决定，因此，为了保证锯齿波有良好的线性及三相锯齿波斜率的一致性，选择Ca、Cb、Cc时要求其3个电容值的相对误差要非常小，以产生的锯齿波线性好、幅度大且不平顶为宜。Ca、Cb、Cc为电容量的参考值为0.15F。连接在13脚的电容Cx决定输出脉冲的宽度，Cx越大，脉冲越宽，可得到0度-80度范围的方波，不过脉冲太宽会增大驱动级的损耗。Cx参考值为3300F-0.1F。调节RP可以使输入4脚的电压0-12V之间连续变化，从而使输出脉冲在0-180度之间变化，7-12脚的输出端有大于25mA的输出能力，采用6只驱动管扩展电流，经脉冲变压器隔离后将脉冲接到晶闸管的控制极（g）和阴极（k）之间，以触发晶闸管。图2.1 触发电路2.4双闭环控制电路的工作原理首先是对双闭环控制电路的稳态工作原理的分析，可以根据系统的稳态结构框图来分析，分析稳态工作原理的关键是要了解PI调节器的稳态特征，一般都会存在着两种状况：饱和输出达到限幅值，不饱和输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，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。当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压在稳态时总为零。在实际的正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，只有转速调节器饱和和不饱和两种情况。当转速调节器不饱和时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。而当转速调节器饱和时，ASR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。双闭环系统变成一个电流无静差的单电流闭环调节系统。在稳态工作点上，转速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转速和负载电流。PI调节器的输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。当负载电流达到Idm时，对应于转速调节器的饱和输出，这时，电流调节器起主要调节作用，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。这样的静特性比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好。接着是对其起动过程的分析，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I、II、III三个阶段。第I阶段（电流上升阶段）。突加给定电压后，经过两个调节器的跟随作用， UC、Ud0、Id都跟着上升，但是在Id没有达到负载电流IdL以前，电动机还不能转动。当IdIdL后，电动机开始起动。由于机电惯性的作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压仍较大，其输出电压保持限幅值，强迫电枢电流迅速上升。直到电流调节器很快就压制了Id的增长，标志着这一阶段的结束。第II阶段（恒流升速阶段）。这是起动过程中的主要阶段。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，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，Ud0和UC也必须基本上按线性增长，才能保持Id恒定。第III阶段（转速调节阶段）。当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减小到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在加速，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，Ui*和Id很快下降。但是，只要Id仍大于负载电流IdL，转速就继续上升。直到Id =IdL时，转矩Te =TL，则dn/dt =0,转速n才到达峰值。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，当Id IdL时，直到稳定。 综上所述，双闭环直流调速系统的起动过程有以下三个特点：（1）饱和非线性控制（2）转速超调（3）准时间最优控制。最后是对其动态抗扰性能的分析，对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性能。负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。就静特性而言，系统对它们的抗扰效果是一样的。但从动态性能上看，由于扰动作用点不同，存在着能否及时调节的差别。负载扰动能够比较快地反映到被调量n上，从而得到调节，而电网电压扰动的作用电力被调量稍远，调节作用受到延滞，因此单闭环调速系统抑制电压扰动的性能要差一点。 综上所述，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰动性能大有改善。因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。第3章 设计计算书3.1 整流装置的计算3.1.1变压器副方电压为了减小电网与整流装置的相互干扰,使整流主电路与电网隔离,为此需要配置整流装置。但由于电网电压波动、管子本身的压降以及整流变压器等效内阻造成的压降等。所以设计时应按下式计算: 式中：为负载的额定电压，取220V为整流元件的正向导通压降，取1Vn为电流回路所经过的整流元件的个数，桥式电路取2A为理想情况下时，取2.34B为实际电压与理想空载电压比，取0.93为最小移相角，取C为线路接线方式系数，取0.5为变压器阻抗电压比，取0.05为二次侧允许出现的最大电流与额定电流之比，取0.816所以将数据代入3.1.2变压器和晶闸管的容量(1)变压器容量 理想条件下变压器二次容量为(2) 晶闸管容量 晶闸管额定电压应选等于元件实际承受最大峰值电压的(23)倍 考虑3倍的过压容量,取 晶闸管额定电流:有效值平均值 考虑(1.52)的过流裕量,取3.1.3平波电抗器的电感量为了使负载电流得到平滑的直流,通常在整流输出端串入带有气隙铁心的电抗器。电流连续时:式中: 所以：电流断续时: 其中给定的允许电流脉动系数,三相整流电路中,取。所以：平波电抗器电感：平波电抗器电阻为：=3.1.4晶闸管保护电路(1)晶闸管关断过电压保护为了避免晶闸管两端在关断过程中出现瞬时反向过电压尖峰波形,最常用的保护方式是在晶闸管两端并接RC吸收元件。选择根据查表得：电阻， 电容，电阻功率（2）交流侧过电压保护为了避免接通、断开交流侧电源时出现暂态过程而引起的过电压，故采用阻容吸收电路。电容：电阻： 电阻功率：(3)直流侧过电压保护 直流侧由于是电感性负载,故在某种情况下,会发生浪涌过电压.如电压过高的话,有可能会造成晶闸管硬开通而损坏。为避免它，故在直流负载两端并接压敏电阻来保护。选择根据标准电压和通流容量通过查表可得出：通流容量选择。 故查表得压敏电阻型号规格为。（4）过电流保护造成晶闸管过电流的主要原因是：电网电压波动太大、电动机轴上拖动的负载超过允许值、电路中管子误导通以及管子击穿短路等。为了避免这些影响，通常采取快速熔断器来起到过电流的保护作用。快速熔断器接法有三种，本设计采用接入桥臂与晶闸管串联的方法。选择根据的计算公式来进行选择，本设计中，所以查表得型号为。(5) 电压上升率和电流上升率避免晶闸管由于正向电压上升率过大,而引起的晶闸管误导通,造成快熔或晶闸管烧坏。通常限制措施是在每一个晶闸管桥臂中串接一个空芯小电感（电感量约为2030H）。本设计选择。（6）选择触发电路主电路变压器选择的联结组别。同步变压器一组选择、另一组选择的联结组别。3.2 控制电路的计算3.2.1已知参数（1）直流电动机（2）晶闸管整流电源电源电阻为： 放大倍数为：时间常数： 3.2.2固有参数的设计计算给定电压最大值：调节器限幅电压 ：参数计算如下：电动机电磁时间常数： 电动机电势常数 ：电动机转矩常数： 电动机机电时间常数：转速惯量：3.2.3 预选参数（1） 调节器输入阻抗 （2） 电流反馈系数 （3） 转速反馈系数 （4） 电流反馈滤波时间常数 （5） 转速反馈滤波时间常数 （6） 电流给定滤波时间常数 （7） 转速给定滤波时间常数 3.2.4最佳典型I型电流环的计算（1）简化系统并确定时间常数：略去反电势对电流变化的影响。合并小惯性环节，包括晶闸管延迟和反馈滤波环节。电流环小时间常数之和为： （2）求出固有部分的传递函数，画出简化后的电流环结构图固有部分的传递函数为：简化后的电流环结构图3.1所示为 图 3.1 电流环结构：（3）选择电流调节器结构根据设计要求，并保证稳态电流无差，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，其传递函数为：检查对电源电压的抗扰性能： 参照表后各项指标都是可接受的。（4）计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：电流环开环增益：要求时，应取，因此,ACR的比例系数为:（5）检验近似条件电流环截止频率：晶闸管整流装置传递函数的近似条件:,满足近似条件忽略反电势变化对电流环动态影响的条件:,满足近似条件。电流环小时间常数近似处理条件:,满足近似条件。（6）计算调节器电阻和电容运算放大器，各电阻和电容值为:，,取。，取。3.2.5最佳典型II型速度环的计算(1)确定时间常数(A)电流环等效时间常数：(B)转速环最小时间常数:(2)选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为: (3)计算转速调节器参数按跟随和抗扰动性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为: 转速开环增益为: ASR的比例系数为:(4)检验近似条件转速截止频率:电流环传递函数简化条件为:，满足近似条件。转速环最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运算放大器，各电阻和电容值为：，取。3.3系统性能指标的分析计算3.3.1静态指标的计算（A）典型I型系统 给定阶跃输入： （B）典型II型系统 给定阶跃输入： 扰动阶跃输入： 3.3.2动态跟随指标的计算（1）电流环可以达到的动态跟随性能指标为：（2）空载起动到额定转速的最大超调量 ,在饱和非线性下,以ASR“退饱和超调”符合系统实际。3.3.3动态抗扰动指标的计算(1)负载变化20%额定负载时(2)电网电压波动10%额定值时（A）电流环（B）速度环3.3.4稳定性指标的分析（A）电流环的稳定性由附图中博德图可以看到，当其幅频特性曲线过0 时，既其转折点所对应相频率特性曲线的点在-180之上，并且仍有一定余量，充分说明该环节稳定。（B）转速环的稳定性由附图中博德图可以看到，当其幅频特性曲线过0 时，既其转折点所对应相频率特性曲线的点在-180之上，并且仍有一定余量，充分说明该环节稳定。第4章 附图与附表4.1 系统基本原理图图4.1 双闭环直流调速系统电路原理4.2 静态结构图图4.2 双闭环直流调速系统的稳态结4.3动态结构图和相应的动态结构参数图图4.3 双闭环调速系统的动态结构图4.4系统参数表附表1： 已知参数表表4.1已知参数表参数名称数据量电源电阻（）0.213放大倍数40时间常数（s）0.00167附表2：固有参数表表4.2固有参数参数名称数据量给定电压最大值（V）8调节器限幅电压（V）8电动机电磁时间常数（s）0.028电枢回路总电阻（）2.773总电感（mH）78.188电动机电势常数0.1301电动机转矩常数1.2426电动机机电时间常数（s）0.0503转速惯量0.00293附表3：预选参数表表4.3预选参数表参数名称数据量调节器输入阻抗20电流反馈系数0.29转速反馈系数0.0067电流反馈滤波时间常数1转速反馈滤波时间常数5电流给定滤波时间常数1转速给定滤波时间常数5附表4：电动机参数表表4.4电动机参数表参数名称数据量电动机额定功率3电动机额定电压220电动机额定电流17电动机额定转速1500电动机电枢电阻1.46电动机电感量20电动机飞轮惯量1.1附表5：整流装置参数表表4.5整流装置参数表 参数名称数据量变压器副方电压106.3变压器容量262.2晶闸管额定电压300.6晶闸管额定电流6.3平波电抗器电感57.546平波电抗器电阻0.1电压上升率和电流上升率20附表6：调节器参数表表4.6调节器参数表参数名称数据量电流环小时间常数0.00267电流调节器超前时间常数：0.028电流环开环增益187.27电流环的比例系数1.25电流环截止频率187.27电流调节器电阻25电流调节器电容1.2转速环小时间常数0.01034转速环的超前时间常数为0.0517转速开环增益1122转速环的比例系数6.02转速环截止频率58.03转速调节器电阻120.3转速调节器电容0.4附表7：性能指标参数表表4.7 性能指标参数表参数表数据量典型I型系统稳态静差0典型II型系统稳态静差0电流环超调量2.47电流环上升时间0.0125电流环调节时间0.01602转速环超调量12.1转速环上升时间0.03转速环调节时间0.1负载变化20%额定负载时转速环18.75负载变化20%额定负载时转速环12.1负载变化20%额定负载时转速环恢复时间0.09电网电压波动10%额定值时电流环4.7电网电压波动10%额定值时电流环2.47电网电压波动10%额定值时电流环恢复时间0.06电网电压波动10%额定值时转速环4.82电网电压波动10%额定值时转速环12.1电网电压波动10%额定值时转速环恢复时间0.094.5元件明细表表4.8元件明细表序号文字符号名称规格型号数量备注1TC变压器BK-1501主电路2TR同步变压器BK-502触发电路3VT晶闸管KP20-2006主电路整流4VD功率二极管ZP10-2006电流检测整流5KC05移相触发器KC0516VD二极管2CP124保护运算放大器7VS稳压二极管2CW544限幅8Ld平波电抗器57.546mH19U压敏电阻MY31-440/0.51直流侧过电压保护10FU熔断器RL1B-60/40,380V3主电路保护11FU1快速熔断器RLS-506过电流保护12QS刀开关HK2-30/3,380V1主电路保护13KM接触器CJ20-40,380V1线圈额定电压380V14TA电流互感器LQK-0.38-30/51电流检测15TG测速发电机1转速检测16M直流电动机117电阻1006关断过电压保护1815K3交流侧过电压保护19Ro20K2滤波电阻20Ri25K1电流环电阻21Rn120.3K1转速环电阻22电容0.1F6关断过电压保护230.041F3交流侧过电压保护24Ci1.2F1电流环电容25Coi0.2F1电流环滤波电容26Cn0.4F1转速环电容27Con1F1转速环滤波电容28Ls电感20H1空芯小电感参考资料1 陈伯时主编，电力拖动自动控制系统运动控制系统，北京：机械工业出版社，第3版，2010.2 马国伟、叶平主编，无刷直流电动机的双闭环调速系统设计，机电产品开发与创，新.2004.3 王果、朱大鹏主编，直流电机双闭环调速系统的工程设计方法仿真，电机技术，2005.4 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