转速负反馈直流调速系统设计.doc

武汉理工大学电力拖动自动控制系统课程设计说明书转速负反馈直流调速系统设计1 设计条件及要求1.1初始条件：直流电动机:, , , , 电枢回路总电阻: 飞轮惯量：单相桥式整流：其他参数：要求达到的性能指标:, 单相供电，采用电势反馈的晶闸管直流调速系统1.2要求完成的主要任务: 1 系统原理图设计；2 调节器设计与调节；3 电路，控制电路，保护电路设计；4 统稳态图，动态图绘制； 5 电路选择计算，校验；2 原理阐述2.1转速闭环控制系统反馈控制系统的规律是：一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都唯命是从。根据本设计要求，设计的系统为转速负反馈单闭环直流调速系统，其中转速为负反馈量。转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有三个基本特征。一、只用比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍是有静差的。二、反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定。三、系统的精度依赖于给定和反馈检测精度。其原理图如下：图2-1 转速负反馈单闭环直流调速系统原理图在电动机同轴安装一台测速发电机，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压，与给定电压相比较后，得到转速偏转电压，经过放大器，产生电力电子变换器所需的控制电压，用以控制电动机的转速，这就组成了反馈控制的闭环直流调速系统。3参数计算3.1转速环参数的计算为了满足调速系统的稳态性能指标，静差率，调速范围,可以求得额定负载时的稳态速降应为：根据设计题目所给的参数，可以算出电动势系数：开环系统额定速降为：闭环调速系统的开环放大系数为：转速反馈系数：再计算运算放大器的放大系数：根据调速指标和要求，前面已经求出闭环调速系统的开环放大系数应为，则运算放大器的放大系数应该是实取 。3.2平波电抗器参数计算平波电抗器的参数就是对应的电感的大小。对于直流电动机负载的可控整流电路，为了使晶闸管整流供电的直流电动机即使在最轻负载下()，也能工作在电流连续段机械特性的直线上，对于单相桥式全控整流电路，要求电枢回路的临界电感量为：其中，为最小负载时对应的最小电流，一般取电动机额定电流的10，所以可以计算出： 3.3稳定性判断已知，故系统中各环节的时间常数：电磁时间常数：机电时间常数：对于单相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为根据系统闭环传函特征方程应用三阶系统的劳斯-赫尔维茨判据，系统稳定的充分必要条件是 代入整理得：所以：式子的右边称作系统的临界放大系数，单开环放大系数大于临界放大系数时，系统将不稳定。带入各时间常数可得，稳定条件是按稳态调速性能指标要求，即按照稳态调速指标设计的闭环系统是此闭环系统是不稳定的，需引入校正环节来使系统能在稳态性能要求下稳定运行。4 调节器的设计4.1调节器的设计在设计闭环调速系统时，常常会遇到动态稳定性与稳态性能指标发生矛盾的情况，这时，必须设计合适的动态校正装置，用来改造系统，使它同时满足动态稳定性和稳态性能指标两方面的要求。动态校正方法有很多种，而且对于一个系统来说，能够符合要求的校正方案也不是唯一的。在电力拖动自动控制系统中，最常用的是串联校正和反馈校正，其中串联校正比较简单，也容易实现。对于带电力电子变换器的直流闭环系统，由于其传递函数的阶次较低，一般采用PID调节器的串联校正方案就可以完成动态校正的任务。在设计校正装置时，主要的研究工具是伯德图，即开环对数频率特性的渐近线，利用它可以确切地提供稳定性和稳定裕度的信息，而且还能大致衡量闭环系统稳态和动态的性能。保留适当的稳定裕度，是考虑到实际系统各环节参数发生变化时不致使系统失去稳定。在一般情况下，稳定裕度也能间接反映系统动态过程的平衡性。稳定裕度大，意味着动态过程震荡弱，超调小。在定性地分析闭环系统性能时，通常从伯德图的高，中，低三个频段的特征可以判断系统的性能，这些特征包括以下四个方面：（1）中频段以的斜率穿越线，而且这一斜率能覆盖足够的频带宽度，则系统的稳定性好。（2）截止频率c越高，则系统的快速线越好。（3）低频段的斜率陡，增益高，说明系统的稳态精度高。（4）高频段衰减越快，则高频特性负分贝值越低，这就说明系统抗高频噪声干扰的能力越强。这四个方面是互相矛盾的，应根据实际需要，灵活的选取所需要的条件。对稳态精度要求很高时，常需要放大系数大，却可能使系统不稳定；加上校正装置后，系统稳定了，又可能使牺牲快速性；提高截止频率可以姜块系统的响应，又容易引入高频干扰。设计时往往须用多种手段，反复凑试。具体设计时，首先进行总体设计，选择基本部件，按稳态性能指标计算参数，形成基本的闭环调速系统。如果闭环调速系统不稳定或者动态性能不好，就必须配置合适的动态校正装置，使校正后的系统全面满足所要求的性能指标。4.2调节器的选择为了满足系统要求的静特性良好的要求，需要选择合适的调节器。采用比例放大器控制的直流调速系统，可使系统稳定，并有一定的稳定裕度，同时还能满足一定的稳态精度指标。但是，带比例放大器的反馈控制闭环调速系统是有静差的调速系统。采用积分调节器，当转速在稳态时达到与给定转速一致，系统仍有控制信号，保持系统稳定运行，实现无静差调速。 而比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。图4-1 比例积分（PI）调节器线路图上图中的PI调节器原理图上可以看出，突加输入信号时，由于电容两端电压不能突变，相当于两端瞬间短路，在运算放大器反馈回路中只剩下电阻，等效于一个放大系数为的比例调节器，在输出端立即呈现电压，实现快速控制，发挥了比例控制的长处。此后，随着电容被充电，输出电压开始积分，其数值不断增长，直到稳态。稳态时，两端电压等于，已不起作用，又和积分调节器一样了，这时又能发挥积分控制的优点，实现了稳态无静差。由此可见，比例积分控制综合了比例和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态误差。4.3 调节器的计算已知系统为不稳定的。设计PI调节器，使系统能在保证稳定性能要求下稳定运行。原始系统的开环传递函数为又，因此分母中的二次项可以分解为两个一次项之积。即又闭环系统的开环放大系数取为于是，原始闭环系统的开环传递函数为三个转折频率为 将未校正前系统放入MATLAB中，利用MATLAB进行辅助分析可以看到其Bode图如下所示：图4-2 原系统Bode图可以发现这是典型I型系统, 且不稳定,其相位裕度和增益裕度都是负值。此类型控制对象的标准式为： ，且 把控制对象与典型I型系统的标准式进行比较，此时，满足条件，故可设计调节器为 ，参数配合令，。校正后系统的开环传递函数变成，可得又原始系统的开环放大倍数为，可得，故可以计算出调节器的传递函数为：5系统控制结构图的绘制5.1 系统稳态图根据原理图，可以得到如下的系统稳态图。图5-1 系统稳态图-1代入初始条件，可以得到下图。图5-2 系统稳态图-25.2 系统动态图 根据各个环节的传递函数，可以画出系统的动态图图5-3 系统动态图-1代入已知条件及计算结果，可以得到下图图5-4 系统动态图-26 电路设计6.1 触发电路的设计6.1.1 触发电路的选择晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在需要的时刻由阻断转为导通。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，对感性和反电动势负载的变流器 应采用宽脉冲或脉冲列触发，对变流器的起动、双星形带平衡电抗器电路的触发脉冲应宽于30o，三相全控桥式电路应采用宽于60o或采用相隔60o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的倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达。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。晶闸管可控整流电路就是通过控制触发角的大小，即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小，晶闸管的导通控制信号由触发电路提供，触发电路的类型按组成器件分为：单结晶体管触发电路、晶体管触发电路、集成触发电路和计算机数字触发电路等。其中集成触发器的可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便，连线简单，故在此设计中使用集成触发器KJ004。6.1.2 KJ004的介绍KJ004是一种双列直插式集成电路，适用于单相、三相全控桥式晶闸管电力电子设备中作晶闸管的双路脉冲触发，应用广泛，KJ004的基本设计特点有： 1）KJ004能够输出相位互差180的移相脉冲，可以方便的构成全桥式晶闸管触发器线路，刚好满足设计要求；2）KJ004负载能力大，移相范围好，正负半周脉冲相位均衡性好； 3）KJ004移相范围宽，对同步电压要求低，有脉冲列调制输出端等功能与特点。KJ004内部结构见图2所示，由图可见，该电路是由同步监测电路、锯齿波形成电路、偏移电路、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路组成。其工作原理：锯齿波的斜率决定于外接电阻R6、RP1流出的充电电流和积分电容C1的取值，对于不同的偏移相位控制电压Vk，只要改变权电阻R1、R2的比例，调节相应的偏移电压VP，同时调节整个锯齿波斜率电位器RP1，便可以在不同的移相控制电压时获得整个移相范围内的移相，KJ004触发电路为正极性，即移相电压增大，导通角增大。图6-1 KJ004内部结构6.1.3 触发电路图图6-2 触发电路6.2 保护电路的设计在电路中，除了选择合适的元件参数，良好的触发电路之外，对元件采用适当的保护也是必要的。晶闸管一旦过流，温度将迅速上升而烧坏；反向电压一旦超过限度，反向击穿后，反向漏电流也会急剧增大，导致烧坏。我们为了解决反馈闭环调速系统起动和堵转时电流过大的问题，系统必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。那么，引入电流负反馈，就应该能保持电流基本不变，使它不超过允许值。但是，这种作用只应在起动和堵转时存在，在正常运行时又得取消，让电流自由地随着负载增减。这种当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈，就是我们系统所需要的。加入电流截至后系统原理图如下所示。图6-3 电流截止转速负反馈单闭环系统图6-4为电流截止负反馈装置原理接线图。图中小阻值电阻Rs串入电动机电枢回路用于取出电流反馈信号。设为临界的截止电流，则当电流大于时，应将电流反馈信号加到放大器的输入端；而当电流小于时，应将电流反馈切断。为此，需引入一个比较电压。图6-4(a)中，是利用独立的直流电源作比较电压，其大小可用电位器调节，相当于调节截止电流。二极管在此起比较的作用，当时，二极管导通，电流负反馈信号即可加到放大器上去；当时，二极管截止，即消失。显然，截止电流。在图6-4(b)中，是利用稳压管的击穿电压U。作为比较电压，线路相对要简单一些，但不能平滑调节截止电流。b) 利用稳压管产生比较电压 UbrM+- UdId RsVSTUi接放大器Ma）利用独立直流电源作比较电压M+- UdId RsVDUi Ucom接放大器M图6-4 电流截止负反馈装置原理接线图在设计实际系统时，应使堵转电流小于电动机的最大允许电流的1.52倍。另一方面，又希望有足够宽的运行范围，截止电流应大于电动机的额定电流。例如取截止电流大于电动机额定电流的1.2倍。这些就是设计电流截止负反馈环节参数的依据。6.3 总电路图7 心得体会两周的课程设计很快的过去了，收获颇多。拿到题目的时候发现是课本上第一章的内容，以为并不困难，但是研究过后才发现书上并没有进行过细深入的讲解，还是要靠自己查找资料，这个过程下来，我也发现自己的很多不足，比如知识理解不够深入，内容掌握的不够牢固，课程之间的联系不能太灵活的察觉。这就给了我在以后的学习和生活中努力前进的方向，并且让我懂得了理论与实际结合的很重要性，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，才能真正意义上学到知识，同时也增强了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，通过查阅其他的书籍和询问老师同学最终找出了解决的办法。虽然遇到了问题，但有问题就能学到更多的东西，解决问题的同时也是一种快乐。享受过程，而不是结果！认真对待每一个实践的机会，珍惜每一分一秒，学到最多的知识和方法，锻炼自己的能力，这个是我们在本次课程设计上所学到的很有用的东西，这在以后也是值得回味的。这两周周的课程设计,有辛