V-M双闭环直流调速系统设计运动控制系统课程设计论文.docx

运动控制系统 课程设计 设 计 题 目 V-M双闭环可逆直流调速系统设计 课程设计成绩评定表学期2017/2018学年第一学期姓名专业电气工程与智能控制班级智控14-1班课程名称 运动控制系统设计题目V-M双闭环可逆直流调速系统设计 成绩 评分项目合格不合格设计表现1.设计态度非常认真认真较认真不认真2.设计纪律严格遵守遵守基本遵守严重违反3.独立工作能力强较强能独立设计完成不能独立设计完成4.上交设计时间提早或按时按时迟交半天迟交一天以上设计说明书5.设计内容设计思路清晰，结构方案良好，设计参数选择正确，条理清楚，内容完整，结果正确设计思路清晰，结构方案合理，设计参数选择正确，条理清楚，内容较完整，极少量错误设计思路较清晰，结构方案基本合理，设计参数选择基本正确，调理清楚，内容基本完整，有少量错误设计思路不清晰，结构方案不合理，关键设计参数选择有错误，调理清楚，内容不完整，有明显错误6.设计书写、字体、排版规范、整洁、有条理，排版很好较规范、整洁、有条理，个别排版有问题基本规范、整洁、有条理，个别排版有问题不规范、不整洁、无条理，排版有问题很大7.封面、目录、参考文献完整较完整基本完整不完整图纸8.绘图效果很出色较出色一般很差9.布局合理、美观较合理基本合理布局混乱10.绘图工程标准符合标准较符合标准基本符合标准完全不符合标准评定说明：课程设计成绩为及格与不及格。最终成绩： 评定教师签字：运动控制系统课程设计任务书一、设计目的：课程设计在于培养学生综合运用运动控制系统知识和理论分析解决实际问题的能力,使学生掌握正确的设计思路,掌握工程设计的一般程序和电力拖动控制系统的控制规律和方法，提升调速系统分析设计的综合素质，支撑人才培养规格中实践能力和创新能力要求的实现。二、设计要求：1、所选控制系统要有应用背景；2、完成所选题目的分析与设计，进行系统总体方案的设计、论证和选择；3、系统单元主电路和控制电路的设计、元器件的选择和参数计算；4、仿真验证系统合理性（可选）；5、课程设计报告的整理工作。三、参考设计内容：1、V-M双闭环可逆直流调速系统设计：自拟控制系统性能指标的要求（调速范围、超调量、动态速降、调节时间、抗扰性能等），设计系统原理图，电流环的设计，转速环设计，完成元器件的选择，计算选择合理调节器参数，并进行仿真验证系统合理性。2、PWM双闭环（或单闭环）直流调速系统设计：自拟控制系统性能指标的要求（调速范围、超调量、动态速降、调节时间、抗扰性能等），设计系统原理图，电流环的设计，转速环设计，完成元器件的选择，计算选择合理调节器参数，并进行仿真验证系统合理性。摘要此设计利用电机、晶闸管、二极管等器件设计了一个转速、电流双闭环不可逆V-M直流调速系统。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；转速调节器；电流调节器目录0 前言01 设计任务及内容1.1设计题目11.2 课程设计目的11.3 设计任务12 主电路选型和闭环系统的组成32.1 主电路的选型32.2 保护电路的设计32.3 闭环系统的组成42.4 闭环调速系统52.4.1 双闭环调速系统电路原理图62.4.2 双闭环直流调速系统的稳态结构图72.4.3 双闭环直流调速系统数学模型73 调速系统参数计算整定93.1 电流调节器参数计算机原理93.1.1确定时间常数93.1.2选择电流调节器结构3.1.3计算电流调节器参数3.1.4校验近似条件3.1.5.计算调节器电阻和电容 3.2.转速调节器的设计及参数计算103.2.1确定时间常数93.2.2选择转速调节器结构103.2.3.计算转速调节器参数113.2.4.校验近似条件3.2.5.计算调节器电阻和电容103.2.6.电流、转速PI调节器原理图113.3.校核转速超调量113.4 校核动态最大速降123.5 双闭环系统调节器的动态设计3.5.1电流环调节器的动态设计123.5.2转速环调节器的动态设计14第4章 驱动控制电路设计174.1 晶闸管的触发电路174.2 脉冲变压器的设计185 Matlab仿真设计205.1.系统仿真框图5.2仿真模型的建立205.3仿真模型的运行225.3.1空载时仿真图形225.3.2满载时仿真波形236总结参考文献290前言在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。双闭环系统中，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。用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求，需要设计者有扎实的理论基础和丰富的实践经验，而初学者则不易掌握，于是有必要建立实用的设计方法。大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低阶系统近似。若事先深入研究低阶典型系统的特性并制成图表，那么将实际系统校正或简化成典型系统的形式再与图表对照，设计过程就简便多了。这样，就有了建立工程设计方法的可能性。 1 设计任务及内容1.1设计题目：某电力拖车V-M双闭环有环流可逆直流调速系统电流调节器及转速调节器的设计1.2.课程设计目的1.选择控制系统的控制方案。2.画出系统控制图并计算有关参数。3.设计电流调节器、转速调节器，选择相关的电路元件。如果采用微机控制，则要求确定算法及软件流程图。1.3设计任务为某电力拖车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。要求：1）.该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机不可逆运行，具有较宽的调速范围（D=10），系统在1s 。4）.系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续。5）.调速系统中设置有过电压、过电工作范围内能稳定工作。2）.系统静特性良好，无静差（静差率s0.2）。3）.动态性能指标：转速超调量n10%，电流超调量i5%，动态速降n8-10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts流等保护，并且有制动措施。数据:晶闸管整流装置：Ks=45。负载电机额定数据：Pn=60KW，Un=220V，In=308A，nN=1000r/min，=1.1。系统主电路：R=0.12，Tl=0.012s, Tm=0.12s 。额定转速时的给定电压V, =8v。时间常数 Toi=0.0025s,Ton=0.015s;电动机电势系数 2 主电路选型和闭环系统的组成2.1主电路的选型V-M双闭环有环流可逆直流调速系统的主回路由两组反并联得到三相全控整流桥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，电枢回路仅串接一个平波电抗器L。两组晶闸管分别由两套触发装置控制，都能灵活地控制电动机的起、制动和升、降速。但是，不允许让两组晶闸管同时处于整流状态，否则将造成电源短路。图2.12.2保护电路的设计（1）过电压保护:通常分为交流侧和直流侧电压保护。前者常采用的保护措施有阻容吸收装置、硒堆吸收装置、金属氧化物压敏电阻。这里采用金属氧化物压敏电阻的过电压保护。（2）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，二次侧采用熔断器串入主电路的方法来保护电路保护原理图3-4如下：图2.22.3.闭环系统的的组成为实现转速和电流两种负反馈分别作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套连接。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。两个调节器均采用带限幅作用的PI调节器。转速调节器ASR的输出限幅电压Uim*决定了电流给定的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压Ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压Udm，图中用带限幅的输出特性表示PI调节器的作用。当调节器饱和时，输出达到限幅值，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。当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其作用是输入偏差电压在稳态时为零。为了实现电流的实时控制和快速跟随，希希望电流调节器不要进入饱和状态，因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和不饱和两种情况。图2.3双闭环直流调速系统的稳态结构图 图2.4 V-M双闭环有环流可逆直流调速系统原理图3 调速系统参数计算及整定3.1电流调节器参数计算及原理3.1.1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=0.0025s。3).电流环小时间常数之和，取=+=0.0042s。3.1.2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。3.1.3.计算电流调节器参数电流调节器超前时间常数：=0.012s。电流环开环增益：要求5%时，应取=0.5，因此=电流反馈系数转速反馈系数于是，ASR的比例系数为 3.1.4.校验近似条件电流环截止频率：1).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。3.1.5.计算调节器电阻和电容按所用运算放大器取，各电阻和电容值为，取10，取2.5 ，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%，满足条件)3.2.转速调节器的设计及参数计算3.2.1.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3.2.2.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：3.2.3.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： 3.2.4.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。 3.2.5.计算调节器电阻和电容由图3-4，取，则，取2850，取0.1，取13.2.6.电流、转速PI调节器原理图含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器原理图如图6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。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。ASR转速调节器ACR电流调节器， TG测速发电机，TA电流互感器，UPE电力电子变换器，Un*转速给定电压，Un转速反馈电压，Ui*电流给定电压，Ui电流反馈电压。3.3 校核转速超调量当h=5时，查表3-2典型型系统阶跃输入跟随性能指标得，不能满足设计要求。实际上，由于表3-2是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。 表3-2 典型II型系统阶跃输入跟随性能指标（按准则确定参数关系）h34567891052.60%43.60%37.60%33.20%29.80%27.20%25.00%23.30%2.42.652.8533.13.23.33.3512.1511.659.5510.4511.312.2513.2514.2k32211111表3-3 典型II型系统动态抗扰性能指标与参数的关系h34567891072.20%77.50%81.20%84.00%86.30%88.10%89.60%90.80%2.452.702.853.003.153.253.303.4013.6010.458.8012.9516.8519.8022.8025.85设理想空载起动时，负载系数，已知In=308A，=1000r/min，=1.1,R=0.12，Ce=0.196，Tm=0.1s, Tn=0.017s。当时，由表3-3查得，而调速系统开环机械特性的额定稳态速降： 式中电机中总电阻R=0.12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Nn=1800r/min根据式（6-24）计算得能满足设计要求。3.4校核动态最大速降 设计指标要求动态最大速降。在实际系统中，可定义为相对于额定转速时的动态速降由， ；查表可知，=81.2%，所以 ； 能满足设计要求3.5 双闭环系统调节器的动态设计 图3.2 双闭环调速系统的动态结构图3.5.1电流环调节器的动态设计图3.33.5.2.转速环调节器的动态设计图3-44驱动控制电路设计4.1 晶闸管的触发电路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35倍，脉冲前沿的陡度也需增加，一般需达12Aus。 （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4.1。 图4.1 理想的晶闸管触发脉冲电流波形-脉冲前沿上升时间（）-强脉冲宽度 -强脉冲幅值（）-脉冲宽度 -脉冲平顶幅值（）晶闸管触发电路类型很多，有分立式、集成式和数字式，分立式相控同步模拟电路相对来说电路比较复杂；数字式触发器可以在单片机上来实现，需要通过编程来实现，本设计不采用。由于集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便，所以本设计采用的是集成触发器，选择目前国内常用的KJ、KC系例，本设计采用KJ004集成块和KJ041集成块。对于三相全控整流或调压电路，要求顺序输出的触发脉冲依次间隔60。本设计采用三相同步绝对式触发方式。根据单相同步信号的上升沿和下降沿，形成两个同步点，分别发出两个相位互差180的触发脉冲。然后由分属三相的此种电路组成脉冲形成单元输出6路脉冲，再经补脉冲形成及分配单元形成补脉冲并按顺序输出6路脉冲。本设计课题是三相全三相全控桥整流电路中有六个晶闸管，触发顺序依次为：VT1VT2VT3VT4VT5VT6，晶闸管必须严格按编号轮流导通，6个触发脉冲相位依次相差60O，可以选用3个KJ004集成块和一个KJ041集成块，即可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，就可以构成三相全控桥整流电路的集成触发电路如图4.2。图4.2 三相全控桥整流电路的集成触发电路4.2 脉冲变压器的设计本方案的双脉冲电路是采用性能价格比优越的、每个触发单元的一个周期内输出两个相隔60的脉冲的电路。如图5.4中两个晶闸管构成一个“或”门。当V5 、V6都导通时，uc5 约为-15V，使截止，没有脉冲输出，但只要中有V5、V6中一个截止就使得变为正电压，使得V7 、V8导通就有脉冲输出。所以只要用适当的信号来控制的V5或V6截止（前后间隔60），就可以产生符合要求的双脉冲了。其中VD4和R17的作用，主要是防止双窄脉冲信号相互干扰。此触发脉冲环节的接线方式为：以VT1器件的触发单元而言，图5.4电路中的Y端应该接VT2器件触发单元的X端，因为VT2器件的第一个脉冲比VT1器件的第一个脉冲滞后60。所以当VT2触发单元的V4由截止变导通时，本身输出一个脉冲，同时使VT1器件触发单元V6的管截止，给VT1器件补送一个脉冲。同理，VT1器件触发单元的X端应接VT6器件触发单元的Y端。依次类推，可以确定六个器件相应触发单元电路的双脉冲环节间的相互接线。图4.3 同步型号为锯齿波的触发电路图4.3中脉冲变压器TP主要用于完成触发脉冲信号的电流放大，解决触发电路与晶闸管控制极电路之间的阻抗匹配，并实现弱电回路（触发回路）和强电回路（晶闸管主电路）之间的电隔离，如图可以得出TP脉冲变压器的一次侧电压U1 强触发电压50V弱触发电压15V。取变压器的变比K=5，脉冲宽度，脉冲变压器的磁铁材料选择DR320。查阅资料可得铁心材料的饱和磁密， 饱和磁场强度 ，剩磁磁密5 Matlab仿真设计5.1.系统仿真框图图5-1为双闭环直流调速系统仿真框图 图5-1 双闭环调速系统的动态结构图 Toi为电流反馈滤波时间常数 Ton为转速反馈滤波时间常数5.2仿真模型的建立 (1)打开模型编辑窗口：通过单击SIMULINK工具栏中新模型的图标或选择FileNewModle菜单项实现。 (2)复制相关模块：双击所需子模块库图标，则可以打开它，以 选中所需的子模块，拖入模型编辑窗口。 (3)修改模块参数：双击模块图案，则出现关于该图案的对话框，通过修改对话框内容来设定模块的参数。 (4)模块连接：以鼠标左键单击起点模块输出端，拖动鼠标至终点模块输入端，则在两模块间产生线。当一个信号要分送到不同模块的多个输入端时，需要绘制分支线，通常可把鼠标移到期望的分支线的起点处，按下鼠标的右键，看到光标变为十字后，拖动鼠标直至分支线的终点处，释放鼠标按钮，就完成了分支线的绘制。5.3仿真模型的运行如图示4-2为仿真模型 图5.3转速环仿真模型5.3.1空载时仿真图形(1)设置负载电流为0A;(2)启动仿真：点击按钮，仿真启动，双击示波器就可以发现仿真结果如下图5.4： 图5.4转速环空载高速起动波形图(1) 观察波形可发现ASR调节器经过了不饱和，饱和，退饱和三个阶段，最终稳定与给定转速。电流最终稳定为0A。5.3.2满载时仿真波形(1)把负载电流设置为308A，满载启动(2)按照前面步骤启动模型，波形得到如图5.5： 图5.5 满载时波形图(2) 根据图形发现启动时间延长了，退饱和超调量减小了。起动过程的三个阶段都能很清楚的看到。电流最后稳定在额定值。6总结通过本次对一个V-M双闭环不可逆直流调速系统课程设计使我对运动控制系统有了进一步的了解与认识。对所学内容有了更深刻的印象，并且进一步认识到工程设计时与实际相联系的重要性，比如在计算元件参数时计算出来的值往往与实际生产参数不符，这就需要根据实际情况对参数进行取舍。另外，做设计时信息十分重要，我运用文件检索工具查阅了大量的相关资料，这对设计大有益处。通过这次课程设计，我不仅在知识上有了进一步的巩固和提高，在求学和研究的心态上也有不小的进步。我想无论是在学习还是在生活上只有自己有心去学习和参与才可能有收获，这也算是这次设计给我的一点小小的感悟。以前一直觉得理论知识