(完整word版)正文V-M双闭环直流可逆调速系统设计

1、武汉理工大学运动控制课程设计说明书1V-M双闭环直流可逆调速系统设计1 设计任务及要求i.i设计任务设计任务：设计V-M双闭环直流可逆调速系统（1）技术数据直流电动机：PN=3KW ,UN=220V,IN=17.5A,nN=1500r/min;Ra=1.25Q堵转电流ldbl=2IN,截止电流ldcr=1.5IN , GD2=3.53N.m2。三相全控整流装置：Ks=40 , Rrec=1.3Q。平波电抗器：RL=0. 3Q。电枢回路总电阻R=2.85Q,总电感L=200ml4电动势系数：(Ce= 0.132V.min/r)滤波时间常数：Toi=0.002s , Ton=0.01s Ucm=1

2、0V,(T i5% ,(T n10。(2)技术指标稳态指标：无静差(静差率s20）。动态指标：转速超调量SnW10%,电流超调量Si5%动态速降 n10%,调速系统的过渡过程时 间（调节时间）ts20）,系统在工作范围内能稳定工作。系统静特性良好，无静差（静差率s10%）。动态性能指标：转速超调量Snv10%,电流超调量Siv5%动态速降nW10%,调速系统的过渡过程时间（调节时间）tsLM-GT2Uc图 i 两组晶闸管可控整流装置反并联可逆线路UUi+IUd1/武汉理工大学运动控制课程设计说明书4图 3 双闭环调速系统结构框图2.2主电路的设计221 主电路电气原理图及其说明主电路采用转速、

3、 电流双闭环调速系统，使电流环(ACR)作为控制系统的内环,转速环(ASR)作为控制系统的外环，以此来提高系统的动态和静态性能。二者串级 连接，即把电流调节器的输出作为转速调节器的输入，再用转速调节器的输出去 控制电力电子变换器UPE从而改变电机的转速。通过电流和转速反馈电路来实现电动机无静差的运行。申浦硼-_ 二图 4 系统电气原理框图0TOnS+1KsTsS+ 11/RTis+1三墾傍二武汉理工大学运动控制课程设计说明书5222 平波电抗器参数的计算:Ud=2.34U2COS :Ud=UN=220V,取：=0 Ud220 x/U2=d94.0171V2.34cos02.34Idmin=(5

4、%-10%)lN,这里取10%贝UU20.693 94.0171uL=0.693237.2308mHa =-223 变压器参数的计算变压器副边电压采用如下公式进行计算：Ud maxnUTI )shI2N J100.0067nN1500一也0.28572IN2 17.5A COSmin CU武汉理工大学运动控制课程设计说明书62.2.4 晶闸管元件参数的计算已知Ud max二220v，取ut =1v, n =2, A =2.34,=0.9,：min =10,Ush0.05I2I2N=1, C = 0.5。可得:220 2 1110V2.34 0.9(0.9848 -0.5 0.05 1)因此变压

5、器的变比近似为：U2K旦二型=3.45U2110一次侧和二次侧电流Ii=1.05X287X0.861/3.45=75AI2=0.8变压器容量的计算:S=mUil1=3X380X75=85.5kVAS2=mU2I2=3X110X247=81.5kVAS=0.5X(S1+S)=0.5X(85.5+81.5)=83.5kVA因此整流变压器的参数为：变比K=3.45，容量S=83.5kVA武汉理工大学运动控制课程设计说明书7晶闸管的额定电压通常选取断态重复峰值电压UDRM和反向重复峰值电压“RM中较小的标值作为该器件的额定电压。晶闸管的额定电流一般选取其通态平均电流 的1.5-2倍。在桥式整流电路中晶

6、闸管两端承受的最大正反向电压均为2U2，晶闸管的额定电压一般选取其最大正反向电压的2-3倍。带反电动势负载时，变压器二次侧电流有效值I2是其输出直流电流有效值Id的一半，而对于桥式整流电路，晶闸管的通态平均电流Ivt = .2 21，则在本设计中晶闸管的额定电流IVT（AV）=523-698A，本设计中晶闸管的额定电压UN=311-466V。2.2.5 保护电路的设计对于过电压保护本设计采用RC过电压抑制电路，该装置置于供电变压器的两侧或者是电力电子电路的直流上，如图5所示。对于过电流保护本设计采用在电力变压器副边每相母线中串接快速熔断器的方法来保护电路。图 5 过压保护电路武汉理工大学运动控

7、制课程设计说明书83 控制及驱动电路设计晶闸管整流电路是通过控制触发角:的大小，即控制触发脉冲的起始相位来控制输出电压的大小。为保证整流电路的正常工作，应确保触发角：-的大小在正确的时刻向电路中的晶闸管施加有效的触发脉冲。为简化设计过程，在本设计中采用集成触发器TC787作为晶闸管触发电路主要元器件。TC787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。只需一片芯片即可完成三相桥式晶闸 管驱动工作。驱动控制原理图如图6所示。图 6 驱动、控制电路原理图武汉理工大学运动控制课程设计说明书94 转速调节器的设计4.1转速环结构框图的化简电流环

8、经简化后可视作转速环中的一个环节，接入转速环内，电流环等效环 节的输入量应为U*(s),因此电流环在转速环中应等效为丄Id(s)Wcii(s)=*ry吒5(s)：丄s 1K,整个转速控制系统的动态结构图便如图 所示和电流环一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信改成U*n( s)/ a，再把时间常数为1 / K和Ton的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中最后转速环结构简图为图8所示。图 8 等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理的转速环结构框图用电流环的等效环节代替电流环后,*U图 7 用等效环节代替电流环的转速环的动态结构图武汉理工大学运动控制课程设

9、计说明书104.2转速环参数的计算武汉理工大学运动控制课程设计说明书114.2.1 确定时间常数(1)电流环等效时间常数1/KI。由电流环参数可知KT刀 i=0.5，则12J = 2 0.0037二0.0074sKITEn。按小时间常数近似处理，取1TnTon二0.0074 0.0仁0.0174sKI4.2.2 选择转速调节器结构为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中，在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，转速环开ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为:Kn(nS 1) nS式中Kn 转速调节器的比例系数;4.2.3 计算转速调节器参数-n

10、转速调节器的超前时间常数。按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型n型系统，这样的系统转速环开环增益为:KNASR的比例系数为:Kn4.2.4 检验近似条件转速环截止频率为=5 0.0174 = 0.087s2 222= 396.4s2h Tn2 50.0174(h 1)GTm2h：RTn6.285713216=10.952 5 0.0067 2.85 0.0174KN二叫(1)电流环传递函数简化条件为1区JQ51 =637s，3下30.0037cnKNn二396.4 0.087二34.5s，KI(2)转速滤波Ton=00

11、1s(3)转速环小时间常数同时也能满足动态抗扰性能好的要求。WASR(s)-武汉理工大学运动控制课程设计说明书12满足近似条件武汉理工大学运动控制课程设计说明书13(2)转速环小时间常数近似处理条件为1K|1 135.13 Ton3；0.01满足近似条件4.2.5 计算调节器电阻和电容根据图9，取R0=40k，则Rn= KnR 10.95 40k二438k14.2.6 校核转速超调量当h=5时，查询典型U型系统阶跃输入跟随性能指标的表格可以看出6 =37.6%，不能满足设计要求。实际上，上述表格是按照线性系统计算的，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

12、新计算超调量。此时超调量为:17.5疋2.85C-n =2( JSCCb能满足设计要求。Z)n*=2 0812 2需豊：49%1=38.7s取440k1；0.087440 103F =O.1977F取0.2F;on4TonR)47.013F40 103取卩F武汉理工大学运动控制课程设计说明书145 电流调节器设计5.1电流环结构框图的化简电流环结构图的简化分为忽略反电动势的动态影响、等效成单位负反馈系统、 小惯性环节的近似处理等环节。在一般情况下， 系统的电磁时间常数T1远小于机电时间常数Tm，因此转速的变化往往比电流变化慢得多， 对电流环来说， 反电动势是一个变化较慢的扰动，在按动态性能设计

13、电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，即:E0这时，电流环如图10所示。图 10 忽略反电动势动态影响的电流环动态结构图如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改 成U* i（s）r，贝皿流环便等效成单位负反馈系统，如图11所示。*图11等效成单位负反馈系统的电流环的动态结构图武汉理工大学运动控制课程设计说明书15最后，由于Ts和Toi一般都比Ti小得多，可以当作小惯性群而近似地看作武汉理工大学运动控制课程设计说明书16是一个惯性环节，其时间常数为Txi=Ts+Toi则电流环结构图最终简化成图8图 8 电流环的简化结构图5.2电流环参数的计算521 确定时间常数

14、(1)整流装置滞后时间常数Ts。按表1,三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s。(2)电流滤波时间常数本设计初始条件已给出，即电流环小时间常数之和TE=Ts+Toi=0.0037s表 1 各种整流装置的失控时间整流电路形式最大失控时间Tsmax(平均失控时间Ts(ms)单相半波2010单相桥式(全波)105三相半波6.673.33一相桥式、八相半波3.331.675.2.2 电流调节器结构的选择从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，采用I型系统就够了。从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调， 以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波

15、动的及时抗扰作用只是 次要的因素，为此，电流环应以跟随性能为主，应Toi=0.002s。*武汉理工大学运动控制课程设计说明书17选用典型I型系统。武汉理工大学运动控制课程设计说明书s oi18型的电流调节器，其传递函数可以写成WACR(S)=0Tis电流调节器的超前时间常数。检查对电源电压的抗扰性能：T|0.07118.9189Ki0.0037参照典型I型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表格, 都是可以接受的。523 计算电流调节器参数于是，ACR的比例系数为：K_KERj _ Ks：_524 校验近似条件电流环截止频率：ci=KI=135.1s-1晶闸管整流装置传递函数的近似条件：11196

16、.13Ts3 0.0017满足近似条件忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件0.16 0.0728.3473满足近似条件电流环小时间常数近似处理条件电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型型系统，显然应采用PI电流调节器超前时间常数:i=Ti=0.07s。电流环开环增益：要求SiV5%时，应取KT刀 i=0.5,因此KI=55=1351s，T J 0.00371 _3, TsToi0.001718080.002式中Ki电流调节器的比例系数;可以看出各项指标1351.07武汉理工大学运动控制课程设计说明书19满足近似条件525 计算调节器电阻和电容由图12，按所用运算放大器取R=40k，各电阻

17、和电容值为R二二2.3585 40k二94.34Q取95k1C-0.073F二0.7368F取0.75 FR 95 103计要求C4ToiCoiR)4 0.002340 10F =0.2F取0.2F按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为Si=4.3%5%,满足设武汉理工大学运动控制课程设计说明书206 设计心得通过一个多星期的课程设计，我对这门课有了进一步的了解。学习过程中在老师的耐心指导下 ，有意识的培养和建立了我的思维能力，使我真正建立数据及 信息流的概念，以便在控制应用中，能够使软件和硬件有机地结合。转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动系统 中得到了广泛的应用。常用的电机调速系统有转速闭环控制系统和电流闭环控制 系统，二者都可以在一定程度上克服开环系统造成的电动机静差率，但是不够理 想。实际设计中常采用转速、电流双闭环控制系统，一般使电流环(ACR)作为控制系统的内环，转