课程设计指导书

1、第四章 调速系统控制单元的确定和调整第一节 检测环节直流调速系统当控制方案和主电路图的连接形式、元件选择确定以后，就应进行系统控制单元的选择和调整，它是保证系统正常运行的重要环节。下面简要介绍系统控制单元设计中的主要内容和需注意的问题。一、检测环节根据反馈控制原理为了构成闭坏直流调速系统，提高系统运行指标，必须对系统控制对象的多种参量进行检测，其中最基本的转速，电流电压等反馈信号。精确、快速地检测这些信号是调速系统可靠工作的基本保证。系统对检测环节总的要求是:1）检测环节本身精度高，误差小，以保证系统的控制精度。2）检测单元和反馈通道惯性小，反应快。3）检测环节本身工作要可靠。4）检测环节的输

2、入，输出特性呈线性关系。(一)转速检测及其测速发电机。常用的转速检测装置是各种测速发电机和脉冲测速装置。由于直流测速发电机无需另设整流装置，且无剩余电压，故在直流调速系统中转速反馈信号广泛采用直流测速发电机，将转速转换成电压。直流测速发电机有他励式，永磁式两类。型号有ZCF，ZYS(永磁)，ZYSH(永磁)，YD(高灵敏度)几种。他励式测速发电机体积小，用稳流源供给励磁时，速度特性比较稳定。永磁式测速发电机不需要专门的稳流励磁电源，性能稳定，但体积稍大，价格较贵，使用时环境温度不宜高，不能有强烈振动，否则将使永久磁铁的磁性减弱，以至消失，这一点须引起注意。实际运用时，测速发电机的负载电流不得过

3、大，其外接电阻不得小于规定的最小负载电阻。如ZCF110型测速发电机，一般取负载电阻左右。为减小输出纹波电压影响，应选用换向片数较多的直流测速发电机。如选用高灵敏度的测速发电机，它的线性精度可达到0.01%0.05%。选用测速发电机时还须注意使测速发电机转速与电动机转速相匹配。由于测速发电机和电动机联接的安装质量对转速反馈的影响很大，故尤应给予特殊注意。常用的安装方式，测速发电机与电动机刚性联接或采用特殊联接的方法，在轴向硬联接，横向可以自由活动以克服偏心所造成的影响。总之，问题的关键是要保证两个电机轴联接时的同心度，当测速发电机转速与电动机转速不一致的场合要设置变速机，如用变速齿轮或履带式塑

4、料皮带相联。二、电流检测环节电流反馈环节的输入信号是主电路的电流量，经变换后获得输出为直流电压的反馈量，根据电流反馈环节的组成，常用的电流反馈方式和检测元件有下面几种：1.利用整流桥直流侧的电阻作检测元件MIdLrRcVTH3Ui图4-1 利用直流侧电阻的电流检测线路 在主电路直流侧串接低阻值电阻以取得电流检测信号，如图4-1所示。这种电流检测方法，在电阻上会产生压降或损耗。有时可利用电动机的换向绕组和补偿绕组上的压降作为电流信号。上述方法主电路与控制电路在电路上需接入电流隔离器。将作为隔离输入信号，隔离器的输出再作为电流反馈信号。2.以交流电流互感器作为检测元件 对于整流电路而言，输出的直流

5、电流与交流侧的输入电流有一定的关系，即式中，为与整流电路型式有关的比例关系，如三相桥式电路，。 所以可以采用交流电流互感器检测，然后经整流后获得，以反映直流电流的大小，但不反映电流极性。这种检测方式线路简单、经济、隔离性好，得到广泛应用。 电流互感器的联接方法，在单相电路中其联接比较简单在三相电路中，一般有两种，Y形（用三台电流互感器）和V形（用两台）联结，线路见图4-2。 对于定型生产的电流互感器，额定容量是10（或15）VA，二次电流是5A，允许负载电阻很小，得不到一般控制系统所需10V以上的电压，故应采用LZK-1系列控制专用电流互感器。在200A以上的大容量系统中，常采用在标准互感器后

6、面再加一级5A：0.1A的互感器，以扩大互感器变压比，使二次电流减小，负载电阻可达200以上，可满足系统对反馈信号电压较大的要求。线路见图4-3。使用交流互感器应注意下面几点：图4-2 交流电流互感器的联结方法a)Y联结 b)V联结图4-3 两级交流电流互感器的联结方法1)交流互感器一次电流应根据整流装置输出最大电流来选择。 2)工作时二次绕组不允许开路，以防人身和设备事故。 图4-4 交流电流互感器的曲折联结 3)二次绕组一端应接地 4)带负载情况下，拆除二次绕组时，首先应将其短路 5)具有续流二极管的半控桥式整流电路不能采用交流检测 6)交流互感器正常工作时不允许饱和。如在三相零式整流电路

7、中采用交流侧检测方案，则电流互感器应改为曲折联接，以免引起交流互感器的直流磁化而无法工作，线路见图44。 3以直流电流互感器作为检测元件 直流电流互感器实际上是一个由交、直流同时控制的磁性元件，直流电流变化时，磁路中的磁化状态发生变化，从而使其二次侧交流输出量发生改变，然后经整流后得到反馈信号。图45是其两种形式的联结方式。目前国产的直流互感器的两个铁心、直流母线及二次交流绕组已做成一体，外部引线只有两个直流母线端子和四个交流绕组端子，使用时需设置整流桥及提供交流辅助电源。图4-5 直流电流互感器的联结方式 a)串联线路 b)并联线路采用直流互感器检测比交流互感器复杂，快速性稍差但它用一台直流

8、互感器取代三台交流互感器，使检测装置大为简化，且输出信号功率大，具有电气隔离目前国内定型生产的BLZ系列产品已被广泛应用。 4以霍尔效应电流变换器作为检测元件图4-6 带给定滤波和电流反馈滤波的PI型电流调节器 霍尔变换器的线性度好、无惯性、装置简单，但是输出电压一般为mV级，使用时须附加电压放大器。此外由于霍尔元件薄而脆，安装和使用时须特别小心，并应采取措施防止外界电磁干扰。其线路原理可参阅有关专业书刊。 由此可见，系统对于电流反馈环节的基本要求是： 1)电流反馈信号要保证10V左右。信号大小取决于转速调节器ASR输出限幅值的整定，即 。 2)对电流反馈信号要求进行滤波，滤掉交流分量。但滤波

9、时间常数不得过大，否则将使电流环的等效时间常数过大，限制了电流环频带的展宽，影响电流响应的快速性为抵消电流反馈通道滤波惯性的影响，在电流调节器给定通道需设置给定滤波环节。并使两者时间常数大小相等。见图46。 三、电压检测环节 在调速系统中常用整流装置主回路的直流电压作为电压反馈信号，最简单的方法是在尽量靠近电动机电枢两端的位置（主回路平波电抗器之后），直接引出直流电压反馈信号，但其输入与输出之间没有电气隔离，容易造成事故。这种方法只适用于小容量系统中。 在较大容量系统中，主回路直流电压都在数百伏以上，而控制回路电压一般都在±15v左右，故必须设置直流电压隔离器。利用直流电压隔离器，将

10、输入的直流电压U_调制成方波，通过变压器的磁耦合，再将交流方波解调成较小的直流反馈信号，如图47所示。图47 直流电压隔离器原理图直流电压隔离器常用的有二极管开关型、三极管开关型和利用晶闸管(1A以下)的反向开关特性组成的晶闸管型电压隔离器。前两种，不仅能反映直流电压大小，又能反映电压方向，故既可用于不可逆调速系统，也适用于可逆系统；而后者仅能反映电压大小，故只能用于不可逆系统。由于后者具有电路简单、调整方便、线性度好等特点，故在不可逆系统中得到了广泛的应用。图4-8 直流电压隔离器的线路图 a)二极管开关型 b)晶闸管型电压隔离器在直流调速系统中是标准的控制单元插件，线路设计一般采用标准的典

11、型线路。图4-8是电压隔离器的两种典型线路，其工作原理读者可自行分析。第二节 调节器的选择与调整作为系统校正环节的调节器，是控制电路的关键部件，在系统中使用各种类型的调节器可实现输入输出的P、I、D、PI、PD、PID等多种运算关系。调节器的选择与参数整定是系统设计中极其重要的一环，它对系统静、动态性能指标的优劣起着决定作用。调速系统对调节器的一般要求是： 1) 节器须能够调零，如果调节器在比例状态下不能调零，当输入为零时，输出较大，则应更换器件。 2) 过调整消振电路参数，能消除高频振荡。 3) 节器的正、负输出电压不能过小，一般要求输出电压接近直流稳压电源电压(±15v)。对于P

12、I调节器一般都要求输出限幅。4) 调速系统中具有积分作用的电流和转速调节器，必须设置调节器锁零环节。5) 节器的工作电源为直流稳压电源（±15v或±12v）。一、调节器实用线路示例 系统中所用调节器随着电子元器件集成化的发展，使得线路大为简化，且性能优良、调试方便、运行可靠、成本降低，故目前已普遍采用线性集成电路运算放大器组成多种型式的调节器。图4-9是由5G24线性组件组成的PI调节器。它由土15V直流稳压电源供电，其允许最大输出电流为±10mA，一般不用功放电路。 5G24管脚功能： 2为反相输入端，3为同相输入端，7为+15v电源，4为-15V电源，6是输出

13、端，8和9间接消振电容Cf ，1和5间外接调零电位器RP。放大器入口外接限幅二极管VD1、VD2用来限制非共模输入信号幅值以保护组件；二极管VD3、VD4和电位器RP1、RP2组成柑位反馈限幅电路；反馈回路接入R1、C1，构成PI调节器。图4-9 5G24组成的PI调节器目前我国生产的线性组件型号很多，这里不再一一举例，读者可查阅有关专业书刊。二、调节器限幅调速系统中，为了保护电气设备和机械设备的安全，须限制电动机的最大电流、最大电压以及晶闸管变流装置的和角等，一般都要求对调节器输出限幅。调节器输出限幅值的计算与整定是系统设计和调试工作中十分重要的环节。实现限幅的方法大体有两类，即外限幅和内限

14、幅，电路图如图4-10所示。图4-9就是利用二极管箝位的内限幅电路。 三、调节器锁零前已述及，系统中引入PI调节器，即使系统在停车期间，未加给定信号，由于其积分作用，调节器在干扰信号作用下也会有较大的输出电压。这个输出信号送给触发装置，就会使触发脉冲从初始相位(90º)前移而使电动机起动，这在控制上是不允许的。所以在系统给出起动指令之前，必须对具有积分作用的调节器锁零，即把它的输出锁到零电位上。图4-10 运算放大器的限幅电路 a)外限幅电路 b)内限幅电路系统对调节器锁零电路的要求是：1) 系统处于停车状态时，具有积分作用的调节器必须用锁零电路将其输出电位锁到零电位上。 2） 系统

15、接到起、停及反向指令之时，或处于正常运行状态时，调节器不能锁零。根据上述要求，可以设计出多种锁零电路，以实现调节器锁零。图411是采用继电器接点对双闭环不可逆调速系统ASR和ACR两个PI调节器实现锁零的原理图。图4-11 不可逆系统调节器锁零采用线性组件也可以组成不同形式的零速锁零电路。具体电路这里不一一介绍了。还要明确的是，KP-M直流调速系统中，转速给定信号和转速反馈信号作为锁零电路的输入信号，只有当=0时，才允许锁零电路的输出信号对调节器实现锁零，其中任一信号不等于零，调节器不能锁零，使用时必须注意。调节器锁零通常采用场效应管或干簧继电器接点来实现，见图4-12。图4-12 调节器锁零

16、 a)继电器接点锁零 b)场效应管锁零第三节 系统的给定电源、给定积分器一、给定电源GS在闭环调速系统中，转速总是紧紧地跟随给定量而变化。给定电源的质量在保证系统正常工作中是十分重要的，因此高精度的调速系统必绩要有更高精度的给定稳压电源作保证。所以，设计系统控制方案、拟定控制电路时，必须十分注意对稳压电源的设计与选择。由三端集成稳压器件所组成的稳压电源，线路简单、性能稳定、工作可靠、调整方便，已逐渐取代分立元件，在生产实际中应用越来越广泛。系统中应尽量采用这种集成稳压源，以保证系统的可靠工作为防止大幅度电网电压波动给稳压电源工作带来的困难，目前已普遍采用恒压变压器作为稳压电源的电源变压器。这些

17、在设计时都需引起注意。 二、给定积分器图4-13 给定积分器线路 在VTH直流调速系统中，突加转速给定信号时，电动机在最大允许电流下实现恒流起动，转速以最大加速度上升，满足最短时间控制。但一般直流电动机不允许过大的电流上升率；有些生产设备本身不能承受过大的机械冲击，或生产工艺过程要求系统起、制动平稳，超调量小。所以这时系统不能采用阶跃给定方法，而采用给定积分器作为给定装置，利用其输出得到不同斜率的斜坡速度给定信号，满足系统的要求。 典型的给定积分器线路在控制系统中是一个通用的控制单元插件。图413是一种给定积分器的典型线路。 转速给定信号u0的上升率有三种方法：改变电阻R；改变电容C；调节电压

18、u2。调整时，通过调节电位器RP或改变N1的输出限幅(调整RPl、RP2)的方法改变u2比较方便灵活，故应用时多采用这种方法。当系统处于稳态时，给定积分器的输出信号与输入信号大小相等。 为防止给定积分器输出电压出现超调，可在反馈回路引入R1、C1组成的微分负反馈。第四节 触发电路的确定在晶闸管直流调速系统中，触发装置是十分重要的控制单元。目前触发装置的种类很多，具体电路各式各样，设计者必须根据系统实际需要合理地选择触发电路。 一、选用触发电路时须考虑的因素。 系统对触发电路的要求是设计和选择触发电路的依据，我们在选用时应考虑下列一些问题：1）触发电路的工作一定要十分可靠。这一点对可逆系统来说尤

19、为重要2）移相范围应满足系统要求。对于不同整流型式，不同负载性质，其移相范围要求也不同。晶闸管直流调速系统，电感性负载(电流连续)，若采用三相零式或三相全控桥线路，对不可逆系统，要求=0900；对可逆系统，则要求=01800。实际系统中，因有min和min角的限制，故移相范围小于1800。同步信号为锯齿波的触发电路，移相范围可超过1800；同步信号为正弦波的触发电路，其移相范围小于1800；单结晶体管触发电路的移相范围只有1500左右。3）不同整流电路对脉冲宽度的要求不同。对单相、三相半波和三相桥式半控整流电路，应选择单脉冲触发电路；对于三相桥式全控整流电路，应选择双窄脉冲或宽脉冲触发电路。对

20、于一些容量不大、对触发要求不高的系统，选用结构简单的触发电路；一般情况下可使用由分立元件组成的触发电路或集成移相触发电路；必要时可采用微机触发电路。 4）触发电路输入输出特性线性度要好，以提高系统的静态和动态性能。同步信号为锯齿波的触发电路线性度好，适用于要求调速范周宽的系统；同步信号为正弦波的触发电路线性度稍差；单结晶体管触发电路，其线性度更差，且有一段死区，一般用于小容量单相晶闸管系统中。 5）要求触发器工作对电网电压敏感。同步信号为锯齿波的触发电路和同步信号为正弦波的触发电路相比较，前者较后者好。6）触发脉冲信号应有足够的功率(电压、电流)和一定的宽度。 7）在大功率装置中，当晶闸管采用

21、串、并联时，应采用强触发，提高脉冲前沿陡度，保证同臂元件导通的同时性。 8）最好采用集成电路触发装置，使元件、焊点、接插件、走线数量减少，简化控制线路，提高系统可靠性。9）在实际应用中一般应采取防止误触发的具体措施。10）对于共阴极接法的零式（半波）整流电路或半控桥式整流电路，可采用一套触发装置对所有的晶闸管同时进行触发控制。其余的整流电路形式，一个触发脉冲只能触发一个晶闸管。例如，在三相半波共阴极整流电路中，可以用一套触发装置对VT1、VT2和VT3同时进行触发控制，但是此时触发电路的移相范围减小了。二、不同触发电路的特性不同的触发电路有不同的结构特点，所发脉冲适用于不同的整流电路，现将常见

22、的触发电路的结构特点，脉冲特点和适用电路列举如下：1）单结晶体管触发电路结构简单，采用延迟移相方法，所发脉冲为窄脉冲，主要用于单相或三相半波晶闸管整流装置。2）余弦交点法垂直移相触发电路可实现对输出电压的线性控制，每个触发单元在一个周期内只输出一个脉冲，所发脉冲为宽脉冲，脉冲宽度可调，适用于电感性负载和三相全控桥的需要宽脉冲的整流电路。3）锯齿波垂直移相触发电路也为分离元件组成的电路单元，具有强触发环节，所发脉冲为双窄脉冲，适合与三相全控桥式电路等需要两只晶闸管同时导通才能形成回路的整流电路。4）集成触发电路具有性能稳定、调试方便、功耗低、体积小等优点，其应用范围逐渐扩大。常见触发电路有KC0

23、1，KJ04，KC05，KCZ2、KCZ3、KCZ6等，不同模块所发脉冲不同，在使用中，应查阅相关资料，搞清每种触发电路的内部结构，所发脉冲特点后进行选择。5）微机实现的数字化相控触发电路已成为发展趋势。微机相控触发电路有同步电路、微机系统、脉冲放大与输出电路三部分构成，由微机系统完成移相控制、脉冲生成与分配等功能。三、触发电路同步电压的选取。为了让变流器按规律正确工作，同步电压的相位极为重要，它应能准确提供自然换相点，保证在移相范围内对晶闸管元件进行移相控制，从而可对输出电压进行连续控制。在已知整流变压器的接线组别，选择同步变压器时的定相步骤如下：1）据整流变压器的接线组别，绘制主电路变压器

24、次级电压的向量图，有VT1的移相范围和触发电路移相控制原理，确定触发电路需要的同步信号us2的相位。2）选取超前us2相位/3或/6的电压为同步电压us1，确定阻容滤波器；由相控触发电路同步方式确定同步变压器次级相数；由主电路电压向量图及对us1的相位要求确定同步变压器的接线组别。3）按相位关系选取其他元件的同步电压。当为三相桥式全控变流电路且为按元件独立同步时，各元件的同步电压应按顺序滞后/3，从而可以确定其他各元件的同步电压us1。不同触发电路移相控制原理不同，需要的同步信号us2的相位也不同。单结晶体管触发电路要求同步信号us2的相位与主电路电压相位一致，余弦交点法垂直移相触发电路要求同

25、步信号us2的相位滞后主电路电压相位1200，锯齿波垂直移相触发电路同步信号us2的相位滞后主电路电压相位1800，KC04集成触发电路与微机相控触发电路同步信号us2的相位滞后主电路电压相位300，选取同步电压应以此为依据。第五章 调速系统动态参数的工程设计一、调节器工程设计方法的基本思路 先选择调节器的结构，以确保系统稳定，同时满足所需要的稳态精度。再选择调节器的参数，以满足动态性能指标。设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环地逐步向外扩展。在这里是：先从电流环人手，首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。图5-1双闭环调速系统动

26、态结构图 双闭环调速系统的动态结构图绘于图5-1，其中的滤波环节 包括电流滤波、转速滤波和两个给定。由于电流检测信号中常含有交流分量须加低通滤波，其滤波时间常数按需要选定。滤波环节可以抑制反馈信号中的交流分量，但同时也给反馈信号带来延滞。为了平衡这一延滞作用，在给定信号通道中加人一个相同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是：让给定信号和反馈信号经过同样的延滞，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。由测速发电机得到的转速反馈电压含有电机的换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用表示 。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道中也配上时间常数为的给定滤波环节。 二、电流调节器

27、的设计（一）电流调节器结构的选择电流环的一项重要作用就是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，因而在突加控制作用时不希望有超调，或者超调量越小越好。从这个观点出发，应该把电流环校正成典型型系统。为了提高电流环对电网电压波动及时调节的作用，又希望把电流环校正成典型型系统。究竟应该如何选择，要根据实际系统的具体要求来决定取舍。在一般情况下，当控制对象的两个时间常数之比时，典型型系统的抗扰恢复时间还是可以接受的，因此一般多按典型型系统来设计电流环。电流环的控制对象是双惯性型的。要校正成典型型系统，显然应该采用PI调节器，其传递函数可以写成(s)=式中Ki 电流调节器的比例系数；i电流调节器的超前时间

28、常数。为了让调节器零点对消掉控制对象的大时间常数极点，选择则电流环的动态结构图便成为图5-2所示的典型形式，其中图5-2校正成典型型系统电流环的动态结构图以上的结果是在一系列假定条件下得出的，现将所用过的假定条件归纳如下，具体设计时，必须校验这些条件。（二）电流调节器参数的选择电流调节器的参数包括和。时间常数已选定为=Tl ,比例系数取决于所需的和动态性能指标.在一般情况下，希望超调量5时，取阻尼比0.707，0.5，因此再利用式和得到电流滤波时间常数 三、转速调节器的设计（一）电流环的等效闭环传递函数前已指出，在设计转速调节器时，可把已设计好的电流环看作是转速调节系统中的一个环节，为此，须求

29、出它的等效传递函数。电流环的闭环传递函数为转速环的截止频率cn一般较低，因此可降阶近似为近似条件可由式求出：若按0707，K=05选择参数，则W=近似条件为取整数，按照电流环闭环传递函数式，电流环原来是一个二阶振荡环节，其阻尼比=0.707，无阻尼自然振荡周期为，近似为一阶惯性环节。当转速环截止频率较低时，对于转速环的频率特性来说，原系统和近似系统只在高频段有一些差别。最后由于输人信号是/，因而上面求出来的电流闭环传递函数为=接在转速环内，其输人信号应该是，因此电流环的等效环节应相应地改成应该注意的是，如果电流调节器参数选得不是这样，时间常数的大小也要作相应的改变。顺便指出，原来电流环的控制对

30、象可以近似看成是个双惯性环节，其时间常数是和，闭环后，整个电流环等效为一个无阻尼自然振荡周期为的二阶振荡环节，或者近似为只有小时间常数2的一阶惯性环节。这就表明，电流闭环后，改造了控制对象，加快了电流跟随作用。图53转速环的动态结构图及其近似处理(二)转速调节器结构的选择用电流环的等效环节代替原来的电流闭环后，整个转速调节系统的动态结构图便如图5-3a所示。和前面一样，把给定滤波和反馈滤波环节等效地移到环内，同时将给定信号改为；再把时间常数为和2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且=+2，则转速环结构图可简化成图5-3b。由图5-3b可以看出，在负载扰动作用点以后已经有了

31、一个积分环节。为了实现转速无静差，还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节，因此需要型系统。再从动态性能上看，调速系统首先需要有较好的抗扰性能，典型型系统恰好能满足这个要求。至于典型型系统阶跃响应超调量大的问题，那是线性条件下的计算数据，实际系统的转速调节器在突加给定后很快就会饱和，这个非线性作用会使超调量大大降低。因此，大多数调速系统的转速环都按典型系统进行设计。由图53b可以明显地看出，要把转速环校正成典型型系统，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为式中 转速调节器的比例系数；转速调节器的超前时间常数。这样，调节系统的开环传递函数为其中，转速开环增益 不考虑负载扰动时,校正后的调速系统动态结构图示于图53c。上述结果所需服从的假定条件归纳如下（三）转速调节器参数的选择转速调节器的参数包括和。按照典型型系统的参数选择方法，由式=hT，再由式，即得ASR的比例系数至于中频宽h应选多大，要看系统对动态性能的要求来决定。如无特