《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》課程設(shè)計(jì)說明書雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告書題 目雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)院 系 信息工程系專 業(yè)自動(dòng)化班 級姓 名學(xué) 號指導(dǎo)教師2011年6月21日 武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名: 專業(yè)班級: 自動(dòng)化1081班 指導(dǎo)教師: 工作單位: 信息工程系 題 目: 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 初始條件:1.直流電機(jī)參數(shù): 10KW, 220V, 55A, 1000 r/min ,電樞電阻Ra0.5電機(jī)過載倍數(shù)1.5,Ks40,Tl0.03 s,Tm0.18 s,設(shè)0.07 v.min/r,=0.05 v/A2.測速發(fā)電機(jī)參數(shù):23W,110V,0.21A,1900 r/mi

2、n,永磁式3.主電路采用三相全控橋,進(jìn)線交流電源:三相380V要求完成的主要任務(wù): 1.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR及電流調(diào)節(jié)器ACR的設(shè)計(jì)2.轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋電路設(shè)計(jì)3.集成觸發(fā)電路設(shè)計(jì)4. 主電路及其保護(hù)電路設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)說明書應(yīng)嚴(yán)格按統(tǒng)一格式打印,資料齊全,堅(jiān)決杜絕抄襲,雷同現(xiàn)象。滿足如下要求: 1轉(zhuǎn)速和電流穩(wěn)態(tài)無差,電流超調(diào)量小于5,轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于10。 2. 對系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的先進(jìn)性、實(shí)用性和可行性進(jìn)行論證,說明系統(tǒng)工作原理。 3. 畫出單元電路圖,說明工作原理,給出系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算過程。4. 畫出整體電路原理圖,圖紙、元器件符號及文字符號符合國家標(biāo)準(zhǔn)。時(shí)間安排:2011.6.132011.6.15

3、收集課程設(shè)計(jì)相關(guān)資料2011.6.162011.6.23 系統(tǒng)設(shè)計(jì)2011.6.242011.6.26 撰寫課程設(shè)計(jì)及答辯指導(dǎo)教師簽名: 年 月 日系主任(或責(zé)任教師)簽名: 年 月 日 緒 論 在電氣時(shí)代的今天,電動(dòng)機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘I钪衅鹬种匾淖饔?。直流電機(jī)是最常見的一種電機(jī),具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)性能,宜于在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速,在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動(dòng)等各領(lǐng)域中領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。因此研究直流電機(jī)的控制和測量方法,對提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要的意義。電機(jī)調(diào)速問題一直是自動(dòng)化領(lǐng)域比較重要的問題。不同領(lǐng)域?qū)τ陔姍C(jī)的調(diào)速性能有著不同的要求,因此,不同

4、的調(diào)速方法有著不同的應(yīng)用場合。 本文設(shè)計(jì)分析直流雙閉環(huán)的組成,設(shè)計(jì)直流雙閉環(huán)的系統(tǒng)電路圖,同時(shí)采用采用工程設(shè)計(jì)的方法對直流雙閉環(huán)的轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計(jì)。因?yàn)殡娏髡{(diào)節(jié)器是內(nèi)環(huán),因此首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器,對其進(jìn)行必要的變化和近似處理,電流環(huán)設(shè)計(jì)完后,把電流環(huán)等效成轉(zhuǎn)速環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行處理,從而設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)。同時(shí)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析及其原理進(jìn)行了一些說明,介紹了其主電路、檢測電路的設(shè)計(jì),并介紹電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)和一些參數(shù)選擇、計(jì)算,使其設(shè)計(jì)參數(shù)要求的指標(biāo)。關(guān)鍵詞:直流調(diào)速 雙閉環(huán) 原理圖 工程設(shè)計(jì) 參數(shù)整定 觸發(fā)電路目 錄1、設(shè)計(jì)任務(wù)與分析1 1.1、設(shè)計(jì)內(nèi)容11.2、設(shè)

5、計(jì)要求11.3、設(shè)計(jì)方案綜合分析12、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3 2.1系統(tǒng)快速啟動(dòng)過程類比分析3 2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)整體框圖43雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)63.1系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)63.2系統(tǒng)保護(hù)和整流電路的設(shè)計(jì)63.3系統(tǒng)觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)73.4轉(zhuǎn)速檢測電路的設(shè)計(jì)83.5電流檢測電路的設(shè)計(jì)84雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)94.1電流調(diào)節(jié)器9 4.1.1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)9 4.1.2電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇9 4.1.3電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)10 4,2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器11 4.2.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)12 4.2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇134.2.3校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量144.3兩調(diào)節(jié)器啟動(dòng)過程分析155心得與體會(huì)1

6、7參考文獻(xiàn) 18附錄19- 5 -雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)任務(wù)與分析1.1、設(shè)計(jì)內(nèi)容 1.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR及電流調(diào)節(jié)器ACR的設(shè)計(jì);2.轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋電路設(shè)計(jì);3.集成觸發(fā)電路設(shè)計(jì);4.主電路及其保護(hù)電路設(shè)計(jì);1.2、設(shè)計(jì)要求1采用配合控制,能夠?qū)崿F(xiàn)可逆運(yùn)行,轉(zhuǎn)速和電流穩(wěn)態(tài)無差,電流超調(diào)量小于5,轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于10。2. 對系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的先進(jìn)性、實(shí)用性和可行性進(jìn)行論證,說明系統(tǒng)工作原理。3. 畫出單元電路圖,說明工作原理,給出系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算過程。4. 畫出整體電路原理圖,圖紙、元器件符號及文字符號符合國家標(biāo)準(zhǔn)。1.3、設(shè)計(jì)方案綜合分析 同開環(huán)控制系統(tǒng)相比,閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點(diǎn)。在反饋

7、控制系統(tǒng)中,不管出于什么原因(外部擾動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部變化),只要被控制量偏離規(guī)定值,就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。因此,它具有抑制干擾的能力,對元件特性變化不敏感,并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。由于閉環(huán)系統(tǒng)的這些優(yōu)點(diǎn)因此選用閉環(huán)系統(tǒng)。 單閉環(huán)速度反饋調(diào)速系統(tǒng),采用PI控制器時(shí),可以保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度誤差為零。但是如果對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高,如果要求快速起制動(dòng),突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等,單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中,電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的,但它只能在超過臨界電流值 Idcr 以后,靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊,并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。另外,單閉

8、環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗干擾性較差,當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí),必須待轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后,調(diào)節(jié)作用才能產(chǎn)生,因此動(dòng)態(tài)誤差較大。在要求較高的調(diào)速系統(tǒng)中,一般有兩個(gè)基本要求:一是能夠快速啟動(dòng)制動(dòng);二是能夠快速克服負(fù)載、電網(wǎng)等干擾。通過分析發(fā)現(xiàn),如果要求快速起動(dòng),必須使直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中輸出最大的恒定允許電磁轉(zhuǎn)矩,即最大的恒定允許電樞電流,當(dāng)電樞電流保持最大允許值時(shí),電動(dòng)機(jī)以恒加速度升速至給定轉(zhuǎn)速,然后電樞電流立即降至負(fù)載電流值。如果要求快速克服電網(wǎng)的干擾,必須對電樞電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。 根據(jù)自動(dòng)控制原理,將系統(tǒng)的被調(diào)節(jié)量作為反饋引入系統(tǒng),與給定量進(jìn)行比較,用比較后的偏差對系統(tǒng)進(jìn)行控制,可以有效地抑制甚至消除擾動(dòng)的影響,

9、而維持被調(diào)量很少的變化或不變,這就是反饋控制的基本作用。因此,在直流調(diào)速系統(tǒng)中把轉(zhuǎn)速反饋給系統(tǒng),便形成轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng),其有一定的抗擾動(dòng)性能,如采用轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器,還可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無靜差系統(tǒng)。但是,如果對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求比較高,例如:要求快速起動(dòng)、制動(dòng);突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等,轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。原因是因?yàn)檗D(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)并不能充分按照理想要求控制電流的動(dòng)態(tài)過程。為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng),關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律,如采用電流負(fù)反饋能夠得到近似的恒流過程。但是,我們希望在起動(dòng)過程中只有電流負(fù)反饋,沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋;在達(dá)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后,又

10、希望只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋,不再讓電流負(fù)反饋發(fā)揮作用。怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋,又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢?轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)很好的解決了這個(gè)問題。所以自然考慮到將電樞電流也作為被控量,組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好,應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng),采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律、性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法是各種交、直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ),所以掌握雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)對于電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)有很重要的作用。本課程設(shè)計(jì)就要求結(jié)合給定的初始條件來完成雙閉環(huán)直流調(diào)速

11、系統(tǒng)的設(shè)計(jì),其中包括繪制該調(diào)速系統(tǒng)的原理圖,對調(diào)節(jié)器進(jìn)行工程設(shè)計(jì),選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)等。要實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需先對控制系統(tǒng)的組成及工作原理有一定深入的理解,弄清楚調(diào)速系統(tǒng)每個(gè)組成部分的作用,弄清楚轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)的工作原理,合理選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)以便進(jìn)行合理的工程設(shè)計(jì)。2、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1、系統(tǒng)快速啟動(dòng)過程類比分析帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程如圖1-1 所示,起動(dòng)電流達(dá)到最大值 Idm 后,受電流負(fù)反饋的作用降低下來,電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小,加速過程延長。理想起動(dòng)過程波形如圖1-2所示,這時(shí),理起動(dòng)電流呈方形波,轉(zhuǎn)速按線性增長。這是在最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限制

12、時(shí)調(diào)速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動(dòng)過程。 IdLntIdOIdmIdcr 圖 1-1 帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)IdLntIdOIdm 圖1-2理想的快速起動(dòng)過程通過分析可知,為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng),關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程。按照反饋控制規(guī)律,采用某個(gè)物理量的負(fù)反饋就可以保持該量基本不變,那么,采用電流負(fù)反饋應(yīng)該能夠得到近似的恒流過程。我們希望能實(shí)現(xiàn)控制:起動(dòng)過程,只有電流負(fù)反饋,沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋;穩(wěn)態(tài)時(shí),只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋,沒有電流負(fù)反饋。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用,可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器,分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。雙閉

13、環(huán)控制電路的穩(wěn)態(tài)工作原理的分析,可以根據(jù)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖來分析,分析穩(wěn)態(tài)工作原理的關(guān)鍵是要了解PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征,一般都會(huì)存在著兩種狀況:飽和輸出達(dá)到限幅值,不飽和輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí),輸出為恒值,輸入量的變化不再影響輸出,除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和;換句話說,飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系,相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí),PI的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總為零。在實(shí)際的正常運(yùn)行時(shí),電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此,只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和和不飽和兩種情況。當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和時(shí),兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和,穩(wěn)態(tài)時(shí),它們的輸入偏差電壓都是零。而當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和時(shí)

14、,ASR輸出達(dá)到限幅值,轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài),轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上,轉(zhuǎn)速是由給定電壓決定的,ASR的輸出量是由負(fù)載電流決定的,而控制電壓的大小則同時(shí)取決于轉(zhuǎn)速和負(fù)載電流。PI調(diào)節(jié)器的輸出量在動(dòng)態(tài)過程中決定于輸入量的積分,到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí),輸入為零,輸出的穩(wěn)態(tài)值與輸入無關(guān),而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定的。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差,這時(shí),轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到時(shí),對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出,這時(shí),電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用,系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差,得到過電流的自動(dòng)保護(hù)。這就是采用了兩個(gè)PI調(diào)

15、節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。這樣的靜特性比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好 最后是對其動(dòng)態(tài)抗干擾性能的分析,對于調(diào)速系統(tǒng),最重要的動(dòng)態(tài)性能是抗干擾性能。主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后,因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。就靜特性而言,系統(tǒng)對它們的抗干擾效果是一樣的。但從動(dòng)態(tài)性能上看,由于擾動(dòng)作用點(diǎn)不同,存在著能否及時(shí)調(diào)節(jié)的差別。負(fù)載擾動(dòng)能夠比較快地反映到被調(diào)量n上,從而得到調(diào)節(jié),而電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用電力被調(diào)量稍遠(yuǎn),調(diào)節(jié)作用受到延滯,因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抑制電壓擾動(dòng)的性能要差一點(diǎn)。 綜上所述,由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán),電壓波動(dòng)可以通過電流反饋得到

16、比較及時(shí)的調(diào)節(jié),不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來,抗干擾性能大有改善。因此,在雙閉環(huán)系統(tǒng)中,由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。2.2、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)整體框圖 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器, 即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器(ASR)和電流調(diào)節(jié)器(ACR), 分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流, 即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋,兩者之間實(shí)行嵌套連接,電流反饋?zhàn)鳛閮?nèi)環(huán),轉(zhuǎn)速調(diào)反饋?zhàn)鳛橥猸h(huán)。雙閉直流調(diào)速系統(tǒng)原理如圖21所示。 圖2-1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 TG測速發(fā)電機(jī)TA電流互感器 UPE電力電子變換器 圖22 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖圖中2-2表出

17、,兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定了電流給定電壓的最大值;電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)由給定電壓、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、三相集成觸發(fā)器、三相全控橋、直流電動(dòng)機(jī)及轉(zhuǎn)速、電流檢測裝置組成,其中主電路中串入平波電抗器,以抑制電流脈動(dòng),消除因脈動(dòng)電流引起的電機(jī)發(fā)熱以及產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩對生產(chǎn)機(jī)械的不利影響。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖23所示: 圖2-3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)3.1、系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì) 晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(簡稱V-M系統(tǒng),又稱靜止的

18、Ward-Leonard系統(tǒng)),圖中VT是晶閘管可控整流器,通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓 Uc 來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位,即可改變整流電壓Ud ,從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。如圖3-1所示為V-M系統(tǒng)的主電路圖。 圖31 V-M系統(tǒng)主電路原理圖3.2、系統(tǒng)保護(hù)和整流電路的設(shè)計(jì) 圖3-2整流及晶閘管保護(hù)電路 晶閘管的過電壓保護(hù),晶閘管的過電壓能力比一般的電器元件差,當(dāng)它承受超過反向擊穿電壓時(shí),也會(huì)被反向擊穿而損壞。如果正向超過管子的正向轉(zhuǎn)折電壓,會(huì)造成晶閘管硬開通,不僅使電路可能出現(xiàn)的過電壓,常采用簡單有效的過電壓保護(hù)措施。對于晶閘管的過電壓保護(hù)可參考主電路的過電壓保護(hù),我們使用阻容保護(hù)。 晶閘管的過電

19、流。當(dāng)保護(hù)電網(wǎng)電壓波動(dòng)太大負(fù)載超過允許值,電路中管子誤導(dǎo)通以及管子擊穿短路等。所以我們要設(shè)置保護(hù)措施,以避免損害管子??焖偃蹟嗥鞅Wo(hù)是最有效,使用最廣泛的一種措施。3.3、系統(tǒng)觸發(fā)電路的設(shè)計(jì) 晶閘管可控整流電路,通過控制觸發(fā)角的大小即控制觸發(fā)脈沖起始相位來控制輸出電壓大小。為保證相控電路正常工作,很重要的是應(yīng)保證按觸發(fā)角的大小在正確的時(shí)刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。晶閘管相控電路,習(xí)慣稱為觸發(fā)電路。大、中功率的交流器廣泛應(yīng)用的是晶閘管觸發(fā)電路,其中以同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路應(yīng)用最多??煽啃愿撸夹g(shù)性能好,體積小,功率低,調(diào)試方便。晶閘管觸發(fā)電路的集成化已逐漸普及,已逐步取代分立式電路

20、。此外就是采用集成觸發(fā)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。觸發(fā)電路如圖如圖3-3所示: 圖3-3 集成觸發(fā)電路 為了讓變流器按規(guī)律正確工作,同步電壓的相位極為重要,它應(yīng)能準(zhǔn)確提供自然換相點(diǎn),保證在移相范圍內(nèi)對晶閘管元件進(jìn)行移相控制,從而可對輸出電壓進(jìn)行連續(xù)控制。在已知整流變壓器的接線組別,選擇同步變壓器時(shí)的定相步驟如下:1)據(jù)整流變壓器的接線組別,繪制主電路變壓器次級電壓的向量圖,有VT1的移相范圍和觸發(fā)電路移相控制原理,確定觸發(fā)電路需要的同步信號us2的相位。2)選取超前us2相位/3或/6的電壓為同步電壓us1,確定阻容濾波器;由相控觸發(fā)電路同步方式確定同步變壓器次級相數(shù);由主電路電壓向量圖及對us1的相位要求

21、確定同步變壓器的接線組別。3)按相位關(guān)系選取其他元件的同步電壓。當(dāng)為三相橋式全控變流電路且為按元件獨(dú)立同步時(shí),各元件的同步電壓應(yīng)按順序滯后/3,從而可以確定其他各元件的同步電壓us13.4 、轉(zhuǎn)速檢測電路的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速檢測電路的主要作用是將轉(zhuǎn)速信號變換為與轉(zhuǎn)速稱正比的電壓信號,濾除交流分量,為系統(tǒng)提供滿足要求的轉(zhuǎn)速反饋信號。轉(zhuǎn)速檢測電路主要由測速發(fā)電機(jī)組成,將測速發(fā)電機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)同軸連接,測速發(fā)電機(jī)輸出端即可獲得與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號,經(jīng)過濾波整流之后即可作為轉(zhuǎn)速反饋信號反饋回系統(tǒng)。其原理圖如圖3-4所示。圖3-4 轉(zhuǎn)速檢測電路3.5、電流檢測電路的設(shè)計(jì)使用霍爾電流傳感器可以檢測電流,把接到霍爾

22、傳感器上?;魻栃?yīng)傳感器,可以測量任意波形的電流和電壓。輸出端能真實(shí)地反映輸入端電流或電壓的波形參數(shù)。如圖3-5所示 圖3-5 電流檢測電路4、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)4.1、電流調(diào)節(jié)器4.1.1、電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)用工程設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速、電流反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的原則是先內(nèi)環(huán)后外環(huán)。因此,電流反饋?zhàn)鳛閮?nèi),首先進(jìn)行電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì),然后再進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖4-1所示: 圖4-1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi),同時(shí)把給定信號改成U*i(s) / ,則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)。圖4-2電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其

23、化簡(等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng))最后,由于Ts 和 Toi 一般都比Tl 小得多,可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié),其時(shí)間常數(shù)為 Ti = Ts + Toi 查表得,三相橋式電路的平均失控時(shí)間為,電流濾波時(shí)間常數(shù).三相橋式電路的每個(gè)波頭的時(shí)間是3.3ms,為了基本濾平波頭,應(yīng)有(12)=3.33ms,因此取=0.002s電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和Ti = Ts + Toi=0.0037s。簡化的近似條件為:電流環(huán)結(jié)構(gòu)圖最終簡化成圖4-3。 圖4-3電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖及其化簡(小慣性環(huán)節(jié)的近似處理)4.1.2、電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)的選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求:電流超調(diào)量小于5,轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于10,可按典型I型

24、系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的,因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器其傳遞函數(shù)為: 式中 Ki 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù); i 電流調(diào)節(jié)器的超前時(shí)間常數(shù)。為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)與控制對象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)對消,選擇i=Tl則電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便成為圖3-7所示的典型形式 圖3-7電流環(huán)的典型形式電樞回路電磁時(shí)間常數(shù):Tl=0.03s。檢查對電源電壓的抗擾性能: ,參照典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系表1,可知各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。 表1 典型I型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系4.1.3、電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù) 電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù):。電流開環(huán)增益:要求時(shí),查表得,應(yīng)選取,因此

25、,有:于是,ACR的比例系數(shù)為:。(4)校驗(yàn)近似條件 電流環(huán)截止頻率:1) 校驗(yàn)晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件,滿足近似條件。2) 校驗(yàn)忽略反電動(dòng)勢變化對電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件,滿足近似條件。3) 校驗(yàn)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件,滿足近似條件。 (5)計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖3-4所示,按所用運(yùn)算放大器取,各電阻和電容值計(jì)算如下:,取,取,取按照上述參數(shù),電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)跟隨性能指標(biāo)為:,滿足設(shè)計(jì)要求。 圖5-3 含濾波環(huán)節(jié)的PI型電流調(diào)節(jié)器4.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器4.2.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)用電流環(huán)的等效代替圖4-1的電流環(huán)后,電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為進(jìn)行工程近似計(jì)算后

26、,整個(gè)轉(zhuǎn)速控制動(dòng)態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示4.2.1所示 圖4.2.1用等效環(huán)代替電流環(huán)后轉(zhuǎn)速環(huán)的代替結(jié)構(gòu)框圖 若把轉(zhuǎn)速的給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi),同時(shí)將給定信號改為U*n/,再把時(shí)間常數(shù)為1/Ki和Ton兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來,近似為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)即: 則轉(zhuǎn)速環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)圖可以簡化成如圖4.2.2所示。 圖4.2.2等效單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性近似處理的轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差,在負(fù)載擾動(dòng)作用點(diǎn)前面必須有一個(gè)積分環(huán)節(jié),它應(yīng)該包含在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR中,現(xiàn)在擾動(dòng)作用點(diǎn)后面已經(jīng)有一個(gè)積分環(huán)節(jié),因此轉(zhuǎn)速開環(huán)傳統(tǒng)函數(shù)因共有兩個(gè)積分環(huán)節(jié),所以應(yīng)該設(shè)計(jì)成典型系統(tǒng),這樣的系統(tǒng)也能滿足動(dòng)態(tài)抗擾性能的要求。在

27、理論計(jì)算中,線性系統(tǒng)的階躍超調(diào)量較大,但在實(shí)際中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和非線性的性質(zhì)會(huì)使超調(diào)量大大降低。故而,ASR也用PI調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)為 這樣的調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為校正為典后轉(zhuǎn)速環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖4.2.3所示 圖4.2.3 校正成典型的轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖4.2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇(1)確定時(shí)間常數(shù) 1)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)。由電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)時(shí),已取,則 2)轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)。根據(jù)所用速發(fā)電機(jī)汶波情況,取。 3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)。按小時(shí)間常數(shù)近似處理,取 (2)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求,并且轉(zhuǎn)速無靜差,因此可選擇PI調(diào)節(jié)器,其含給定濾波與反饋濾波結(jié)構(gòu)如圖35所示,其傳遞函數(shù)為:(

28、3)計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則,取,則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為:則轉(zhuǎn)速環(huán)開壞增益為:。則直流電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)系數(shù)為:因此,可計(jì)算出ASR比例系數(shù)為: (4)檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為:。1) 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件,滿足簡化條件2) 轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件,滿足近似條件(5)計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖3-5所示,取,則,取,取1.28,取4.2.3校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)時(shí),查表2得,不能滿足的設(shè)計(jì)要求。但實(shí)際上,系統(tǒng)在突加階躍給定時(shí),ASR飽和,此時(shí)不符合線性系統(tǒng)的前提,因此應(yīng)按ASR退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。則實(shí)際上超調(diào)量計(jì)算如下:式中,理想空載時(shí),查表3得出

29、。因此,以上所述參數(shù),滿足設(shè)計(jì)要求。表2典型型系統(tǒng)階躍輸入系統(tǒng)跟隨性能指標(biāo)式中,理想空載時(shí),查表4得出。因此,以上所述參數(shù),滿足設(shè)計(jì)要求。表3典型型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)抗干擾性能指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系圖4.2.4 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器4.3、兩調(diào)節(jié)器啟動(dòng)過程分析前已指出,設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近理想起動(dòng)過程,因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí),有必要首先探討它的起動(dòng)過程。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓U*n由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí),轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過程如圖4.3.1。IdL Id n n* Idm OOIIIIIIt4 t3 t2 t1 圖4.3.1調(diào)節(jié)器冬天過程示意圖對其起動(dòng)過程

30、的分析,由于在起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況,整個(gè)動(dòng)態(tài)過程就分成I、II、III三個(gè)階段。第I階段(電流上升階段)。突加給定電壓后,經(jīng)過兩個(gè)調(diào)節(jié)器的跟隨作用,、都跟著上升,但是在沒有達(dá)到負(fù)載電流以前,電動(dòng)機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)后,電動(dòng)機(jī)開始起動(dòng)。由于機(jī)電慣性的作用,轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長,因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓仍較大,其輸出電壓保持限幅值,強(qiáng)迫電樞電流迅速上升。直到電流調(diào)節(jié)器很快就壓制了的增長,標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。第II階段(恒流升速階段)。這是起動(dòng)過程中的主要階段。在這個(gè)階段中,ASR始終是飽和的,轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開環(huán),系統(tǒng)成為在恒值電流給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng),基本

31、上保持電流恒定,因而系統(tǒng)的加速度恒定,轉(zhuǎn)速呈線性增長,對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說,E是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量,為了克服它,和也必須基本上按線性增長,才能保持恒定。第III階段(轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段)。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí),轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減小到零,但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值,所以電動(dòng)機(jī)仍在加速,使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后,ASR輸入偏差電壓變負(fù),使它開始退出飽和狀態(tài),和很快下降。但是,只要仍大于負(fù)載電流,轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到時(shí),轉(zhuǎn)矩,則,轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值。此后,電動(dòng)機(jī)開始在負(fù)載的阻力下減速,當(dāng)時(shí),直到穩(wěn)定。215、心得與體會(huì) 通過兩周的課程設(shè)計(jì),我首先對直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有了更深的認(rèn)識,加深了理

32、解,是對課堂所學(xué)知識的一次很好的應(yīng)用。我想無論是在學(xué)習(xí)還是在生活上只有自己有心去學(xué)習(xí)和參與才可能有收獲,這也算是這次設(shè)計(jì)給我的一點(diǎn)小小的感悟。以前一直覺得理論知識離我們很遠(yuǎn),經(jīng)過課程設(shè)計(jì),才發(fā)現(xiàn)理論知識與生活的聯(lián)系。這大大激發(fā)了我學(xué)習(xí)書本知識的興趣。再者我們學(xué)習(xí)的是工科,不單純只是理論方面的的工作,還應(yīng)該考慮到實(shí)際情況。本課題在查找了大量資料的基礎(chǔ)上完成。由于直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)屬于多環(huán)控制系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)時(shí)采用由內(nèi)向外,一環(huán)包圍一環(huán)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。每一閉環(huán)都設(shè)有本環(huán)的調(diào)節(jié)器,構(gòu)成一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng)。在具體設(shè)計(jì)時(shí),先從內(nèi)環(huán)(電流環(huán))開始,根據(jù)電流控制要求,把電流環(huán)校正為典系統(tǒng),按照調(diào)節(jié)對象選擇調(diào)節(jié)器及其

33、參數(shù)。設(shè)計(jì)完電流環(huán)后,就把電流環(huán)等效成一個(gè)小慣性環(huán)節(jié),作為轉(zhuǎn)速環(huán)的一個(gè)組成部分,然后用同樣的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)。每個(gè)環(huán)的設(shè)計(jì)都是把該環(huán)校正成典型系統(tǒng),以便獲得預(yù)期的性能指標(biāo)。設(shè)計(jì)完后再結(jié)合雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本工作原理確定兩個(gè)調(diào)節(jié)器的限幅值??傊?,在設(shè)計(jì)過程中,我不僅學(xué)到了以前從未接觸過的新知識,而且學(xué)會(huì)了獨(dú)立的去發(fā)現(xiàn),面對,分析,解決新問題的能力,不僅學(xué)到了知識,又鍛煉了自己的能力,使我受益非淺。參考文獻(xiàn)1、電力電子技術(shù)(第5版) 王兆安 劉進(jìn)軍 主編 機(jī)械工業(yè)出版社2、自動(dòng)控制原理 王萬良 編著 高等教育出版社3、電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)(第3版) 李發(fā)海 王巖 編著 清華大學(xué)出版社4、運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)

34、指導(dǎo)書 武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院教務(wù)處5、自動(dòng)控制理論(第2版)夏得砛 翁貽方 機(jī)械工業(yè)出版社6、電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(第4版) 陳伯時(shí) 阮毅 主編 機(jī)械工業(yè)出版社7、電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 第2版 陳伯時(shí) 機(jī)械工業(yè)出版社附錄、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)總體電路原理圖課程設(shè)計(jì)成績評定表姓 名趙偉學(xué) 號10212408114專業(yè)、班級自動(dòng)化1081課程設(shè)計(jì)題目:雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)質(zhì)疑記錄:1因?yàn)樨?fù)載擾動(dòng)動(dòng)作在電流環(huán)之后,因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。電流環(huán)對負(fù)載沒有調(diào)節(jié)作用。2準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)是設(shè)計(jì)思想上的時(shí)間最優(yōu)設(shè)計(jì),但不是真正的時(shí)間最優(yōu),因?yàn)樵趩?dòng)過程,兩個(gè)階段中電流不能突變,所以不可能在啟動(dòng)的一瞬間電流達(dá)到最大值,所以實(shí)際啟動(dòng)過程與理想之間有點(diǎn)差距,因而稱為準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)。3在啟動(dòng)的第二階段,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須超調(diào),輸入偏差變負(fù),轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出飽和,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器作用。成績評定依據(jù):態(tài)度認(rèn)真,組織紀(jì)律性好(20分)設(shè)計(jì)說明書文理通順,工整(10分)設(shè)計(jì)方案合理,論證充分(20分)設(shè)計(jì)資料齊全,格式規(guī)范(10分)獨(dú)立完成任務(wù),無原理性錯(cuò)誤(20分)答辯(20分)總 分:最終評定成績(以優(yōu)、良、中、及格、不及格評定)指導(dǎo)教師簽字: 年 月 日

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