自動(dòng)控制系統(tǒng)——雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng).doc

自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱：自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 設(shè)計(jì)題目：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 院 系：電氣工程系 班 級(jí)： 設(shè) 計(jì) 者： 學(xué) 號(hào)： 同 組 人： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)時(shí)間：2011年11月 課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)專 業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化班 級(jí)學(xué) 生指導(dǎo)教師題 目電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)子 題雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)間2011年 10 月 31 日 至 2011年11月 11日 共 2 周設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)（論文）的任務(wù)和基本要求，包括設(shè)計(jì)任務(wù)、查閱文獻(xiàn)、方案設(shè)計(jì)、說(shuō)明書(shū)（計(jì)算、圖紙、撰寫(xiě)內(nèi)容及規(guī)范等）、工作量等內(nèi)容。1. 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器（ASR，ACR）具有抗干擾濾波能力，典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。2. 電流調(diào)節(jié)器ACR具有很強(qiáng)的調(diào)節(jié)能力，按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。3. 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無(wú)靜差。4. 動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量i15%；空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n10%。參數(shù)選擇：基本參數(shù)如下：直流電動(dòng)機(jī)：220V，136A，1460r/min，Ce=0.127Vmin/r，允許過(guò)載倍數(shù)=1.5。晶閘管裝置放大系數(shù)：Ks=35。電樞回路總電阻：R=0.2。時(shí)間常數(shù)：Tl=0.03s，Tm=0.18s。電流反饋系數(shù)：=0.05V/A（10V/1.5Inom）。轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：=0.007Vmin/r（10V/Nnom）。指導(dǎo)教師簽字： 系（教研室）主任簽字：年 月 日目 錄目 錄4摘 要5一、設(shè)計(jì)任務(wù)與分析6二、調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)7三、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性8四、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型10五、調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)105.1電流調(diào)節(jié)器105.1.1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)105.1.2電流調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇115.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器125.2.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)125.2.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇13六、反饋環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)146.1轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路設(shè)計(jì)146.2電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)15七、 觸發(fā)電路157.1KJ004157.2KJ04115八、設(shè)計(jì)心得16九、參考書(shū)目16摘 要直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能很好，具有調(diào)速范圍廣、精度高、動(dòng)態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，所以在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。直流雙閉環(huán)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。本文對(duì)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，對(duì)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理進(jìn)行了一些說(shuō)明，介紹了其主電路、檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)以及一些參數(shù)的選擇和計(jì)算，使其滿足工程設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)。關(guān)鍵詞：直流雙閉環(huán) 調(diào)速系統(tǒng) 電流調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 KJ004 KJ041直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)任務(wù)與分析直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從控制的角度來(lái)看，直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以應(yīng)該首先掌握直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是比較基礎(chǔ)比較容易掌握的，它可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。原因是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過(guò)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(guò)程，采用電流負(fù)反饋就可以得到近似的恒流過(guò)程。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(wèn)題。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)，所以掌握直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)對(duì)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(lái)完成直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中包括繪制該調(diào)速系統(tǒng)的原理圖，對(duì)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)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需先對(duì)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)。二、調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)直流雙閉環(huán)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，且都帶有輸出限幅電路。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓決定了電流給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓限制了電力電子變換器的最大輸出電壓。由于調(diào)速系統(tǒng)的主要被控量是轉(zhuǎn)速, 故把轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成的環(huán)作為外環(huán), 以保證電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確跟隨給定電壓, 把由電流負(fù)反饋組成的環(huán)作為內(nèi)環(huán), 把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE，這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。如圖1所示：圖1 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。其原理圖如圖2所示：圖2 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖直流雙閉環(huán)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(cè)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(duì)生產(chǎn)機(jī)械的不利影響。三、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性Ks a 1/CeU*nUctIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R b ACR-UiUPE圖3：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：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，相當(dāng)與使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)太時(shí)總是為零。實(shí)際上，在正常運(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，對(duì)靜特性來(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和這時(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，因此，= = （1-1）= = （1-2）由式（1-1）可得：n=從而得到靜特性曲線的CA段。與此同時(shí)，由于ASR不飽和，可知，這就是說(shuō)，CA段特性從理想空載狀態(tài)的Id=0一直延續(xù)到=。而，一般都是大于額定電流的。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是一條水平的特性。2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時(shí)，ASR輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開(kāi)環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成了一個(gè)電流無(wú)靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)：= （1-3）其中，最大電流取決于電動(dòng)機(jī)的容許過(guò)載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加速度，由上式可得靜特性的AB段，它是一條垂直的特性。這樣是下垂特性只適合于的情況，因?yàn)槿绻瑒t，ASR將退出飽和狀態(tài)。圖4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性曲線四、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的主要形式仍然是以傳遞函數(shù)或零極點(diǎn)模型為基礎(chǔ)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。圖中和分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，在電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖中必須把電樞電流顯露出來(lái)。U*na Uct-IdLnUd0Un+-b -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E圖5：雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖五、調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)5.1電流調(diào)節(jié)器5.1.1電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器如圖6所示：圖6 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器其中為電流給定電壓，為電流負(fù)反饋電壓，為電力電子變換器的控制電壓。5.1.2電流調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇1.確定時(shí)間常數(shù)1）三相橋式電路的平均失控時(shí)間為。2）電流濾波時(shí)間常數(shù)本設(shè)計(jì)初始條件已給出，即。3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和。2.選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求：穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差,超調(diào)量，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)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：電磁時(shí)間常數(shù)。檢查對(duì)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)系表格，可知各項(xiàng)指標(biāo)都是可以接受的。3.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)：。電流環(huán)開(kāi)環(huán)增益：要求時(shí)，應(yīng)取，因此ACR的比例系數(shù)為4.檢驗(yàn)近似條件電流環(huán)截至頻率：1） 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件滿足近似條件。2） 忽略反電動(dòng)勢(shì)變化對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件滿足近似條件。3） 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)器電阻和電容由圖6，按所用運(yùn)算放大器取，各電阻和電容值為，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。5.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器5.2.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖7所示：圖7 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器其中為轉(zhuǎn)速給定電壓，為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，：調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。5.2.2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)2）轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)本設(shè)計(jì)初始條件已給，即3）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)2.選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為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)為轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益ASR的比例系數(shù)為4.檢驗(yàn)近似條件轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為滿足簡(jiǎn)化條件。2）轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為滿足簡(jiǎn)化條件。5.計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容取，則，取，取，取6.校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量 當(dāng)時(shí)，不能滿足設(shè)計(jì)要求。應(yīng)按ASR退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。7. 按ASR退飽和重新計(jì)算超調(diào)量過(guò)載倍數(shù)能滿足設(shè)計(jì)要求。六、反饋環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)6.1轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)可把接到一個(gè)測(cè)速發(fā)電機(jī)上即可檢測(cè)轉(zhuǎn)速，如圖8所示：圖8 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路 圖9 電流檢測(cè)電路6.2電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)使用霍爾電流傳感器可以檢測(cè)電流，把接到霍爾傳感器上。霍爾效應(yīng)傳感器，可以測(cè)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9所示.7、 觸發(fā)電路7.1 KJ004電路采用雙列直插C16白瓷和黑瓷兩種外殼封裝,外形尺寸按電子工業(yè)部部頒標(biāo)準(zhǔn)。半導(dǎo)體集成電路外形尺寸SJll0076功 能輸出空鋸齒波形成-Vee(1k)空地同步輸入綜合比較空微分阻容封鎖調(diào)制輸出+Vcc引線腳號(hào)1 23 45 6789101112131415167.2 KJ041六路雙脈沖形成器是三相全控橋式觸發(fā)線路中必備的電路，它具有雙脈沖形成和電子開(kāi)關(guān)的功能。使用兩塊有電子開(kāi)關(guān)控制的KJ041電路組成邏輯控制，適用于正反組可逆系統(tǒng)。電參數(shù)如下：電源電壓：直流+15V，允許波動(dòng)5(10功能正常)電源電流：20mA。輸出脈沖：a 脈沖幅度：1V。b最大輸出能力：20mA(流出脈沖電流)。 輸入端二極管反壓：30V。 制端正向電流：3mA。 內(nèi)部原理圖如下： 八、設(shè)計(jì)心得本文是對(duì)雙閉環(huán)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)兩周的努力對(duì)該電路有了較為深入的研究，也進(jìn)一步熟悉了雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、工作原理及各個(gè)器件的作用和設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的主要工作是設(shè)計(jì)直流調(diào)速控制器的電路，設(shè)計(jì)的電路都是模擬電路，詳細(xì)地介紹了器件的保護(hù)、電流調(diào)調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器以及晶閘管的觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)過(guò)程，當(dāng)然還有其它電路的設(shè)計(jì)，最后得到整個(gè)調(diào)速控制的電路原理圖。在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，并與有共同設(shè)計(jì)內(nèi)容的同學(xué)交流，分析、整理和研究課題，先確立了設(shè)計(jì)基本思路，遇到問(wèn)題及時(shí)與指導(dǎo)老師溝通，在老師的指點(diǎn)和自己的努力，最后完成了整個(gè)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中，通過(guò)查閱書(shū)籍，在了解的情況下運(yùn)用公式按要求設(shè)計(jì)出所要的系統(tǒng)。照搬理論會(huì)發(fā)現(xiàn)做出來(lái)的設(shè)計(jì)結(jié)果