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

自動控制系統(tǒng)課程設計報告課程名稱：自動控制系統(tǒng)課程設計報告 設計題目：雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng) 院 系：電氣工程系 班 級： 設 計 者： 學 號： 同 組 人： 指導教師： 設計時間：2011年11月 課程設計（論文）任務書專 業(yè)電氣工程及其自動化班 級學 生指導教師題 目電力拖動自動控制系統(tǒng)設計子 題雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)設計設計時間2011年 10 月 31 日 至 2011年11月 11日 共 2 周設計要求設計（論文）的任務和基本要求，包括設計任務、查閱文獻、方案設計、說明書（計算、圖紙、撰寫內容及規(guī)范等）、工作量等內容。1. 轉速調節(jié)器，電流調節(jié)器（ASR，ACR）具有抗干擾濾波能力，典型型系統(tǒng)設計。2. 電流調節(jié)器ACR具有很強的調節(jié)能力，按典型型系統(tǒng)設計。3. 穩(wěn)態(tài)指標：無靜差。4. 動態(tài)指標：電流超調量i15%；空載起動到額定轉速時的轉速超調量n10%。參數選擇：基本參數如下：直流電動機：220V，136A，1460r/min，Ce=0.127Vmin/r，允許過載倍數=1.5。晶閘管裝置放大系數：Ks=35。電樞回路總電阻：R=0.2。時間常數：Tl=0.03s，Tm=0.18s。電流反饋系數：=0.05V/A（10V/1.5Inom）。轉速反饋系數：=0.007Vmin/r（10V/Nnom）。指導教師簽字： 系（教研室）主任簽字：年 月 日目 錄目 錄4摘 要5一、設計任務與分析6二、調速系統(tǒng)總體設計7三、雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性8四、雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)數學模型10五、調節(jié)器的工程設計105.1電流調節(jié)器105.1.1電流調節(jié)器設計105.1.2電流調節(jié)器參數選擇115.2轉速調節(jié)器125.2.1轉速調節(jié)器設計125.2.2轉速調節(jié)器參數選擇13六、反饋環(huán)節(jié)設計146.1轉速檢測電路設計146.2電流檢測電路設計15七、 觸發(fā)電路157.1KJ004157.2KJ04115八、設計心得16九、參考書目16摘 要直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的性能很好，具有調速范圍廣、精度高、動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點，所以在電氣傳動系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器, 即轉速調節(jié)器(ASR)和電流調節(jié)器(ACR), 分別調節(jié)轉速和電流。本文對直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的設計進行了分析，對直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的原理進行了一些說明，介紹了其主電路、檢測電路的設計，詳細介紹了電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器的設計以及一些參數的選擇和計算，使其滿足工程設計參數指標。關鍵詞：直流雙閉環(huán) 調速系統(tǒng) 電流調節(jié)器 轉速調節(jié)器 KJ004 KJ041直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)設計一、設計任務與分析直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內實現平滑調速，在許多需要調速或快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。從控制的角度來看，直流拖動控制系統(tǒng)又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎，所以應該首先掌握直流拖動控制系統(tǒng)。采用轉速負反饋和PI調節(jié)器的單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)是比較基礎比較容易掌握的，它可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現轉速無靜差。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動，突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。原因是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能隨心所欲地控制電流和轉矩的動態(tài)過程。為了實現在允許條件下的最快起動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程，采用電流負反饋就可以得到近似的恒流過程。怎樣才能做到這種既存在轉速和電流兩種負反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢？轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)很好的解決了這個問題。轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)是性能很好，應用最廣的直流調速系統(tǒng)，采用轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動態(tài)調速特性。轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的控制規(guī)律、性能特點和設計方法是各種交、直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎，所以掌握直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)對于電力拖動控制系統(tǒng)的學習有很重要的作用。本課程設計就要求結合給定的初始條件來完成直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的設計，其中包括繪制該調速系統(tǒng)的原理圖，對調節(jié)器進行工程設計，選擇調節(jié)器的參數等。要實現直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的設計需先對控制系統(tǒng)的組成及工作原理有一定深入的理解，弄清楚調速系統(tǒng)每個組成部分的作用，弄清楚轉速環(huán)和電流環(huán)的工作原理，合理選擇調節(jié)器的參數以便進行合理的工程設計。二、調速系統(tǒng)總體設計直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器, 即轉速調節(jié)器(ASR)和電流調節(jié)器(ACR), 分別調節(jié)轉速和電流, 即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。兩者之間實行嵌套連接，且都帶有輸出限幅電路。轉速調節(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。由于調速系統(tǒng)的主要被控量是轉速, 故把轉速負反饋組成的環(huán)作為外環(huán), 以保證電動機的轉速準確跟隨給定電壓, 把由電流負反饋組成的環(huán)作為內環(huán), 把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE，這就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。如圖1所示：圖1 直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉速和電流兩個調節(jié)器一般都采用PI調節(jié)器。這樣構成的雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)。其原理圖如圖2所示：圖2 直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)原理圖直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)由給定電壓、轉速調節(jié)器、電流調節(jié)器、三相集成觸發(fā)器、三相全控橋、直流電動機及轉速、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，消除因脈動電流引起的電機發(fā)熱以及產生的脈動轉矩對生產機械的不利影響。三、雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性Ks a 1/CeU*nUctIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R b ACR-UiUPE圖3：雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結構圖如圖3所示，分析雙閉環(huán)調速系統(tǒng)靜特性的關鍵是掌握PI調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和輸出達到限幅值；不飽和輸出未達到限幅值。當調節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，相當與使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。當調節(jié)器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)太時總是為零。實際上，在正常運行時，電流調節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對靜特性來說，只有轉速調節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。1轉速調節(jié)器不飽和這時，兩個調節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，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，由于ASR不飽和，可知，這就是說，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。這就是靜特性的運行段，它是一條水平的特性。2轉速調節(jié)器飽和這時，ASR輸出達到限幅值，轉速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化對系統(tǒng)不再產生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成了一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時：= （1-3）其中，最大電流取決于電動機的容許過載能力和拖動系統(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，因為如果，則，ASR將退出飽和狀態(tài)。圖4 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的靜特性曲線四、雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)數學模型雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數學模型的主要形式仍然是以傳遞函數或零極點模型為基礎的系統(tǒng)動態(tài)結構圖。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖如圖5所示。圖中和分別表示轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器的傳遞函數。為了引出電流反饋，在電動機的動態(tài)結構框圖中必須把電樞電流顯露出來。U*na Uct-IdLnUd0Un+-b -UiWASR(s)WACR(s)Ks Tss+11/RTl s+1RTmsU*iId1/Ce+E圖5：雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的動態(tài)結構框圖五、調節(jié)器的工程設計5.1電流調節(jié)器5.1.1電流調節(jié)器設計含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調節(jié)器如圖6所示：圖6 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調節(jié)器其中為電流給定電壓，為電流負反饋電壓，為電力電子變換器的控制電壓。5.1.2電流調節(jié)器參數選擇1.確定時間常數1）三相橋式電路的平均失控時間為。2）電流濾波時間常數本設計初始條件已給出，即。3）電流環(huán)小時間常數之和。2.選擇電流調節(jié)器結構根據設計要求：穩(wěn)態(tài)無靜差,超調量，可按典型I型系統(tǒng)設計電路調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調節(jié)器其傳遞函數為：電磁時間常數。檢查對電源電壓的抗擾性能：，參照典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數的關系表格，可知各項指標都是可以接受的。3.計算電流調節(jié)器參數電流調節(jié)器超前時間常數：。電流環(huán)開環(huán)增益：要求時，應取，因此ACR的比例系數為4.檢驗近似條件電流環(huán)截至頻率：1） 晶閘管整流裝置傳遞函數的近似條件滿足近似條件。2） 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件滿足近似條件。3） 電流環(huán)小時間常數近似處理條件滿足近似條件。5.計算調節(jié)器電阻和電容由圖6，按所用運算放大器取，各電阻和電容值為，取，取，取按照上述參數，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為，滿足設計要求。5.2轉速調節(jié)器5.2.1轉速調節(jié)器設計含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調節(jié)器如圖7所示：圖7 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉速調節(jié)器其中為轉速給定電壓，為轉速負反饋電壓，：調節(jié)器的輸出是電流調節(jié)器的給定電壓。5.2.2轉速調節(jié)器參數選擇1.確定時間常數1）電流環(huán)等效時間常數2）轉速濾波時間常數本設計初始條件已給，即3）轉速環(huán)小時間常數2.選擇轉速調節(jié)器結構按照設計要求，選用PI調節(jié)器，其傳遞函數為3.計算轉速調節(jié)器參數按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則ASR的超前時間常數為轉速開環(huán)增益ASR的比例系數為4.檢驗近似條件轉速環(huán)截止頻率1）電流環(huán)傳遞函數簡化條件為滿足簡化條件。2）轉速環(huán)小時間常數近似處理條件為滿足簡化條件。5.計算調節(jié)器電阻和電容取，則，取，取，取6.校核轉速超調量 當時，不能滿足設計要求。應按ASR退飽和的情況重新計算超調量。7. 按ASR退飽和重新計算超調量過載倍數能滿足設計要求。六、反饋環(huán)節(jié)設計6.1轉速檢測電路設計轉速的檢測可把接到一個測速發(fā)電機上即可檢測轉速，如圖8所示：圖8 轉速檢測電路 圖9 電流檢測電路6.2電流檢測電路設計使用霍爾電流傳感器可以檢測電流，把接到霍爾傳感器上。霍爾效應傳感器，可以測量任意波形的電流和電壓。輸出端能真實地反映輸入端電流或電壓的波形參數。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)部部頒標準。半導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制輸出+Vcc引線腳號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關的功能。使用兩塊有電子開關控制的KJ041電路組成邏輯控制，適用于正反組可逆系統(tǒng)。電參數如下：電源電壓：直流+15V，允許波動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。 內部原理圖如下： 八、設計心得本文是對雙閉環(huán)直流電機調速系統(tǒng)的設計，通過兩周的努力對該電路有了較為深入的研究，也進一步熟悉了雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的結構形式、工作原理及各個器件的作用和設計。本設計的主要工作是設計直流調速控制器的電路，設計的電路都是模擬電路，詳細地介紹了器件的保護、電流調調節(jié)器、轉速調節(jié)器以及晶閘管的觸發(fā)電路的設計過程，當然還有其它電路的設計，最后得到整個調速控制的電路原理圖。在指導老師的指導下，并與有共同設計內容的同學交流，分析、整理和研究課題，先確立了設計基本思路，遇到問題及時與指導老師溝通，在老師的指點和自己的努力，最后完成了整個設計。設計中，通過查閱書籍，在了解的情況下運用公式按要求設計出所要的系統(tǒng)。照搬理論會發(fā)現做出來的設計結果