雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)(精)

1、1設(shè)計(jì)目的及意義22工作原理32.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成與原理 32.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析 42.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 62.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 62.5 調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計(jì)72.6 速度環(huán)的設(shè)計(jì)92.7 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真 113方案設(shè)計(jì)與論證134 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 144.1 主電路144.2 控制電路 錯(cuò)誤!未定義書簽。4.3 驅(qū)動(dòng)電路144.4 反饋和保護(hù)電路 155系統(tǒng)調(diào)試166心得體會(huì)17參考文獻(xiàn)181 設(shè)計(jì)目的及意義本設(shè)計(jì)從直流電動(dòng)機(jī)的工作原理入手，并詳細(xì)分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。然后按照自動(dòng)控制原理，對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)

2、計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算，利用 Simulink 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。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)。應(yīng)掌握轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本組成及其靜特性；從起動(dòng)和抗擾兩個(gè)方面分析其性能和轉(zhuǎn)速與電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用；應(yīng)用工程設(shè)計(jì)方法解決雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中兩個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)問題，等等。通過對(duì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的了解，使我們能夠更好的掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理

3、論及相關(guān)內(nèi)容，在對(duì)其各種性能加深了解的同時(shí)，能夠發(fā)現(xiàn)其缺陷之處，通過對(duì)該系統(tǒng)不足之處的完善，可提高該系統(tǒng)的性能，使其能夠適用于各種工作場合，提高其使用效率。2工作原理2.1 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成與原理二概生占或匕匕圖2.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)階段，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速（電壓）低于給定值， 速度調(diào)節(jié)器的輸入端存在一個(gè)偏差信號(hào)，經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值,速度調(diào)節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài)，速度調(diào)節(jié)器的輸出 電壓作為電流給定值送入電流調(diào)節(jié)器 ，此時(shí)則以最大電流給定 值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號(hào)，直流電壓迅速上升，電流也隨即 增大直到等于最大給定值,電動(dòng)機(jī)以最大電流恒流加速啟動(dòng)。 電動(dòng)機(jī)的

4、最大電流（堵轉(zhuǎn)電流）可以通過整定速度調(diào)節(jié)器的輸出 限幅值來改變。在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速后，速度調(diào)節(jié)器 輸入端的偏差信號(hào)減小到近于零，速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器退 出飽和狀態(tài)，閉環(huán)調(diào)節(jié)開始起作用。對(duì)負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，速度調(diào)節(jié)器輸入端產(chǎn)生的偏差信號(hào)將隨時(shí)通過速度調(diào)節(jié)器、電流 調(diào)節(jié)器來修正觸發(fā)器的移相電壓 ，使整流橋輸出的直流電壓相 應(yīng)變化，從而校正和補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速偏差。另外電流調(diào)節(jié)器的 小時(shí)間常數(shù)，還能夠?qū)σ螂娋W(wǎng)波動(dòng)引起的電動(dòng)機(jī)電樞電流的變 化進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，可以在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速還未來得及發(fā)生改變時(shí)，迅 速使電流恢復(fù)到原來值,從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉(zhuǎn)速下 運(yùn)行。2.2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性

5、分析分析靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般使存 在兩種狀況：飽和一輸出達(dá)到限幅值，不飽和一輸出未達(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(hào)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入作用使輸入偏差電壓A U在 穩(wěn)態(tài)時(shí)總為零。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)于靜特性來說，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，Un Un n no(2-1)Ui

6、Ui Id(2-2)由第一個(gè)關(guān)系式可得：n "'(2-3)從而得到圖2.2所示靜特Tt曲線的CA段。與此同時(shí)，由于 ASR不飽和，Ui U"可知Id I dm,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Idm Id。一般都是大于額定 電流Idn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Um ,轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(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 靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)：Id 也 Idm(2-4)其中，最大電流1dm取決于電動(dòng)機(jī)的容許過載能力和拖動(dòng)系 統(tǒng)允許的最大加

7、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n n。的情況，因?yàn)槿绻鹡 n。，則Un Un ,ASR將退出飽和狀態(tài)。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于 I dm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速 無靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要的調(diào)節(jié)作用，但負(fù)載電流達(dá)到 I dm時(shí)，對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出 Um*,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)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。 然而，實(shí)際上運(yùn)算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，因此， 靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差，見圖 2.2中虛線。圖2.2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性

8、2.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖首先要畫出雙閉環(huán)直流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-6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：飽和一一輸出達(dá)到限幅值；不飽和一 一輸出未達(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)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽 和時(shí)，PI作用使輸入偏差電壓 U在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是為零。1 邕 K圖2.3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖實(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)于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩 種情況。2.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(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

9、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)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Id顯露出來繪制雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖如下：T：-S*!圖2.4雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2.5 調(diào)節(jié)器的具體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)為雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式全 控整流電路基本數(shù)據(jù)如下：1）晶閘管裝置放大系數(shù)Ks=30;2）電樞回路總電阻 R=0.18Q;3）時(shí)間常數(shù)：電磁時(shí)間常數(shù) T1=0.012s;4）機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm=0.12s;5）調(diào)節(jié)器輸入電阻R0=20Q ;設(shè)計(jì)指標(biāo)：1）靜態(tài)指標(biāo)：無靜差；2）動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流

10、超調(diào)量 5%;空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量 % 15% o計(jì)算反饋關(guān)鍵參數(shù)：心旦0.015 V(3-1)nn1000（rmin）*im3 0.026V A(3-2)(1)確定時(shí)間常數(shù)整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)；Ts=0.0022s o電流濾波時(shí)間常數(shù)：Toi=0.002 s (三相橋式電路每個(gè)波頭是時(shí)間是3.3ms,為了基本濾平波頭，應(yīng)有 Toi=3.33ms,因止匕取 Toi=2ms=0.002s)。按小時(shí)間常數(shù)近似處理。Ti Ts Toi 0.0042(Ts和Toi 一股都比Tl小得多，可以當(dāng)作小慣性群近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié))(2)選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求：，w5%且Ti0.0122

11、.86 100.0042可按典型I型設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性 型的,所以把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成PI型的.檢查對(duì)電源電壓的抗擾性能：Tl0.012s匚3.24 10Ti 0.0037s(3)選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)AC砒前時(shí)間常數(shù)Ti 0.012s；電流環(huán)開環(huán)時(shí)間增益：1X 0.50.5Ki-T i0.0037s1135.1s 1(3-3)ACR勺比但J系數(shù)：Ki Kii R 135.10.012 0.18Ks30 0.0260.37(3-4)(4)校驗(yàn)近似條件電流環(huán)截止頻率：ci =Ki=135.1S-11）品閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件:ci3Ts3 0.0017s196.1 135.1(

12、3-6)滿足近似條件;2）忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件:(3-7)滿足近似條件;(3-8)3）小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件:i 11ci 3 TsToi即(3-9)1 L1_1 113 TsToi =3 ' 0.0017 0.0025161.69s電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：設(shè)計(jì)要求。1ci(3-10)4.3% 5% ,也滿足2.6速度環(huán)的設(shè)計(jì)1）確定時(shí)間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)(3-5)1 2T 2 0.0037 0.0074sKi(3-11)(2)轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù) Ton=0.014s(3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理T n 2T i Ton 0.0074 0.014 0.0214sn

13、 i(3-12)2)選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按跟隨和抗擾性能都能較好的原則 ，在負(fù)載擾動(dòng)點(diǎn)后已經(jīng) 有了一個(gè)積分環(huán)節(jié)，為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，還必須在擾動(dòng)作用點(diǎn) 以前設(shè)置一個(gè)積分環(huán)節(jié)，因此需要R由設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必 須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型R型系統(tǒng)一選用設(shè)計(jì) PI調(diào)節(jié)器。典型n型系統(tǒng)階躍輸入跟隨性能指標(biāo)見附錄表三。3)選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)n hT n 50.0214 0.107s(3-13)轉(zhuǎn)速開環(huán)增益:h 1K N-2h 2T n512F2262.03 s250.0214(3-14)ASR的比例系數(shù):/ h 1 CeTmK n2h RT n6 0.026 0.2 0.122 5 0.015 0.18 0

14、.02146.48(3-15)(4)近似校驗(yàn)轉(zhuǎn)速截止頻率為:KN KcnKN n1262.03 0.107s 128.03s 1(3-16)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件:5T5 0.0037154.05s 1cn(3-17)(5)檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，n 37.6% ,不能滿足要求.按ASR退飽和的情況計(jì)算超調(diào)量:C-m% 81.2%, nnCbId R 305 0.18Ce0.2274.5rmini,潴足設(shè)計(jì)要求。2.7雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真圖藍(lán)線為電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線，綠線為電機(jī)電流曲線。加電流啟 動(dòng)時(shí)電流環(huán)將電機(jī)速度提高，并且保持為最大電流，而此時(shí)速 度環(huán)則不起作用，使轉(zhuǎn)速隨時(shí)間線性變化，上升到飽

15、和狀態(tài)。 進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后，轉(zhuǎn)速換起主要作用，保持轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定。3方案設(shè)計(jì)與論證主電路模塊原理框圖圖3.1雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路圖電流反涓二 i :U-三相電源輸匕三全整主電路模塊的主要功能是通過 PW般換器得到可調(diào)的直流 電壓，為直流電動(dòng)機(jī)供電；檢測(cè)模塊包括轉(zhuǎn)速、電流和溫度的 檢測(cè)，轉(zhuǎn)速和電流檢測(cè)為系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)速和電流負(fù)反饋的信號(hào)； 溫度檢測(cè)的目的是為了保護(hù) PW般換器和電機(jī)；鍵盤、顯示與 報(bào)警模塊（由單片機(jī)控制）負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)速的給定和實(shí)時(shí)顯示，以及 故障的聲光報(bào)警；通信模塊負(fù)責(zé) DS叫PC之間的數(shù)據(jù)通信，實(shí) 現(xiàn)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控；DSPK統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)整個(gè) 系統(tǒng)的管理和控制。4系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4

16、.1主電路電動(dòng)機(jī)的電源控制電路采用橋式整流電路對(duì)三相電源進(jìn)行 整流，整流后通過IGBT對(duì)電機(jī)的電壓進(jìn)行控制，利用電流互感 器對(duì)主電路電流進(jìn)行電流反饋和過電流保護(hù)。為了使電路中的 電流變得更加平緩，故在主電路當(dāng)中加入了平波電抗器，變流 器在最小輸出電流I dmin時(shí)仍能維持電流連續(xù)時(shí)電抗器電感量L按下式計(jì)算。在三相整流橋當(dāng)中 K取1.12,則L=200mH電機(jī)的主電路如圖4.1所示圖4.1主電路電路圖4.2 控制電路氏oT1回一-A0A0圖4.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器PI環(huán)節(jié)電路按所用運(yùn)算放大器取R0=4)kQ,各電阻和電容值計(jì)算如下:R KR0 1.013 40 40.52k(4.1)Ci -L 003

17、0.75 F(4.2)R 40 1000 1084ToiCoi - 0.2 F(4.3)R0按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為 (T i%=4.5%<5%能滿足設(shè)計(jì)要求。4.3 反饋和保護(hù)電路電流反饋與過流保護(hù)電路的主要功能是檢測(cè)主電源輸出的 電流超過某一設(shè)定值時(shí)發(fā)出過流信號(hào)切斷控制屁輸出主電源。電流反饋與過流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)思想是利用電流互感器從 電機(jī)主電路中獲取主電路中電流的參數(shù)并反饋到電流調(diào)節(jié)電路 當(dāng)中，使電路擁有電流反饋和過流保護(hù)的作用。電流反饋與過 流保護(hù)電路如圖所示RP7的滑動(dòng)抽頭端輸出作為電流反饋信號(hào)，從 If端輸出到電流調(diào)節(jié)器，反饋系數(shù)從 RP7中進(jìn)行調(diào)節(jié)。而過流動(dòng)作

18、電流的大小設(shè)定由RP8的滑動(dòng)觸頭位置決定。該電路當(dāng)中設(shè)有過流復(fù)位電流，當(dāng)系統(tǒng)過流后能手動(dòng)進(jìn)行復(fù)位或讓系統(tǒng)通過一段時(shí)間后自動(dòng)復(fù)位，當(dāng)系統(tǒng)過流后能啟動(dòng)報(bào)警裝置，進(jìn)行報(bào)警系統(tǒng)調(diào)試。對(duì)雙閉環(huán)可逆PWMft流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。從鍵盤給 系統(tǒng)輸入給定的轉(zhuǎn)速值,通過系統(tǒng)調(diào)節(jié)和控制，對(duì)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn) 速進(jìn)行測(cè)量，將實(shí)際測(cè)得的轉(zhuǎn)速顯示在LED顯示器上。穩(wěn)態(tài)時(shí) 比較給定值和實(shí)測(cè)值,結(jié)果如表5-1所示。表5-1實(shí)驗(yàn)結(jié)果表設(shè)定 值（轉(zhuǎn) /分）2005001000150002000250030003500測(cè)量值（轉(zhuǎn)/ 分）18248799315061996249830023499利用MATLA顫件得仿真結(jié)果如圖5.1所示圖5.1雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果5 心得體會(huì)通過這次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)課本上的知識(shí)有了一個(gè)更加深入 的了解，通過實(shí)踐加深了我對(duì)理論知識(shí)的了解，也讓我更加懂 得合作的珍貴性。當(dāng)我們拿到課程設(shè)計(jì)題目時(shí)，我們進(jìn)行了明細(xì)的分工，形成了以張凱為組長的責(zé)任