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

1、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)方案1 緒論直流調(diào)速系統(tǒng)，特別是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用最廣的電氣傳動(dòng)裝置之一。在工業(yè)生產(chǎn)中 , 需要高性能速度控制的電力拖動(dòng)場(chǎng)合, 直流調(diào)速系統(tǒng) , 特別是雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)揮著極為重要的作用。廣泛地應(yīng)用于軋鋼機(jī)、冶金、印刷、金屬切削機(jī)床等許多領(lǐng)域的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。它通常采用三相全控橋式整流電路對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行供電，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速， 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，如晶體管、各種線性運(yùn)算電路等，在一定程度上滿足了生產(chǎn)要求。直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)相比，其制造工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高維修困難，需備有直流電源才能使用。 但因直流電動(dòng)機(jī)具有寬廣的調(diào)速范圍， 平滑的

2、調(diào)速特性，較高的過(guò)載能力和較大的起動(dòng)、 制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此被廣泛地應(yīng)用于調(diào)速性能要求較高的場(chǎng)合。 在工業(yè)生產(chǎn)中， 需要高性能速度控制的電力拖動(dòng)場(chǎng)合， 直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)揮著極為重要的作用，高精度金屬切削機(jī)床，大型起重設(shè)備、軋鋼機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)、城市電車等領(lǐng)域都廣泛采用直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。 特別是晶閘管一直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)，、具有自動(dòng)化程度高、控制性能好、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，易于實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是由單閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)的。它通過(guò)轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋， 并構(gòu)成雙閉環(huán)系統(tǒng)。從而有效的改善電機(jī)性能。該系統(tǒng)主要由給定環(huán)節(jié)、 ASR、ACR、觸發(fā)器和整流裝置環(huán)節(jié)、

3、 速度檢測(cè)環(huán)節(jié)以及電流檢測(cè)環(huán)節(jié)組成。 為了使轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋分別起作用，系統(tǒng)設(shè)置了電流調(diào)節(jié)器 ACR和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR。電流調(diào)節(jié)器ACR和電流檢測(cè)反饋回路構(gòu)成了電流環(huán)； 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR和轉(zhuǎn)速檢測(cè)反饋回路構(gòu)成轉(zhuǎn)速環(huán)，稱為雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)一，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)與原理雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是建立在單閉環(huán)自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)上的， 實(shí)際的調(diào)速系統(tǒng)除要求對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整外 , 很多生產(chǎn)機(jī)械還提出了加快啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程的要求 , 這就需要一個(gè)電流截止負(fù)反饋系統(tǒng)。 為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用， 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， 二者之間實(shí)行嵌套連接。 即把轉(zhuǎn)

4、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)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面稱內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面稱外環(huán)。這就構(gòu)成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。圖 1調(diào)速、電流雙閉環(huán)直流調(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)的電路原理圖如圖2 所示。圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)際極性，它們電力電子變換器的控制電壓Uc 為正壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。圖 2 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理二，采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的理由在要求較高的調(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

5、能夠快速克服負(fù)載、電網(wǎng)等干擾。通過(guò)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(guò)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(duì)電樞電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。 以上兩點(diǎn)都涉及電樞電流的控制， 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)。 而且轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在突加給定下的跟隨性能、 動(dòng)態(tài)限流性能和抗擾動(dòng)性能等，都比單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)好。三，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型在工程實(shí)踐中 , 雖然交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 價(jià)格便宜、制造方便、

6、 維護(hù)容易。但由于直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在理論和實(shí)踐上都比較成熟 , 具有極好的運(yùn)行和控制性能 , 在工業(yè)生產(chǎn)中仍占有相當(dāng)?shù)谋壤?, 其雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。由于在起動(dòng)過(guò)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(guò)程就分成圖中標(biāo)明的I 、II 、三個(gè)階段。圖 3雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3 課程設(shè)計(jì)任務(wù)與要求一，課程設(shè)計(jì)指標(biāo)某晶閘管供電的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，整流裝置采用三相橋式電路基本數(shù)據(jù)如下：1，直流電動(dòng)機(jī)： 220V， 136A，1460r/min,Ce0.132V min r , 允許過(guò)載倍數(shù)1.52，晶閘管裝置放大系數(shù)Ks=40;3，電樞回路

7、總電阻 R=0.5;4，時(shí)間常數(shù)：電磁時(shí)間常數(shù)Tl=0.03s;機(jī)電時(shí)間常數(shù) Tm=0.18s;5，電流反饋系數(shù)0.05V A6，調(diào)節(jié)器輸入電阻 R0=20;7，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)0.007Vmin r二，課程設(shè)計(jì)基本要求1，根據(jù)題目的技術(shù)要求， 分析并確定主電路的結(jié)構(gòu)型式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成。2，動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算： 根據(jù)技術(shù)要求， 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正， 確定 ASR調(diào)節(jié)器與 ACR調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)型式及進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定， 并滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的要求。3，繪制 V-M 雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖（要求計(jì)算機(jī)繪圖）。4，要求電流超調(diào)量%5% ，轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超

8、調(diào)i量 n 10% 。試按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，并校驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量的要求能否得到滿足。5，整理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)資料，撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書。4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)按照“先內(nèi)環(huán)后外環(huán)”的設(shè)計(jì)原則， 從內(nèi)環(huán)開(kāi)始， 逐步向外擴(kuò)展。 在這里，首先設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器， 然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。（1）電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)確定時(shí)間常數(shù)：整流裝置滯后時(shí)間常數(shù)；Ts=0.0017s 。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 ，因此取 Toi=2ms=0.002s）。按小時(shí)間常數(shù)近似處理。

9、 T iTsToi0.0037 (Ts 和 Toi 一般都比 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))選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)：根據(jù)設(shè)計(jì)要求：i %5%，可按典型型設(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 :Tl0.03sT i8.110.0037 s計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)：ACR超前時(shí)間常數(shù) i Ti 0.03s ；電流 環(huán) 開(kāi) 環(huán) 時(shí)間 增益 : 要 求 i %5% 時(shí) ，應(yīng) 取 K I K i0.5 ，因此K I0.50.5135.1s1T i0.0037 s所以， ACR的比例系數(shù) : K iK I i R13

10、5.10.03 0.5K s401.0130.05校驗(yàn)近似條件：1電流環(huán)截止頻率 :ciK I135.1s晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：c i即13T s11135.13Ts196.13 0.0017s滿足近似條件； 忽略反電動(dòng)勢(shì)對(duì)電流環(huán)影響的條件：ci31,TmTl即313140.82s 1ci滿足近似條件；TmTl0.18s0.03s 小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件：11ci即3TsToi ，11180.8s 1ci滿足近似條件；30.0017s0.002s按所用運(yùn)算放大器取R0 =40k，各電阻和電容值為RiKi R01.01340k40.52k ，取 40kCii0.033F 0.75F ，取

11、0.75 FRi40 10Coi4Toi40.0023 F 0.2 F ，取 0.2 FR04010含濾波環(huán)節(jié)的PI 型電流調(diào)節(jié)器按上述參數(shù)， 電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為：i4.3%5% ，也滿足設(shè)計(jì)要求。電流調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)：含給定濾波和反饋濾波的模擬式PI 型電流調(diào)節(jié)器原理圖如圖4 所示：圖 4模擬式 PI 型電流調(diào)節(jié)器原理圖（2）轉(zhuǎn)速環(huán)的設(shè)計(jì)確定時(shí)間常數(shù)：電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)12T i20.00370.0074sK 1轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)Ton=0.01s轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理 T n10.0074s 0.01s 0.0174 sTonK I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 ,

12、 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(wú)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 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)，故按典型型系統(tǒng)選用設(shè)計(jì) PI 調(diào)節(jié)器。選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)：n =hT n =50.0174s=0.087s轉(zhuǎn)速開(kāi)環(huán)增益：KNh2122262s 2396.4s 22h T n50.0174ASR的比例系數(shù)：K nh1Ce Tm60.050.1320.1811.72hR T n250.0070.50.0174近似校驗(yàn)轉(zhuǎn)速截止頻率為：cnK NK N n 396.40.087 s 134.5s 11電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為1K I1135.1

13、s 163.7s 1cn滿足簡(jiǎn)化條件3T i30.0037轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為1K I1135.1138.7s1滿足近似條件3Ton3scn0.01計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容，根據(jù)圖所示，取R040k，則：RnK n R011.740k468k取 470kCnn0.087 3F0.185 10 6 F取 0.2uFRn47010Con4Ton40.01F1 F取 1 FR401030含濾波環(huán)節(jié)的PI 型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng) h=5 時(shí)， n37.6%, 不能滿足要求 . 按 ASR退飽和的情況計(jì)算超調(diào)量 :Cmax % 81.2%,CbnCmax 2(z) nN T nCbn* Tm

14、1360.5n 2 81.2% 1.5 0.132 0.0174 8.31% 10% ，滿足設(shè)計(jì)要求。14600.18轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的實(shí)現(xiàn)：含給定濾波和反饋濾波的PI 型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器原理圖如圖5 所示。圖 5含給定濾波與反饋濾波的PI 型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器5 心得體會(huì)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋環(huán)為外環(huán)，其作用是保證系統(tǒng)的穩(wěn)速精度； 電流負(fù)反饋環(huán)為內(nèi)環(huán)，其作用是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)距控制，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)限流以及改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)在突加給定下的跟隨性能、 動(dòng)態(tài)限流性能和抗擾動(dòng)性能等，都比單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)好。雙閉環(huán)能夠快速啟動(dòng)制動(dòng)，能夠快速克服負(fù)載、電網(wǎng)等干擾。就目前來(lái)看，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速電路， 因其具有極高的調(diào)速范圍、 很好的動(dòng)靜態(tài)性能及抗擾性能，在調(diào)速領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 而且雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)因其具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)， 所以在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的制動(dòng)調(diào)速即提高工藝產(chǎn)品的質(zhì)量。 目前，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)已經(jīng)普遍的應(yīng)用到了各類儀器儀表， 機(jī)械重工業(yè)以及輕工業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中。 隨著全球科技日新月異的發(fā)展， 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)總的發(fā)展趨勢(shì)也向著控