帶電流截止負反饋的轉(zhuǎn)速閉環(huán)的數(shù)字式可逆

1、 湖南科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院課程設(shè)計報告題 目：帶電流截止負反饋的轉(zhuǎn)速閉環(huán)的數(shù)字式可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真與設(shè)計專 業(yè)：電氣工程及其自動 班 級： 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 吳新開 課程設(shè)計任務(wù)書題 目帶電流截止負反饋的轉(zhuǎn)速閉環(huán)的數(shù)字式可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真與設(shè)計設(shè) 計 時 間17周周一至18周周五設(shè) 計 目 的：應(yīng)用所學(xué)的交、直流調(diào)速系統(tǒng)的基本知識與工程設(shè)計方法，結(jié)合生產(chǎn)實際，確定系統(tǒng)的性能指標(biāo)與實現(xiàn)方案，進行運動控制系統(tǒng)的初步設(shè)計。應(yīng)用計算機仿真技術(shù)，通過在MATLAB軟件上建立運動控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對控制系統(tǒng)進行性能仿真研究，掌握系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。在原理設(shè)計與仿真研究的

2、基礎(chǔ)上，應(yīng)用PROTEL進行控制系統(tǒng)的印制板的設(shè)計，為畢業(yè)設(shè)計的綜合運用奠定堅實的基礎(chǔ)設(shè) 計 要 求：1.應(yīng)詳細敘述控制系統(tǒng)各部件的方案選擇2.應(yīng)詳細敘述控制系統(tǒng)的設(shè)計過程及參數(shù)選擇的理由.3.設(shè)計報告應(yīng)包括控制系統(tǒng)原理圖一份(用A3圖紙),并附系統(tǒng)工作原理說明.4.仿真結(jié)果曲線圖要有性能分析.5.設(shè)計報告應(yīng)有自己的設(shè)計感想.6.設(shè)計報告除應(yīng)交文字版外,還應(yīng)遞交電子版.7.設(shè)計報告必須在1月10日前交.總體方案實現(xiàn)：1 可控電源選擇脈寬調(diào)速系統(tǒng)，即采用直流PWM調(diào)速系統(tǒng)2 主電路選用V-M系統(tǒng)，采用三相橋式全控整流電路，并增加抑制電流脈動的措施，為此設(shè)置平波電抗器。觸發(fā)電路采用三相集成觸發(fā)器。

3、3 確定整流裝置的放大倍數(shù)4 設(shè)計電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，確定其參數(shù)，調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)5 用protel99se繪制主電路原理圖6 系統(tǒng)的matlab仿真運行，確定系統(tǒng)的仿真模型，轉(zhuǎn)速，電流仿真波形指導(dǎo)教師評語： 一、設(shè)計目的應(yīng)用所學(xué)的交、直流調(diào)速系統(tǒng)的基本知識與工程設(shè)計方法，結(jié)合生產(chǎn)實際，確定系統(tǒng)的性能指標(biāo)與實現(xiàn)方案，進行運動控制系統(tǒng)的初步設(shè)計。應(yīng)用計算機仿真技術(shù)，通過在MATLAB軟件上建立運動控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對控制系統(tǒng)進行性能仿真研究，掌握系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。在原理設(shè)計與仿真研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用PROTEL進行控制系統(tǒng)的印制板的設(shè)計，為畢業(yè)設(shè)計的綜合運用奠定堅實的基礎(chǔ)。二、設(shè)計參數(shù)1、

4、直流電動機（1）：輸出功率為:7.5Kw，電樞額定電壓220V電樞額定電流 36A，額定勵磁電流2A額定勵磁電壓110V，功率因數(shù)0.85電樞電阻0.2歐姆，電樞回路電感100mH電機機電時間常數(shù)2S，電樞允許過載系數(shù)1.5額定轉(zhuǎn)速1430rpm2、環(huán)境條件：電網(wǎng)額定電壓:380/220V，電網(wǎng)電壓波動:10%環(huán)境溫度:-40+40攝氏度，環(huán)境濕度:1090%3、控制系統(tǒng)性能指標(biāo)：電流超調(diào)量小于等于5%空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于等于30%調(diào)速范圍D20，靜差率小于等于0.03.三、系統(tǒng)方案選擇1.可控電源選擇直流電動機具有良好的起制動性能在廣泛范圍內(nèi)可實現(xiàn)平滑調(diào)速，在需要高性能可控電

5、力拖動的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。從生產(chǎn)機械要求控制的物理量來看，各種系統(tǒng)往往都通過控制轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的。因而直流調(diào)速系統(tǒng)是最基本的拖動控制系統(tǒng)。直流變電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓所需的可控制電源通常有3種：轉(zhuǎn)電流機組適用于調(diào)速要求不高、要求可逆運行的系統(tǒng)但其設(shè)備多、體積大、費用高、效率低。靜止可控整流器可通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位從而實現(xiàn)平滑調(diào)速且控制作用快速性能好提高系統(tǒng)動態(tài)性能。PWM(脈寬調(diào)制變換器)或稱直流斬波器利用直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變平均電壓，與VM系統(tǒng)相比，PWM系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性：主電路線路簡單，需要的功率器件少，開

6、關(guān)頻率高；電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較??；低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬；若與快速響應(yīng)的電動機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強；功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，道通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率高；直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流高。因此，本設(shè)計應(yīng)選擇脈寬調(diào)速，即采用直流PWM調(diào)速。2.轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理該系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速給定環(huán)節(jié)為Un*,放大倍數(shù)為KP的放大器、移相觸發(fā)器CF、晶閘管整流器和直流電動機M、測速發(fā)電機TG等組成。帶轉(zhuǎn)速負反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性方程為:K=KPKSKa/Ce,KP為放大器放大倍數(shù);KS

7、為晶閘管整流器放大倍數(shù);Ce為電動機電動勢常數(shù); 為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù);R 為電樞回路總電阻。從穩(wěn)態(tài)特性方程2.10 式可以看到,如果適當(dāng)增大放大器放大倍數(shù)KP電機的轉(zhuǎn)速降n 將減小,電動機有更好的保持速度穩(wěn)定的性能。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用 P I 調(diào)節(jié)器，這樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖示于下圖。圖中標(biāo)出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照電力電子變換器的控制電壓Uc為正電壓的情況標(biāo)出的，并考慮到運算放大器的倒相作用。1 電流截止負反饋為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動和堵轉(zhuǎn)時電流過大問題,系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。根據(jù)反饋控制原理,要維

8、持哪一個物理量基本不變,就應(yīng)該引入那個物理量的負反饋。那么引入電流負反饋,應(yīng)該能夠保持電流基本不變,使它不超過允許值。但是這種作用只應(yīng)在起動和堵轉(zhuǎn)時存在,在正常運行時又得取消,讓電流自由地隨著負載增減,這樣的當(dāng)電流大到一定程度時才出現(xiàn)的電流負反饋叫做電流截止負反饋,簡稱截流反饋。為了實現(xiàn)截流反饋,須在系統(tǒng)中引入電流截止負反饋環(huán)節(jié)。如圖1所示,電流反饋信號取自串人電動機電樞回路的小阻值電阻RS,IdRS正比于電流。設(shè)Idcr為臨界的截止電流,當(dāng)電流大于Idcr時將電流負反饋信號加到放大器的輸入端,當(dāng)電流小于Idcr時將電流反饋切斷。為了實現(xiàn)這一作用,須引入比較電壓Ucom。圖1a中利用獨立的直流

9、電源作比較電壓,其大小可用電位器調(diào)節(jié),相當(dāng)于調(diào)節(jié)截止電流。在IdRS與Ucom之間串接一個二極管VD,當(dāng)IdRSUcom時,二極管導(dǎo)通,電流負反饋信號Ui即可加到放大器上去;當(dāng)IdRSUcom時,二極管截止,Ui即消失。顯然,在這一線路中,截止電流Idcr=Ucom/RS。圖2-1b中利用穩(wěn)壓管 VST的擊穿電壓Ubr作為比較電壓,線路要簡單得多,但不能平滑調(diào)節(jié)截止電流值。圖1 電流截止負反饋環(huán)節(jié)圖2 電流截止負反饋環(huán)節(jié)的輸入輸出特性圖3 帶電流截止負反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性電流截止負反饋環(huán)節(jié)的輸入輸出特性如圖2所示,它表明:當(dāng)輸入信號(IdRs-Ucom)為正值時,輸出和輸入相等;當(dāng)(IdR

10、s-Ucom)為負值時,輸出為零。這是一個非線性環(huán)節(jié)(兩段線性環(huán)節(jié)),將它畫在方框中,再和系統(tǒng)的其它部分聯(lián)接起來,即得帶電流截截止負反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖4,圖中Ui表示電流負反饋信號電壓,Un表示轉(zhuǎn)速負反饋信號電壓。圖4 帶電流截止負反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)（轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)）直流調(diào)速系統(tǒng)是一種當(dāng)前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟，適用的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強的優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉(zhuǎn)速負反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但

11、如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截止負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖5-a所示。當(dāng)電流從最大值降低下來以后，電機轉(zhuǎn)矩也隨之減小，因而加速過程必然拖長。在實際工作中,我們希望在電機最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許最大值

12、，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這樣的理想起動過程波形如圖5-b所示，這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動過程 理想快速啟動過程 圖5 調(diào)速系統(tǒng)啟動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動，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，采用某個物理量的負反饋就可以保持該量基本不變1，那么采用電流負反饋就能得到近似的恒流過程。問

13、題是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負反饋，不再靠電流負反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋作用又能使它們作用在不同的階段。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級連接，如圖2-2所示，即把轉(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)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。該雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器

14、ASR和ACR一般都采用PI調(diào)節(jié)器。因為PI調(diào)節(jié)器作為校正裝置既可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行時得到無靜差調(diào)速，又能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；作為控制器時又能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以穩(wěn)和準(zhǔn)為主，采用PI調(diào)節(jié)器便能保證系統(tǒng)獲得良好的靜態(tài)和動態(tài)性能。 圖6三 主電路設(shè)計1 主電路和控制系統(tǒng)確定主電路選用V-M系統(tǒng)，采用三相橋式全控整流電路，并增加抑制電流脈動的措施，為此設(shè)置平波電抗器，總電感量的計算公式為L=0.693U2/Idmin,一般取Idmin為電動機額定電壓的5%-10%。觸發(fā)電路采用三相集成觸發(fā)器。圖7 晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）

15、圖8 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖2 確定整流裝置的放大倍數(shù)1) 為滿足調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，額定負載時的穩(wěn)態(tài)速降為： 2）閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)有的開環(huán)放大系數(shù)： 電動機的電動勢系數(shù)： 則開環(huán)系統(tǒng)額定速降為： 則閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)為： 3）計算轉(zhuǎn)速負反饋環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)和參數(shù) 在轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)包含測速發(fā)電機的電動勢系數(shù)Cetg和其輸出電位器RP2的分壓系數(shù)2，即=2Cetg 根據(jù)測速發(fā)電機的額定數(shù)據(jù)有： 試取2=0.15，如測速發(fā)電機與主電動機直接連接，則在電動機最高轉(zhuǎn)速970r/min時，轉(zhuǎn)速反饋電壓為 穩(wěn)態(tài)時很小，只要略大于即可，現(xiàn)有直流穩(wěn)壓電源為15V，完全能夠滿足給定電壓的需要。因此，取=0

16、.15是正確的。 于是，轉(zhuǎn)速負反饋系數(shù)的計算結(jié)果為： 電位器RP2的選擇方法如下：為了使測速發(fā)電機的電樞電壓降對轉(zhuǎn)速檢測信號的線性度沒有顯著影響，取測速發(fā)電機輸出最高電壓時，其電流約為額定值的20%，則 此時RP2所消耗的功率為： 為了不致使電位器溫度很高，實選電位器的瓦數(shù)應(yīng)為所消耗功率的一倍以上，故可將RP2選為10w，2k的可調(diào)電位器。4）計算運算放大器的放大系數(shù)和參數(shù) 根據(jù)調(diào)速指標(biāo)要求，前已求出閉環(huán)系數(shù)應(yīng)為K165.6，則運算放大器的放大系數(shù)Kp應(yīng)為 ，取Kp為65 運算放大器的參數(shù)計算如下： 根據(jù)所用運算放大器的型號，取，則 晶閘管觸發(fā)整流裝置：三相橋式可控整流電路，整流變壓器Y/Y聯(lián)

17、結(jié)，二次線電壓，電壓放大系數(shù)。1、 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計1） 確定時間常數(shù)A、 整流裝置滯后時間常數(shù)，三相橋式電路的平均失控時間=0.0017s。B、 機電時間常數(shù)，電磁時間常數(shù)。C、 電流濾波時間常數(shù)。三相橋式電路每個波頭的時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應(yīng)有，因此取=2ms=0.002s。D、 電流環(huán)小時間常數(shù)之和。按小時間常數(shù)近似處理，取=+=0.0037s。2） 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計要求電流超調(diào)量，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可以用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 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，各

18、項指標(biāo)都是可以接受的。3） 計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù):。電流環(huán)開環(huán)增益：要求時，應(yīng)取，因此。 于是，ACR的比例系數(shù)為 電流反饋系數(shù)4) 校驗近似條件 電流環(huán)截止頻率：。A、 晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件 滿足近似條件。B、 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。C、 電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件滿足近似條件。5） 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容 按所用運算放大器取，各電阻和電容值為 ，取20。 按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標(biāo)，滿足設(shè)計要求。2、 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計1） 確定時間常數(shù)1 電流環(huán)等效時間常數(shù)1/,由上已取，則2 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)，根據(jù)所用測速

19、發(fā)電機紋波情況，取=0.01s。3 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)，按小時間常數(shù)近似處理，取。2） 選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按照設(shè)計要求，選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為3） 計算轉(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h=5，則ASR的超前時間常數(shù)為轉(zhuǎn)速開環(huán)增益于是，ASR的比例系數(shù)為4） 檢驗近似條件 轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為 A、 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件為，滿足近似條件。B、 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件為，滿足近似條件。5） 計算調(diào)節(jié)器電阻和電容取，則 6） 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時，不能滿足設(shè)計要求。實際上，由于表中是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。由已知有，Ce=0.15Vmin/r，當(dāng)h=5時，查表可得代入式可得能滿足設(shè)計要求。六、系統(tǒng)的MATLAB仿真1、系統(tǒng)仿真模型2、 轉(zhuǎn)速仿真波形