直流双闭环有环流可逆调速系统设计

1课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：题目:直流双闭环有环流可逆调速系统设计初始条件：1.直流电动机额定参数为：UN＝220V，IN＝136A，Ce＝0.132v.min/r，Ra＝0.5Ω2.电机过载倍数λ＝1.5，Ks＝40，Tl＝0.03s，Tm＝0.18s，调节α＝0.07v.min/r,β=0.05v/A3.测速发电机参数：23W，110V，0.21A，1900r/min，永磁式4.主电路采用三相全控桥，反并联连接，进线交流电源：三相380V要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，说明书撰写等具体要求）1.转速调节器ASR及电流调节器ACR的设计2.转速反馈和电流反馈电路设计3.集成触发电路设计4.主电路及其保护电路设计课程设计说明书应严格按统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。满足如下要求：1．采用α＝β配合控制，能够实现可逆运行，转速和电流稳态无差，电流超调量小于5％，转速超调量小于10％。2.对系统设计方案的先进性、实用性和可行性进行论证，说明系统工作原理。3.画出单元电路图，说明工作原理，给出系统参数计算过程。4.画出整体电路原理图，图纸、元器件符指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日引言220世纪60年代发展起来的电力电子技术，使电能可以变换和控制，便产生了现代各种高效、节能的新型电源和交直流调速系统，为工业生产自动化，楼宇、办公自动化等提供了技术基础；提高了市场效率和改善了人们的生活质量，使人类社会生产、生活发生了翻天覆地的变化。随着新型电力电子器件和先进控制技术的不断发展，运动控制系统及电力电子装置的性能也将不断地优化和被改善。由这种变化而产生的影响将会越来越明显。如今，晶闸管－电动机调速系统（简称V-M系统）已经成为直流调速系统的主要形式。在许多大型的钢铁行业和材料生产行业中，为获得良好的控制性能，大量使用直流电动机调速系统，尤其是直流双闭环调速系统，它具有调速性能好，调速范围宽，动态性能好等优点。此次，我就选择用逻辑无环流控制的可逆晶闸管－电动机调速系统来调节电动机的速度以满足生产工艺要求。运动控制系统是自动化专业的主干专业课，具有很强的系统性、实践性和工程背景。运动控制系统课程设计的目的在于培养学生运用本课程的知识和理论来分析和解决运动控制系统设计的实际问题，使学生建立正确的设计思路，并掌握实际工程设计的方法及其规范，提高学生查阅文献及正确使用技术资料、标准、手册等工具书的能力；理解、分析、制定设计方案的能力；实验研究及系统调试及编写说明书的能力。我相信通过此次课程设计将大大提高我们将理论应用于生产实际和将生产实际联系理论的能力。目录摘要··············································································11、电流调节器与转速调节器的设计······················································21.1、电流环结构框图的化简·························································231.2、电流调节器的参数计算························································21.3、电流环的校正································································21.4、ASR的设计··································································32、主电路及其保护电路的设计·························································62.1、主电路框图···································································62.2、开关切换的可逆线路··························································62.3、保护电路······································································63、V-M有环流可逆直流调速系统的控制··················································73.1、α=β配合控制原理·····························································73.1.1、环流的概念······························································73.1.2、直流平均环流与配合控制·················································73.2、实现α=β配合控制·················································83.3、α=β配合控制中的瞬时脉动环流及其抑制·········································84、触发装置的设计····································································94.1、触发装置的应用·······························································94.2、触发电路的设计······························································95、自然环流可逆调速系统原理框图·····················································105.1、有环流可逆V-M系统的原理框图················································106、总结············································································127、参考文献········································································13附录··············································································141摘要直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用Simulink对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路的具体实现。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。采用MATLAB软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计,并用SIMULINK进行动态数字仿真,同时查看仿真波形,以此验证设计的调速系统是否可行.关键词直流调速系统电流调节器转速调节器双闭环有环流可逆系统2直流双闭环有环流可逆调速系统设计1、电流调节器与转速调节器的设计1.1、电流环结构图的简化电流环的动态结构图简化框图如图12所示。根据设计要求电流超调量δi﹪5﹪，并保证稳态电流无静差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性的，因此用PI型电流调节器，其传递函数为：ssKsWiiiACR1)(。式中Ki为电流调节器的比例系数；i为电流调节器的超前时间常数。图12电流环的动态结构图简化框图1.2、电流调节器参数的计算三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.0017s;三相桥式电路每个波头的时间是3.3ms，为了基本滤平波头，应有（1～2）T0i=3.3ms,因此取T0i=0.002s。按小时间常数近似处理，取T∑i=Ts+T0i=0.0037s。电流调节器超前时间常数：i=Tl=0.00888。设计要求δi5﹪，取KIT∑i=0.5,因此KI=0.5/0.0037=135.1s-1=ci。由式子得：得=0.789。1.3、校正后的电流环晶闸管整流装置传递函数的近似条件:1/3Ts=196s-1ci，满足近似条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：lmci13TT=75s-1，满足近似条件。电流环小时间常数近似处理条件：oisci131TT=180.8s-1，满足近似条件。满足所有近似条件。PI型电流调节器如图1所示。按所用运算放大器取R0=40K，各电阻和3电容值为：Ri=KiR0=31.56KCi=i/Ri=0.28FCoi=4Toi/Ro=0.2F图1PI型电流调节器按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为：δi=4.3﹪5﹪满足设计要求。校正后电流环的动态结构如图2所示。图2校正后电流环的动态结构1.4、ASR的设计ACR已经设计好。电流环等效环节的输入量为U*i(s)，输出量为Id(s)，因此电流环在转速环中可等效为。原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。这就表明，电流的闭环控制改造了控制对象，加快了电流的跟随作用，这是局部闭环（内环）控制的一个重要功能。为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前面必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中，现在在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因4此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型Ⅱ型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。转速环的动态结构经过小惯性的近似处理等效成单位负反馈系统如图3所示。从框图可以看出我们接下来要设计ASR。图3转速环的动态结构简化框图技术指标要求实现转速静态无静差，空载起动至额定转速时的转速超调量δn﹪10﹪，所以ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为：ssKsWnnnASR1)(。式中Kn为转速调节器的比例系数；n为转速调节器的超前时间常数。根据测速发动机纹波情况，转速滤波时间常数onT取为0.01s。按小时间常数近似处理，转速环小时间常数为：onIn1TKT=0.0174s。按跟随和抗扰性能都较好的原则，取5h，则ASR的超前时间常数为：nnhT=5s转速开环增益为：2n2N21ThhK=396.4s-2ASR的比例系数为：nmen2)1(RThTChK=4.5校验近似条件：cn=NKn=396.4s-1电流环传递函数简化条件为：iIcn31TK=63.7s-1满足近似条件转速环小时间常数近似处理条件为：onTKIcn31=38.7s-1满足近似条件PI型转速调节器如图4所示。按所用运算放大器取R0=40K，则有：Rn=KnR0=180K5Cn=n/Rn=0.483FCon=4Ton/Ro=1F图16PI型转速调节器空载起动至额定转速时的转速超调量为：）（超调量满足设计要求%,10%62.92*mnNbMAXnTTnn