运动控制系统课程设计―转速电流双闭环调速系统

课程设计说明书课程名称：电力拖动自动控制系统设计题目：转速电流双闭环直流调速系统院系：电子信息与电气工程学生姓名：学号：专业班级：指导教师：2011年12月15日转速电流双闭环直流调速系统摘要：转速、电流双闭环直流晶闸管调速系统具有良好的稳态和动态性能，结构简单、工作可靠、设计和调试方便，是性能很好、应用最广泛的直流调速系统。设计中采用工程设计的方法对直流双闭环调速系统的电流和转速两个调节器进行设计，先设计电流调节器，电流调节器、电流检测环节构成电流环，然后将整个电流环看作是转速调节系统的一个环节，再来设计转速调节器，转速调节器、转速检测环节构成转速环，电流环通过电流元件的反馈作用稳定电流，电压换通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。设计遵从确定时间常数、选择调节器结构、计算调节器参数、校验近似条件的步骤一步一步的实现对调节器的具体体设计。之后，再对系统的起动过程进行分析，以了解系统的动态性能。关键词：电流调节器；转速调节器；双闭环；系统；0目录1.设计背景……………………………………………………………………12.设计方案……………………………………………………………………12.1设计任务……………………………………………………………12.2方案设计……………………………………………………………………12.3方案选择……………………………………………………………………23.方案实施…………………………………………………………………33.1硬件原理图设计…………………………………………………………33.2过电压保护设计…………………………………………………………53.3过电流保护和di/dt限制…………………………………………………53.4触发电路…………………………………………………………………64.控制电路设计………………………………………………………………74.1系统组成……………………………………………………………………74.2系统的电路原理图………………………………………………………75直流双闭环调速系统调节器设计………………………………………86电流环与转速环的设计…………………………………………………96.1电流调节器的设计………………………………………………………96.2转速调节器的设计………………………………………………………117系统仿真………………………………………………………………128心得体会………………………………………………………………129参考···········································································1811.设计背景转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能很好、应用最广的直流调速系统。采用PI调节的单个转速闭环调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是对系统的动态性能要求较高的系统，单闭环系统就难以满足需要了。为了实现在允许条件下的最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。所以，我们希望达到的控制：启动过程只有电流负反馈，没有转速负反馈；达到稳态转速后只有转速负反馈，不让电流负反馈发挥作用。故而采用转速和电流两个调节器来组成系统。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可以在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再把电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上来说，电流环在里面，称作内环；转速换在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。2.方案设计2.1设计任务直流电动机设计双闭环直流晶闸管调速系统，技术要求如下：直流他励电动机：功率Pe＝145KW，额定电压Ue=220V，额定电流Ie=6.5A，磁极对数P=1，ne=1500r/min,，励磁电压220V，电枢绕组电阻Ra=3.7Ω，电路总电阻R＝7.4Ω，L∑＝37.22mH（电枢电感、平波电感和变压器电感之和），电磁系数Ce=0.138Vmin／r，Ks=27，电磁时间常数Tl=0.033ms，机电时间常数Tm=0.26ms，滤波时间常数Ton=0.001s，Toi=0.0031s，过载倍数λ＝1.5，电流给定最大电压值8V，速度给定最大电压值10V。2.稳态指标：无静差；动态指标：电流超调量σi％≤5%；空载起动到额定转速时的转速超调σn％10％。2.2方案设计方案一：单闭环直流调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统，它能2够随着负载的变化而相应的改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化，所以相对开环系统它能够有效的减少稳态速降。当反馈控制闭环调速系统使用带比例放大器时，它依靠被调量的偏差进行控制的，因此是有静差率的调速系统，而比例积分控制器可使系统在无静差的情况下保持恒速，实现无静差调速。在电动机轴上装一台测速发电机SF,引出与转速成正比的电压Uf与给定电压Ud比较后,得偏差电压ΔU,经放大器FD,产生触发装置CF的控制电压Uk,用以控制电动机的转速,如图1所示：图1方案二：双闭环直流调速系统该方案主要由给定环节、ASR、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。电流调节器ACR和电流检测反馈回路构成了电流环；转速调节器ASR和转速检测反馈回路构成转速环，称为双闭环调速系统。因转速换包围电流环，故称电流环为内环，转速环为外环。在电路中，ASR和ACR串联，即把ASR的输出当做ACR的输入，再由ACR得输出去控制晶闸管整流器的触发器。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用具有输入输出限幅功能的PI调节器，且转速和电流都采用负反馈闭环。该方案的原理框图如图2.2所示。图22.3方案选择方案一采用的单闭环调速系统中，用一个调节器综合多种信号，各参数间相互影响，难于进行调节器的参数调速。例如，在带电流截止负反馈的转速负反馈的单闭环系统中，同一调节器担负着正常负载时的速度调节和过载时的电流调节，调节器的动态参数无法电压电流检测ASRACR整流触发装置电动机负载速度检测电压放大器整流触发装置电动机负载速度检测3保证两种调节过程均具有良好的动态品质。方案二采用双闭环转速电流调节方法，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统，虽然相对成本较高，但保证了系统的可靠性能，保证了对生产工艺的要求的满足，既保证了稳态后速度的稳定，同时也兼顾了启动时启动电流的动态过程。在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好的满足了生产需求，因此本次设计选择方案二。3.方案实施3.1硬件原理图设计整个系统由转速给定电路、转速检测电路、电流检测电路、整流及晶闸管保护电路、部分构成。1、转速给定电路转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号，滤除交流分量，为系统提供满足要求的转速反馈信号。转速检测电路主要由测速发电机组成，将测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号，经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系统，如图3所示：图3转速给定电路2、转速检测电路转速检测电路的主要作用是将转速信号变换为与转速称正比的电压信号，滤除交流分量，为系统提供满足要求的转速反馈信号。转速检测电路主要由测速发电机组成，将测速发电机与直流电动机同轴连接，测速发电机输出端即可获得与转速成正比的电压信号，经过滤波整流之后即可作为转速反馈信号反馈回系统，其原理图如图4所示：4图4转速检测电路3、电流检测电路电流检测电路的主要作用是获得与主电路电流成正比的电流信号，经过滤波整流后，用于控制系统中。该电路主要由电流互感器构成，将电流互感器接于主电路中，在输出端即可获得与主电路电流成正比的电流信号，起到电气隔离的作用，其电路原理图如图5所示：图5电流检测电路4、整流及晶闸管保护电路设计在整流电路中主要是晶闸管的保护问题。晶闸管具有许多优点，但它属于半导体器件，因此具有半导体器件共有的弱点，承受过电压和过电流的能力差，很短时间的过电压和过电流就会造成元件的损坏。为了使晶闸管装置能长期可靠运行，除了合理选择元件外，还须针对元件工作的条件设置恰当的保护措施。晶闸管主要需要四种保护：过电压保护和du/dt限制，过电流保护和di/dt限制，整流电路如图6所示：5图6整流电路及晶闸管保护电路3.2过电压保护设计晶闸管对过电压很敏感，凡是超过晶闸管正常工作是承受的最大峰值电压的都算过电压，当正向电压超过其断态重复峰值值电压一定值时，就会误导通，引发电路故障；当外加的反向电压超过其反向重复峰值电压DRMU一定值时，晶闸管将会立即损坏。因此，必须研究过电压的产生原因及抑制过电压的方法。过电压产生的原因主要是供给的电压功率或系统的储能发生了激烈的变化，使得系统来不及转换，或者系统中原来积聚的电磁能量不能及时消散而造成的。3.3过电流保护和di/dt限制晶闸管不仅有过电压保护，还需要过电流保护。由于半导体器件体积小、热容量小，特别像晶闸管这类高电压、大电流的功率器件，结温必须受到严格的控制，否则将遭至彻底损坏。当晶闸管中流过的大于额定值的电流时，热量来不及散发，使得结温迅速升高，最终将导致结层被烧坏，晶闸管发生过电流的原因主要有：负载端过载或短路；某个晶闸管被击穿短路，造成其他元件的过电流；触发电路工作不正常或受干扰，使晶闸管误触发，引起过电流。晶闸管允许在短时间内承受一定的过电流，所以过电流保护作用就在于当过电流发生时，在允许的时间内将过电流切断，以防止元件损坏。晶闸管过电流的保护措施有下列几种：1.快速熔断器普通熔断丝由于熔断时间长，用来保护晶闸管很可能在晶闸管烧坏之后熔断器还没有熔断，这样就起不了保护作用。因此必须采用专用于保护晶闸管的快速熔断器。快速熔断器用的是银质熔丝，在同样的过电流倍数下，它可以在晶闸管损坏之前熔断，这是晶闸管过电流保护的主要措施。2.硒堆保护硒堆是一种非线性电阻元件，具有较陡的反向特性。当硒堆上电压超6过某一数值后，它的电阻迅速减小，而且可以通过较大的电流，把过电压的能量消耗在非线性电阻上，而硒堆并不损坏。硒堆可以单独使用，也可以和阻容元件并联使用。在本设计中，选用快速熔断器与电流互感器配合进行三相交流电路的一次侧过电流保护，保护原理图7如下：图7一次侧过电流保护电路（1）熔断器额定电压选择：其额定电压应大于或等于线路的工作电压。本课题设计中变压器的一次侧的线电压为380V，熔断器额定电压可选择400V。（2）熔断器额定电流选择：其额定电流应大于或等于电路的工作电流。本课题设计中变压器的一次侧的电流1I221114043.716.1380UIIAU图8熔断器额定电流11.61.616.125.76FUIIA因此，如图8在三相交流电路变压器的一次侧的每一相上串上一个熔断器，按本次设计的设计要求熔断器的额定电压可选400V，额定电流选25A。3.4触发电路晶闸管触发电路的作用是产生符合要求的门极触发脉冲，保证晶闸管在学要的时刻由阻断转为导通。晶闸管触发电路往往包括触发时刻进行控制相位控制电路、触发脉冲的放大和输出环节。常用的晶闸管触发电路如图9，它由V1、V2构成的脉冲放大环节和脉冲变压器TM及附属电路构成的脉冲输出环节两部分组成。当V1、V2导通时，通过脉冲变压器向晶闸管的门极和阴极之间输出出发脉冲。VD1和R3是为了V1、V2由导通变为直截时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设的。为了获得触发脉冲波形中