VM双闭环不可逆直流调速系统

自动控制系统课程设计《自动控制系统》课程设计姓名：学号：指导教师：题目名称：V-M双闭环不可逆直流调速系统设计专业名称：所在学院：时间：自动控制系统课程设计一主电路选型和闭环系统的组成1.1双闭环直流调速系统的组成与原理双闭环直流调速系统的组成和原理如图2.1所示其中包括了三相全空整流电路、调节器、（ASR、ACR)和电动机等。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。因转速换包围电流自动控制系统课程设计环，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所示。1.2设计要求1.直流他励电动机：功率Pe＝22KW，额定电压Ue=220V，额定电流Ie=116A,磁极对数P=2，Ne=1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻Re=0.112Ω,主电路总电阻R＝0.32Ω，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=22，电磁时间常数TL=0.116s，机电时间常数Tm=0.157s，滤波时间常数Ton=Tci=0.00235s，β=0.67V/A，α=0.007Vmin/v，过载倍数λ＝1.5，速度给定最大值10VUn电流给定最大电压值10V，速度给定最大电压值10V。2.稳态无静差，电流超调量σi％≤5%；空载起动到额定转速时的转速超调σe％≤10％。振荡次数N2次。并绘制相关原理图及程序框图。电压电流检测ASRACR整流触发装置电动机负载转度检测自动控制系统课程设计二调速系统主电路元部件的确定2.1转速给定电路设计此电路主要由滑动变阻器构成，调节滑动变阻器即可获得相应大小的给定信号。转速给定电路可以产生幅值可调和极性可变的阶跃给定电压或可平滑调节的给定电压。其电路原理图如图所示。2.2转速检测电路设计此电路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。其原理图如图所示。自动控制系统课程设计2.3电流检测电路设计此电路主要作用是获得与主电路电流成正比的电流信号，经过由电电流互感器构成组成的滤波整流器，用在系统控制中。在主电路输出端即可获取与主电路电流成正比的电流信号，起到电气隔离的作用。其电路原理图如图所示。2.4过电压保护和du/dt和di/dt的限制过电流保护和di/dt限制由于晶闸管的热容量很小，一旦发生过自动控制系统课程设计电流时，温度就会急剧上升可能烧坏PN结，造成元件内部短路或开路。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：快速熔断器、硒堆保护等。自动控制系统课程设计三整流电路参数计算3.12U的计算max22min2cosdTshNUnUUIACUI已知max230dUV（220±10%左右），取1TUV、2n，查表得2.34A，取0.9,min10o,0.05shU,221NII,查表得C＝0.5代入上式得：2230211152.340.9(0.9850.50.05)UV，应用式2(1~1.2)dUUAB，查表得2.34A，取0.9，cos0.985B，2230(1~2)111~1332.340.90.985UV取10.816IK2110UV，电压比123803.45110UKU3.2一次和二次向电流1I和2I的计算由式得11IdIKI，22IdIKI由表得10.816IK，20.816IK，考虑励磁电流和变压器的变比K，根据以上两式得：11221.05/1.050.81647.8/3.4511.80.81647.839IdIdIKIKAIKIA3.3变压器的容量计算111111222222123338011.813.45331103912.8711()(13.4512.87)13.1622SmUIUIKVASmUIUIKVASSSKVA自动控制系统课程设计3.4晶闸管参数选择max2max()1.547.871.72258.5326.41.57NVTVTVTAVIIAIIIAIIA由整流输出电压230dNUUV，进线线电压为110V，晶闸管承受的最大反向电压是变压器二次线电压的电压峰值，即：223269.5RMUUV，晶闸管承受的最大正向电压是线电压的一半，即：21223134.7FMUUV。考虑安全裕量，选择电压裕量为2倍关系，电流裕量为1.5倍关系，所以晶闸管的额定容量参数选择为：2269.55391.526.439.6VTNVTNUVVIAA自动控制系统课程设计四控制电路设计4.1原理图为了获得本设计满足静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。考虑到运算放大器的倒相作用。图为双闭环调速系统的稳态结构图。ACR和ASR的输入、输出信号的极性，要根据触发电路对控制电压的要求而定。若触发器要求ACR的输出Uct为正极性，由于调节器一般为反向输入，则要求ACR的输入Ui*为负极性，所以，要求ASR输入的给定电压Un*为正极性。基本数据直流电动机：22KW、220V、116A、1500r/min、λ＝1.5Ra=0.112ΩCe=0.138Vmin／rT1=0.116sTm=0.157sTon=Toi=0.00235sL∑＝37.22mH自动控制系统课程设计晶闸管装置放大系数：Ks=22电枢回路电阻：R=0.32Ω电流反馈系数:β=0.67V/A（≈10V/1.5IN）转速反馈系数：α=0.007Vmin/v（≈10V/nN）设计要求静态指标：无静差动态指标：电流超调量σi%≤5%，空载启动到而定转速时的转速超调量σn%≤10%系统设计4.2.电流环的设计（1）确定时间常数。①整流装置滞后时间常数Ts,三相桥式整流电路的平均失控时间Ts=0.0017s。②电流滤波时间常数Toi,三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤平波头，应有（1~2）Toi=3.33ms,因此取Toi=0.00235s。③电流环小时间常数TΣi,按小时间常数近似处理，取TΣi=Ts+Toi=0.00405s。（2）确定电流环设计成何种典型系统。根据设计要求σi%≤5%，而且Tl/TΣi=0.116/0.00405=28.6.电流环可按典型Ⅰ型系统设计。（3）电流调节器的结构选择。电流调节器选择PI型，其传递函数为1()iACRiisWsKs（4）选择电流调节器参数。自动控制系统课程设计ACR超前时间常数i=lT=0.116s；电流开环增益：因要求5%i，故应取0.5IiKT，因此KI=123.5。于是，ACR的比例系数为Ki=3.62（5）计算电流调节器的电路参数电流调节器的原理图如图所示。按所用运算放大器，取R0=40KΩ，各电阻和电容值计算如下：Ri=Ki*R0=3.62*40000=145KΩCi=0.116/145=800uFCoi=4*Toi/R0=4*0.00235/40000=235uF（6）校验近似条件。电流环截止频率ci=KI=123.51）校验晶闸管装置传递函数的近似条件是否满足：13cisT，因为所以满足近似条件。2）校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足：13cimlTT，自动控制系统课程设计现在13cimlTT满足近似条件(即123.522.23成立)。3）校验小时间常数的近似处理是否满足条件：113cisoiTT，现在166.8ci,满足近似条件。按照上述参数，电流环满足动态设计指标要求和近似条件。4.3.转速环的设计（1）确定时间常数。①电流环等效时间常数为2TΣi；②转速滤波时间常数Ton，根据所用测速发动机纹波情况，取Ton=0.00235s;③转速环小时间常数TΣn按小时间常数近似处理，取。TΣn=2TΣi+Ton=0.0105s（2）确定将转速环设计成何种典型系统。由于设计要求转速环无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态设计要求，应按典型Ⅱ型系统设计转速环。（3）转速调节器的结构选择。转速调节器选用PI型，其传递函数为1()nASRnnsWsKs（4）选择转速调节器参数。按跟随和抗干扰性能都能较好的原则取h=5，则ASR超前时间常数为0.0525s转速环开环增益为KN=(h+1)/(2*h*h*TΣn*TΣn)=1088于是，ASR的比例系数为Kn=6*0.67*0.138*0.157/10/0.007/0.32/0.0105=45.8（5）计算转速调节器的电路参数。转速调节器原理图如图所示，自动控制系统课程设计按所用运算放大器，取R0=40KΩ，各电阻和电容值计算如下：Rn=KnR0=33.4*40=1336KΩCn=0.0525/Rn=0.0525/1336000=39.3nFCon=4Ton/R0=4*0.00235/40000=235nF（6）校验近似条件。转速环截止频率cn=1088*0.0525=57.11）校验电流环传递函数简化条件是否满足：现在58.2cn,满足简化条件。1132cnoniTT2）校验小时间常数近似处理是否满足，现在76.4cn,满足近似条件。3）校验转速超调量。当h=5时，max81.2%kbCC而n的变量=116*0.32/0.138=269r/min，因此超调量=0.821*2*1.5*269/1500*0.0105/0.157=2.9%10%，能满足设计要求。自动控制系统课程设计五结论双闭环直流调速系统突加给定电压由静止状态启动时由于在启动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。从启动时间上看，第二阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本上实现了电流受限制下的快速启动，用了饱和非线性控利制方法，达到“准时间最优控制”。带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就是转速必超调。在双闭环调速系统中，ASR的作用是对转速的抗扰调节并使之在稳态是无静差，其输出限幅决定允许的最大电流。ACR的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压的波动。启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随电流外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。也可以知道，给定越大，转速的超调越小；电流的恒流加速期越长，（没有做）加微分负反馈，转速的超调减小，n不变，改变PK不影响系统的相对稳定性，不恰当的PK可能造成超调增大或振荡加剧。自动控制系统课程设计KJ004C9C6R18RP3R15RP6R21KJ004C8C5R17RP2R14RP5R2013456789101112131415162KJ004C7C4R16RP1R13RP4R19R10