双闭环直流调速控制系统设计.doc

精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除湖南文理学院课程设计报告课程名称： 专业班级： 学生姓名： 石 扬 指导教师： 潘 湘 高 完成时间： 报告成绩： 评阅意见： 评阅教师 日期 湖南文理学院制【精品文档】第 19 页双闭环直流调速控制系统设计目 录1、设计要求62、设计的作用与目的63、所用设备及软件74、系统设计方案74.1、整流电路和整流器件的选择74.2、整流变压器参数的计算84.3、整流器件的保护84.4、平波电抗器参数的计算94.5、触发电路的选择94.6、双闭环直流调速控制系统原理图设计104.6.1、系统的组成104.6.2、系统的电路原理图115、系统硬件设计125.1、直流双闭环调速系统调节器设计125.1.1、获得系统设计对象125.2、电流调节器的设计135.2.1、电流环结构框图的化简135.2.2、电流调节器结构的选择155.2.3、电流调节器的参数计算165.2.4、电流调节器的实现185.3、转速调节器的设计185.3.1、电流环的等效闭环传递函数185.3.2、转速调节器的结构选择195.3.3、选择转速调节器结构215.3.4、计算转速调节器参数215.3.5、计算调节器电阻和电容215.4、转速调节器的实现226、系统软件设计236.1、系统起动过程237、实验调试结果分析247.1、仿真实验247.2.仿真波形分析278、心得体会289、参考文献29 前 言 直流电机调速系统在现代化工业生产中已经得到广泛应用。直流电动机具有良好的起、制动性能和调速性能，易于在大范围内平滑调速，且调速后的效率很高。针对直流电机调速的方法也很多，目前国内外也研究了一些调速的控制器。例如已经用于实际生产的直流电机无极电子调速控制器采用国际先进的IGBT大功率模块器件和独特自行设计的PWM微电子控制技术，以及节能反馈电路和丰富的保护功能控制电路。适用于无轨机车、矿山井下窄轨机车、磨床、木工机械、服装制作、纺织、造纸印刷等场所。该控制器具有调速平稳，安全可靠，提高生产效率；直流电机正反转控制简便；可以与计算机连接控制等特点。直流电动机有三种调速方法，分别是改变电枢供电电压、励磁磁通和电枢回路电阻来调速。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢电压方式为最好，调压调速是调速系统的主要调速方式。1、设计要求设计一个直流电机的转速、电流双闭环控制系统。采用控制电枢电压改变电动机的转速，电枢电压由三相桥式整流电路提供。系统具体参数：直流电机： ，允许过载系数；电机轴上总飞轮力矩：；电枢回路总电阻：；电枢回路总电感：；晶闸管装置放大系数，电动机工作在额定负载下。设计要求：（1） 稳态指标：系统静差率<2%；（2） 动态指标：电流超调量<8%，空载起动到额定转速时超调量 <10%，起动速度快；（3） 基于直流电机基本方程，建立直流电机转速、电流双闭环调（4） 速系统数学模型，给出系统动态结构图；（5） 对系统进行仿真试验与实际调试。2、设计的作用与目的三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。直流调速系统中应用最普通的方案是转速、电流双闭环系统。转速负反馈环为外环，其作用是保证系统的稳速精度。电流负反馈环为内环，其作用是实现电动机的转距控制，同时又能实现限流以及改善系统的动态性能。转速、电流双闭环直流调速系统在突加给定下的跟随性能、动态限流性能和抗扰动性能等，都比单闭环调速系统好。3、所用设备及软件运用了protel 绘制电气原理图，一些简单的图形用画图板和Word中的画图工具画出来，电流调节器、转速调节器等。4、系统设计方案4.1、整流电路和整流器件的选择 目前在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路，其原理图如图1所示，其中阴极连接在一起的三个晶体管（VT1，VT3，VT5）称为共阴极组；阳极连接在一起的三个晶体管（VT4，VT6，VT2）称为共阳极组。三相桥式全控整流电路图4.2、整流变压器参数的计算采用三相双绕组变压器。设计参数如下：U2N=UN=220V；I2N=IN=136A；额定容量：SN=sqr(3)* U2N* I2N=518.23KV·A 三相双绕组变压器原理图4.3、整流器件的保护电力电子器件中不可避免的会发生过电压，会损坏电力电子器件。对于大容量的电力电子装置，可以采用如下图所示的反向阻断式RC电路来限制和吸收过电压。反向阻断式RC电路4.4、平波电抗器参数的计算 负载为直流电动机时，如果出现电流断续则电动机的机械特性将很软。当电流断续时，随着Id的增大，转速n（与反电动势成比例）降落很大，机械特性较软，相当于整流电源的内阻增大。较大的电流峰值在电动机换向时容易产生火花。同时，对于相等的电流平均值，若电流波形底部较窄，则其有效值越大，要求电源的容量也大。为了克服以上缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。总电感：L=TlR=0.002*0.6=1.2mH平波电抗器的电感量：L=L-0.693U2/Idmin=2.74mH4.5、触发电路的选择如图所示的晶体管触发电路，它由V1，V2组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触发脉冲。VD1和R3是为了V1，V2由导通变为截止时脉冲变压器TM释放其储存的能量而设的。为了获得触发脉冲波形中的强脉冲部分，还需适当附加其它电路环节。 晶体管触发电路4.6、双闭环直流调速控制系统原理图设计4.6.1、系统的组成转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广、性能很好的直流调速系统。采用PI调节的单闭环直流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，如果对系统的动态性能要求较高，单闭环系统就难以满足要求了。 图1理想快速启动过程电流和转速波形如图1所示，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在系统中起作用，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）连接，如图2所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外面，称作外环。这就组成了转速、电流双闭环调速系统。图2转速、电流双闭环直流调速系统4.6.2、系统的电路原理图图3直流双闭环调速系统电路原理图为了获得良好的静、动态性能，转速和电路两个调节器一般都采用PI调节器，这样组成的直流双闭环调速系统电路原理图如图3所示。图中ASR为转速调节器，ACR为电流调节器，TG表示测速发电机，TA表示电流互感器，GT是触发电路，UPE是电力电子变换器。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。图中还标出了两个调节器的输出都是带限幅作用的，转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给的电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。5、系统硬件设计5.1、直流双闭环调速系统调节器设计本设计将运用工程设计方法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器。按照设计多环控制系统先内环后外环的一般原则，从内环开始，逐步向外扩展。在双闭环系统中，应该首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统的一个环节，再设计转速调节器。5.1.1、获得系统设计对象根据图3直流双闭环调速系统电路原理图可以方便的绘出系统的稳态结构框图如图4所示。其中为转速反馈系数，为电流反馈系数。图4直流双闭环调速系统的稳态结构框图在考虑双闭环控制的结构的基础上，即可绘出直流双闭环调速系统的动态结构框图，如图5所示。图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电枢电流显示出来。图5直流双闭环调速系统的动态结构框图在实际设计过程中，由于电流检测信号中常含有交流分量，为了不使它影响到调节器的输入，需加低通滤波。这样的滤波环节传递函数可以用一阶惯性环节来表示，其滤波时间常数按需要选定，以滤平电流检测信号为准。然而，在抑制交流分量的同时，滤波环节也延迟了反馈信号的作用，为了平衡这个延迟作用，在给定信号通道上加入一个同等时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。其意义是，让给定信号和反馈信号经过相同的延时，使二者在时间上得到恰当的配合，从而带来设计上的方便。由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，滤波时间常数用表示。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入时间常数为的给定滤波环节。所以直流双闭环调速系统的实际动态结构框图应该与图5有所不同，应当增加滤波环节，包括电流滤波、转速滤波和两个给定信号的滤波环节。如图6所示。图6直流双闭环调速系统的实际动态结构框图5.2、电流调节器的设计5.2.1、电流环结构框图的化简在图6点画线框内的电流内环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流环的影响。在一般情况下，系统的电磁时间常数远小于机电时间常数，因此，转速的变化往往比电流变化慢得多，对电流环来说，反电动势是一个变化慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即。这样，在按动态性能设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，也就算说，可以暂且把反电动势的作用去掉，得到电流环的近似结构框图，如图7所示。可以证明，忽略反电动势对电流环作用的近似条件是：式中 电流环开环频率特性的截止频率。图7忽略反电动势的动态影响时的电流环动态结构框图如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效的移到环内，同时把给定信号改成，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图8所示。 图8等效成单位负反馈系统的电流环动态结构框图最后，由于和一般都比小的多，可以当作小惯性群而近似的看作是一个惯性环节，其时间常数为：则电流环结构框图最终可以简化成如图9所示。简化的近似条件是图9小惯性环节近似处理的电流环动态结构框图5.2.2、电流调节器结构的选择首先考虑把电流环校正成哪一类典型系统。从稳态要求上看，希望电流无静差，可以得到理想的堵转特性，由图9可以看出，采用型系统就够了。再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要因素。为此，电流环应以跟随性能为主，即应选用典型型系统。图9的表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成：式中 电流调节器的比例系数；电流调节器的超前时间常数。为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择则电流环的动态结构框图便成图10所示的典型形式，其中：图10校正成典型型系统的电流环动态结构框图5.2.3、电流调节器的参数计算 5.2.3.1、确定时间常数1）整流装置滞后时间常数。通过表1可得出，三相桥式电路的平均失控时间。2）电流滤波时间常数。根据初始条件有Toi=0.002 s。3）电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取0.0037。表1各种整流电路的失控时间（整流电路形式最大失控时间平均失控时间单相半波单相桥式（全波）三相半波三相桥式、六相半波20106.673.331053.331.675.2.3.2、选择电流调节器结构根据设计要求，按典型型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数：检查对电源电压的抗扰性能：42=7.14，参照表2的典型型系统动态抗扰性能，各项指标都是可以接受的。表2典型型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表3典型型系统跟随性能指标和频域指标与参数的关系参数关系0.250.390.500.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间6.64.73.32.4峰值时间8.36.24.73.6相角稳定裕度76.3°69.9°65.5°59.2°51.8°截止频率0.2430.3670.4550.5690.7865.2.3.3、计算调节器电阻和电容由图11，按所用的运算放大器R0=40K，各电阻和电容值为：Ri=KiR0=0.0018*40=0.072k,取0.07 k.Ci=i/Ri=0.24F，取0.24FCoi=4Toi/Ro=0.25F,取0.25F按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标，满足设计要求。5.2.4、电流调节器的实现含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器原理图如图11所示。图中为电流给的电压，为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压。根据运算放大器的电路原理，可以导出：图11 PI型电流调节器原理图图11 5.3、转速调节器的设计5.3.1、电流环的等效闭环传递函数电流环经简化后可视作转速环的一个环节，由图10可知，电流环的闭环传递函数为忽略高次项，可降阶近似为近似条件式中 转速开环频率特性的截止频率。接入转速环内，电流环等效环节的输入量应为，因此电流环在转速环中应等效成这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似的等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。5.3.2、转速调节器的结构选择用电流环的等效代替图6中的电流环后，整个转速控制系统的动态结构框图如图12所示。图12转速调节器的结构把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改为，再把时间常数为和的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中则转速环结构框图可简化成如图13所示。图13等效成单位负反馈系统和小惯性近似处理的转速环动态结构框图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。现在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因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型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。在理论计算中，线性系统的阶跃超调量较大，但在实际系统中转速调节器的饱和非线性性质会使超调量大大降低。故而，ASR也采用PI调节器，其传递函数为式中 转速调节器的比例系数；转速调节器的超前时间常数。这样，调速系统的开环传递函数为令转速环开环增益为则不考虑负载扰动时，校正后调速系统的动态结构框图如图14所示。上述结果所服从的近似条件归纳为：5.3.3、选择转速调节器结构按照设计要求，选用PI调节器，其传递函数为5.3.4、计算转速调节器参数按照跟随和抗扰性能的原则，取h=5,则ASR的超前时间常数为：n=h*Tn=0.059s转速开环增益：KN=(h+1)/2h2 Tn=19.35s-2于是，ASR的比例系数为Kn=(h+1)CeTm/2hRTn=633图14校正后成典型型系统的转速环的动态结构框图5.3.5、计算调节器电阻和电容根据图15，取R0=40k,则Rn=KnRo=774 k,取770 k。Ce=n/Rn=0.04F,取0.04F；Con=4Ton/Ro=1.4F,取1.4F。根据表4，Cmax/Cb=81.2,此时，n=3.45%<10%,能满足设计要求。表4典型型系统阶跃输入跟随性能指标34567891052.6%43.6%37.6%33.2%29.8%27.2%25.0%23.3%2.402.652.853.03.13.23.33.3512.1511.659.5510.4511.3012.2513.2514.20322111115.4、转速调节器的实现含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器原理图如图15所示，图中为转速给定电压，为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节器的给定电压。与电流调节器相似，转速调节器参数与电阻、电容值的关系为图15含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器6、系统软件设计6.1、系统起动过程直流双闭环调速系统突加给定电压时由静止状态起动时，转速和电流的动态过程图如图16所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成了图中标明的、三个阶段。图16转速和电流的动态过程图图17环调速系统仿真模型流程图7、实验调试结果分析7.1、仿真实验根据图17所示：双闭环系统仿真波形及分析： （4-1） （4-2）调节限度器1将ASR输出限幅值的Upper Limit和Lower Limit进行适当的调节。可得到上升时间最大的波形（=7.7s 限幅值=3.8V）和上升时间最小（=0.7s限幅值=14V）的波形。上升时间最大波形如图18所示： 图18双闭环调速系统上升时间最大波形图上升时间最小波形如图19所示： 图19双闭环调速系统上升时间最小波形图经过双闭环调速系统上升时间最大波形与双闭环调速系统上升时间最小波形对比可知：限幅值越大上升时间越小，限幅值越小上升时间越大；同时值越大，超调越小；值越小，超调越大。在符合设计要求的情况下，经过多次的参数调整，得到一组较好的调节参数，如表5和图20所示：晶闸管放大系数Ks机电时间常数电磁时间常数电流反馈系数转速反馈系数允许过载倍数300. 1s0.01s3V/A0.005vmin/r1.5RASR限幅值0.02s0.002s0.113Vmin/r9.52s6.1VACRASRACR限幅值8.7V0.143135.115.6159.845500.220.01s表5双闭环调速系统调节参数图20 双闭环调速系统波形图由此可得：双闭环调速系统采用PI调节规律，它不同于P调节器的输出量总是正比与其输入量，PI调节器它的输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，是由它后面的环节的需要来决定的。7.2.仿真波形分析从波形中，我们分析可知其起动过程可分三个阶段来分析：第阶段：电流上升阶段。突加给定电压Un*后，通过两个调节器的控制，使Ua，Ud，Ud0都上升。由于机电惯性的作用，转速的增长不会很快。在这一阶段中,ASR由不饱和很快达到饱和,而ACR不饱和,确保电流环的调节作用.第阶段：是恒流升速阶段。从电流升到最大值开始，到转速升到给定值 n*为止，这是起动过程中的重要阶段。在这个阶段，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定Uim*作用下的电流调节系统，基本上保持恒定。因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增长。第阶段：转速调节阶段。在这阶段开始，转速已达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压平衡，输入偏差为零。转速超调后，ASR输入端出现负的偏差电压，使他退出饱和状态，其输出电压的给定电压Ui*立即下降，主电流Id也因而下降。但在一段时间内，转速仍继续上升。达到最大值后，转速达到峰值。此后，电机才开始在负载下减速，电流Id也出现一段小于Id0的过程，直到稳定。在这最后的阶段，ASR和ACR都不饱和，同时起调节作用。根据仿真波形，我们可以对转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用归纳为： 1转速调节器的作用转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。对负载变化起抗扰作用。其输出限幅值决定电机允许的最大电流。2电流调节器的作用作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。对电网电压的波动起及时抗扰的作用。在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。8、心得体会经过这次课程的设计，使我明白了一门课程设计对学好该门课程的重要性。同时也感觉到自己在实践动手能力方面的缺陷与不足，因此我将会在以后的学习和工作中不断来加强这方面的锻炼。这次课程设计的时间虽说是短暂的，但在这几天中我学会了不少的东西，首先对直流双闭环调速系统有了更深的认识，加深了理解，是对课堂所学知识的一次很好的应用。通过这次课程设计，我不仅在知识上有了进一步的巩固和提高，在求学和研究的心态上也有不小的进步。我想无论是在学习还是在生活上只有自己有心去学习和参与才可能有收获，这也算是这次设计给我的一点小小的感悟。以前一直觉得理论知识离我们很远，经过课程设计，才发现理论知识与生活的联系。这大大激发了我学习书本知识的兴趣。再者我们学习的是工科，不单纯只是理论方面的的工作，还应该考虑到实际情况。总之，在设计过程中，我不仅学到了以前从未接触过的新知识，而且学会了独立的去发现，面对，分析，解决新问题的能力，不仅学到了知识，又锻炼了自己的能力，使我受益非浅。9、参考文献1 阮毅, 陈伯时. 电力拖动自动控制系统运动控制系统 M. 4版. 北京：机械工业出版社，2009.2 赵文锋. 基于MATLAB控制系统设计于仿真 M. 西安： 西安电子科技大学版社, 20033 陈群.  双闭环直流调速系统及其动态仿真J. 科技情报开发与经济. 2007(22)4 吴淑娟.  应用MATLAB辅助整定转速、电流双闭环系统调节器参数J. 闽西职业技术学院学报. 2007(02)5 王洪菊,任仲强.  直流调速系统的Matlab的仿真算法研究J. 制造业自动化. 2006(10)6 马志源. 电力拖动控制系统M. 科学出版社, 20047 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