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自动控制系统——双闭环直流调速系统

自动控制系统课程

设计报告

课程名称:自动控制系统课程设计报告设计题目:双闭环直流调速系统

院系:电气工程系

班级:

设计者:

学号:

同组人:

指导教师:

设计时间:2011年11月

课程设计(论文)任务书

专业电气工程及其自动化班级

学生指导教师

题目电力拖动自动控制系统设计

子题双闭环直流调速系统设计

设计时间2011年 10 月 31 日至 2011年11月 11日共 2 周

设计要求

设计(论文)的任务和基本要求,包括设计任务、查阅文献、方案设计、说明书(计算、图纸、撰写内容及规范等)、工作量等内容。

1. 转速调节器,电流调节器(ASR,ACR)具有抗干扰滤波能力,

典型Ⅱ型系统设计。

2. 电流调节器ACR具有很强的调节能力,按典型Ⅰ型系统设计。

3. 稳态指标:无静差。

4. 动态指标:电流超调量σi≤15%;空载起动到额定转速时的转

速超调量σ

n

≤10%。

参数选择:

基本参数如下:

直流电动机:220V,136A,1460r/min,Ce=0.127Vmin/r,允许过

载倍数λ=1.5。

晶闸管装置放大系数:Ks=35。

电枢回路总电阻:R=0.2。

时间常数:T

l

=0.03s,Tm=0.18s。

电流反馈系数:β=0.05V/A(≈10V/1.5Inom)。

转速反馈系数:α=0.007Vmin/r(≈10V/Nnom)。

指导教师签字:系(教研室)主任签字:

年月日

目录

目录 (3)

摘要 (4)

一、设计任务与分析 (5)

二、调速系统总体设计 (6)

三、双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性 (7)

四、双闭环直流调速系统的动态数学模型 (9)

五、调节器的工程设计 (9)

5.1电流调节器 (9)

5.1.1电流调节器设计 (9)

5.1.2电流调节器参数选择 (10)

5.2转速调节器 (11)

5.2.1转速调节器设计 (11)

5.2.2转速调节器参数选择 (12)

六、反馈环节设计 (13)

6.1转速检测电路设计 (13)

6.2电流检测电路设计 (14)

七、触发电路 (14)

7.1KJ004 (14)

7.2KJ041 (14)

八、设计心得 (15)

九、参考书目 (15)

摘要

直流双闭环调速系统的性能很好,具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点,所以在电气传动系统中得到了广泛的应用。直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 分别调节转速和电流。本文对直流双闭环调速系统的设计进行了分析,对直流双闭环调速系统的原理进行了一些说明,介绍了其主电路、检测电路的设计,详细介绍了电流调节器和转速调节器的设计以及一些参数的选择和计算,使其满足工程设计参数指标。

关键词:直流双闭环调速系统电流调节器转速调节器 KJ004 KJ041

直流双闭环调速系统设计

一、设计任务与分析

直流电动机具有良好的起、制动性能,宜于在大范围内实现平滑调速,在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看,直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础,所以应该首先掌握直流拖动控制系统。

采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统是比较基础比较容易掌握的,它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,例如:要求快速起制动,突加负载动态速降小等等,单闭环系统就难以满足需要。原因是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。为了实现在允许条件下的最快起动,关键是要获得一段使电流保持为最大值

的恒流过程,采用电流负反馈就可以得到近似的恒流过程。怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈,又使它们只能分别在不同的阶段里起作用呢?转速、电流双闭环直流调速系统很好的解决了这个问题。

转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好,应用最广的直流调速系统,采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、电流双闭环直流调速系统的控制规律、性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础,所以掌握直流双闭环调速系统对于电力拖动控制系统的学习有很重要的作用。

本课程设计就要求结合给定的初始条件来完成直流双闭环调速系统的设计,其中包括绘制该调速系统的原理图,对调节器进行工程设计,选择调节器的参数等。要实现直流双闭环调速系统的设计需先对控制系统的组成及工作原理有一定深入的理解,弄清楚调速系统每个组成部分的作用,弄清楚转速环和电流环的工作原理,合理选择调节器的参数以便进行合理的工程设计。

二、调速系统总体设计

直流双闭环调速系统中设置了两个调节器, 即转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR), 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。

两者之间实行嵌套连接,且都带有输出限幅电路。转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值;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。

由于调速系统的主要被控量是转速, 故把转速负反馈组成的环作为外环, 以保证电动机的转速准确跟随给定电压, 把由电流负反馈组成的环作为内环, 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,这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

如图1所示:

自动控制系统——双闭环直流调速系统

图1 直流双闭环调速系统

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PI调节器。这样构成的双闭环直流调速系统。

其原理图如图2所示:

自动控制系统——双闭环直流调速系统

图2 直流双闭环调速系统原理图

直流双闭环调速系统由给定电压、转速调节器、电流调节器、三相集成触发器、三相全控桥、直流电动机及转速、电流检测装置组成,其中主电路中串入平波电抗器,以抑制电流脉动,消除因脉动电流引起的电机发热以及产生的脉动转矩对生产机械的不利影响。

三、双闭环直流调速系统的稳态结构图和静特性

图3:双闭环直流调速系统的稳态结构图

双闭环直流系统的稳态结构图如图3所示,分析双闭环调速系统静特性的关键

是掌握PI 调节器的稳态特征。一般存在两种状况:饱和——输出达到限幅值;不饱和——输出未达到限幅值。当调节器饱和时,输出为恒值,输入量的变化不再影响输出,相当与使该调节环开环。当调节器不饱和时,PI 作用使输入偏差电压U ?在稳太时总是为零。

实际上,在正常运行时,电流调节器是不会达到饱和状态的。因此,对静特性

K s α

1/C e

U *n

U ct I d

E

n

U

d0 U n

+ + -

ASR +

U *i

-I d R R

β

ACR - U i UPE

来说,只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。

1.转速调节器不饱和

这时,两个调节器都不饱和,稳态时,它们的输入偏差电压都是零,因此,

*Un = Un =n ?α=0n ?α (1-1)

*Ui = Ui =d I ?β (1-2)

由式(1-1)可得:n=α*n

U =0n

从而得到静特性曲线的CA 段。与此同时,由于ASR 不饱和,*

Ui <

*im

U 可知

d I

dn I 的。这就是静特性的运行段,它是一条水平的特性。

2.转速调节器饱和

这时,ASR 输出达到限幅值*im

U ,转速外环呈开环状态,转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时:

d I =β*im

U =dm I (1-3)

其中,最大电流

dm I 取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度,由上式

可得静特性的AB 段,它是一条垂直的特性。这样是下垂特性只适合于

0n n ?的情况,因为如果

0n n ?,则*

n

n U U ?,ASR 将退出饱和状态。

自动控制系统——双闭环直流调速系统

图4 双闭环直流调速系统的静特性曲线

四、双闭环直流调速系统的动态数学模型

双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动态结构图。双闭环直流调速系统的动态结构框图如图5所示。图中)(s W ASR 和)(s W ACR 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d I 显露出来。

图5:双闭环直流调速系统的动态结构框图

五、调节器的工程设计

5.1电流调节器 5.1.1电流调节器设计

含给定滤波与反馈滤波的PI 型电流调节器如图6所示:

自动控制系统——双闭环直流调速系统

图6 含给定滤波与反馈滤波的PI 型电流调节器

其中*i U 为电流给定电压,d I β-为电流负反馈电压,c U 为电力电子变换器的控制电压。

U *

n α

U ct -I dL

n

U d0 U n

+ - - β

- U i

W ASR (s)

W ACR (s)

K s

T s

s+1 1/R T l s+1

R T m s

U *i

I d 1/C e

+

E

5.1.2电流调节器参数选择

1.确定时间常数

1)三相桥式电路的平均失控时间为0.0017s T s =。

2)电流滤波时间常数本设计初始条件已给出,即0.002oi T s =。 3)电流环小时间常数之和0.0037i s oi T T T s ∑=+=。 2.选择电流调节器结构

根据设计要求:稳态无静差,超调量5%i σ≤,可按典型I 型系统设计电路调节器。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为:

(1)

()i i ACR i K s W s s

ττ+=

电磁时间常数0.03l T s =。 检查对电源电压的抗扰性能:

0.038.10.0037l i T s T s

∑==,参照典型I 型系统动态抗扰性能指标与参数的关系表格,可知各项指标都是可以接受的。

3.计算电流调节器参数

电流调节器超前时间常数:0.03i l T s τ==。

电流环开环增益:要求5%i σ≤时,应取0.5I i K T ∑=,因此

1

0.50.5135.

10.0037

I i K s T s -∑=

== ACR 的比例系数为135.10.030.2

0.4632350.05

I i i s K R K K τβ??===? 4.检验近似条件

电流环截至频率:1135.1ci I K s ω-== 1)晶闸管整流装置传递函数的近似条件

111196.1330.0017ci s s T s

ω-==>? 满足近似条件。

2)忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件

1113

340.820.180.03ci m l s T T s s

ω-=?=

3)电流环小时间常数近似处理条件

11111180.8330.00170.002ci s oi s T T s s

ω-=?=>?

满足近似条件。 5.计算调节器电阻和电容

由图6,按所用运算放大器取040R k =Ω,各电阻和电容值为

0046324018.5i i R K R k k ==?Ω=Ω,取20k Ω

3

0.03

1.52010i

i i

C F uF R τ=

=

=?,取1.5uF

30440.002

0.24010

oi oi T C F uF R ?=

==?,取0.2uF 按照上述参数,电流环可以达到的动态跟随性能指标为 4.3%5%i σ=<,满足设计要求。 5.2转速调节器 5.2.1转速调节器设计

含给定滤波与反馈滤波的PI 型转速调节器如图7所示:

自动控制系统——双闭环直流调速系统

图7 含给定滤波与反馈滤波的PI 型转速调节器

其中*

n U 为转速给定电压,n α-为转速负反馈电压,*i U :调节器的输出是电流

调节器的给定电压。

5.2.2转速调节器参数选择

1.确定时间常数 1)电流环等效时间常数

1

220.00370.0074i I

T s s K ∑==?= 2)转速滤波时间常数本设计初始条件已给,即0.01on T s = 3)转速环小时间常数1

0.00740.010.0174n on I

T T s s s K ∑=+=+= 2.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

n n n n n 2

n e m n n e m n (1)(1)

()(1)(1)

R

K s K R s W s s C T s T s C T s T s ατατβ

ττβ∑∑++=

?=++ 3.计算转速调节器参数

按跟随和抗扰性能都较好的原则,取5h =,则ASR 的超前时间常数为

50.01740.087n n hT s s τ∑==?=

转速开环增益22

N 2222

n 151396.42250.0174

h K s s h T --∑++=

==?? ASR 的比例系数为e m n n (1)(51)0.050.1270.18

28.22250.0070.20.0174

h C T K h RT βα∑++???===????

4.检验近似条件 转速环截止频率111

396.40.08734.5N

cn N n K K s s ωτω--=

==?=

1)电流环传递函数简化条件为

1

111135.163.7330.0037

I cn i K s s T ω--∑==>

满足简化条件。

2)转速环小时间常数近似处理条件为

1

111135.138.7330.01

I cn on K s s T ω--==>

满足简化条件。 5.计算调节器电阻和电容 取040R k =Ω,则

028.2401126n n R K R k k ==?Ω=Ω,取1.2M Ω

3

0.087

0.077112610

n

n n

C F uF R τ=

=

=?,取0.1uF 3

0440.01

14010on on T C F uF R ?=

==?,取1uF 6.校核转速超调量

当5h =时,37.6%n σ=,不能满足设计要求。应按ASR 退饱和的情况重新计算超调量。

7. 按ASR 退饱和重新计算超调量

过载倍数 1.5λ=

max *1360.2

0.0174

0.1272()()281.2% 1.5 3.45%10%14600.18

N n n b m C n T z C n T σλ∑???=-=????=<

能满足设计要求。

六、反馈环节设计

6.1转速检测电路设计

转速的检测可把n U 接到一个测速发电机上即可检测转速,如图8所示:

TG

U2

Un

RP4

.

图8 转速检测电路 图9 电流检测电路

6.2电流检测电路设计

使用霍尔电流传感器可以检测电流,把

U接到霍尔传感器上。霍尔效应传感器,

i

可以测量任意波形的电流和电压。输出端能真实地反映输入端电流或电压的波形参数。如图9所示.

七、触发电路

7.1 KJ004

电路采用双列直插C—16白瓷和黑瓷两种外壳封装,外形尺寸按电子工业部部颁标准。《半导体集成电路外形尺寸》SJll00—76

自动控制系统——双闭环直流调速系统

功能输出空锯齿波形成 -Vee(1kΩ)空地同步输入综合比较空微分阻容封锁调制输出 +Vcc

引线脚号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

7.2 KJ041

六路双脉冲形成器是三相全控桥式触发线路中必备的电路,它具有双脉冲形成和电子开关的功能。使用两块有电子开关控制的KJ041电路组成逻辑控制,适用于正反组可逆系统。

电参数如下:

电源电压:直流+15V,允许波动±5%(±10功能正常)

电源电流:≤20mA。

输出脉冲:

a.脉冲幅度:≥1V。

b.最大输出能力:20mA(流出脉冲电流)。

输入端二极管反压:≥30V。

制端正向电流:≤3mA。

内部原理图如下:

自动控制系统——双闭环直流调速系统

八、设计心得

本文是对双闭环直流电机调速系统的设计,通过两周的努力对该电路有了较为深入的研究,也进一步熟悉了双闭环直流调速系统的结构形式、工作原理及各个器件的作用和设计。本设计的主要工作是设计直流调速控制器的电路,设计的电路都是模拟电路,详细地介绍了器件的保护、电流调调节器、转速调节器以及晶闸管的触发电路的设计过程,当然还有其它电路的设计,最后得到整个调速控制的电路原理图。

在指导老师的指导下,并与有共同设计内容的同学交流,分析、整理和研究课题,先确立了设计基本思路,遇到问题及时与指导老师沟通,在老师的指点和自己的努力,最后完成了整个设计。设计中,通过查阅书籍,在了解的情况下运用公式按要求设计出所要的系统。

照搬理论会发现做出来的设计结果有点出入,因为理论是不考虑任何的外在原因,是在理想化的情况。而现实它则除了内在不可改变的原因,还有不可避免的外在原因,外在原因可以改变但是智能改善。所以本设计在有限的条件下和本人有限的学识,做出的设计还是存在着一些不足。设计研究是一个漫长的过程,要想让它真正的使用到现实中,还需要不断的改善。

九、参考文献

[1] 电力拖动自动控制系统——运动控制系统. 机械工业出版社

陈伯时2003.7

[2] 电力电子技术. 机械工业出版社

王兆安2000

[3] PWM控制与驱动器使用指南及应用电路. 西安电子科技大学出版社,王

水平2005.5

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