运动控制专业课程设计谨供参考.doc

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院 学生姓名： 张 浩 学 号： 0029 专业班级： 级自动化1班 指引教师： 雷慧杰 12 月11 日转速电流双闭环直流调速系统摘 要：此设计运用晶闸管、二极管等器件设计了一种转速、电流双闭环直流晶闸管调速系统。该系统中设立了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件反馈作用保持转速稳定，最后消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速目。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电流内环起重要作用，调节起动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运营时，转速负反馈外环起重要作用，使转速随转速给定电压变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机电枢电流以平衡负载电流。分析双闭环直流调速系统特性。核心词：双闭环，晶闸管，转速调节器，电流调节器， 目 录1前言12设计方案12.1 方案比较12.2 方案论证22.3 方案选取22.4 设计规定23方案实行33.1 转速给定电路设计33.2 转速检测电路设计33.3 电流检测电路设计43.4 整流及晶闸管保护电路设计43.4.1 过电压保护和du/dt限制53.4.2 过电流保护和di/dt限制53.4.3 整流电路参数计算53.5 控制电路设计74 成果与结论115收获与道谢126参照文献121.前言 自70年代以来，国外在电气传动领域内，大量地采用了“晶闸管直流电动机调速”技术（简称KZD调速系统），尽管当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进发展，但在工业生产中KZD系统应用还是占有相称比重。在工程设计与理论学习过程中，会接触到大量关于调速控制系统分析、综合与设计问题。老式研究办法重要有解析法，实验法与仿真实验，其中前两种办法在具备各自长处同步也存在着不同局限性。双闭环（电流环、转速环）调速系统是一种当前应用广泛，经济，合用电力传动系统。它具备动态响应快、抗干扰能力强等长处。咱们懂得反馈闭环控制系统具备良好抗扰性能，它对于被反馈环前向通道上一切扰动作用都能有效加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器单闭环调速系统可以再保证系统稳定条件下实现转速无静差。但如果对系统动态性能规定较高，例如规定起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足规定。这重要是由于在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截止至负反馈环节是专门用来控，制电流。但它只是在超过临界电流值后来，强烈负反馈作用限制电流冲击，并不能很抱负控制电流动态波形。在实际工作中，咱们但愿在电机最大电流限制条件下，充分运用电机容许过载能力，最佳是在过度过程中始终保持电流（转矩）为容许最大值，使电力拖动系统尽量用最大加速度启动，到达稳定转速后，又让电流及时降下来使转矩立即与负载相平衡，从而转入稳态运营。这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长。这是在最大电流转矩条件下调速系统所能得到最快启动过程。2.设计方案2.1方案比较方案一：单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统是指只有一种转速负反馈构成闭环控制系统。在电动机轴上装一台测速发电机SF ,引出与转速成正比电压Uf 与给定电压Ud 比较后,得偏差电压U ,经放大器FD ,产生触发装置CF 控制电压Uk ,用以控制电动机转速,如图2.1所示。放大器整流触发装置负载电压电动机 速度检测图2.1 方案一原理框图 方案二：双闭环直流调速系统该方案重要由给定环节、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构成。为了使转速负反馈和电流负反馈分别起作用，系统设立了电流调节器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输出当做ACR输入，再由ACR得输出去控制晶闸管整流器触发器。为了获得良好静、动态性能，转速和电流两个调节器普通都采用品有输入输出限幅功能PI调节器，且转速和电流都采用负反馈闭环。该方案原理框图如图2.2所示。电流检测整流触发装置ASRACR负载电压电动机速度检测 图2.2 方案二原理框图2.2方案论证方案一采用单闭环速度反馈调节时整流电路脉波数m = 2 ,3 ,6 ,12 ，,其数目总是有限,比直流电机每对极下换向片数目要少得多。因而,除非主电路电感L = ,否则晶闸管电动机系统电流脉动总会带来各种影响,重要有:(1) 脉动电流产生脉动转矩,对生产机械不利；(2)脉动电流(斜波电流) 流入电源,对电网不利,同步也增长电机发热。并且晶闸管整流电路输出电压中除了直流分量外,还具有交流分量。把交流分量引到运算放大器输入端,不但不起正常调节作用,反而会产生干扰,严重时会导致放大器局部饱和,从而破坏系统正常工作。方案二采用双闭环转速电流调节办法，虽然相对成本较高，但保证了系统可靠性能，保证了对生产工艺规定满足，既保证了稳态后速度稳定，同步也兼顾了启动时启动电流动态过程。在启动过程重要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，不让电流负反馈发挥重要作用，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运用电机过载能力条件下获得最佳过渡过程，较好满足了生产需求。2.3方案选取1.在单闭环调速系统中用一种调节器综合各种信号，各参数间互相影响，难于进行调节器动态参数调节，系统动态性能不够好。2.系统中采用电流截止负反馈环节来限制启动电流，不能充分运用电动机过载能力获得最快动态响应，即最佳过渡过程。为了获得近似抱负过度过程，并克服几种信号综合于一种调节器输入端缺陷，最佳办法就是将被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，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。因此本文选取方案二作为设计最后方案。2.4设计规定直流电动机设计双闭环直流晶闸管调速系统，技术规定如下：1. 直流她励电动机：功率Pe22KW，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Ra=0.112,，电路总电阻R0.32，L37.22mH（电枢电感、平波电感和变压器电感之和），电磁系数Ce=0.138 Vminr，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=Toi=0.00235s，过载倍数1.5，电流给定最大电压值10V，速度给定最大电压值10V。2. 设计规定：稳态无静差，电流超调量i5%；空载起动到额定转速时转速超调n10。3. 方案实行3.1转速给定电路设计转速给定电路重要由滑动变阻器构成，调节滑动变阻器即可获得相应大小给定信号。转速给定电路可以产生幅值可调和极性可变阶跃给定电压或可平滑调节给定电压。其电路原理图如图3.1所示。 图3.1 转速给定电路原理图3.2转速检测电路设计转速检测电路重要作用是将转速信号变换为与转速称正比电压信号，滤除交流分量，为系统提供满足规定转速反馈信号。转速检测电路重要由测速发电机构成，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电压信号，通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3.2所示。 图3.2 转速检测电路原理图3.3电流检测电路设计电流检测电路重要作用是获得与主电路电流成正比电流信号，通过滤波整流后，用于控制系统中。该电路重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电流信号，起到电气隔离作用。其电路原理图如图3.3所示。 图3.3 电流检测电路原理图3.4整流及晶闸管保护电路设计整流电路如图3.4所示，在整流电路中重要是晶闸管保护问题。晶闸管具备许多长处，但它属于半导体器件，因而具备半导体器件共有弱点，承受过电压和过电流能力差，很短时间过电压和过电流就会导致元件损坏。为了使晶闸管装置能长期可靠运营，除了合理选取元件外，还须针对元件工作条件设立恰当保护办法。晶闸管重要需要四种保护：过电压保护和du/dt限制，过电流保护和di/dt限制。 图3.4 整流电路及晶闸管保护电路3.4.1 过电压保护和du/dt限制凡是超过晶闸管正常工作是承受最大峰值电压都算过电压。产生过压因素是电路中电感元件汇集能量骤然释放或是外界侵入电路大量电荷累积。按过压保护部位来分，有交流侧保护，直流侧保护和元件保护。元件保护重要是通过阻容吸取电路，连线如图4.4所示。阻容吸取电路参数计算式依照变压器铁芯磁场释放出来能量转化为电容器电场能量存储起来为根据。由于电容两端电压不能突变，因此可以有效抑制尖峰过电压。串阻目是为了在能量转化过程中能消耗一某些能量，并且抑制LC回路振荡。3.4.2 过电流保护和di/dt限制由于晶闸管热容量很小，一旦发生过电流时，温度就会急剧上升也许烧坏PN结，导致元件内部短路或开路。晶闸管发生过电流因素重要有：负载端过载或短路；某个晶闸管被击穿短路，导致其她元件过电流；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。晶闸管容许在短时间内承受一定过电流，因此过电流保护作用就在于当过电流发生时，在容许时间内将过电流切断，以防止元件损坏。晶闸管过电流保护办法有下列几种：1.迅速熔断器 普通熔断丝由于熔断时间长，用来保护晶闸管很也许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。因而必要采用专用于保护晶闸管迅速熔断器。迅速熔断器用是银质熔丝，在同样过电流倍数下，它可以在晶闸管损坏之前熔断，这是晶闸管过电流保护重要办法。2.硒堆保护 硒堆是一种非线性电阻元件，具备较陡反向特性。当硒堆上电压超过某一数值后，它电阻迅速减小，并且可以通过较大电流，把过电压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。本系统采用迅速熔断器对可控硅进行过流保护。3.4.3 整流电路参数计算(1)计算负载规定整流电路输出最大值；晶闸管正向压降，其数值为0.41.2V，普通取；n主电路中电流回路晶闸管个数；A抱负状况下时，整流输出电压与变压器二次侧相电压之比；C线路接线方式系数；电网电压波动系数，普通取；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重要阶段，因而双闭环系统基本上实现了电流受限制下迅速启动，运用了饱和非线性控制办法，达到“准时间最优控制”。带PI调节器双闭环调速系统尚有一种特点，就是转速必超调。在双闭环调速系统中，ASR作用是对转速抗扰调节并使之在稳态是无静差，其输出限幅决定容许最大电流。ACR作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压波动。启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起重要作用，调节启动电流保持最大，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运营时，转速负反馈外环起重要作用，使转速随转速给定电压变化而变化，电流内环跟随电流外环调节电机电枢电流以平衡负载电流。5. 收获与道谢通过了大概一周努力这次课程设计终于完毕了，但是由于时间太仓促因此不是太完美，每次课程时机均有收获，这次也不例外，通过这次课程设计我结识到运动控制不但仅是只学课本知识及就能学到其精髓，只有理论联系实际不断在生活中实践才干明白运动控制本质原理，同步这次实验也让我结识到了计算能力局限性，特别是复杂系统设计和整体系统参数计算。这让我感到了深深局限性，如果没有同窗指引和教师协助我是很难完毕，在此我要感谢所有给过我指引教师和协助我同窗，没有她们我也许还会在黑暗中摸索好长时间。6. 参照文献1 杜尚丰. CAN总线测控技术及其应用.北京：电子工业出版社，.12 杜树春.单片机C语言和汇编语言混合编程实例详解.北京：北京航空航天大学出版社，.63 王兆安，等.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，.4 张广溢，等.电机学M.重庆：重庆大学出版社，.5 王军.自动控制原理M.重庆：重庆大学出版社，.6 导向科技.Protel DXP电子电路设计培训教程M.北京：人民邮电大学出版社，.7 周渊深.交直流调速系统与Matlab仿真M.北京：中华人民共和国电力出版社，.8 陈伯时.电力拖动自动控制系统（第2版）M.北京： 机械工业出版社. 指引教师评语：课程设计报告成绩： ，占总成绩比例： 30% 课程设计其他环节成绩：环节名称： 考勤 ，成绩： ，占总成绩比例： 20% 环节名称： 综合 ，成绩： ，占总成绩比例： 50% 总 成 绩： 指引教师签字：年 月 日本次课程设计负责人意见：负责人签字：年 月 日