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含有电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统设计要点

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2020年4月19日
文档仅供参考

课程设计（论文）任务书

专 业

班 级

学 生

指导教师

题 目
电力拖动自动控制课程设计
子 题
含有电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统设计
设计时间
12月 10 日 至 年 12月 21日 共 2周
设计要求
设计目的
1. 经过课程设计掌握电流负反馈的转速负反馈直流调速系统分析与设计方法。
2. 掌握含电流截止负反馈的转速负反馈调速系统的组成，分析设计内容。
3. 根据实际情况，掌握设计调节器的一般方法。
4. 培养自己科学严谨的治学态度。
设计内容
1. 电流截止环节的意义和引出方法。
2. 电流截止环节对系统的静态和动态特性有何影响。
3. 稳态有静差，怎样减小静差。
4. 动态过程的稳定条件如何界定。
5. 详细分析含电流截止负反馈的转速负反馈调速系统的静特性。
6. 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=0.2Ω。
时间常数：Tl=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：

1总体方案设计
带电流截止负反馈的转速负反馈的设计方案
本文主要分别从介绍电流截止负反馈和转速负反馈的调节器的设计出发，将各自的特点结合再经过数字式绘图进行原理结构的设计，其总的数字式实现结构有以下部分:
1、变压器部分
此部分是将电网电压引入，再将其设计为三种方式的输出，分别是为电流互感器部分提供电压的变压器1，为稳压模块提供电压的变压器3,和为控制信号产生部分提供电压的变压器2.
2、主电路部分
此部分理所当然是整个设计的核心部分，其当中有控制对象——电机，还有我们主要需要设计出的控制晶闸管的开断信号，当然其中的转速反馈电压也是从此部分输出。
3、电流互感器部分
此部分为电流截止负反馈部分提供反馈电流信号的核心部分，反馈电流信号将从这里引出经过晶闸管从而进入主控电路。
4、ASR和电流截止部分
真个调速系统的主控部分，这个调速系统的调速性质就由这个部分决定，其中包括了电流截止负反馈电路和转速负反馈电路。
5、稳压模块
为控制信号模块和一些其它需要供电的集成模块器件供电。
6控制信号产生部分
此部分主要是产生控制前面主电路部分的晶闸管开通与关断的，以有效地控制电机的转动。
7、控制信号的放大驱动部分
辅助控制信号产生部分，使其产生更精确，更稳定的控制信号，以使电机更好的运行。
2带电流截止负反馈的转速负反馈的分析与设计
n 2.1电流截止负反馈的分析与设计
问题的提出：
（1）起动的冲击电流---直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不但对电机换向不利，对过载能力低的电力电子器件来说，更是不能允许的。
（2）闭环调速系统突加给定起动的冲击电流---采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压仍为零，相当于偏差电压，差不多是其稳态工作值的 1+K 倍。这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压一下子就达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，当然是不允许的。
（3）堵转电流---有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。例如，由于故障，机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。
为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。那么，引入电流负反馈，应该能够保持电流基本不变，使它不超过允许值。
经过对电流负反馈和转速负反馈的分析。考虑到，限流作用只需在起动和堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随着负载增减，采用电流截止负反馈的方法，则当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。电流截止负反馈环节如下图：

.

（a）利用独立直流电源作比较电压 （b）利用稳压管产生比较电压

（c）封锁运算放大器的电流截止负反馈环节
图1 电流截止负反馈的环节
图（a）中用独立的直流电源作为比较电压，其大小可用电位器调节，相当于调节截止电流。图（b）中利用稳压管VS的击穿电压Ubr作比较电压，线路要简单得多，但不能平滑的调节电流值。图（c）是反馈环节与运放的连接电路。
系统稳态结构：

图2 电流截止负反馈环节的I/O特性 图3 带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态系统结构框图
由图2 可写出该系统两段静特性的方程式：

当时，引入电流负反馈，静特性变为：
（1）
图4 带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性
静特性的几个特点：
（1）电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻 Kp Ks Rs ，因而稳态速降极大，
特性急剧下垂。
（2）比较电压 Ucom 与给定电压 Un* 的作用一致， 好象把理想空载转速提高到

（3）两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性。当挖土机遇到坚硬的石块而过载时，电
动机停下，电流也不过是堵转电流，在式（1）中，令 n = 0，得
一般,因此
（4）最大截止电流
应小于电机允许的最大电流，一般取 ： Idbl =（1.5~2.0） IN
从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，
一般取： Idcr ≥（1.1~1.2）IN
（5）调速系统的起动过程

图（a）带电流截止负反馈单闭环调速系统 图(b)理想的快速启动过程
图5 调速系统的起动过程
n 转速负反馈环节的设计
1确定时间常数：
有则，已知转速环滤波时间常数=0.01s，故转速环小时间常数。
2选择转速调节器结构：
按设计要求，选用PI调节器
3计算转速调节器参数：
按跟随和抗干扰性能较好原则，取h=5,则ASR的超前时间常数为：，

转速环开环增益 。
ASR的比例系数为：。
4检验近似条件
转速环截止频率为。
电流环传递函数简化条件为，满足条件。
转速环小时间常数近似处理条件为：，满足近似条件。
5计算调节器电阻和电容：
取=40，则，取1.2。
，取64
，取1。
故。其结构图如下：

图6 转速调节器
6校核转速超调量：
计算，设理想空载z=0，h=5时，查得=81.2%，因此=2（）（）=，满足设计要求.
2.3电源设计
该模块的主要功能是为转速给定电路提供电源，众所周知，电源是一切电路的心脏，其性能在很大程度上影响着整个电路的性能。为使系统很好的工作，本文特设计一款15V的直流稳压电源供电，其电路图如图2.3所示。直流稳压电源主要由两部分组成：整流电路和滤波电路。整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向导通作用，因此二极管是组成整流电路的关键元件。在小功率（1KW）整流电路中，常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。本设计采用桥式整流电路，其主要特点如下：输出电压高，纹波电压小，管子所承受的最大反向电压较低，电源变压器充分利用，效率高。

图7 15V电源电路原理图
滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两侧并联电容器；或在整流电路输出端与负载间串联电感L，以及由电容、电感组合而成的各种复式滤波电路
2.4 控制电路设计
本控制系统采用含电流截止负反馈的转速负反馈结构，其原理图如图2.4所示。

图8 含电流截止负反馈的转速负反馈原理图
图中的电动机的电枢回路由晶闸管组成的三相桥式整流电路供电，经过与电动机同轴刚性连接的测速发电机TG检测电动机的转速，并经转速反馈环节分压后取出合适的转速反馈信号，此电压与转速给定信号经速度调节器ASR综合调节，ASR的输出作为移相触发器的控制电压，由此组成转速负反馈单闭环直流调速系统。
在本系统中ASR采用比例积分调节器，属于无静差调速系统。为了防止在起动和运行过程中出现过大的电流冲击，系统引入了电流截止负反馈。由电流变换器取出与电流成正比的电压信号，当电枢回路电流超过一定值时，将稳压管VS击穿，送出电流反馈信号进入ASR输入端进行综合，以限止电流不超过其允许的最大值。改变即可调节电动机的转速。

图8无静差直流调速系统稳态结构图（）

图9无静差直流调速系统稳态结构图（）
2.5 触发电路的设计

电路组成： 由三路相同的部分：同步过零和极性检测、锯齿波形成、锯齿波比较，经过抗干扰锁定、脉冲形成等电路形成三相触发调制脉冲或方波，由脉冲分配电路实现全控、半控的工作方式，再由驱动电路完成输出驱动。  电路原理： 三相同步电压经过T型网络进入电路，同步电压的零点设计为1/2电源电压（电路输入端同步电压峰峰值不宜大于电源电压），经过过零检测和极性判别电路检测出零点和极性后，在Ca、Cb、Cc三个电容上积分形成锯齿波。由于采用集中式恒流源，相对误差极小，锯齿波有良好的线性。电容的选取应相对误差小，产生锯齿波幅度大且不平顶为宜。锯齿波在比较器中与移相电压比较取得交相点，移相电压由4脚经过电位器或外电路调节而取得。抗干扰电路具有锁定功能，在交相点以后锯齿波或移相电压的波动将不能影响输出，保证交相唯一而且稳定。 脉冲形成电路是由脉冲发生器给出调制脉冲（TC787），调制脉冲宽度可经过改变Cx电容的值来确定，需要宽则增大Cx，窄则减小Cx, 1000P电容约产生100μS的脉冲宽度。被调制脉冲的频率-8/调制脉冲宽度。 脉冲分配及驱动电路是由6脚控制脉冲分配的输出方式，6脚接低电平VL，输出为半控方式，12、11、10、9、8、7分别输出A、-C、B、-A、C、-B的单触发脉冲，6脚接高电平VH，输出为全控方式，分别输出A、-C；-C、B；B、-A；-A、C；C、-B；-B、A的双触发脉冲，用户能够选择。5脚为保护端，当系统出现过流过压时，将5脚置高电平VH，输出脉冲即被禁止。5脚还能够用作过零触发系统的控制端，输出端可驱动功率管，经脉冲变压器触发可控硅；也可直接驱动光电耦合器，经隔离触发可控硅或驱动三级管。电路如图2.7所示

图2.7 TC787引脚及外围电路图
2.6总电路原理图如下

2.7结论
本文实现了带电流截止负反馈的转速负反馈的直流调速系统的设计，介绍了带电流截止负反馈的转速负反馈的基本原理。用Protel绘制出了系统的工作原理图，数字式结构相比模拟电路而言，大大简化了系统的结构，且参数易于修改，灵活性大大加强，具有很强的实际意义。经过分析与设计，可发现此种调速系统结合巧妙地结合两种方法的优点，使得它更具通用性和实用性，但同时它也有一些弊端，在更高精度的控制下，还是得设计更为精密的系统。
2.8心得体会
经过本次课程设计，使我对电流负反馈的转速负反馈直流调速系统分析与设计方法有了更加深刻的认识，为以后的学习和工作打下了坚实的基础。在大学的课堂的学习只是在给我们灌输专业知识，指导我们学习的方向。如果我们想把所学的用到我们现实的生活中去，则必须要有扎实的理论基础，此次的设计为我奠定了一个理论基础，同时我会在以后的学习、生活中磨练自己，使自己更好的将理论与实践相结合，以取得更好的成果。另外在查找资料的过程中我也学到了许多新的知识，在和同学协作过程中增进同学间的友谊，使我对团队精神的积极性和重要性有了更加充分的理解。
经过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己的知识和综合素质。总之，万事开头难，知识必须经过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，因此我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。

3 参考文献
1.《电力拖动自动控制系统》 陈伯时.机械工业出版社.
2.《电力拖动自动控制系统设计手册》 朱仁初.机械工业出版社.
3.《电力电子技术》 王兆安 刘进军.机械工业出版社.
4.《电力拖动自动控制系统》 张明达.冶金工业出版社.
5.《电气传动控制系统的设计》 周德泽.机械工业出版社.