带转速微分负反馈直流双闭环调试系统设计.doc

成绩

运动控制系统
课程设计

题 目: 带转速微分负反馈直流双闭环调试系统设计
院系名称:
专业班级:
学生姓名:
学 号:
指导教师:
评语：

摘要
电力拖动实现了电能与机械能之间的能量转换，运动控制系统的任务是通过控制电动机电压、电流、频率等输入量，来改变工作机械的转矩、速度、位移等机械量，使各种工作机械按人们期望的要求运行，以满足生产工艺及其他应用的需要。直流电动机具有良好的启动、制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
单闭环系统用PI调节器实现转速稳态无静差，消除负载转矩干扰对转速稳态的影响。但单闭环系统并不能充分按照理想要求控制电流的动态过程。因此常采用双闭环系统，因为电流调节器是内环，因此首先设计电流调节器，对其进行必要的变化和近似处理，电流环设计完后，把电流环等效成转速环的一个环节进行处理，从而设计转速调节器。再根据设计要求设计转速微分负反馈，使系统的转速无超调。同时双闭环直流调速系统的设计进行了分析及其原理进行了一些说明，介绍了其主电路、检测电路的设计，并介绍电流调节器和转速调节器的设计和一些参数选择、计算，使其设计参数要求的指标。

关键词：双闭环系统 电流调节器 转速环 转速微分负反馈

目录

1 概述 1
2 设计要求与方案 1
2.1 设计要求 1
2.2 设计方案 1
3 系统电路的设计 3
3.1 转速给定电路的设计 3
3.2 系统主电路的设计 4
3.3 转速检测电路的设计 4
3.4 电流检测电路的设计 4
3.5 触发电路的设计 4
3.6 电流调节器电路的设计 4
3.7 转速调节器电路的设计 4
3.8 转速微分负反馈电路的设计 4
4 系统参数的整定 4
4.1 电流调节器参数的整定 4
4.1.1 电流调节器的简化与选型 4
4.1.2 电流调节器参数的计算 4
4.2 转速调节器参数的整定 4
4.2.1 转速调节器的简化与选型 4
4.2.2 转速调节器参数的计算 4
4.2.2 转速微分负反馈的计算 4
5 设计心得 4
6 参考文献 4

1 概述
闭环调速比开环调速具有更好的调速性能。而双闭环调速系统又要比单环调速系统具有更好的动态性能和抗扰性能。为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设计两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套连接。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；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统。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，但由于当转速调节器采用PI调节器时，转速必然有超调，该控制系统中要求转速超调为0，所以需引入转速微分负反馈来抑制消除超调。
2 设计要求与方案
2.1 设计要求
1. 稳态指标无静差，且动态指标的电流超调量σi ≤ 5%；采用转速微分负反馈使转速超调量等于0。
2. 确定设计方案。
3. 按照确定的方案设计单元电路。要求画出单元电路图，元件及元件参数选择要有依据，各单元电路的设计要有详细论述。
2.2 设计方案
根据设计要求确定该系统的设计方案。串级控制系统与单回路控制系统相比具有单回路控制系统的全部优点，同时有单回路控制系统没有的优点，如提高了被控对象的等效时间常数；提高了系统的工作频率；对负载的变化具有一定的自适应能力等。而且该系统有两个控制参数即被控制量，一个是电流，一个是转速。由于系统希望最终能获得很好的转速，所以主变量应为转速，即将转速环设置为外环；同时电流环就成为了内环。通过转速调节器和电流调节器控制系统的转速的变换，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。同时转速调节器和电流调节器使用PI调节器，从而获得更好地静态和动态性能。但由于当转速调节器采用PI调节器时，转速必然有超调，该控制系统中要求转速超调为0，所以需引入其他控制方式来抑制消除超调，可以采用转速微分负反馈。从而形成带转速微分负反馈直流双闭环调速系统设计。该系统的设计仍然采用直流双闭环调速系统设计，只是在最后单独设计转速微分负反馈。系统组成有电流调节器，转速调节器，电流变换器（检测电流值），整流电路，转速测量等。系统整流装置采用三相桥式整流，同时注意系统的过电保护。直流双闭环调速系统原理图如图2.2.1。直流双闭环调速系统动态结构图如图2.2.2所示。

图2.2.1 双闭环直流调速系统原理图
ASR——转速 ACR——电流调节器 TG——测速发电机
TA——电流互感器 UPE——电力电子变换器 ——转速给定电压
——转速反馈电压 ——电流给定电压 ——电流反馈电压

图2.2.2 双闭环调速系统的动态结构图
3 系统电路的设计
3.1 转速给定电路的设计
转速检测电路的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。转速给定电路设计图如图3.1所示。

图3.1 转速给定电路图
3.2 系统主电路的设计
主电路采用晶闸管三相全控整流，整流变压器将公共电网的交流电压变换成整流桥可用的电源电压，而整流晶闸管组构成三相全控桥，将交流电变换成直流电，从而作为直流电动机的电源电压。
直接整流得到的电流和电压往往有较大的脉动，若直接作为直流电动机的电源电压，将会引起电机振动及噪声。为此，需要在主电路的直流侧加入平波电抗器和RC滤波电路，从而减小整流器输出电流脉动以及输出电压脉动。系统主电路图如图3.2所示。

图3.2 系统主电路图
主电路中包含了系统的过电保护电路的设计。晶闸管的过电流保护，如图3.2，通过快速熔断器进行保护。晶闸管的过电压保护是通过并联RC电路。因直流侧的电压也会出现过电压，所以也需要通过RC电路来保护过电压对电路的影响。
3.3 转速检测电路的设计
转速检测电路的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3.3所示。

图3.3 转速检测电路图
3.4 电流检测电路的设计
电流检测电路的主要作用是获得与主电路电流成正比的电流信号，经过滤波整流后，用于控制系统中。该电路主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的电流信号，起到电气隔离的作用，其电路原理图如图3.4所示。

图3.4 电流检测电路图
3.5 触发电路的设计
由于设计中采用三相全控桥式整流电路，所以需要设计移向触发电路。采用K04可控硅移向触发器，K04输出两路相位差180度的移相脉冲，可方便地构成全控桥式触发电路。该电路具有输出负载能力大，移相性能好，正负半周相位值均衡性好，移相范围宽，对同步电压要求小。K04电路内部原理图如图3.5所示。

图3.5 K04电路内部原理图
C1接在T5的基极，组成密勒积分器，形成线性增大的锯齿波，锯齿波的斜率由“3”端外接的电阻和积分电容C1的数值所决定。T6是比较放大级，锯齿波、外部的移相电压及偏移电压在T6的基极进行综合比较放大，当输入T6基极的电流大于零时，T6导通，外接的R和C将T6集电极的脉冲进行微分，输入T7基极，在T7集电极得到一定宽度的移相脉冲。在T7集电极上得到的脉冲是正负半周都有的相隔180度的脉冲。经过T8和T12分别截去副半周和正半周的脉冲，得到正向和负向的触发脉冲。T9~ T15是功放极，分别对正、负半周的脉冲作功率放大，使两个输出端都有100mA的输出能力。 13、14端提供脉冲列调制和脉冲封锁的控制端。其中脉冲列调制和脉冲封锁是由KC41和KC42两种器件组成，经过它们的作用后，1和15端输出的脉冲触发序列可直接接与整流电路，使整流电路移相触发。
3.6 电流调节器电路的设计
电流调节器作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，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的抵抗作用。在转速动态过程中，保证获得电动机的最大电流，从而加快动态过程。当电动机过载甚至堵转时，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非常重要的。所以电流调节器电路的设计至关重要。
由于反馈信号检测中常含有谐波和其他扰动量，所以需加低通滤波，但由于低通滤波的引入，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等同时间常数的惯性环节，称作给定滤波环节。所以电流调节器应设计为含有给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器。设计电路图如图3.3所示。

图3.3 含有给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器电路原理图
图中为电流给定电压，为电流负反馈电压，为调节器的输出即电力电子变换器的控制电压。
根据运算放大器的电路原理，可推导出，， 。
3.7 转速调节器电路的设计
转速调节器作为外环，是调速系统的主导调节器，它使转速n很快的跟随给定电压变化，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。对负载的变化起抵抗作用。其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。所以转速调节器电路的设计也至关重要。同电流调节器原理，转速调节器给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型转速调节器。设计电路图如图3.7所示。

图3.7 含有给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型转速调节器电路原理图
根据运算放大器的电路原理，可推导出，， 。
3.8 转速微分负反馈电路的设计
由于转速有超调，所以需要引入转速微分负反馈。转速微分负反馈设计电路图如图3.8所示

图3.8含有给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型转速微分负反馈电路原理图
图中为微分电容，为滤波电阻

其中为要求允许的超调量。
4 系统参数的整定
4.1 电流调节器参数的整定
4.1.1 电流调节器的简化与选型
为了解决反电动势与电流反馈的作用的相互交叉，简化设计过程，我们将系统的作用过程做一定的简化处理。首先我们可以得到，对电流环来说，反电动势是一个变化缓慢的扰动，因此，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即有。这样，在按动态性能设计电流环时，我们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4.1.1所示。条件是。

图4.1.1 忽略反电动势影响的电流环动态结构图
如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改成，则电流环变等效成单位负反馈。如图4.1.2所示。

图4.1.2 等效成单位负反馈的电流环动态结构图
由于和一般都比小得多，可以当作小惯性群而近似地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简化成图4.1.3所示。简化的近似条件为。

图4.1.2 小惯性环节近似忽略后的电流环动态结构图
从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，从小惯性环节近似忽略后的电流环动态结构图可以看出，采用I型系统就够了。从动态要求上看，实际系统不希望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抵抗作用只是次要的因素，为此电流环应以跟随性能为主，即应选用典型I型系统。
传递函数： =
4.1.2 电流调节器参数的计算
(1) 整流装置滞后时间常数，三相桥式电路的平均失控时间：=0.0017s
(2) 电流滤波时间常数：=0.002s
(3) 电流环小时间常数之和。按小时间常数近似处理，取为：=+=0.0037s
（4检测对电源电压的抗扰性能：，参看课本表3—2的典型I型系统动态抗扰性能，各项指标都是能够接受的。
（5）电流调节器超前时间常数：==0.07s
电流环开环增益：=0.5，因此，于是，ACR的比例系数为
（6）校验近似条件
电流环截止频率：
检验晶闸管整流装置传递函数的近似条件
满足近似条件
检验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件
满足近似条件
检验电流环小时间常数近似处理条件
满足近似条件
（7）计算调节器的电阻和电容
按所用运算放大器取，则各电阻和电容值为：
取
取
取
按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随性能指标为：满足设计要求。
4.2 转速调节器参数的整定
4.2.1 转速调节器的简化与选型
用电流环的等效环节代替电流环后，整个转速控制系统的动态结构图如图4.2.1所示。

图4.2.1 用等效环节代替电流环后的转速动态结构图
把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成，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=+，等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理后如图4.2.2所示。

图4.2.2 等效成单位负反馈系统和小惯性的近似处理后转速动态结构图
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，由于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II型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。校正后如图4.2.3所示。

图4.2.3 校正后转速动态结构图
系统的传递函数：
4.2.2 转速调节器参数的计算
（1）时间常数的确定
电流环等效时间常数。
转速滤波时间常数。所用测速发电机波纹情况，取：=0.01s。
转速环小时间常数。按小时间常数近似处理，取：
（2）计算转速 调节器参数
要求h=5，则ASR 的超前时间常数为
转速环开环增益 于是，可以求得ASR的比例系数为
（3）校验近似条件
转速截止频率为：
电流环传递函数简化条件：满足简化条件
转速环小时间常数近似处理条件：满足近似条件。
（4）计算调节器电阻和电容
取,则电阻和电容分别为：
取
取
取
（5）校核转速超调量
当h=5时，根据课本表3—4可得，，不能满足设计的要求。
（6）按退饱和的方法重新计算超调量
可由课本中表3—5查得，，理想空载启动时z=0所以有
4.2.2 转速微分负反馈的计算
由转速微分负反馈电路可得，。所以取时，只要求出，则微分电容和微分电阻就可求出。加入微分负反馈的转速调节器的反馈参数的计算公式如下：
取，根据 取
取。
5 设计心得
本次课程设计是带转速微分负反馈的双闭环直流调速系统设计， 通过本次课程设计，我深刻了解到了自身的不足。理论知识和实践知识是不能等效的，在设计过程中遇到各种各样的难题。有时连最基本的软件VISIO都无法安装，一度使我想要放弃，最后在同学和老师的帮助下这些问题都解决了。但是更大的问题又来了，电路的设计等等，又使我陷入了巨大的麻烦中。了解到了自身的不足，又从图书馆借了几本书籍，同时在网上反反复复的查阅各种资料，以待问题能够成功解决。虽然问题都解决了，但是对自己还是很失望，感觉自己对知识的掌握还是很不够的。人只有不断的去学习才能更好地掌握知识，才能更好地充实自己。
运动控制作为自动化专业的一种基础，努力去掌握这样的一门技术，才能为之后的学习做好铺垫，才能够更好地去收获知识和能力。当然这几天的收获还是很大的。与同学们的合作，互相帮忙，问题解决后的喜悦。这些无疑不是得到的回报。在此再次感谢老师对于本次设计的帮助。
6 参考文献
[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社.第4版 2009
[2] 戴宗坤、罗万伯. 控制系统设计.北京：电子工业出版社.2002
[3] 王兆安、黄俊.电力电子技术.第4版.北京:机械工业出版社.2000
[4] 胡寿松.自动控制系统.第二版.科学出版社.2008
[5] 新编电力电子技术与运动控制系统实验教程.河南工业大学.林琪 臧义 苏宝平

17