課程設計---雙閉環(huán)調速系統(tǒng)

1、<p><b>　　摘 要 </b></p><p>　　在電氣時代的今天，電動機在工農業(yè)生產、人們日常生活中起著十分重要的作用。直流電機是最常見的一種電機，具有良好的起動、制動性能，宜于在寬范圍內平滑調速，在許多需要調速和快速正反向的電力拖動等各領域中領域中得到了廣泛的應用。因此研究直流電機的控制和測量方法，對提高控制精度和響應速度、節(jié)約能源等都具有重要的意義。電機調速問題一直是

2、自動化領域比較重要的問題。不同領域對于電機的調速性能有著不同的要求，因此，不同的調速方法有著不同的應用場合。</p><p>　　本文設計分析直流雙閉環(huán)的組成，設計直流雙閉環(huán)的系統(tǒng)電路圖，同時采用采用工程設計的方法對直流雙閉環(huán)的轉速和電流兩個調節(jié)器進行設計。同時雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計進行了分析及其原理進行了一些說明，介紹了其主電路、檢測電路的設計，并介紹電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器的設計和一些參數(shù)選擇、計算，使其設計

3、參數(shù)要求的指標。</p><p>　　關鍵詞：直流調速，雙閉環(huán)，原理圖，工程設計，參數(shù)整定，觸發(fā)電路</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 設計任務與分析·············

4、;·1</p><p>　　1.1設計內容···················1</p><p>　　1.2設計要求······&

5、#183;············1</p><p>　　1.3設計方案綜合分析···············1</p><p

6、>　　第二章 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)總體設計········3</p><p>　　2.1系統(tǒng)快速啟動過程類比分析···········3 2.2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)整體框圖···

7、·······5</p><p>　　第三章 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)電路設計········6</p><p>　　3.1系統(tǒng)主電路設計·········

8、·······6</p><p>　　3.2系統(tǒng)保護和整流電路的設計···········6</p><p>　　第四章 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)調節(jié)器設計 ····

9、3;·7</p><p>　　4.1電流調節(jié)器··················7</p><p>　　4.1.1電流調節(jié)器設計 ······

10、;········7</p><p>　　4.1.2電流調節(jié)器結構的選擇 ···········9</p><p>　　4.1.3電流調節(jié)器的參數(shù)····

11、3;········10</p><p>　　4,2轉速調節(jié)器 ·················12</p><p>　　4.2.1轉速調節(jié)

12、器設計··············12</p><p>　　4.2.2轉速調節(jié)器參數(shù)選擇············13</p><p>

13、;　　4.2.3校核轉速超調量··············15</p><p>　　第五章 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)仿真··········17

14、 心得體會 ····················18</p><p>　　參考文獻 ·········

15、··········18</p><p>　　第一章 設計任務與分析</p><p><b>　　1.1設計內容 </b></p><p>　　1.轉速調節(jié)器ASR及電流調節(jié)器ACR的設計；</p><p>　　2.轉速反

16、饋和電流反饋電路設計；</p><p>　　3.集成觸發(fā)電路設計；</p><p>　　4.主電路及其保護電路設計；</p><p><b>　　1.2設計要求</b></p><p>　　1．采用α＝β配合控制，能夠實現(xiàn)可逆運行，轉速和電流穩(wěn)態(tài)無差，電流超調量小于5％，轉速超調量小于10％。</p>&l

17、t;p>　　2. 對系統(tǒng)設計方案的先進性、實用性和可行性進行論證，說明系統(tǒng)工作原理。</p><p>　　3. 畫出單元電路圖，說明工作原理，給出系統(tǒng)參數(shù)計算過程。</p><p>　　4. 畫出整體電路原理圖，圖紙、元器件符號及文字符號符合國家標準。</p><p>　　1.3設計方案綜合分析</p><p>　　同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，

18、閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動或系統(tǒng)內部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會產生相應的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應特性。由于閉環(huán)系統(tǒng)的這些優(yōu)點因此選用閉環(huán)系統(tǒng)。</p><p>　　單閉環(huán)速度反饋調速系統(tǒng)，采用PI控制器時，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度誤差為零。</p><p>　　根據(jù)自動控制原理，

19、將系統(tǒng)的被調節(jié)量作為反饋引入系統(tǒng)，與給定量進行比較，用比較后的偏差對系統(tǒng)進行控制，可以有效地抑制甚至消除擾動的影響，而維持被調量很少的變化或不變，這就是反饋控制的基本作用。因此，在直流調速系統(tǒng)中把轉速反饋給系統(tǒng)，便形成轉速反饋控制直流調速系統(tǒng)，其有一定的抗擾動性能，如采用轉速PI調節(jié)器，還可以實現(xiàn)轉速穩(wěn)態(tài)無靜差系統(tǒng)。但是，如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求比較高，原因是因為轉速單閉環(huán)系統(tǒng)并不能充分按照理想要求控制電流的動態(tài)過程。為了實現(xiàn)在允許條件

20、下的最快起動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程。但是，我們希望在起動過程中只有電流負反饋，沒有轉速負反饋；在達到穩(wěn)態(tài)轉速后，又希望只有轉速負反饋，不再讓電流負反饋發(fā)揮作用。怎樣才能做到這種既存在轉速和電流兩種負反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢？轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)很好的解決了這個問題。所以自然考慮到將電樞電流也作為被控量，組成轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。</p><p>　　本課程設

21、計就要求結合給定的初始條件來完成雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計，其中包括繪制該調速系統(tǒng)的原理圖，對調節(jié)器進行工程設計，選擇調節(jié)器的參數(shù)等。要實現(xiàn)雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的設計需先對控制系統(tǒng)的組成及工作原理有一定深入的理解，弄清楚調速系統(tǒng)每個組成部分的作用，弄清楚轉速環(huán)和電流環(huán)的工作原理，合理選擇調節(jié)器的參數(shù)以便進行。</p><p>　　第二章 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)總體設計</p><p>　　2.1系

22、統(tǒng)快速啟動過程類比分析</p><p>　　帶電流截止負反饋的單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)起動過程如圖1-1 所示，起動電流達到最大值 Idm 后，受電流負反饋的作用降低下來，電機的電磁轉矩也隨之減小，加速過程延長。理想起動過程波形如圖1-2所示，這時，理起動電流呈方形波，轉速按線性增長。這是在最大電流（轉矩）受限制時調速系統(tǒng)所能獲得的最快的起動過程。 </p><p>　　圖 2.1 帶電流截

23、止負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)</p><p>　　圖2.2理想的快速起動過程</p><p>　　通過分析可知，為了實現(xiàn)在允許條件下的最快起動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過程。按為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，即分別引入轉速負反饋和電流負反饋。當調節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調

24、節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當于使該調節(jié)環(huán)開環(huán)。當調節(jié)器不飽和時，PI的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總為零。在實際的正常運行時，電流調節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，只有轉速調節(jié)器飽和和不飽和兩種情況。</p><p>　　最后是對其動態(tài)抗干擾性能的分析，對于調速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗干擾性能。主要是抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動的性能。就靜特性而言，系統(tǒng)對它們的抗干擾效果是

25、一樣的。但從動態(tài)性能上看，由于擾動作用點不同，存在著能否及時調節(jié)的差別。負載擾動能夠比較快地反映到被調量n上，從而得到調節(jié)，而電網(wǎng)電壓擾動的作用電力被調量稍遠，調節(jié)作用受到延滯，因此單閉環(huán)調速系統(tǒng)抑制電壓擾動的性能要差一點。</p><p>　　2.2雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)整體框圖</p><p>　　雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器, 即轉速調節(jié)器(ASR)和電流調節(jié)器(ACR), 分別

26、調節(jié)轉速和電流, 即分別引入轉速負反饋和電流負反饋，雙閉直流調速系統(tǒng)原理如圖2－1所示。 </p><p>　　圖2.3 轉速、電流雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)結構</p><p>　　ASR—轉速調節(jié)器 ACR—電流調節(jié)器 TG—測速發(fā)電機TA—電流互感器 UPE—電力電子變換器 </p><p>　　圖2.4 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)原理圖</p><

27、;p>　　圖中2-2表出，兩個調節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。</p><p>　　第三章 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)電路設計</p><p>　　3.1系統(tǒng)主電路的設計</p><p>　　圖3.1 V-M系統(tǒng)主電路原理圖</p><p>　　3.2系統(tǒng)保護和整流電路的設計</p><p>　　圖3.2整流及晶閘管保護

28、電路</p><p>　　晶閘管的過電壓保護，晶閘管的過電壓能力比一般的電器元件差，當它承受超過反向擊穿電壓時，也會被反向擊穿而損壞。如果正向超過管子的正向轉折電壓，會造成晶閘管硬開通，不僅使電路可能出現(xiàn)的過電壓，常采用簡單有效的過電壓保護措施。對于晶閘管的過電壓保護可參考主電路的過電壓保護，我們使用阻容保護。</p><p>　　第四章 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)調節(jié)器設計</p>

29、<p><b>　　4.1電流調節(jié)器</b></p><p>　　4.1.1電流調節(jié)器設計</p><p>　　用工程設計方法來設計轉速、電流反饋控制直流調速系統(tǒng)的原則是先內環(huán)后外環(huán)。因此，電流反饋作為內，首先進行電流調節(jié)器的設計，然后再進行轉速調節(jié)器的設計。雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)動態(tài)結構圖如圖4-1所示： &

30、lt;/p><p>　　圖4.1 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)動態(tài)結構圖</p><p>　　如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內，同時把給定信號改成U*i(s) /β </p><p>　　則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)。圖4.2電流環(huán)的動態(tài)結構框圖及其化簡（等效成單位負反饋系統(tǒng)），可以當作小慣性群而近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)為</p>&l

31、t;p>　　T∑i = Ts + Toi </p><p>　　查表得，三相橋式電路的平均失控時間為，電流濾波時間常數(shù).三相橋式電路的每個波頭的時間是3.3ms，為了基本濾平波頭，應有（1～2）=3.33ms，因此取=0.002s電流環(huán)小時間常數(shù)之和T∑i = Ts + Toi=0.0037s。電流環(huán)結構圖最終簡化成圖4-3。 </p><p>　　圖4.3電流環(huán)的動態(tài)結構框圖及其化

32、簡（小慣性環(huán)節(jié)的近似處理）</p><p>　　4.1.2、電流調節(jié)器結構的選擇</p><p>　　根據(jù)設計要求：電流超調量小于5％，轉速超調量小于10％,可按典型I型系統(tǒng)設計電路調節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調節(jié)器其傳遞函數(shù)為：</p><p>　　為了讓調節(jié)器零點與控制對象的大時間常數(shù)極點對消，選擇τi=Tl</p>&l

33、t;p>　　則電流環(huán)的動態(tài)結構圖便成為圖3-7所示的典型形式</p><p>　　圖4.4 電流環(huán)的典型形式</p><p>　　電樞回路電磁時間常數(shù)：Tl=0.03s。</p><p>　　檢查對電源電壓的抗擾性能： ，參照典型I型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能指標與參數(shù)的關系表1，可知各項指標都是可以接受的。&l

34、t;/p><p>　　4.1.3電流調節(jié)器的參數(shù)</p><p>　　計算電流調節(jié)器參數(shù) </p><p>　　電流調節(jié)器超前時間常數(shù)：。電流開環(huán)增益：要求時，查表得，應選取</p><p><b>　　，因此，有：</b></p><p>　　于是，ACR的比例系數(shù)為：。</p>&l

35、t;p><b>　?。?）校驗近似條件</b></p><p><b>　　電流環(huán)截止頻率：</b></p><p>　　1） 校驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件</p><p><b>　　，滿足近似條件。</b></p><p>　　2） 校驗忽略反電動勢變化對電流

36、環(huán)動態(tài)影響的條件</p><p><b>　　，滿足近似條件。</b></p><p>　　3） 校驗電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件</p><p><b>　　，滿足近似條件。</b></p><p>　?。?）計算調節(jié)器電阻和電容</p><p>　　電流調節(jié)器原理圖如圖3

37、-4所示，按所用運算放大器取，各電阻和電容值計算如下：</p><p><b>　　，取</b></p><p><b>　　，取</b></p><p><b>　　，取</b></p><p>　　按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨性能指標為：，滿足設計要求。</

38、p><p>　　圖4.5 含濾波環(huán)節(jié)的PI型電流調節(jié)器</p><p><b>　　4.2轉速調節(jié)器</b></p><p>　　4.2.1轉速調節(jié)器設計</p><p>　　轉速調節(jié)器的結構用電流環(huán)的等效代替圖4-1的電流環(huán)后，電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為</p><p>　　進行工程近似計算后，整個轉速

39、控制動態(tài)系統(tǒng)結構如圖所示4.6所示</p><p>　　圖4.6用等效環(huán)代替電流環(huán)后轉速環(huán)的代替結構框圖</p><p>　　4.2.2轉速調節(jié)器參數(shù)選擇</p><p><b>　?。?）確定時間常數(shù)</b></p><p>　　1）電流環(huán)等效時間常數(shù)。由電流調節(jié)器設計時，已取，則</p><p&g

40、t;　　2）轉速濾波時間常數(shù)。根據(jù)所用速發(fā)電機汶波情況，取。</p><p>　　3）轉速環(huán)小時間常數(shù)。按小時間常數(shù)近似處理，取</p><p>　?。?）選擇轉速調節(jié)器結構</p><p>　　根據(jù)設計要求，并且轉速無靜差，因此可選擇PI調節(jié)器，其含給定濾波與反饋濾波結構如圖3—5所示，其傳遞函數(shù)為：</p><p>　?。?）計算轉速調節(jié)

41、器參數(shù)</p><p>　　按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則ASR的超前時間常數(shù)為：</p><p>　　則轉速環(huán)開壞增益為：</p><p><b>　　。</b></p><p>　　則直流電動機的電動系數(shù)為：</p><p>　　因此，可計算出ASR比例系數(shù)為：</p>&

42、lt;p><b>　　（4）檢驗近似條件</b></p><p>　　轉速環(huán)截止頻率為：。</p><p>　　1） 電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件</p><p><b>　　，滿足簡化條件</b></p><p>　　2） 轉速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件</p><p>&l

43、t;b>　　，滿足近似條件</b></p><p>　?。?）計算調節(jié)器電阻和電容</p><p>　　轉速調節(jié)器原理圖如圖3-5所示，取，則</p><p><b>　　，取</b></p><p><b>　　，取1.28</b></p><p><

44、;b>　　，取</b></p><p>　　4.2.3校核轉速超調量</p><p>　　實際上超調量計算如下：</p><p>　　因此，以上所述參數(shù)，滿足設計要求。</p><p>　　第五章 雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)仿真</p><p>　　雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的電流環(huán)仿真圖如圖5.2所示：</p

45、><p>　　圖5.1 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的電流環(huán)仿真圖</p><p><b>　　心得體會</b></p><p>　　通過兩周的課程設計，我首先對直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)有了更深的認識，加深了理解，是對課堂所學知識的一次很好的應用。我想無論是在學習還是在生活上只有自己有心去學習和參與才可能有收獲，這也算是這次設計給我的一點小小的感悟。</p&g

46、t;<p>　　以前一直覺得理論知識離我們很遠，經過課程設計，才發(fā)現(xiàn)理論知識與生活的聯(lián)系。這大大激發(fā)了我學習書本知識的興趣。再者我們學習的是工科，不單純只是理論方面的的工作，還應該考慮到實際情況。</p><p>　　本課題在查找了大量資料的基礎上完成。由于直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)屬于多環(huán)控制系統(tǒng)。在設計時采用由內向外，一環(huán)包圍一環(huán)的系統(tǒng)結構。在具體設計時，先從內環(huán)（電流環(huán)）開始，根據(jù)電流控制要求，把電流

47、環(huán)校正為典Ⅰ系統(tǒng)，按照調節(jié)對象選擇調節(jié)器及其參數(shù)。設計完電流環(huán)后，就把電流環(huán)等效成一個小慣性環(huán)節(jié)，作為轉速環(huán)的一個組成部分，然后用同樣的方法進行轉速環(huán)的設計。每個環(huán)的設計都是把該環(huán)校正成典型系統(tǒng)，以便獲得預期的性能指標。設計完后再結合雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的基本工作原理確定兩個調節(jié)器的限幅值。</p><p>　　總之，在設計過程中，我不僅學到了以前從未接觸過的新知識，而且學會了獨立的去發(fā)現(xiàn)，面對，分析，解決新問題的能力

48、，不僅學到了知識，又鍛煉了自己的能力，使我受益非淺。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]電力電子技術（第5版） 王兆安 劉進軍 主編 機械工業(yè)出版社</p><p>　　[2]自動控制原理 王萬良 編著 高等教育出版社</p><p>　　[3]電機與拖動基礎（第3版） 李發(fā)海 王巖

49、 編著 清華大學出版社</p><p>　　[4]運動控制實驗指導書 武漢理工大學華夏學院教務處</p><p>　　[5]自動控制理論（第2版）夏得砛 翁貽方 機械工業(yè)出版社</p><p>　　[6]電力拖動自動控制系統(tǒng)—運動控制系統(tǒng)（第4版） 陳伯時 阮毅 主編 機械工業(yè)出版社</p><p>　　[7]電力拖動自動控制系統(tǒng) 第2版